一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法技术

本发明专利技术属于大直径铝合金筒形壳体制造技术领域，具体涉及一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法。本发明专利技术技术方案通过采取塑性成形代替铸造，研究环轧、旋压、电子束焊接的工艺组合，大型铝合金筒形壳段的制造采用先环轧、再旋压的塑性成形方案进行中部的筒状环形件研制，然后将两个端框分别与筒状环形件两端电子束焊接，控制产品的形-性状态，可以满足产品使用性能的要求。

Method for manufacturing large diameter aluminium alloy high performance cylindrical shell

The invention belongs to the technical field of manufacturing large diameter aluminum alloy cylindrical shell, in particular to a manufacturing method of a large diameter aluminum alloy high performance cylindrical shell. The technical scheme of the invention by adopting plastic forming instead of casting, rolling and spinning process of ring combination, electron beam welding, the manufacture of large Aluminum Alloy cylindrical shell section of the first ring rolling and spinning forming scheme developed a central cylindrical ring, and then the two end frame and the cylinder respectively. Annular parts at both ends of the electron beam welding, control of product shape - state, can meet the requirements of the performance of products.

【技术实现步骤摘要】
一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法
本专利技术属于大直径铝合金筒形壳体制造
，具体涉及一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法。
技术介绍
高强铝合金壳体结构制造技术是航天器结构制造技术体系中的重要组成部分。传统航天器的壳段广泛采用整体铸件机械加工成形工艺方案，整体铸造具有生产周期短、成本低等优点。但整体铸造方案因铸造缺陷，如微疏松、缩孔等，对材料力学性能、延伸率及稳定性产生一定影响。另外，复杂区域铸造缺陷的检测困难，后续机加往往会暴露出内部缺陷，造成对接表面出坑等，并且缺陷在生产过程中暴露较晚，对生产成本和生产周期造成较大影响。对于内部质量要求高、力学性能稳定性好的壳体结构制造难以满足需要。航天器级与级之间通过级间壳体连接，是相对薄弱的部位，在强大的压力和弯矩载荷冲击作用下，级间壳体容易发生失效和破坏。因此对壳段性能和内部质量稳定性提出了更高要求。亟需通过提高产品工艺和质量可靠性，保证产品生产进度，满足型号高密度、高风险发射任务需求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对Ф2000mm级高性能筒形壳段的研制，以航天器铝合金二三级级间段壳体为研究对象，采取环轧、旋压、电子束焊接、热处理、机加等工艺组合技术方案，实现高强铝合金环形件环轧及旋压组合近净成型，筒形壳体形-性协调技术研究，保证筒形壳体的本体性能指标和焊接接头的性能指标满足要求。为了实现这一目的，本专利技术采取的技术方案是：一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，适用于制备直径大于2000mm的铝合金筒形壳段，包括以下步骤：步骤一：大型铝合金高筒环形件环轧成形(1.1)确定初始环坯尺寸：控制初始环坯的内圆与外圆同心，且圆度在0.5mm以内；(1.2)控制初始环坯在轧制过程中的直径增长速率为8mm/s；控制初始环坯在轧制过程中的主轧辊转速为1115mm/s；(1.3)设计径-轴双向轧制过程中的轧制曲线：轧制曲线分为3个主要阶段，阶段1为预整圆阶段，对坯料进行整圆，消除制坯缺陷以保证随后轧制过程平稳进行；阶段2为主轧制阶段，环坯咬入轧制装置中的孔型后，在轧制装置中的主轧辊的作用下壁厚和高度不断减小至目标尺寸，直径不断增大至目标尺寸；阶段3为精整阶段，此阶段轧制装置中的上下锥辊抬起，环件只在径向轻微变形，以控制环坯的尺寸精度及圆度；(1.4)最终得到目标尺寸的环坯作为下一步的坯料；步骤二：大型铝合金厚壁环形件旋压成形(2.1)芯模和坯料设计及加工：坯料的材料为铝合金、旋压成形芯模的材料为钢质材料，旋压前，控制旋压成形芯模的直径大于坯料内径5mm；(2.2)坯料预热：将坯料预热至180～200℃；(2.3)坯料芯模套装：套装时，芯模不预热，保持室温；控制芯模与坯料之间的单侧间隙在3.5mm以上；(2.4)坯料与芯模预热：将芯模和坯料整体预热到260～280℃；(2.5)旋压成形：在第一道次旋压前，控制坯料和芯模之间的间隙0≤Δs≤1.0mm；旋压过程中，在控制失稳隆起的前提下，采用偏上限进给比；(2.6)坯料与芯模一体冷却：冷却至室温后卸料；通过冷却热应力提高成形精度；步骤三：大型铝合金筒形壳体电子束焊接(3.1)确定电子束焊接接头结构：焊接接头采用锁底对接的形式，焊接整体厚度30mm，锁底厚度为5mm，对接区厚度为25mm；(3.2)对焊接接头进行固溶处理：在焊接前对焊接接头进行固溶处理，通过固溶处理使得焊接接头强度达到固溶态母材的85％以上，延伸率为4.5％～5.5％；(3.3)按照如下参数开始电子束焊接：下散聚焦状态、焊接速度为700mm/min、液态熔池停留时间为5～10s、扫描波形为锯齿波扫描、扫描频率为400HZ、扫描幅值Vx＝1.3。进一步的，如上所述的一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，铝合金的型号为2A14。进一步的，如上所述的一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，步骤(1.1)中，环坯的目标尺寸是外圆直径为2095mm,内圆直径为1943mm，高度为500mm；初始环坯尺寸是外圆直径为1105mm,内圆直径为785mm，高度为508mm。本专利技术技术方案通过采取塑性成形代替铸造，研究环轧、旋压、电子束焊接的工艺组合，大型铝合金筒形壳段的制造采用先环轧、再旋压的塑性成形方案进行中部的筒状环形件研制，然后将两个端框分别与筒状环形件两端电子束焊接，控制产品的形-性状态，可以满足产品使用性能的要求。具体有如下有益效果：1)铝合金筒形壳体环轧-旋压-电子束焊接制造不需要大型昂贵锻造装备，相比等截面结构节省近一半原材料。2)旋压成形与环轧成形的变形特点互补，产生双向轧制效应，不同区域力学性能取样测试的结果一致性好，力学性能优于铸造本体性能。3)环轧-旋压成形内部质量好。内部组织均匀并且致密，晶粒细小，纤维排列整齐，一致性好，避免了铸件易产生的疏松、缩孔等内部缺陷，达到铝合金锻件要求。4)电子束焊接30mm左右中大厚度的高强铝合金，能充分发挥穿透力强、焊缝深宽比大的特点，相比其它熔焊方法，热输入量小，能有效控制焊接变形，接头强度系数高，是中大厚度高强铝合金焊接的优选方法。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术技术方案进行详细说明。铝合金高性能筒形壳体制造技术方案主要从高筒环形件环轧成形、厚壁环形件旋压成形、中大厚度铝合金电子束焊接及与热处理机制的协调研究、筒形壳体热处理防变形及去应力等方向逐步开展，采用自顶向下分解、自底向上铺垫的方式，逐个突破高强铝合金筒形件环轧椭圆度控制技术、厚壁铝合金筒坯旋压缺陷控制、大型铝合金壳段少无缺陷高质量焊接等关键技术，进而实现Ф2000mm级铝合金高性能筒形壳段的研制。本专利技术一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法中，，适用于制备直径大于2000mm的铝合金筒形壳段，包括以下步骤：步骤一：大型铝合金高筒环形件环轧成形(1.1)确定初始环坯尺寸：设计不同规格环坯，确定最优环坯规格，研究合理的制坯方式，提高环坯的力学性能。通过有限元仿真模拟技术，实现径-轴向轧制工艺参数设计与优化技术研究。明确各个过程参数的允许波动范围，制定过程参数控制方法，完成环件的小变形轧制成形，控制环轧件的椭圆度。在本实施例中，环坯的目标尺寸是外圆直径为2095mm,内圆直径为1943mm，高度为500mm；初始环坯尺寸是外圆直径为1105mm,内圆直径为785mm，高度为508mm。(1.2)控制初始环坯在轧制过程中的直径增长速率为8mm/s；控制初始环坯在轧制过程中的主轧辊转速为1115mm/s；(1.3)设计径-轴双向轧制过程中的轧制曲线：轧制曲线分为3个主要阶段，阶段1为预整圆阶段，对坯料进行整圆，消除制坯缺陷以保证随后轧制过程平稳进行；阶段2为主轧制阶段，环坯咬入轧制装置中的孔型后，在轧制装置中的主轧辊的作用下壁厚和高度不断减小至目标尺寸，直径不断增大至目标尺寸；阶段3为精整阶段，此阶段轧制装置中的上下锥辊抬起，环件只在径向轻微变形，以控制环坯的尺寸精度及圆度；(1.4)最终得到目标尺寸的环坯作为下一步的坯料；步骤二：大型铝合金厚壁环形件旋压成形设置若干的旋压工艺参数、旋轮结构、旋压温度等，进行有限元模拟，提取和分析不同因素对旋压隆起程度、旋压变形分布等影响规律，优化旋压工艺参数、旋轮结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，适用于制备直径大于2000mm的铝合金筒形壳段，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：大型铝合金高筒环形件环轧成形(1.1)确定初始环坯尺寸：控制初始环坯的内圆与外圆同心，且圆度在0.5mm以内；(1.2)控制初始环坯在轧制过程中的直径增长速率为8mm/s；控制初始环坯在轧制过程中的主轧辊转速为1115mm/s；(1.3)设计径‑轴双向轧制过程中的轧制曲线：轧制曲线分为3个主要阶段，阶段1为预整圆阶段，对坯料进行整圆，消除制坯缺陷以保证随后轧制过程平稳进行；阶段2为主轧制阶段，环坯咬入轧制装置中的孔型后，在轧制装置中的主轧辊的作用下壁厚和高度不断减小至目标尺寸，直径不断增大至目标尺寸；阶段3为精整阶段，此阶段轧制装置中的上下锥辊抬起，环件只在径向轻微变形，以控制环坯的尺寸精度及圆度；(1.4)最终得到目标尺寸的环坯作为下一步的坯料；步骤二：大型铝合金厚壁环形件旋压成形(2.1)芯模和坯料设计及加工：坯料的材料为铝合金、旋压成形芯模的材料为钢质材料，旋压前，控制旋压成形芯模的直径大于坯料内径5mm；(2.2)坯料预热：将坯料预热至180～200℃；(2.3)坯料芯模套装：套装时，芯模不预热，保持室温；控制芯模与坯料之间的单侧间隙在3.5mm以上；(2.4)坯料与芯模预热：将芯模和坯料整体预热到260～280℃；(2.5)旋压成形：在第一道次旋压前，控制坯料和芯模之间的间隙0≤Δ...

【技术特征摘要】
1.一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，适用于制备直径大于2000mm的铝合金筒形壳段，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：大型铝合金高筒环形件环轧成形(1.1)确定初始环坯尺寸：控制初始环坯的内圆与外圆同心，且圆度在0.5mm以内；(1.2)控制初始环坯在轧制过程中的直径增长速率为8mm/s；控制初始环坯在轧制过程中的主轧辊转速为1115mm/s；(1.3)设计径-轴双向轧制过程中的轧制曲线：轧制曲线分为3个主要阶段，阶段1为预整圆阶段，对坯料进行整圆，消除制坯缺陷以保证随后轧制过程平稳进行；阶段2为主轧制阶段，环坯咬入轧制装置中的孔型后，在轧制装置中的主轧辊的作用下壁厚和高度不断减小至目标尺寸，直径不断增大至目标尺寸；阶段3为精整阶段，此阶段轧制装置中的上下锥辊抬起，环件只在径向轻微变形，以控制环坯的尺寸精度及圆度；(1.4)最终得到目标尺寸的环坯作为下一步的坯料；步骤二：大型铝合金厚壁环形件旋压成形(2.1)芯模和坯料设计及加工：坯料的材料为铝合金、旋压成形芯模的材料为钢质材料，旋压前，控制旋压成形芯模的直径大于坯料内径5mm；(2.2)坯料预热：将坯料预热至180～200℃；(2.3)坯料芯模套装：套装时，芯模不预热，保持室温；控制芯模与坯料之间的单侧间隙在3.5mm以上；(2.4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曙光，赵衍华，谢美蓉，王恒强，张益坤，祝世强，杨国平，李杰，叶茂，刘杰，张晓玲，
申请(专利权)人：首都航天机械公司，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11