呂振興 聞強(qiáng)苗 張?zhí)炝?高立國(guó) 白晶瑩 崔慶新 蔣明霞

大型薄壁鋁合金壁板加工變形控制技術(shù)

呂振興 聞強(qiáng)苗 張?zhí)炝?高立國(guó) 白晶瑩 崔慶新 蔣明霞

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

通過對(duì)新型輕質(zhì)鋁合金5B70材料制造的返回艙側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)制造工藝進(jìn)行研究，分析了薄壁件變形控制機(jī)理及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用去應(yīng)力熱處理、切削過程內(nèi)部添加支撐以及機(jī)械加工補(bǔ)償?shù)确绞絻?yōu)化加工和工藝路線，最終完成了5B70返回艙側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)模擬件的制造。結(jié)果表明，通過去應(yīng)力熱處理等多個(gè)方式對(duì)側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)加工過程進(jìn)行變形控制，有效減輕了因殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的產(chǎn)品變形問題，滿足了設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。

薄壁件；艙體結(jié)構(gòu)；去應(yīng)力熱處理；變形控制

1 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，大型載人艙體結(jié)構(gòu)增加了空間長(zhǎng)期駐留和天地間安全可靠的多次往返重復(fù)使用的要求，對(duì)艙體材料的要求相比于早期的飛船密封艙結(jié)構(gòu)提出了更高的比剛度、比強(qiáng)度要求[1，2]。

新一代載人飛船密封艙體返回艙側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)由5B70鋁鎂鈧合金厚板旋壓成形后再經(jīng)機(jī)械加工完成，壁板存在大量復(fù)雜型腔、筋條及網(wǎng)格，在機(jī)械加工過程中材料去除量達(dá)85%以上，使用傳統(tǒng)的加工工藝和路線，其旋壓變形造成的殘余應(yīng)力與機(jī)械加工變形的殘余應(yīng)力疊加、機(jī)械加工過程中工裝夾具裝夾力等會(huì)導(dǎo)致零件變形大、精度難控制等問題[3]，本文從加工工藝路線改進(jìn)、熱處理應(yīng)力釋放等方面探討了返回艙側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)壁板加工變形控制問題，并提出了合理的加工路線和方法，保證了預(yù)研階段返回艙側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)壁板加工的精度。

2 密封艙體結(jié)構(gòu)壁板加工

2.1 密封艙體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新一代載人飛船密封艙體主結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由返回艙側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)、密封艙底部結(jié)構(gòu)和密封艙球底結(jié)構(gòu)組成，直徑在3～5m。為實(shí)現(xiàn)輕量化制造的要求，返回艙側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)由原有航天器結(jié)構(gòu)中若干整體壁板與連接框分段焊接改為非焊接旋壓-機(jī)械加工成形，取消了連接框和焊縫，大大降低了整個(gè)航天器艙體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并且在過渡段設(shè)計(jì)了典型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，提高了艙體結(jié)構(gòu)的載荷能力，實(shí)現(xiàn)了承力結(jié)構(gòu)肩部壁板和側(cè)壁壁板過度區(qū)加強(qiáng)筋載荷傳力路徑無間斷，充分發(fā)揮了金屬艙體結(jié)構(gòu)承載的優(yōu)勢(shì)[4]。

圖1 新一代載人飛船主結(jié)構(gòu)示意圖及典型零件結(jié)構(gòu)

主體結(jié)構(gòu)變化，隨之而來的是機(jī)械加工高效、高精度難度的增加。尤其是增加了典型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)后，其網(wǎng)格腔底部蒙皮厚度尺寸薄，加工尺寸難以保證；大尺寸接口精度要求高，要求裝配間隙不大于0.2mm，錯(cuò)邊量不大于0.3mm，接口尺寸精度難以保證。

2.2 變形控制關(guān)鍵工藝分析

針對(duì)當(dāng)前返回艙側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)產(chǎn)品技術(shù)要求，在機(jī)械加工過程中需要進(jìn)行工藝方面的控制，減小變形或者補(bǔ)償加工。

從整個(gè)產(chǎn)品加工路線來看，側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中變形主要來自于各工序加工過程中引入的應(yīng)力釋放。側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)是由厚板經(jīng)過旋壓、機(jī)械銑削成形，在成形中厚板初始的殘余應(yīng)力、旋壓產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、銑削時(shí)產(chǎn)生的切削力以及過程中銑削熱等均是導(dǎo)致加工變形的主要原因。工件在銑削加工時(shí)受到刀具施加的外部載荷，產(chǎn)生不均勻塑性變形時(shí)，使工件內(nèi)部塑性變形不均勻部分產(chǎn)生殘余應(yīng)力以及工件在放置時(shí)內(nèi)部達(dá)到自相平衡時(shí)未塑性變形部分產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，共同作用產(chǎn)生不均勻載荷導(dǎo)致工件變形；厚板在前期制造時(shí)材料內(nèi)部相變不均勻或者組織結(jié)構(gòu)具有濃度差導(dǎo)致不均勻的沉淀析出，引起構(gòu)件材料體積變化不均勻，使構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力；工件在銑削中各部分熱傳導(dǎo)狀態(tài)不同，因而造成工件產(chǎn)生不均勻塑性變形，導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生[5]。通過對(duì)工件殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及機(jī)理進(jìn)行分析，筆者認(rèn)為目前技術(shù)條件下無法避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力，故在加工過程中通過一定的方法和手段讓其提前釋放，并通過加工補(bǔ)償?shù)姆绞奖ＷC產(chǎn)品精度，擬采用去應(yīng)力熱處理、切削過程內(nèi)部添加支撐以及機(jī)械加工補(bǔ)償?shù)确绞娇刂苽?cè)壁支撐結(jié)構(gòu)加工變形問題。

2.2.1 去應(yīng)力熱處理

去應(yīng)力退火，又稱為低溫退火。它是將工件加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻到室溫的工藝方法，其主要目的就是為了消除工件鑄造、焊接、鍛造、擠壓及冷加工中造成的內(nèi)應(yīng)力。去應(yīng)力溫度低于材料再結(jié)晶溫度，不改變工件原始組織，對(duì)工件材料力學(xué)性能不會(huì)造成影響。

2.2.1.1 熱處理工藝參數(shù)

側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)為倒扣平頂錐形產(chǎn)品，由厚板經(jīng)過旋壓成形，由于側(cè)壁和底部變形量不同，故在進(jìn)行工藝參數(shù)摸底時(shí)分為了兩個(gè)區(qū)域，如圖2所示。按照去應(yīng)力原理，在不影響力學(xué)性能的前提下，溫度越高效果越明顯，故采用多溫度試驗(yàn)方法確定合理工藝參數(shù)。

圖2 熱處理工藝參數(shù)試樣

2.2.1.2 熱處理過程工裝約束

側(cè)壁承力壁板結(jié)構(gòu)在進(jìn)行去應(yīng)力熱處理時(shí)已是半精加工狀態(tài)，內(nèi)外表面進(jìn)行了減輕槽網(wǎng)格的加工，在去應(yīng)力時(shí)，工件本身的內(nèi)應(yīng)力、旋壓、機(jī)械加工等過程引入的殘余應(yīng)力在一定程度會(huì)釋放引起變形。為了防止側(cè)壁結(jié)構(gòu)在去應(yīng)力熱處理過程中產(chǎn)生過大的變形，故采用工裝卡具進(jìn)行一定程度的約束，保證端面圓度等精度，如圖3所示。

通過去應(yīng)力熱處理，使工件本身的內(nèi)應(yīng)力，旋壓、機(jī)械加工等過程引入的殘余應(yīng)力釋放，將釋放引起的變形在粗加工和精加工中進(jìn)行補(bǔ)償加工，保證產(chǎn)品加工的精度。

2.2.2 切削過程內(nèi)部支撐

在艙段外型面網(wǎng)格腔加工過程中，為提高艙體的整體加工剛度，尤其是蒙皮厚度逐漸減薄過程中，抑制切削振動(dòng)和應(yīng)力變形，需要在內(nèi)型面提供支撐。在前期驗(yàn)證階段，綜合考慮加工工藝性和制造成本等因素，在精加工前使用硬質(zhì)聚氨酯泡沫對(duì)內(nèi)腔進(jìn)行填充，其固化后與艙體內(nèi)腔壁形成緊密連接，如圖4所示。但由于艙體較大，聚氨酯攪拌混合不均勻，導(dǎo)致中間區(qū)域比較松軟，側(cè)壁網(wǎng)格加工時(shí)切削效果較好，底部對(duì)應(yīng)網(wǎng)格加工切削區(qū)域有一定的切削振動(dòng)，對(duì)產(chǎn)品精度有一定的影響。后續(xù)在正式產(chǎn)品生產(chǎn)過程中改變了填充物質(zhì)，采用氣囊輔助支撐，對(duì)剛性艙體結(jié)構(gòu)整體加工振顫及變形效果抑制明顯。

圖4 內(nèi)部支撐加工模擬示意圖

2.2.3 超聲測(cè)頭在線測(cè)量及補(bǔ)償?shù)膶?shí)施

依照加工經(jīng)驗(yàn)，由于艙體在加工過程中單方向加工，在加工上層網(wǎng)格時(shí)剛度較高，產(chǎn)品變形較??；加工底層網(wǎng)格時(shí)產(chǎn)品因應(yīng)力釋放而引起變形，導(dǎo)致單純補(bǔ)償壁厚偏差不足以保證產(chǎn)品精度，故在本產(chǎn)品加工過程中采用在線測(cè)量補(bǔ)償技術(shù)，通過超聲測(cè)頭可以實(shí)時(shí)測(cè)量產(chǎn)品的空間點(diǎn)位及對(duì)應(yīng)點(diǎn)位產(chǎn)品厚度值，在網(wǎng)格加工中通過刀具的長(zhǎng)度補(bǔ)償和加工空間坐標(biāo)的調(diào)整，有效保證了產(chǎn)品壁厚。

3 密封艙體側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)加工過程

旋壓成形。原料按照?qǐng)D樣要求進(jìn)行下料，使用多道旋壓技術(shù)將70mm厚板旋壓成坯件狀態(tài)。并通過厚度檢測(cè)，保證各部位加工量符合粗加工要求。

粗加工。粗加工主要分為兩部分，粗車和粗銑。其中粗車主要進(jìn)行底圓基準(zhǔn)和內(nèi)外圓面加工，粗銑主要是外型面網(wǎng)格粗加工。

去應(yīng)力熱處理。側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，如圖5所示。根據(jù)產(chǎn)品加工情況、熱處理工裝、設(shè)備及熱處理車間加工經(jīng)驗(yàn)，決定在2.2.1節(jié)去應(yīng)力熱處理分析所述的基礎(chǔ)上，采用如下工藝參數(shù)：隨爐升至180℃，保溫30min；保溫結(jié)束后隨爐升溫至250℃，保溫30min；保溫結(jié)束后升至280℃，保溫180min。保溫結(jié)束，開啟爐蓋緩冷至室溫。采取階梯升溫的主要原因是設(shè)備尺寸和產(chǎn)品尺寸較大，靠空氣熱傳導(dǎo)進(jìn)行升溫，設(shè)備檢測(cè)溫度與產(chǎn)品實(shí)際溫度滯后較為明顯；其次，為了減少?gòu)?qiáng)烈熱沖擊對(duì)產(chǎn)品造成新的內(nèi)部應(yīng)力的引入。為了驗(yàn)證階梯升溫后產(chǎn)品實(shí)時(shí)溫度情況，在產(chǎn)品表面不同位置設(shè)置了外置測(cè)溫?zé)犭娕?，通過外置測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)量與設(shè)備控制儀表數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)溫度滯后于8℃，符合設(shè)備爐溫均勻性±10℃的要求。

圖5 側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)熱處理過程

熱處理前后對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵部位尺寸進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)形變量在0.8～1.2mm范圍內(nèi)，在加工3mm的加工余量之內(nèi)，能夠滿足產(chǎn)品加工的精度要求。并且對(duì)產(chǎn)品隨爐試棒進(jìn)行了性能檢測(cè)，屈服強(qiáng)度：221～258MPa（設(shè)計(jì)指標(biāo)要求屈服強(qiáng)度≥220MPa），抗拉強(qiáng)度：376～406MPa（設(shè)計(jì)指標(biāo)要求抗拉強(qiáng)度≥350MPa），延伸率17.5%～24%（設(shè)計(jì)指標(biāo)要求斷后延長(zhǎng)率≥12%）。

通過上述測(cè)試，說明5B70側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)經(jīng)過旋壓成形、粗加工、熱處理等工序過程后，產(chǎn)品本身力學(xué)性能符合指標(biāo)要求。產(chǎn)品變形精度控制符合工藝余量要求。

精加工。側(cè)壁支撐結(jié)構(gòu)精加工主要分為精車和精銑。網(wǎng)格腔的整體加工采用內(nèi)撐氣囊柔性工裝（壓力1～2kPa），同時(shí)精加工底面時(shí)采用“大切深、小切寬”加工方式，很好地抑制了網(wǎng)格腔的加工過程中切削振動(dòng)問題，最終保證了網(wǎng)格腔底面蒙皮厚度。產(chǎn)品加工結(jié)束，精測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 側(cè)壁產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸精測(cè)數(shù)據(jù) mm

根據(jù)精測(cè)結(jié)果和裝配測(cè)試，上述工藝措施有效，產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

本文從新一代載人飛船密封艙體返回艙側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)加工流程出發(fā)，根據(jù)產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)、加工工藝流程，對(duì)關(guān)鍵過程進(jìn)行深入分析，提出了一套基于熱處理和機(jī)械加工相結(jié)合的加工方案，采用去應(yīng)力熱處理、切削過程內(nèi)部添加支撐以及機(jī)械加工補(bǔ)償?shù)确绞綄?duì)側(cè)壁承力結(jié)構(gòu)加工過程進(jìn)行變形控制，有效減輕了因殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的產(chǎn)品變形問題，突破了大型艙體一體化成形加工精度控制的制造難點(diǎn)，降低了制造過程的反復(fù)，提高了載人艙體的可靠性，為未來輕量化、長(zhǎng)壽命、可重復(fù)使用的載人飛行器艙體制造技術(shù)提供參考。

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Machining Deformation Control Technology of Large Thin-walled Aluminum Alloy Components

Lv Zhenxing Wen Qiangmiao Zhang Tianliang Gao Liguo Bai Jingying Cui Qingxin Jiang Mingxia

(Beijing Spacecrafts Co., Ltd., Beijing 100094)

In this article, the manufacturing process of a new lightweight aluminium alloy 5B70 return capsule sidewall bearing structure is investigated, the deformation control mechanism of the thin-walled part and the structural characteristics of the product have already been analysed, and the processing and process routes have been optimised by using stress relief heat treatment, adding support inside the cutting process and mechanical machining compensation, etc., finally complete the manufacture of a simulated 5B70 return capsule sidewall bearing structure. The results show that the deformation control of the sidewall bearing structure processing process through multiple methods such as stress relief heat treatment has effectively reduced the product deformation caused by residual stress release and met the design technical index requirements.

thin-walled pars；spacecraft structure；stress relieving heat treatment；deformation control

TH162

A

呂振興（1994），工程師，材料學(xué)專業(yè)；研究方向：星船熱處理技術(shù)及工藝。

2022-09-21