大容積儲氫氣瓶鋁管旋壓收口成型技術(shù)研究

王駿 王艷輝 袁卓偉 董朝正 馬春花

摘 要 本文探討了35MPa碳纖維全纏繞儲氫氣瓶385L大容積鋁內(nèi)膽鋁管旋壓收口成型技術(shù)。通過創(chuàng)新設(shè)計夾具卡爪和模具旋輪對大容積鋼質(zhì)氣瓶旋壓設(shè)備微改造，實現(xiàn)了大口徑（406～720mm直徑）鋁合金內(nèi)膽制造，在保證產(chǎn)品性能的同時，解決了產(chǎn)品封頭筒身過渡段壓痕、凸起問題，產(chǎn)品實測性能遠超設(shè)計疲勞壽命≥11000次的要求。本文將詳實介紹大口徑鋁管旋壓收口設(shè)計的道次工藝參數(shù)制定方法，通過X/Z兩軸聯(lián)動走封頭軌跡，制作與圖紙封頭曲線完全吻合的碟形封頭的工藝方法。

關(guān)鍵詞 大口徑；鋁內(nèi)膽；夾具卡爪；模具旋輪；旋壓道次工藝；碟形封頭

Research on Spinning Technology of Aluminum Tube for

Large Volume Hydrogen Storage Gas Cylinder

WANG Jun， WANG Yanhui， YUAN Zhuowei， DONG Chaozheng，MA Chunhua

（Sinoma Science & Technology （SuZhou） Co.，Ltd.，Suzhou 215021）

ABSTRACT This article explores the spinning technology of 385L large volume aluminum inner liner aluminum tube for 35MPa carbon fiber fully wound hydrogen storage cylinder. Through innovative design of fixture claws and mold wheels， the spinning equipment for large volume steel gas cylinders has been slightly modified， achieving the manufacturing of large diameter （406mm-720mm in diameter） aluminum alloy inner liners， ensuring product performance while solving the problems of indentation and protrusion in the transition section of the product head cylinder body. The measured performance of the product far exceeds the design fatigue life requirement of ≥11000 times. This article will provide a detailed introduction to the process parameter formulation method for the spinning design of large-diameter aluminum pipes. By using the X/Z two axis linkage to trace the head trajectory， the process method for producing a dished head that fully matches the head curve in the drawing will be used.

KEYWORDS large diameter; aluminum inner liner; fixture claw; mold wheel; spinning process; dished head

通訊作者：王駿，男，中級工程師。研究方向為壓力容器及氣瓶金屬成型工藝技術(shù)及研究。E-mail： wjjj19@163.com

1 引言

高壓儲氫氣瓶是氫燃料電池汽車壓縮儲氫的關(guān)鍵部件之一，目前主流有金屬鋼制高壓儲氫氣瓶容器和復(fù)合材料鋁內(nèi)膽高壓儲氫氣瓶容器^［1］。金屬鋼質(zhì)容器重量較大、單位質(zhì)量儲氫密度較小，限制了其在燃料電池汽車上的應(yīng)用^［2］。隨著氫燃料電池汽車的發(fā)展，對車載儲氫系統(tǒng)的質(zhì)量與體積儲氫密度提出了很高的要求（美國能源部的目標要求是6wt％ H²/m³和60 kg H²/m³）^［3］。

復(fù)合材料高壓容器具有重量輕、結(jié)構(gòu)效率高、可靠性好、破壞時無殺傷性碎片產(chǎn)生等優(yōu)點，同規(guī)格、同壓力等級的復(fù)合材料鋁內(nèi)膽容器與金屬鋼質(zhì)容器相比減重約40％～60％，且能夠?qū)崿F(xiàn)高工作壓力，非常適合于燃料電池汽車的高壓儲氫系統(tǒng)。^［4］其中，商用重型卡車作為實現(xiàn)運輸領(lǐng)域脫碳目標的主要力量，為其配套的氫儲運裝備是研發(fā)的重要方向之一。385L鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氫氣瓶，專為重型卡車型設(shè)計，具有“大容積、輕量化”的特點優(yōu)勢，可顯著提高商用重型卡車的經(jīng)濟性和安全性。

目前，國內(nèi)氫燃料電池汽車主流高壓復(fù)合材料儲氫氣瓶是35MPaⅢ型鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氫氣瓶。因其與氫氣具有很好的相容性，無氫脆，金屬內(nèi)襯無氫氣滲透、充放氫氣過程對溫度敏感性小等諸多優(yōu)勢而受到燃料電池汽車的規(guī)?；痉稇?yīng)用。儲氫氣瓶在同等壓力下容積越大，能夠存儲的氫氣越多，質(zhì)量儲氫密度的提高對提高燃料電池汽車的續(xù)航里程具有重要意義。

鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氫氣瓶的制作難點之一是其鋁內(nèi)膽的制造成型，而鋁內(nèi)膽制造成型的關(guān)鍵是封頭旋壓收口成型技術(shù)。目前，市面上常規(guī)的旋壓設(shè)備口徑為267mm～406mm范圍，只能制作直徑406mm以下的鋁內(nèi)膽，不能進行更大直徑鋁內(nèi)膽制作，限制了同等長度氣瓶的容積。在同等長度車載空間的范圍內(nèi)要增加氣瓶容積，則需要將鋁內(nèi)膽直徑加大，現(xiàn)有旋壓設(shè)備無法滿足。大口徑管收口旋壓機現(xiàn)在主要為制作鋼質(zhì)大容積氣瓶的設(shè)備，不能直接用于制作鋁內(nèi)膽成型。當鋁管直徑變大，成型過程容易出現(xiàn)失穩(wěn)、褶皺造成成形失敗，成型難度隨之增大。

本文分析了制作大口徑鋁管旋壓收口成型技術(shù)存在的問題，研究了現(xiàn)有條件下設(shè)備工裝模具問題及工藝難點并給出對應(yīng)解決問題的方法，開發(fā)出CHG3-540-385-35 S/A碟形封頭的大口徑鋁內(nèi)膽，產(chǎn)品各項性能全部滿足要求。

2 現(xiàn)技術(shù)存在的問題和難點

2.1 現(xiàn)存設(shè)備及工裝不能滿足鋁內(nèi)膽成型需求

大容積鋼質(zhì)氣瓶旋壓設(shè)備如圖1所示，該設(shè)備通常為加工較長鋼管收口而設(shè)計（大于7.5m的長管），由于鋁內(nèi)膽長度約2m左右，設(shè)備的尾座無法使用，僅能通過前端卡爪夾持鋁管。該夾持方式缺少尾部支撐和同心定位，鋁管旋轉(zhuǎn)過程跳動很大（約5mm～13mm），會導(dǎo)致收口不成形或封頭筒身過渡段有壓痕或凸起，如圖2所示。即使勉強成型，其鋁內(nèi)膽耐疲勞性能嚴重不足，遠達不到氣瓶疲勞試驗標準要求。

其次，該旋壓設(shè)備用于大瓶口旋壓收口（瓶口直徑約140mm），而鋁內(nèi)膽設(shè)計的瓶口直徑較?。s80mm），設(shè)備的擺臂旋轉(zhuǎn)中心偏心已到極限位置，瓶口直徑要做小，僅通過增大設(shè)備擺臂角度，會造成瓶口呈嚴重的錐形，而且無法加工出合格的瓶口內(nèi)螺紋。瓶口內(nèi)孔不實如圖3所示。

2.2 大口徑鋁內(nèi)膽封頭成型難，且常規(guī)封頭不利于后序工序進行

隨著鋁管直徑加大，旋壓過程中常常出現(xiàn)失穩(wěn)、褶皺，導(dǎo)致成型失敗的概率增大。旋壓褶皺如圖4所示。如何調(diào)試編制合適的旋壓道次，選擇合適的主軸轉(zhuǎn)速、進給量及速度是解決旋壓成型失敗問題的關(guān)鍵。

大容積鋼質(zhì)氣瓶旋壓設(shè)備常規(guī)制作的封頭形狀為半球形，鋁內(nèi)膽需要全纏繞，半球形封頭纏繞時易出現(xiàn)掛紗困難、滑紗等問題，造成碳纖維浪費，氣瓶容積同長度情況下縮小而造成產(chǎn)品缺乏市場競爭力。纏繞滑紗如圖5所示。

3 解決方案

3.1 設(shè)計新卡爪實現(xiàn)在長管鋼質(zhì)容器設(shè)備成型鋁內(nèi)膽

新設(shè)計夾具卡爪如圖6所示，卡爪軸向長度加長至800mm向主軸內(nèi)部延伸，卡爪軸向平分成5等分，呈瓦片狀。當卡爪張開時，內(nèi)徑增大約30mm，鋁管可以順利進入，當其合上時其內(nèi)徑和鋁管外徑及弧度相同，將鋁管中部和尾部大面積抱緊夾持。該夾具使旋壓加工外露部分鋁管與設(shè)備主軸同心，主軸旋轉(zhuǎn)時外露部分鋁管轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，跳動從原來10mm以上減少至1mm以內(nèi)。同時由于夾持面積增大，減少了鋁管因受力產(chǎn)生的變形。新設(shè)計的夾具卡爪使大口徑鋁管旋壓成型利用現(xiàn)有長管鋼質(zhì)容器旋壓設(shè)備得以實現(xiàn)，能夠解決旋壓封頭筒身過渡段壓痕和凸起的問題，消除氣瓶疲勞性能不足的問題。

3.2 設(shè)計新模具旋輪解決收口問題

新設(shè)計旋輪如圖7所示，新設(shè)計旋輪輪廓的夾角和R弧度，彌補長管鋼質(zhì)容器旋壓設(shè)備擺臂中心限位時造成的瓶口錐形和瓶口直徑大、內(nèi)孔不實的問題。

旋壓收口中，為了使金屬流動趨向瓶口方向，一般調(diào)整X軸擺動中心向下偏移一定位移量x，而旋輪成形角α直接關(guān)系到瓶口成形，可由公式（1）確定^［5］旋輪成型角與瓶口直徑的關(guān)系，如圖8所示。

式中：D—氣瓶瓶體外徑；d—氣瓶瓶口外徑；x為擺動中心位移量；α為旋輪成型角。

圖8中氣瓶的瓶口與封頭過渡處的圓角R決定于旋輪的圓角半徑R，兩者數(shù)值相等。

新設(shè)計模具旋輪隨著設(shè)備擺臂回轉(zhuǎn)壓下時，能夠旋壓收口出符合鋁內(nèi)膽設(shè)計圖紙要求的較小瓶口直徑和其過渡段R弧度。新設(shè)計夾具卡爪及旋輪旋壓加工示意圖如圖9所示。

3.3 設(shè)計鋁管旋壓道次工藝

通過理論計算和試制，制定出新的大口徑鋁管旋壓步驟道次，根據(jù)制定的主軸轉(zhuǎn)速、進給量和進給速度等技術(shù)參數(shù)編制出CNC加工程序，實現(xiàn)大直徑鋁管封頭旋壓成型。

旋壓道次參數(shù)主要包括主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、Z軸進給量和X軸擺角^［6］。進給速度與主軸轉(zhuǎn)速的比稱為進給比，決定管坯每轉(zhuǎn)一圈的金屬變形量，進給比越大，金屬變形量越大，易導(dǎo)致變形裂紋增多，對成型不利^［7］。當鋁管增大，旋壓容易產(chǎn)生失穩(wěn)、褶皺不成型，可以通過減小進給速度并提高主軸轉(zhuǎn)速來獲取合適的進給比^［8］。Z軸進給量和X軸擺角決定著每道次旋壓金屬量，剛起步的道次X軸擺角較小，往后逐步增大；Z軸進給量起步道次控制在25mm以內(nèi)，以后每道次進給量控制在15mm以內(nèi)。經(jīng)過試制驗證，每道次的旋壓金屬變形過程平穩(wěn)，整個成型過程所有道次的金屬變形量均勻，鋁內(nèi)膽成型過程穩(wěn)定可靠，成功制作出合格的氣瓶封頭。

大口徑鋁管旋壓前后及封頭/瓶口解剖情況如圖10所示。封頭壁厚漸變增厚良好，封頭內(nèi)部光滑平整，無褶皺、楞圈、溝槽等不良缺陷，瓶口外徑及內(nèi)徑滿足設(shè)計圖紙尺寸要求。

3.4 碟形封頭旋壓整形

將旋輪輪廓按擺角貼合在要達到的封頭曲線上，可得出不同擺角下進給軸變化量，獲得封頭曲線旋壓節(jié)點數(shù)據(jù)，通過編制進給軸Z軸和擺臂軸Y軸兩軸聯(lián)動的旋輪軌跡加工CNC程序，旋輪表面與坯料接觸面走碟形曲線，實現(xiàn)旋壓封頭碟形化。

具體方法為：利用CAD制圖工具，在圖形1∶1狀態(tài)下，將旋輪輪廓按X軸不同擺角貼合在要達到的封頭曲線上，得出擺臂不同X角值對應(yīng)的Z軸變化值，獲得碟形封頭曲線旋壓節(jié)點，如圖11所示，通過獲取碟形封頭曲線節(jié)點編寫出碟形軌跡CNC程序，旋壓成型出與設(shè)計模板吻合的碟形封頭。

3.5 CHG3-540-385-35 S/A大容積儲氫氣瓶開發(fā)

采用上述的工裝模具改進辦法和旋壓道次、封頭成型方法制作，CHG3-540-385-35 S/A大口徑鋁內(nèi)膽如圖12所示，碟形封頭大口徑鋁內(nèi)膽過程為：用改進后新設(shè)計的540夾具卡爪夾緊6061鋁合金管材坯料，鋁管被卡爪抱緊與主軸同心，尾部也被卡爪有效支撐，鋁管旋轉(zhuǎn)跳動實現(xiàn)＜1mm，且鋁管夾緊無變形。以上條件的達成，可實現(xiàn)調(diào)整旋輪與鋁管直筒段間隙至0～1mm，當旋輪從0°擺下角度時，過渡段部分實現(xiàn)筒身和封頭的圓滑平滑過渡，無凸起和壓痕。

主軸帶動卡爪，卡爪帶動鋁管進行旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達到400轉(zhuǎn)/分；同時天然氣/氧氣加熱槍對夾緊的鋁管坯料外露段進行加熱和補熱，使溫度達到并保持在330℃～460℃范圍內(nèi)^［9］。新設(shè)計的旋輪按照編寫好的進給速度、Z軸進給量、X軸擺角及輪廓軌跡的CNC加工程序，分十五道次完成旋輪進給和擺動，完成封頭成型并旋壓出預(yù)期的瓶口。旋壓成型的CHG3-540-385-35 S/A鋁內(nèi)膽如圖13所示。

旋壓成型的大口徑鋁內(nèi)膽之后經(jīng)過固溶時效、瓶口內(nèi)螺紋加工后轉(zhuǎn)入纏繞固化工序。該碟形封頭在全纏繞工序時無掛紗困難、滑紗等問題，使復(fù)合氣瓶全纏繞得以正常順利進行^［10］。碳纖維全纏繞過程封頭情況如圖14所示，纏繞固化完成的產(chǎn)品封頭及瓶體如圖15所示，氣瓶重容比達0.51，并成功批量應(yīng)用。

4 結(jié)語

（1）通過創(chuàng)新設(shè)計夾具卡爪結(jié)構(gòu)方式和旋輪輪廓角度及R角，實現(xiàn)了滿足各項要求的大直徑（406mm～720mm）儲氫氣瓶鋁合金內(nèi)膽。新設(shè)計的夾具卡爪結(jié)構(gòu)方式同時解決了鋁管旋壓過程跳動大和夾緊變形的問題，產(chǎn)品過渡段無壓痕和凸起，產(chǎn)品疲勞性能滿足設(shè)計及相關(guān)產(chǎn)品標準要求，新設(shè)計的旋輪可以旋壓制作出合格的瓶口及其R過渡段。

（2）精心設(shè)計的大口徑鋁管旋壓收口道次，制定的主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、Z軸進給量、X軸擺角等參數(shù)，解決了大管徑鋁管旋壓不成型，成型難的問題，旋壓出合格的大口徑鋁合金內(nèi)膽。通過X/Z軸兩軸聯(lián)動封頭軌跡法，制作出與圖紙曲線完全吻合的碟形封頭，復(fù)合氣瓶后續(xù)全纏繞工序得以正常進行，在有限長度空間范圍內(nèi)增加氣瓶容積、提高了產(chǎn)品市場競爭力。

參 考 文 獻

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