一种大尺寸高径厚比拼焊板压鼓预成形高精度控制方法

技术领域

本申请涉及航天用大型贮箱整体化制造的技术领域，特别是一种大尺寸高径厚比拼焊板压鼓预成形高精度控制方法。

背景技术

贮箱是运载火箭箭体结构的核心部件，体积占全箭的2/3左右。贮箱既是结构件，又是功能件，工作环境恶劣，制造质量要求非常严格。多年来，受国内基础工业条件和成形装备能力限制，在大宽幅板材、大吨位和大规格成形设备条件缺失情况下，现役运载火箭贮箱箱底制造方案为拼焊，由于零件数量较多，单个零件制造工艺复杂，随着航天科技的发展、国际市场的竞争及型号高密度发射的迫切需求，目前箱底制造工艺方面暴露出诸多问题及不适应性。

我国运载能力最大的火箭及下一代重点发展的重型运载火箭的核心部件均含有5米直径低温贮箱，但是受工艺装备限制，5米直径箱底均采用顶盖+瓜瓣拼焊接结构。一方面，国内旋压成形技术起步较晚，5米直径箱底旋压成形技术在国内仍是空白。另一方面，由于国内板材加工能力的限制，超大尺寸板材目前难以采购到，因此5米直径箱底的原材料需要拼焊成形后，进行压鼓和旋压成形加工，焊缝区因焊接接头强度低、气孔等缺陷，极易造成应力集中，出现焊缝裂纹。目前，国内在大尺寸拼焊板结构件高精度压鼓成形方面仍是空白。

发明内容

本申请提供一种大尺寸高径厚比拼焊板压鼓预成形高精度控制方法，分多道次用小压力进行点控精确轨迹控制成形，减少模具更换频次，最终实现成形精度控制在1.5mm范围内，极大提高了大尺寸高径厚比拼焊板结构件的压鼓成形精度。

第一方面，提供了一种压鼓预成形方法，其特征在于，包括：

使用第一套模具，对板料整面执行多次压制工艺；

使用第二套模具，对所述板料整面执行多次压制工艺；

所述第一套模具和所述第二套模具均对应相同的开口直径，所述开口直径为800～1000mm；

所述第一套模具对应的曲率半径大于所述第二套模具对应的曲率半径，所述第一套模具和所述第二套模具对应的曲率半径均通过所述开口直径和弦高差H确定，所述弦高差H为凹模底面中心到凹模开口中心的高度差，所述弦高差H满足：H＝δ+(60～80)mm，δ为所述板料的厚度。

与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：

上述模具可以实现渐变曲率，并实现对拼焊板大构件的精确面控制、点控制，解决突变点应力集中问题，解决了旋压尾顶区精度差、成形刚性差容易反背等现象，为大型贮箱箱底整体旋压高精度成形奠定基础。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一套模具和所述第二套模具对应的曲率半径满足以下任一项：

所述第一套模具对应的曲率半径为2500mm，所述第二套模具对应的曲率半径为1900mm；

所述第一套模具对应的曲率半径为1900mm，所述第二套模具对应的曲率半径为1500mm；

所述第一套模具对应的曲率半径为1500mm，所述第二套模具对应的曲率半径为1250mm。

不同模具之间的曲率半径过渡量可以不同，有利于实现压鼓成形工艺的平滑过渡。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述对板料整面执行多次压制工艺，包括：

调整所述板料在模具中的位置，使所述板料圆心标记处与模具中心对齐，并在所述板料圆心标记处进行预压；

以所述板料圆心标记处为中心，对所述板料执行周向压制，包括：

由所述圆心标记处沿轴向进给N个预压步长，每进给一次所述预压步长后，沿所述圆心标记处为圆心、进给位置所在的圆执行周向压制，直至板料被整面压制。

通过分多道次进行点控精确轨迹控制成形，减少模具更换频次，最终实现成形精度控制在1.5mm范围内，极大提高了大尺寸高径厚比拼焊板结构件的压鼓成形精度。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述多次压制工艺包括多次整面压制工序，所述多次压制工艺的预压力满足以下至少一项：

首次整面压制的预压力为2～3Mpa；

第二次整面压制的预压力为3.5～5Mpa；

相邻两次整面压制的预压力增量为2Mpa。

预压力合理递增，有利于在整面压制次数相对较少的情况下实现板料的均匀成形，避免出现焊缝缺陷等工艺问题。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述周向压制过程中，相邻两锤之间的距离L为1/3～1/2模具开口半径。

落锤间距合理，有利于在落锤次数相对较少的情况下实现板料的均匀成形，避免出现焊缝缺陷等工艺问题。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述预压步长为300～500mm。

落锤进给量合理，有利于在落锤次数相对较少的情况下实现板料的均匀成形，避免出现焊缝缺陷等工艺问题。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述多次压制工艺包括多次整面压制工序，相邻两次整面压制工序的初始加压方位相差90°。

相邻两次整面压制工序的初始加压方位相差90°，有利于提高加工均匀性。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述方法还包括：

以第一突变点为中心进行环向点压修整；

对所述第一突变点进行轴向修整。

用小压力进行点控精确轨迹控制成形，实现成形精度控制在1.5mm范围内，极大提高了大尺寸高径厚比拼焊板结构件的压鼓成形精度。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述环向点压修整满足：

修整位置与第一突变点的距离为400～600mm；

环向点压修整的预压力为1～2Mpa；

相邻两锤之间的距离为150～250mm。

小压力点控成形参数设置合理，有利于优化工艺，且有利于提升板料成形质量。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述轴向为所述环向点压修整后新产生的第二突变点和所述第一突变点的连线。

制定修整轨迹，将应力进行轴向释放，可以将突变点朝向板料边缘赶出。

附图说明

图1为贮箱箱底拼焊流程示意图。

图2为压鼓成形结构示意图。

图3为压鼓成形结构示意图

图4为落锤位置示意图。

图5为局部突变点修整方法示意图。

图6为突变点放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。

压力容器用的工业封头进行压鼓成形时，普遍采用大压力多模具进行成形，成形时整个面作用施加压力进行成形，成形面不易精确控制、成形精度相对较低，无法满足高精度成形要求。成形过程中，需要通过多次更换模具成形所需型面，生产成本和人力成本大大提高。

但针对运载火箭5米级大尺寸贮箱结构件的高精度需求，传统制造方式远不能满足。大尺寸结构件易在成形过程中产生扭曲、变形且圆度不易控制，通过简单压鼓或单纯更换模具较难成形出所需型面。同时基于压鼓成形装备和模具设计的基本特点，压鼓成形属于低精度粗加工成形工序，也使得压鼓成形的高精度控制极其困难。

旋压成形主要工序为：拼焊预制→压鼓预成形→旋压成形。压鼓成形可以减小后续旋压成形的变形量，防止后续旋压过程中出现失稳现象，而且将坯料预成形为收口型，可以防止坯料边缘在旋压成形过程中过度起翘，因此压鼓成形的型面精度控制程度直接决定旋压成形的成败。

图2是本申请实施例提供一种压鼓预成形高精度控制方法。根据大尺寸高径厚比电子束拼焊板尺寸特征及产品精度要求，利用多道次渐变曲率成形技术，分多道次用小压力进行点控精确轨迹控制成形，实现精确面控制、点控制，最终实现成形精度控制在1.5mm范围内，生产出满足旋压尾顶区高精度要求的零件产品，极大提高了大尺寸高径厚比拼焊板结构件的压鼓成形精度。另外还可以减少模具更换频次。多道次渐变曲率成形技术成形具体技术方案如下。

(1)模具设计

本申请考虑拼焊板厚度δ及产品曲率半径R，对预成形模具进行匹配选用，以便于实现局部面控制、点控制成形。

如图3所示，凹模根据零件成形型面弧度要求，在标准模具开口直径(凹模开口轮廓的直径)R1000mm的基础上，选定弦高差H＝δ+(60～80)mm，并利用弦高差及三点成圆拟定多个凹模曲率半径SR

在一些实施例中，设计得到曲率半径SR

为保障板料产生足够变形量，凸模的曲率半径SR

(2)多道次渐变曲率成形控制

1)划线及测量

如图4所示，确定并圆心标记处。沿焊缝及垂直焊缝方向进行“十字”刻线，刻线交点可以作为圆心标记处。对拼焊板沿焊缝及垂直方向(共计4个象限)测量并记录厚度值，对于厚度偏差值大于1.5mm的突变区进行标记。

2)压制成形

①对板料整面执行第一压制工艺。第一压制工艺的预压力可以为2～3Mpa。

具体地，调整板料在模具中的位置，使板料圆心标记处与模具中心对齐。在圆心标记处进行2.5Mpa预压，使其产生明显塑性变形。压制后可以观察板料变形量情况。

之后可以执行周向均匀压制。由板料的圆心标记处沿轴向进给第一预压步长(可以取值300～500mm，例如400mm)，并沿圆心标记处为圆心、第一预压步长为半径定义的圆，执行周向均匀压制。每两锤之间的位置示意图如图4所示。后一锤中心落到前一锤的边缘附近，L控制为1/3～1/2模具开口半径。由此可有效控制产品整体圆度和平整圆滑度。完成每圈压制后，可以继续沿轴向向外进给第一预压步长，直至板料被整面压制。

每次压制板料时，可以旋转板料，以调整板料相对于模具的摆放方位和摆放位置。通过在垂直焊缝边缘处喷涂作为后续旋转标记，可以便于板料旋转定位。

②用样板测量型面间隙。

具体地，可以通过测厚仪测量厚度减薄量。测量时，可以沿焊缝方向和垂直焊缝方向共计4个象限进行测量，并记录数据。

③放大镜观测内外表面焊缝形貌，注意是否产生裂纹，记录数据。

④对板料整面执行第二压制工艺。第二压制工艺的预压力可以为3.5～5Mpa。

具体地，进行第二压制工艺时，旋转板料，使第二压制工艺的初始加压方位与第一压制工艺的初始加压方位呈90°。当板料圆心标记处与模具中心对齐时，在第二压制工艺中板料相对于模具的方位可以与在第一压制工艺中板料相对于模具的方位呈90°。在圆心标记处进行4Mpa预压。

之后可以执行周向均匀压制。由板料的圆心标记处沿轴向进给第二预压步长(例如300～500mm)，并沿圆心标记处为圆心、第二预压步长为半径定义的圆，执行周向均匀压制。为使第二压制工艺的初始加压方位与第一压制工艺的初始加压方位呈90°，第二压制工艺中每一圈的起始位置和圆心标记处的连线，与第一压制工艺中每一圈的起始位置和圆心标记处的连线呈90°。每两锤之间的位置示意图如图4所示。后一锤中心落到前一锤的边缘附近，L控制为1/3-1/2模具平面半径。由此可有效控制产品整体圆度和平整圆滑度。完成每圈压制后，可以继续沿轴向向外进给第一预压步长，直至板料被整面压制。

⑤按照步骤②-③方法进行数据记录并观测焊缝形貌，如无异常，继续进行压制。

⑥以2MPa为变化压力增量，循环执行压制工艺，压制工艺的具体方式可以参照上述步骤①或④。压制完毕后可以参照上述步骤②进行型面间隙测量，即测量板料和样板之间的间隙。直至型面间隙不发生明显变化时，

可更换下一套曲率半径更小的模具。

⑦更换模具后重新执行上述步骤①⑥。

3)局部突变点小压力精确成形

由于零件为大尺寸结构件，在焊缝处和均质母材区强度明显差异，经过多道次预压成形，极易在成形过程产生象限不对称，局部型面扭曲现象，因应力集中无法释放产生局部突变的现象，即沿焊缝方向和垂直焊缝方向变形量差异较大。

普遍工艺时需要对产品进行大压力多道次模具更换，即边缘大压力实现整体曲面圆滑过渡，但同时对焊缝的抗变形能力带来了新的调整，极易因成形力过大造成焊缝应力集中，导致破裂。

为保证产品成形高精度，采用弱压力集点控制，需要对局部突变点进行成形，如下图所示：

①根据观察结果，标示出板料上的突变点。

图5、图6中浅灰区域示出了突变点。成形过程采用做好标示，便于操作者观察操作。

②距离突变点中心半径为r(可以取值400～600mm，例如500mm)的范围内进行环向点压修整，实现将应力进行环向释放。

可以优先进行临近中心端修整。界定修整顺序，可有效减弱突变点内移，制约成形平衡点。弱压力选取为小压力1～2Mpa(例如1.5MPa)，弱化面接触作用，实现集点成形。相邻两个落锤中心之间的间距可以为150～250mm(例如200mm)。

③沿轴向方向进行修整。

制定修整轨迹，将应力进行轴向释放，可以将突变点朝向板料边缘赶出。具体地，在对突变点周进行环向点呀修整后，可能在突变点周围形成新的突变点。新的突变点中新和最初突变点中心的连线可以是该轴向修整的方向。在锤击过程中，勤测量突变点处变形量，使变形量控制在1.5mm范围内。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。