某助推器殼體旋壓工藝研究

何 芳 王曉菊 王靜薇 藺 海 李銘曦

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某助推器殼體旋壓工藝研究

何 芳 王曉菊 王靜薇 藺 海 李銘曦

（西安長(zhǎng)峰機(jī)電研究所，西安 710065）

介紹了一種材料為合金結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiA的雙臺(tái)階固體火箭助推器殼體強(qiáng)力旋壓工藝方法。通過(guò)分析零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定出采用正向旋壓方法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的旋壓毛坯和旋壓工裝。通過(guò)工藝試驗(yàn)過(guò)程檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析，確定出合理的旋壓工藝流程，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證旋壓工藝流程的合理性和可行性，旋出滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品，為同類(lèi)結(jié)構(gòu)殼體旋壓提供技術(shù)參考。

固體火箭助推器殼體；強(qiáng)力旋壓；工藝試驗(yàn)

1 引言

強(qiáng)力旋壓是成型薄壁空心回轉(zhuǎn)體金屬零件的主要加工方式之一，也是一種重要的少無(wú)切削塑性成形加工方法，在航空航天行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。本文針對(duì)某固體火箭助推器殼體采用強(qiáng)力旋壓加工，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步制定出旋壓工藝方案，通過(guò)試驗(yàn)旋壓加工工藝，確定出最佳工藝方案，旋壓出滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品。

2 零件結(jié)構(gòu)及工藝分析

2.1 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 殼體三維結(jié)構(gòu)圖

2.2 零件的可旋性分析

兩端臺(tái)階旋壓成型是工藝難點(diǎn)，臺(tái)階成形的好壞，尤其是上下坡段的旋壓表面光潔度對(duì)筒體的外觀質(zhì)量有決定性的影響，臺(tái)階壁厚不小于6mm，臺(tái)階段與薄壁段壁厚相差4mm以上。30CrMnSiA 筒形件不進(jìn)行中間半成品退火的總減薄率約為75%，一般道次減薄率為30%?？紤]到材料的道次減薄率，臺(tái)階段若一次直接成形為薄壁段，理論計(jì)算的減薄率為66.67%，大大超過(guò)了30CrMnSiA鋼材料的道次減薄率，臺(tái)階不可能一次旋壓成型，因而薄壁段采用兩道次旋壓成型。三旋輪旋壓過(guò)程中，旋輪壓下量的匹配、過(guò)渡段角度，成為制約旋壓成型零件質(zhì)量的重要因素。

3 旋壓工藝設(shè)計(jì)

3.1 工藝方案設(shè)計(jì)

旋壓道次的確定需要考慮多方面的因素，從效率上來(lái)說(shuō)，旋壓道次越少越好，考慮材料的道次減薄率，旋壓道次不可能太少。筒形件變薄旋壓，旋壓過(guò)程中遵循體積不變規(guī)律和最小阻力定律[3]。根據(jù)材料減薄率、設(shè)備旋壓能力，設(shè)計(jì)出旋壓毛坯的壁厚9mm。采用三道次旋壓成形，第一道次將9mm的毛坯旋到6mm直筒件，第二道次旋成4mm臺(tái)階件，第三道次再將中間段從4mm厚旋成2mm的產(chǎn)品。

正旋與反旋相比，雖然旋壓過(guò)程中旋輪要走完全部工件長(zhǎng)度，其生產(chǎn)效率相對(duì)低，但所需旋壓力較小，旋壓產(chǎn)品精度較高，考慮到要精確控制臺(tái)階間距，選用正旋方法加工。

3.2 毛坯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

坯料內(nèi)徑與芯模的間隙值應(yīng)以變形金屬塑流穩(wěn)定為原則，針對(duì)該小直徑殼體，旋壓毛坯與旋壓芯模的間隙取0.10mm，毛坯壁厚與工件壁厚簡(jiǎn)化為縱截面積不變的關(guān)系，即旋壓前后體積相等，依據(jù)芯模結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)出帶托底的旋壓毛坯，毛坯起旋處結(jié)構(gòu)與第一個(gè)旋輪起旋型面一致，便于穩(wěn)定旋壓，毛坯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 毛坯結(jié)構(gòu)圖

4 工藝裝備

旋壓設(shè)備選用數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)，三旋輪均布，旋壓過(guò)程中，不但徑向力可互相平衡，而且變形區(qū)由點(diǎn)接觸變?yōu)榻骗h(huán)形，其在工件圓柱面上沿螺旋線縱向前進(jìn)，變形條件得以改善，工件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量大為提高[2]。

芯模相應(yīng)地設(shè)計(jì)成正旋結(jié)構(gòu)，選擇尾部帶凸臺(tái)的形狀，不僅便于毛坯裝夾，也易于定位，結(jié)構(gòu)如圖3所示。芯模材料選模具鋼CrWMn，硬度HRC58～62，旋壓芯模的表面光潔度a0.8μm。

圖3 芯模尾部結(jié)構(gòu)圖

旋輪材料選模具鋼CrWMn，硬度HRC58～62，旋輪工作型面的表面光潔度a0.8μm。

錯(cuò)距旋壓使用2個(gè)雙錐旋輪和1個(gè)帶修光角的臺(tái)階旋輪，同步旋壓使用3個(gè)雙錐旋輪，雙錐旋輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙錐旋輪結(jié)構(gòu)圖

5 工藝試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

5.1 第一組試驗(yàn)情況

三道次同步旋壓成形，一、二道次間真空退火。由于第一道次材料減薄率較大，為了減小擴(kuò)徑，第一道次旋壓進(jìn)給率為1.8mm/r，最終旋出的筒體表面質(zhì)量不好，過(guò)渡段角度基本一致但表面有起皮現(xiàn)象，且三道次同步旋壓后的筒體兩端擴(kuò)孔嚴(yán)重，容易出現(xiàn)尺寸超差。

5.2 第二組試驗(yàn)情況

三道次全部選用錯(cuò)距旋壓，擴(kuò)孔的問(wèn)題基本解決了，但是因三個(gè)旋輪上下臺(tái)階的壓下量及角度匹配問(wèn)題，后面的旋輪不能將前一個(gè)旋輪的旋壓痕跡消除，在上下臺(tái)階的斜面上留下波浪式的旋壓紋，需要后期機(jī)加光整，由于受到殼體圓度、跳動(dòng)量等綜合因素的影響，機(jī)加后的過(guò)渡段與臺(tái)階的交線不規(guī)則，表面質(zhì)量不能滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 第三組試驗(yàn)情況

通過(guò)對(duì)比和分析前兩組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，調(diào)整旋壓工藝，殼體第一道次錯(cuò)距旋壓，第二、三道次同步旋壓成型。錯(cuò)距旋壓道次減薄率大、工序少、效率高、工藝流程短，但是錯(cuò)距旋壓過(guò)渡坡段兩次壓下時(shí)的表面質(zhì)量受反彈量對(duì)角度影響不好控制，同步旋壓與其優(yōu)缺點(diǎn)正好互補(bǔ)，第一道次錯(cuò)距旋壓材料減薄率與同步旋壓一致，無(wú)需中間熱處理，成型內(nèi)孔和表面質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。由于一道次旋壓后內(nèi)孔尺寸好，二、三道次采用同步旋壓，兩端臺(tái)階過(guò)渡段表面質(zhì)量好、內(nèi)孔尺寸都在公差范圍內(nèi)，工藝難點(diǎn)在于要控制好上下臺(tái)階的銜接位置，嚴(yán)格計(jì)算薄壁段的體積，保證兩道次后薄壁段長(zhǎng)度。采用這種方法既可以保證過(guò)渡段的表面質(zhì)量，又減少了加工工序，同時(shí)避免了中間來(lái)回轉(zhuǎn)件流程對(duì)毛坯磕碰以及熱處理后毛坯變形不利于旋壓的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)調(diào)整成型過(guò)程中的旋輪壓下量以及反彈量摸索，確定出合理的補(bǔ)償值，最終確定出臺(tái)階與薄壁段合理的角度，解決了實(shí)際加工中遇到的問(wèn)題。001#～008#殼體旋壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 殼體旋壓試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

6 結(jié)束語(yǔ)

a. 殼體旋壓過(guò)程中，經(jīng)過(guò)工藝試驗(yàn)，調(diào)整工藝思路，采用同步與錯(cuò)距相結(jié)合的旋壓方法，加工出滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品；

b. 正向旋壓時(shí)，采用帶凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的旋壓芯模，便于毛坯安裝、定位，旋壓過(guò)程穩(wěn)定、可靠；

c. 工藝試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)采取切實(shí)可行的工藝措施，解決了加工中出現(xiàn)的問(wèn)題，為同類(lèi)零件的旋壓提供技術(shù)參考。

1 王成和，劉克璋. 旋壓技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986

2 張濤. 旋壓成型工藝[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

3 趙云豪，李彥利. 旋壓技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

Technology Study of Spinning with Rocket Booster Case

He Fang Wang Xiaoju Wang Jingwei Lin Hai Li Mingxi

(Xi’an Changfeng Research Institue of Mechanism and Electricity, Xi’an 710065)

This paper introduces a kind of double-step rocket booster whose case is made from structual alloy steel 30CrMnSiA and formed by means of shear spinning. By analysing the structual character of the component, forward stroke spinning has been chosen and corresponding blank and auxiliary assembly have been designed. By analysing the data and testing the process, rational spinning process has been ascertained. the rationality and practicability have been tested by producing, and the products can satisfy the demands. This can provide technological reference for case spinning of similar construction.

solid rocket booster case；shear spinning；process testing

何芳（1980-），高級(jí)工程師，材料成型及控制工程專業(yè)；研究方向：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體旋壓成型。

2017-09-25