深海承壓艙加工工藝研究?

易學(xué)平

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

1 概述

承壓艙是海洋電磁勘探系統(tǒng)的重要組成部分，制造材料是鋁—鋅—鎂—銅系可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度鋁合金（7050鋁合金），最大工作水深為4 000m。承壓艙的密封性直接影響到其在水下的正常工作，因此，承壓艙密封面加工質(zhì)量是難點(diǎn)之一。本文對承壓艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做簡要介紹，重點(diǎn)對其加工工藝進(jìn)行論述。

2 承壓艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

承壓艙采用五段式圓柱形筒體結(jié)構(gòu)，兩端為前、后端蓋，中間為兩段圓柱筒段和中間散熱段，段與段之間采用法蘭連接，圓柱筒段焊接導(dǎo)軌作為其電子元器件安裝平臺，中間散熱段內(nèi)部采用八邊形結(jié)構(gòu)，發(fā)熱元件安裝時(shí)與八邊形面貼緊便于散熱。承壓艙各分段都采用鋁合金鍛件整體加工而成，鋁合金加工后的應(yīng)力釋放會影響整體加工尺寸，所以加工方法的選擇及加工工序?qū)τ诩庸さ淖罱K產(chǎn)品尺寸有影響。承壓艙段與段之間密封型式采用2道徑向密封結(jié)構(gòu)，密封面粗糙度要求達(dá)到Ra1.6μm，密封溝槽同軸度要求達(dá)到0.05 mm，密封配合面圓柱度要求達(dá)到0.05mm；配合面直徑為Φ570mm，配合尺寸精度也有非常高的要求，最大間隙為0.25mm，最小間隙為0.08mm。

3 承壓艙制造材料的力學(xué)性能及特點(diǎn)

3.1 7050鋁合金力學(xué)性能

7050合金是鋁—鋅—鎂—銅系可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度變形鋁合金，可生產(chǎn)厚板、型材、鍛件等多種制品。該合金采用鋯取代鉻作晶粒細(xì)化劑，采用過時(shí)效狀態(tài)處理，使其在保持較高強(qiáng)度水平下，具有韌性好、疲勞強(qiáng)度高和抗腐蝕性能好等優(yōu)良綜合性能，一個突出的優(yōu)點(diǎn)是淬透性好，特別適用于制造厚大截面的零件。7050鋁合金常見狀態(tài)的力學(xué)性能如表1所示。

表1 7050鋁合金力學(xué)性能

3.2 7050鋁合金鍛造特點(diǎn)

7050高強(qiáng)度鋁合金在鍛造過程中隨外加載荷方向而不斷被壓縮和拉長，使坯料產(chǎn)生劇烈的塑性變形，晶粒達(dá)到強(qiáng)烈細(xì)化，可顯著改善材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。鋁合金鍛造溫度范圍非常窄，而且其導(dǎo)熱系數(shù)很大，因此和模具接觸后降溫很快，從而導(dǎo)致合金塑性下降，變形抗力增大，金屬流動困難，填充能力下降，因此鋁合金鍛造一般采用等溫鍛造的方法。等溫鍛造時(shí)，鍛模和坯料處于同一溫度，坯料熱量散失少，表面氧化少，得到的鍛件具有更合理的微觀組織和機(jī)械性能。7050鋁合金開鍛溫度最好不超過420℃，溫度過高容易產(chǎn)生熱脆，特別是用錘鍛時(shí)更要注意，終鍛溫度不低于280℃。

3.3 7050鋁合金加工特點(diǎn)

7050高強(qiáng)度鋁合金在機(jī)加工過程中易產(chǎn)生較大的加工應(yīng)力，同時(shí)材料導(dǎo)熱系數(shù)高，切削時(shí)工件本身溫升較快，易引起工件變形，為防止切削溫度過高而引起變形，切削區(qū)溫度一般不超過100℃，切削速度不超過550r/min，進(jìn)給量不超過0.2mm/r；另外與黑色金屬相比，鋁合金硬度低、黏性大，易形成切削積瘤，影響加工質(zhì)量。

4 承壓艙主要加工工序及措施

承壓艙加工精度要求高，特別是裝配面同軸度、圓柱度、表面粗糙度要求特別高，鋁合金加工后加工應(yīng)力釋放會影響結(jié)構(gòu)尺寸，給機(jī)加工帶來較大的困難。在制定加工工藝時(shí)，應(yīng)充分考慮加工應(yīng)力釋放，特別是密封面的加工，粗加工后要放置一段時(shí)間進(jìn)行應(yīng)力釋放，精加工前應(yīng)留有一定的機(jī)加工余量，從而保證精加工后能夠滿足整體尺寸要求。

4.1 圓柱筒段加工

圓柱筒段加工分機(jī)械加工和焊接兩部分，加工工藝流程如圖1所示。

具體加工工藝如下：

（1）準(zhǔn)備導(dǎo)軌和圓柱筒體部件：導(dǎo)軌直角面均預(yù)留5mm余量，筒體外圓粗加工，直徑預(yù)留余量，內(nèi)徑加工至圖紙尺寸，密封面先不加工。

（2）焊接導(dǎo)軌與圓柱筒：焊前圓柱筒體內(nèi)部用專用工裝支撐，防止焊接變形造成圓柱筒體內(nèi)徑偏差，焊接前將圓柱筒體整體加熱后再進(jìn)行焊接。焊接過程中要注意防止焊縫產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)軌焊接完成后應(yīng)對圓柱筒體進(jìn)行整體消應(yīng)熱處理，以消除材料殘余應(yīng)力，同時(shí)熱處理不應(yīng)改變原材料的本身性能。

（3）精加工圓柱筒體及導(dǎo)軌：采用線切割方法加工導(dǎo)軌，導(dǎo)軌切割完成后用砂紙研磨導(dǎo)軌上表面，保證表面粗糙度滿足安裝要求，在精加工圓柱筒體外圓及密封面前應(yīng)進(jìn)行時(shí)效處理，以釋放材料內(nèi)應(yīng)力。

（4）圓柱筒段加工完成后，對其表面進(jìn)行陽極氧化處理，氧化過程中應(yīng)注意對非氧化部位進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)防止工件過熱變形。

加工過程中的尺寸檢驗(yàn)在以下3個時(shí)段進(jìn)行：①在機(jī)床上進(jìn)行產(chǎn)品尺寸檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)產(chǎn)品的同軸度和平面度等形位尺寸；②在自由狀態(tài)下檢驗(yàn)零部件外形尺寸；③陽極氧化后在自由狀態(tài)下再次進(jìn)行零部件外形尺寸檢驗(yàn)。

圖1 圓柱筒段加工工藝流程圖

4.2 中間散熱段加工

中間散熱段內(nèi)部為正八邊形結(jié)構(gòu)，八邊形安裝面有螺紋安裝孔，兩端為密封面，加工工藝流程圖如圖2所示。具體加工工藝如下：

（1）準(zhǔn)備中間散熱段原材料：筒體外圓和內(nèi)部均預(yù)留5mm余量，筒體外圓粗加工，直徑預(yù)留余量，內(nèi)部采用數(shù)控龍門加工中心加工，加工完成后采用細(xì)砂紙打磨安裝表面，保證安裝面表面粗糙度，八邊形內(nèi)部螺紋孔采用鉆模手工鉆孔方法進(jìn)行。

（2）精加工圓柱筒體外圓：外圓精加工前進(jìn)行時(shí)效處理，釋放材料內(nèi)應(yīng)力，采用數(shù)控立車加工外圓密封面，加工過程采用小切削量，高轉(zhuǎn)速減小工件產(chǎn)生熱量，從而減小工件熱變形。

（3）中間散熱段加工完成后，對其表面進(jìn)行陽極氧化處理，氧化過程中注意對非氧化部位進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)防止工件過熱變形。

加工過程中的尺寸檢驗(yàn)在以下3個時(shí)段進(jìn)行：①在機(jī)床上進(jìn)行產(chǎn)品尺寸檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)產(chǎn)品的同軸度和平面度等形位尺寸；②在自由狀態(tài)下檢驗(yàn)零部件外形尺寸；③陽極氧化后在自由狀態(tài)下再次進(jìn)行零部件外形尺寸檢驗(yàn)。

圖2 中間散熱段加工工藝流程圖

5 結(jié)束語

承壓艙采用高強(qiáng)度鋁合金7050鍛件整體加工成型，加工完成后，檢驗(yàn)所有尺寸滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，特別是密封溝槽的精度高于設(shè)計(jì)要求，同軸度達(dá)到0.02mm，圓柱度達(dá)到0.03mm。整體裝配完成后在壓力釜中進(jìn)行壓力試驗(yàn)，在30MPa壓力下保壓10 min，在35MPa壓力下保壓10min，在40MPa壓力下保壓60min。保壓過程中壓力無下降，表明該承壓艙結(jié)構(gòu)滿足最大工作水深4 000m的使用要求，此加工工藝為今后高強(qiáng)度鋁合金的加工工藝制訂提供一定的參考。

［1］熊良山，嚴(yán)曉光，張福潤.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.

［2］付平，常德功.密封設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］魏龍.密封技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.