深海承壓艙加工工藝研究?

易學平

（中國船舶重工集團公司 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的重要組成部分，制造材料是鋁—鋅—鎂—銅系可熱處理強化的高強度鋁合金（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量是難點之一。本文對承壓艙的結構特點做簡要介紹，重點對其加工工藝進行論述。

2 承壓艙結構特點

承壓艙采用五段式圓柱形筒體結構，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，圓柱筒段焊接導軌作為其電子元器件安裝平臺，中間散熱段內部采用八邊形結構，發熱元件安裝時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對于加工的最終產品尺寸有影響。承壓艙段與段之間密封型式采用2道徑向密封結構，密封面粗糙度要求達到Ra1.6μm，密封溝槽同軸度要求達到0.05 mm，密封配合面圓柱度要求達到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性能及特點

3.1 7050鋁合金力學性能

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

表1 7050鋁合金力學性能

3.2 7050鋁合金鍛造特點

7050高強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，使坯料產生劇烈的塑性變形，晶粒達到強烈細化，可顯著改善材料的各項力學性能。鋁合金鍛造溫度范圍非常窄，而且其導熱系數很大，因此和模具接觸后降溫很快，從而導致合金塑性下降，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，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械性能。7050鋁合金開鍛溫度最好不超過420℃，溫度過高容易產生熱脆，特別是用錘鍛時更要注意，終鍛溫度不低于280℃。

3.3 7050鋁合金加工特點

7050高強度鋁合金在機加工過程中易產生較大的加工應力，同時材料導熱系數高，切削時工件本身溫升較快，易引起工件變形，為防止切削溫度過高而引起變形，切削區溫度一般不超過100℃，切削速度不超過550r/min，進給量不超過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力釋放會影響結構尺寸，給機加工帶來較大的困難。在制定加工工藝時，應充分考慮加工應力釋放，特別是密封面的加工，粗加工后要放置一段時間進行應力釋放，精加工前應留有一定的機加工余量，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）準備導軌和圓柱筒體部件：導軌直角面均預留5mm余量，筒體外圓粗加工，直徑預留余量，內徑加工至圖紙尺寸，密封面先不加工。

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

（3）精加工圓柱筒體及導軌：采用線切割方法加工導軌，導軌切割完成后用砂紙研磨導軌上表面，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進行時效處理，以釋放材料內應力。

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

加工過程中的尺寸檢驗在以下3個時段進行：①在機床上進行產品尺寸檢驗，主要檢驗產品的同軸度和平面度等形位尺寸；②在自由狀態下檢驗零部件外形尺寸；③陽極氧化后在自由狀態下再次進行零部件外形尺寸檢驗。

圖1 圓柱筒段加工工藝流程圖

4.2 中間散熱段加工

中間散熱段內部為正八邊形結構，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）準備中間散熱段原材料：筒體外圓和內部均預留5mm余量，筒體外圓粗加工，直徑預留余量，內部采用數控龍門加工中心加工，加工完成后采用細砂紙打磨安裝表面，保證安裝面表面粗糙度，八邊形內部螺紋孔采用鉆模手工鉆孔方法進行。

（2）精加工圓柱筒體外圓：外圓精加工前進行時效處理，釋放材料內應力，采用數控立車加工外圓密封面，加工過程采用小切削量，高轉速減小工件產生熱量，從而減小工件熱變形。

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

加工過程中的尺寸檢驗在以下3個時段進行：①在機床上進行產品尺寸檢驗，主要檢驗產品的同軸度和平面度等形位尺寸；②在自由狀態下檢驗零部件外形尺寸；③陽極氧化后在自由狀態下再次進行零部件外形尺寸檢驗。

圖2 中間散熱段加工工藝流程圖

5 結束語

承壓艙采用高強度鋁合金7050鍛件整體加工成型，加工完成后，檢驗所有尺寸滿足圖紙設計要求，特別是密封溝槽的精度高于設計要求，同軸度達到0.02mm，圓柱度達到0.03mm。整體裝配完成后在壓力釜中進行壓力試驗，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，表明該承壓艙結構滿足最大工作水深4 000m的使用要求，此加工工藝為今后高強度鋁合金的加工工藝制訂提供一定的參考。

［1］熊良山，嚴曉光，張福潤.機械制造技術基礎［M］.武漢：華中科技大學出版社，2007.

［2］付平，常德功.密封設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［3］魏龍.密封技術［M］.北京：化學工業出版社，2007.