无缝气瓶正向旋轮热旋压收口方法

摘要

本发明公开了一种无缝气瓶正向旋轮热旋压收口方法。其包括如下步骤：1)将钢管收口段加热到1050～1100℃；2)对钢管收口段进行6～7道次半椭球形正向封口旋压，获得半椭球形封头；3)再对所得半椭球形封头进行3～4道次底部增厚旋压；4)瓶口成形旋压；5)最后对封头表面进行光整旋压，从而完成无缝气瓶的热旋压收口。本发明采用正向旋轮热旋压收口方法进行无缝气瓶的收口成形，封头底部中心增厚效果良好，保证瓶口成形有足够的材料，可以避免受压失稳废品，提高旋压收口合格率。

说明书

技术领域

本发明涉及无缝气瓶热旋压成形工艺，具体地指一种无缝气瓶正向旋轮热旋压收口方法。

背景技术

汽车用压缩天然气钢瓶(或缠绕气瓶内胆)一般采用热轧(或冷拔)无缝钢管热旋压成形为半椭球形(或半球形)底部封头(称为收口)，以及头部封头和瓶口(称为收口)。

采用无缝钢管热旋压成形收口的高压无缝气瓶，要求从钢瓶圆柱段到封头瓶口根部的厚度逐渐增大，瓶口外径不得小于Φ45mm，瓶口内径不得大于Φ18mm，瓶口有效长度不得小于30mm。瓶口经过机械加工后，解剖试样上内孔螺纹表面不得有肉眼可见的未融合、裂纹或缺料等缺陷。因此，封头瓶口成形良好是无缝气瓶旋轮热旋压收口的关键技术。

科研人员通过热旋压成形收口工艺实践、分析和总结认识到，封头瓶口成形是旋轮旋转方向(正向或反向)、成形前封头底部中心厚度、旋轮工作圆弧型面、道次进给量(-Z)、封头成形轨迹、旋轮正旋速度、旋轮旋转角度、成形温度的综合反映。

目前，无缝气瓶热旋压成形收口采用反向旋轮旋压。反向旋轮热旋压是旋轮从封头底部中心处向内轴向(-Z轴)进给道次进给量，再按照半椭球形(或半球形)旋转到钢管的外壁。这种成形方法的缺点：封头底部中心增厚效果较差；成形时封头处于轴向受压状态，容易造成受压失稳废品。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种无缝气瓶正向旋轮热旋压收口方法，不仅封头底部中心增厚效果良好，而且可以避免受压失稳废品，提高旋压收口合格率。

为实现上述目的，本发明提供的无缝气瓶正向旋轮热旋压收口方法，该方法包括以下步骤：

1)钢管加热：将用于加工成无缝气瓶的钢管的收口段加热到1050～1100℃；

2)封口旋压：对钢管收口段进行补热，补热温度控制在1050～1200℃，用旋压机主轴卡爪夹紧钢管外壁，使其以300～400rpm的转速旋转，同时将旋轮的工作斜面靠近钢管收口段外壁，对其进行6～7道次半椭球形正向封口旋压，每道次旋轮在钢管收口段外壁向内轴向进给后，按照半椭圆形状轨迹以500～800mm/min的正旋速度从钢管收口段外壁向封头底部中心转动，再按照相同的轨迹以1000～1800mm/min的返回速度转动到钢管收口段外壁；其中，第一道次封口旋压对应的旋轮转角α为45～55°，其后各道次封口旋压对应的旋轮转角α依次递增3～10°，但最后一道次封口旋压对应的旋轮转角α仅比前一道次封口旋压对应的旋轮转角α增加2～4°，并在最后一道次封口旋压的过程中封口切头，获得半椭球形封头；

3)底部增厚旋压：保持对钢管收口段的补热状态和旋压机主轴转速不变，再对所获得的半椭球形封头进行3～4道次底部增厚旋压，每道次旋轮在钢管收口段外壁向内轴向进给后，按照半椭圆形轨迹以500～800mm/min的正旋速度从钢管收口段外壁向封头底部中心转动88～95°，再按照相同的轨迹以1000～1800mm/min的返回速度转动到钢管收口段外壁，获得底部增厚的半椭球封头；

4)瓶口成形旋压：继续保持对钢管收口段的补热状态和旋压机主轴转速不变，旋轮在钢管收口段外壁向内轴向进给8～11mm后，按照半椭圆形轨迹以200～300mm/min的正旋速度从钢管收口段外壁向封头底部中心转动79～81°旋压成形瓶口；

5)封头表面光整旋压：继续保持对钢管收口段的补热状态和旋压机主轴转速不变，旋轮在底部中心向内轴向进给3～5mm后，以80～200mm/min的返回速度和设定的半椭圆形轨迹转动到钢管收口段外壁，使整个半椭球封头表面光滑，从而完成无缝气瓶的热旋压收口。

所说的步骤1)中，钢管收口段的加热长度L与钢管外径Φ的数学关系为：L＝Φ+(50～100mm)。

所说的步骤2)中，在最后一道次封口旋压时，对封头底部中心的补热温度优选控制在1150～1200℃。

所说的步骤2)中，第一道次封口旋压对应的旋轮轴向进给量为80～130mm，第二道次封口旋压对应的旋轮轴向进给量为20～40mm，其后各道次封口旋压对应的旋轮轴向进给量依次递减2～10mm。

所说的步骤2)中，最后一道次封口旋压对应的旋轮转角α仅比前一道次封口旋压对应的旋轮转角α增加3°，可保证钢管端头因不垂直而不均匀的材料向外翻出形成直径的小圆柱在封口道次被切掉，以免端头不均匀和氧化严重的材料压入底部中心的熔合区造成瓶口内螺纹缺陷。

所说的步骤2)中，封口旋压以不失稳和提高效率为原则，对纤维缠绕型气瓶进行7道次的标准半球形正向封口旋压，对其他气瓶进行6道次的标准半球形正向封口旋压。例如，GB24160环缠绕气瓶内胆等薄壁管采用7道次封口，ISO11439、ISO9809-1、GB17258等厚壁管采用6道次封口。

所说的步骤3)中，优选每道次旋轮在钢管收口段外壁向内轴向进给量为2～6mm。

所说的步骤3)中，最后成形的半椭球封头的短轴比长轴减小5～10mm。

所说的步骤1)中，采用中频加热炉对钢管收口段进行加热；所说的步骤2)中，采用自动补热枪对钢管收口段进行补热。

上述方法中，优选旋轮的结构参数为：旋轮宽度B＝65±0.1mm，工作斜面与旋轮轴心线的夹角β＝78～81°，工作斜面相对于旋轮轴心线的垂直投影宽度S＝19.3±0.1mm，工作斜面一侧的圆角半径R₂＝8～12mm，非工作斜面一侧的圆角半径R₁＝10～16mm。

本发明采用正向旋轮热旋压收口方法进行无缝气瓶的收口成形，与普通的反向旋压相比，具有以下技术效果：

其一，封头底部中心增厚效果良好，保证瓶口成形有足够的材料；

其二，成形时封头处于轴向受拉状态，可以避免受压失稳废品；

其三，通过优化设计成形前封头底部中心厚度、旋轮工作圆弧型面、道次进给量、封头成形轨迹、旋轮旋转速度、旋轮旋转角度和成形温度，能可靠地保证瓶口外径大于Φ45mm、瓶口内径小于Φ18mm、瓶口有效长度大于30mm，旋压收口合格率达到99％以上。

附图说明

图1是采用旋压机对钢管进行热旋压收口加工的状态示意图。

图2是图1中旋轮的放大结构示意图。

图3是图1中钢管收口段的结构示意图。

图4是钢管收口段经N1道次旋压后的状态示意图。

图5是钢管收口段最后一道次封口旋压前的状态示意图。

图6是钢管收口段最后一道次封口旋压后的状态示意图。

图7是钢管收口段底部增厚旋压后的状态示意图。

图8是瓶口成形旋压后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，实施本发明方法的旋压机1的主轴卡爪2夹紧钢管3外壁，与此同时安装在旋轮座5上的旋轮4的工作斜面靠近钢管3收底段外壁，可按要求的形状轨迹对钢管3收底段进行旋压。

如图2所示，旋轮4优选的结构参数为：旋轮宽度B＝65±0.1mm，工作斜面与旋轮轴心线的夹角β＝78～81°，工作斜面相对于旋轮轴心线的垂直投影宽度S＝19.3±0.1mm，工作斜面一侧的圆角半径R₂＝8～12mm，非工作斜面一侧的圆角半径R₁＝10～16mm。以下实施例中旋轮4的具体结构参数略有不同，但都在上述优选的范围内。

实施例1

所用旋轮4的结构参数为：旋轮宽度B＝65mm，工作斜面与旋轮轴心线的夹角β＝78°，工作斜面相对于旋轮轴心线的垂直投影宽度S＝19.3mm，工作斜面一侧的圆角半径R₂＝8mm，非工作斜面的圆角半径R₁＝10mm。

针对Φ356×7.7mm、80升ISO9809-1汽车用压缩天然气钢瓶，采用国产四川德阳泰豪科技有限公司生产的GL425数控旋轮热旋压机，旋压收口工艺过程如下：

1)钢管加热：将钢管3自动送入中频加热炉中加热到1080℃，钢管收口段的加热长度L＝420mm。钢管3的直径Φ与加热长度L的关系如图3所示。

2)封口旋压：开启自动补热枪对钢管3收口段进行补热，补热温度为1100℃，用旋压机1的主轴卡爪2夹紧钢管3外壁，使其以400rpm的主轴速度旋转，同时将旋轮4的工作斜面靠近钢管3收口段外壁，对钢管3进行6道次半椭球形正向封口旋压，每道次旋轮4在钢管3收口段外壁向内轴向进给-Z后，按照半椭球形状轨迹以以较慢的正旋速度F从钢管3收口段外壁向封头底部中心转动α角度，再按照相同的轨迹以较快的返回速度F1转动到钢管收口段外壁(道次N1～N6工艺参数见表1)。其中，在N6道次封口旋压时，对封头底部中心的补热温度控制在1150℃，N6道次旋轮旋转角度比第5道次旋轮旋转角度大3°，并在N6道次旋压的过程中封口切头，将钢管端头因不垂直而不均匀的材料向外翻出形成直径的小圆柱在封口道次切掉，以免端头不均匀和氧化严重的材料压入底部中心的熔合区造成瓶口内螺纹缺陷。钢管3在N1～N6道次封口旋压中的形变如图4～6所示。

3)底部增厚旋压：保持对钢管3收口段的补热状态和旋压机1的主轴转速不变，再对所获得的半椭球形封头进行3道次底部增厚旋压，每道次旋轮4在钢管3收口段外壁向内轴向进给-Z后，按照半椭圆形轨迹以较慢的正旋速度F从钢管3收口段外壁向封头底部中心转动α角度，再按照相同的轨迹以较快的返回速度F1转动到钢管收口段外壁，获得底部增厚的半椭球封头(道次N7～N9工艺参数见表1)。所得的半椭球封头：钢管外径为椭球短轴，钢管轴向为椭球长轴，长半轴与短半轴之差为5mm。钢管3在底部增厚旋压后的形变如图7所示。

4)瓶口成形旋压：继续保持对钢管3收口段的补热状态和旋压机1的主轴转速不变，旋轮4在钢管3收口段外壁向内轴向进给9.5mm，按照半椭圆形轨迹以260mm/min的正旋速度从钢管3收口段外壁向封头底部中心转动79°旋压成形瓶口(道次N10工艺参数见表1)。瓶口成形旋压后的形状如图8所示。

5)封头表面光整旋压：继续保持对钢管收口段的补热状态和旋压机主轴转速不变，旋轮在底部中心向内轴向进给3mm后，以120mm/min的返回速度和设定的半椭圆形轨迹转动到钢管收口段外壁，使整个半椭球封头表面光滑，从而完成无缝气瓶的热旋压收口(道次N11工艺参数见表1)。

表1：Φ356×7.7mm钢瓶收口道次及工艺参数表

对实施例1所得收口封头瓶口解剖后发现，从钢管外壁到封头瓶口根部逐步增厚，瓶口外径、内径和有效长度符合要求。

实施例2

所用旋轮4的结构参数为：旋轮宽度B＝65mm，工作斜面与旋轮轴心线的夹角β＝81°，工作斜面相对于旋轮轴心线的垂直投影宽度S＝19.3mm，工作斜面一侧圆角半径R₂＝12mm，非工作斜面一侧的圆角半径R₁＝16mm。

针对Φ406×6.6mm、100升GB24160环缠绕气瓶内胆，采用国产四川德阳泰豪科技有限公司生产的GL425数控旋轮热旋压机，旋压收口工艺过程如下：

1)钢管加热：将钢管3自动送入中频加热炉中加热到1080℃，钢管3的收口段的加热长度L＝480mm。钢管3的直径Φ与加热长度L的关系如图3所示。

2)封口旋压：开启自动补热枪对钢管3收口段进行补热，补热温度为1200℃，用旋压机1的主轴卡爪2夹紧钢管3外壁，使其以400rpm的主轴速度旋转，同时将旋轮4的工作斜面靠近钢管3收口段外壁，对钢管3进行7道次半椭球形正向封口旋压，每道次旋轮4在钢管3收口段外壁向内轴向进给-Z后，按照半椭球形状轨迹以以较慢的正旋速度F从钢管3收口段外壁向封头底部中心转动α角度，再按照相同的轨迹以较快的返回速度F1转动到钢管收口段外壁(道次N1～N7工艺参数见表2)。其中，在N7道次封口旋压时封头底部中心的补热温度控制在1200℃，N7道次旋轮旋转角度比N6道次旋轮旋转角度大3°，并在N7道次旋压的过程中封口切头，将钢管端头因不垂直而不均匀的材料向外翻出形成直径的小圆柱在封口道次切掉，以免端头不均匀和氧化严重的材料压入底部中心的熔合区造成瓶口内螺纹缺陷。钢管3在N1～N7道次封口旋压中的形变如图4～6所示。

3)底部增厚旋压：保持对钢管收口段的补热状态和旋压机主轴转速不变，再对所获得的半椭球形封头进行3道次底部增厚旋压，每道次旋轮在钢管收口段外壁向内轴向进给-Z后，按照半椭圆形轨迹以较慢的正旋速度F从钢管收口段外壁向封头底部中心转动α角度，再按照相同的轨迹以较快的返回速度F1转动到钢管收口段外壁，获得底部增厚的半椭球封头(道次N8～N11工艺参数见表2)。所得的半椭球封头：钢管外径为椭球短轴，钢管轴向为椭球长轴，长半轴与短半轴之差为6mm。钢管3在底部增厚旋压后的形变如图7所示。

4)瓶口成形旋压：继续保持对钢管收口段的补热状态和旋压机主轴转速不变，旋轮在钢管收口段外壁向内轴向进给10mm，按照半椭圆形轨迹以260mm/min的正旋速度从钢管收口段外壁向封头底部中心转动80°旋压成形瓶口(道次N12工艺参数见表2)。瓶口成形旋压后的形状如图8所示。

5)封头表面光整旋压：继续保持对钢管收口段的补热状态和旋压机主轴转速不变，旋轮在底部中心向内轴向进给4mm后，以120mm/min的返回速度和设定的半椭圆形轨迹转动到钢管收口段外壁，使整个半椭球封头表面光滑，从而完成无缝气瓶的热旋压收口(道次N13工艺参数见表2)。

表2：Φ406×6.6mm内胆收口道次及工艺参数表

对实施例2所得收口封头瓶口解剖后发现，从钢管外壁到封头瓶口根部逐步增厚，瓶口外径、内径和有效长度符合要求。