[发明专利]整体燃料贮箱箱体轴向-周向约束辗压复合成形方法

权利要求书

1.一种整体燃料贮箱箱体轴向-周向约束辗压复合成形方法，整体燃料贮箱箱体包括薄壁直筒、薄壁箱底和支撑筒，其特征在于，成形方法包括以下步骤：

S1、终锻件设计：将运载火箭整体燃料贮箱箱体的薄壁直筒、薄壁箱底和支撑筒合并成一个实体，在薄壁直筒端部设置纵向飞边，在薄壁箱底端部设置横向飞边，即可获得运载火箭整体燃料贮箱箱体终锻件；

S2、预锻件设计：在步骤S1所设计的终锻件基础上，将终锻件薄壁直筒转换为预锻件厚壁直筒，预锻件厚壁直筒外壁半径等于终锻件薄壁直筒外壁半径，预锻件厚壁直筒厚度与高度满足公式(1)，预锻件厚壁直筒厚度必须保证终成形过程中塑性变形能够从厚壁直筒内壁穿透至厚壁直筒外壁；将终锻件薄壁箱底转换为预锻件厚壁箱底，预锻件厚壁箱底外球面半径等于终锻件薄壁箱底外球面半径，预锻件厚壁箱底内球面半径由公式(2)计算所得，预锻件厚壁箱底体积等于终锻件薄壁箱底体积；预锻件支撑筒与终锻件支撑筒尺寸相同；

式中，h_yt为预锻件厚壁直筒高度，h_zt为终锻件薄壁直筒高度，r₁为终锻件薄壁直筒内壁半径，r₂为终锻件薄壁直筒外壁半径，t为预锻件厚壁直筒厚度，r₃为终锻件薄壁箱底内球面半径，r₄为预锻件厚壁箱底内球面半径；

S3、L型截面预制环坯设计：L型截面预制环坯分为大端环体和小端环体两部分；大端环体是在步骤S2所设计的预锻件基础上，将预锻件厚壁箱底和支撑筒转换成矩形截面环体，矩形截面环体外壁半径等于预锻件厚壁直筒外壁半径，矩形截面环体内壁半径由公式(3)计算所得；将矩形截面环体中超过预锻件内壁型面的金属切除，将被切除的金属补偿到矩形截面环体的轴向端面，获得L型截面预制环坯大端环体；大端环体高度h_p由公式(4)计算所得；小端环体形状与步骤S2所设计预锻件的厚壁直筒形状相同；

r_p＝r₂-mt(3)

其中，V_c为预锻件厚壁箱底和预锻件支撑筒体积之和；V_q为矩形截面环体中被切除金属的体积；m为大端环体内壁半径系数，其取值为1～2；

S4、坯料设计：用于成形运载火箭整体燃料贮箱箱体的坯料为具有矩形截面的厚壁环形坯料，厚壁环形坯料高度等于L型截面预制环坯高度，厚壁环形坯料壁厚为L型截面预制环坯最大壁厚的λ倍，λ为环件轧制工艺的轧制比，厚壁环形坯料外径由公式(5)计算；

S5、环件轧制预制坯成形：用于环件轧制预制坯成形的模具包括轴向锥辊、芯辊、驱动辊和导轨，其中芯辊呈阶梯型，芯辊母线形状与预制环坯内壁型面母线形状相同，芯辊中用于成形大端环体的模具型腔位于下方，用于成形小端环体的模具型腔位于上方；将步骤S4设计的厚壁环形坯料放入环件轧制模具内，厚壁环形坯料内表面与芯辊接触，厚壁环形坯料外表面与驱动辊接触，厚壁环形坯料轴向端面与轴向锥辊接触，厚壁环形坯料轴向下端面与导轨接触；厚壁环形坯料在驱动辊和芯辊的径向辗压下发生径向变形，同时在轴向锥辊的轴向辗压下发生轴向变形，使得厚壁环形坯料同时发生直径扩大、壁厚减薄和高度减小变形，逐渐变形成步骤S3所设计的L型截面预制环坯；

S6、轴向辗压预成形：用于轴向辗压预成形的模具由锥模、凹模和卸料顶块组成；将步骤S5所得L型截面预制环坯垂直翻转后放入凹模内，L型截面预制环坯小端环体整个型面与凹模型腔发生全接触，L型截面预制环坯大端环体上端面与锥模接触；凹模绕自身轴线作旋转运动，并带动L型截面预制环坯作旋转运动；锥模绕自身轴线作旋转运动的同时沿L型截面预制环坯轴向作进给运动，对L型截面预制环坯大端环体进行辗压变形；轴向辗压锥模旋转角速度ω_z和凹模旋转角速度ω_a满足公式(6)；在锥模和凹模的共同作用下，L型截面预制环坯大端环体逐渐变形成厚壁箱底和支撑筒，L型截面小端环体形状保持不变，最终获得步骤S2所设计的预锻件；轴向辗压预成形后，驱动凹模型腔底部的卸料顶块向上运动，推动预锻件与凹模分离，实现预锻件脱模；

ω_am_a＝ω_zm_z(6)

式中，m_a为锥模轮廓线到凹模轴线的平均距离，m_z为锥模端面轮廓线到锥模轴线的平均距离；

S7、周向约束辗压终成形：用于周向约束辗压终成形的模具由芯模和约束模组成，其中约束模由约束模筒体和约束模镶块组成；将步骤S6所得预锻件垂直翻转后放入约束模内，预锻件支撑筒型面和预锻件厚壁箱底外表面与约束模型腔完全接触，实现预锻件定位；约束模筒体和约束模镶块绕自身轴线作同向等速旋转运动，并带动预锻件作旋转运动；芯模绕自身轴线作旋转运动的同时沿预锻件径向作进给运动，对预锻件进行径向辗压变形；芯模旋转角速度ω_x和约束模旋转角速度ω_y满足公式(7)；在芯模、约束模筒体和约束模镶块共同作用下，预锻件厚壁直筒区金属发生轴向流动，预锻件厚壁箱底区金属发生径向流动，逐渐变形成步骤S1设计的终锻件；此后，将芯模撤离约束模型腔，约束模镶块沿轴向进给，推动终锻件与约束模筒体分离，实现终锻件脱模；

ω_xm_x＝ω_y(m_x+s)(7)

式中，m_x为芯模型面轮廓线到芯模轴线的平均距离，s为任意时刻芯模轴线到约束模轴线距离。