CN104525890B - 潜艇环肋圆柱壳的对轮旋压应变诱发法的半固态制造工艺 - Google Patents

Abstract

潜艇环肋圆柱壳的对轮旋压应变诱发法的半固态制造工艺，首先在熔炼合金的基础上，采用离心铸造工艺制备潜艇环肋圆柱壳铸态壳体；其次采用对轮旋压变形工艺对该铸态壳体进行大变形量的塑性变形和整形处理；接着对得到的潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料进行二次重熔，以获得具有细小、均匀、球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料；然后对该半固态坯料进行半固态整体模锻成形；最后进行锻后热处理完成潜艇环肋圆柱壳的制造，通过本发明能够制备出具有非枝晶细小均匀球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳，具有工艺过程简单，材料利用率高以及产品力学性能好的特点。

Description

潜艇环肋圆柱壳的对轮旋压应变诱发法的半固态制造工艺

技术领域

本发明属于半固态加工与成形技术领域，特别涉及潜艇环肋圆柱壳的对轮旋压应变诱发法的半固态制造工艺。

背景技术

随着地球上人口的急剧膨胀，陆上资源供应已趋于极限，占有地球表面积71％的海洋中，蕴藏着丰富的人类赖以生存的战略资源，人们已经认识到海洋必将成为人类生存和发展的第二物质空间。因此，各国都把经济发展的重心转移到海洋，21世纪将是海洋的世纪。

海洋地位的日益提高，海下运载器的研究制造将得到更高的重视，从军事方面来说，潜艇作为我国海军的主战兵力，是海上一种主要的威慑力量；从民用方面来说，潜水器也广泛应用于科研、工程等各领域。无论是潜艇还是潜水器，其中的耐压壳体承受深水压力，保证舱室内部人员和各种设备的正常工作，同时组成一个水密空间，是浮力的主要提供者。相比于椭圆形及矩形横剖面形状，圆形剖面的耐压壳体在均匀外压作用下只产生均匀收缩变形，这样壳体内部只有均匀压缩应力而无弯曲应力，材料能得到充分利用，从而能做到结构重量轻、省材料，此外，由于深水压力是外压，为了有效地提高耐压壳体在外水压作用下的稳定性，在圆柱壳板上设置了一系列环向加强筋，即形成了环肋圆柱壳。环肋圆柱壳有优越的水动力形状、更好的内部布置，更轻的外部结构，更低的建造成本，因此，目前潜艇耐压壳体多采用环肋圆柱壳。

目前环肋圆柱壳采用的制造工艺主要有：(1)锻件或轧制件切削加工，主要是先采用锻造或轧制方法制备筒形毛坯，然后通过切削加工的方法将所有需要的筋加工出来。但是该方法材料损耗严重、加工时间长，且加强筋部位的金属流线被切割，壳体的强度降低、力学性能变差，难以满足潜艇环肋圆柱壳的高质量要求；(2)铸造成形，虽然采用该方法材料利用率得到提高，但是由于铸造状态下的晶粒尺寸粗大，组织分布不均匀，且存在缩松、气孔等缺陷的影响，零件合格率很低，最主要的是有时候铸造材料机械性能低，不能满足工件的设计要求；(3)焊接成形，通常先由特种钢板焊接成圆形钢筒(或挤压成筒状)后对接起来，再在其内壁上焊接环筋，这种方法简单，成本低，但是制作的筒体焊接变形大、焊缝强度低(仅为基体的60％)，塑性、冲击韧性差、焊接变形量大，易产生应力集中，对中性差，不能满足产品的高精度要求，力学性能无法达到使用要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供潜艇环肋圆柱壳的对轮旋压应变诱发法的半固态制造工艺，通过该工艺制备出具有非枝晶细小均匀球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

潜艇环肋圆柱壳的对轮旋压应变诱发法的半固态制造工艺，包括以下步骤：

1)离心铸造制坯：首先，将准备好的45#钢材料放入中频感应熔炼炉进行熔炼，其熔炼温度为1600℃以上，且保温10～20min；接着将得到的钢液温度稳定控制在1500～1550℃浇入离心铸造设备，采用离心铸造工艺制备出潜艇环肋圆柱壳铸态壳体；

2)利用离心铸造余热进行对轮旋压塑性变形：

2-1)待步骤1)中制备的潜艇环肋圆柱壳铸态壳体的温度降低到始旋温度时，采用对轮旋压工艺对潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-3进行对轮旋压塑性变形，在进行对轮旋压塑性变形时，先控制潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-3作旋转运动，内旋轮1-1和外旋轮1-2作轴向和径向进给运动，从而使该潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-3产生壁厚减小、内外径扩大、轴向长度伸长的大塑性变形，得到潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-4且该扩径态壳体1-4的壁厚缩减率达到40％以上，随后控制潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-4作旋转运动，外旋轮1-2仅作轴向进给运动，内旋轮1-1作轴向和径向进给运动，则在内旋轮1-1作轴向进给时，通过控制内旋轮1-1的径向进给量的不同，在潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-4的内孔壁上形成环肋，即成形出潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-5，其中，始旋温度为1100～1150℃，终旋温度为800～850℃；

2-2)对经步骤2-1)对轮旋压工艺处理得到的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-5进行整形处理：待步骤2-1)完成后，先控制潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-5作旋转运动，外旋轮1-2作轴向进给运动，内旋轮1-1作轴向和微量径向进给运动，从而完成对潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-5的圆整处理，进而得到潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-6；接着，切除潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-6不平整的轴向端面，待切除不平整轴向端面的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-6冷却后即得到潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料1-7；

3)二次重熔：先将步骤2-2)中得到的产生大塑性变形的潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料1-7放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为1350～1495℃，保温时间选为5～30min，从而获得具有细小、均匀、球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料；

4)半固态整体模锻成形：将步骤3)中完成二次重熔得到的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料快速取出并放入用于成形潜艇环肋圆柱壳的模锻机的模锻型腔，通过模锻机对该潜艇环肋圆柱壳半固态坯料进行半固态整体模锻；

5)锻后热处理：首先，当完成步骤4)半固态整体模锻成形的潜艇环肋圆柱壳温度降到860～900℃时，对其进行淬火处理，接着将淬火后的潜艇环肋圆柱壳再加热到180～220℃进行回火处理，从而完成潜艇环肋圆柱壳的制造。

相对于现有技术，本发明将对轮旋压的应变诱发法用于制备潜艇环肋圆柱壳具有以下优点：

1.与传统采用锻造或轧制方法制备筒形毛坯，然后通过切削加工的方法将所有需要的环肋加工出来相比，本发明材料利用率高、且潜艇环肋部位的金属流线完整，壳体的强度、力学性能都更好。

2.本发明利用对轮旋压的应变诱发法制备的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料具有微观组织晶粒细小，分布均匀且不存在缩松、气孔等缺陷的特点。

3.与传统的先由特种钢板焊接成圆形钢筒(或挤压成筒状)后对接起来，再在其内壁上焊接环筋的方法相比，本发明制备的半固态潜艇环肋圆柱壳为整体成形，具有更好的力学特性。

4.本发明从常用钢铁材料45#钢出发，首先，通过采用离心铸造工艺制备了潜艇环肋圆柱壳铸态壳体，随后利用潜艇环肋圆柱壳铸态壳体的余热进行了对轮旋压塑性变形，再经过二次重熔、半固态整体模锻成形及锻后热处理，从而制备出了潜艇环肋圆柱壳，工艺过程简单，操作容易。虽然也有通过对大塑性变形后的坯料进行二次重熔而获得具有球状晶粒的方法，即应变诱发激活法，但是主要集中在铝合金、镁合金等低熔点合金上，目前为止并没有涉及到钢铁等高熔点黑色金属，更没有涉及到采用对轮旋压的应变诱发法制造45#钢材质的潜艇环肋圆柱壳的研究。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明采用的对轮旋压工艺示意图。

图3是本发明中对潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-3进行对轮旋压塑性变形以得到潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-4的示意图。

图4是本发明中对潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-4进行对轮旋压塑性变形以得到潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-5的示意图。

图5是本发明中潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-5进行圆整处理的示意图。

图6是本发明中潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-6的示意图。

图7是本发明中潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料1-7的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，潜艇环肋圆柱壳的对轮旋压应变诱发法的半固态制造工艺，包括以下步骤：

1)离心铸造制坯：首先，将准备好的45#钢材料放入中频感应熔炼炉进行熔炼，其熔炼温度为1600℃以上，且保温10～20min进行精炼除气；接着将得到的钢液温度稳定控制在1500～1550℃浇入离心铸造设备，采用离心铸造工艺制备出潜艇环肋圆柱壳铸态壳体；

2)利用离心铸造余热进行对轮旋压塑性变形：通过对轮旋压工艺使得步骤1)中得到的潜艇环肋圆柱壳铸态壳体产生大变形量的塑性变形，从而破碎其微观组织中的枝晶，并在其组织内部存储较大的变形畸变能，具体过程为：

2-1)参照图2、图3及图4，待步骤1)中制备的潜艇环肋圆柱壳铸态壳体的温度降低到始旋温度时，采用对轮旋压工艺对潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-3进行对轮旋压塑性变形，在进行对轮旋压塑性变形时，先控制潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-3作旋转运动，内旋轮1-1和外旋轮1-2作轴向和径向进给运动，从而使该潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-3产生壁厚减小、内外径扩大、轴向长度伸长的大塑性变形，得到潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-4且该扩径态壳体1-4的壁厚缩减率达到40％以上，随后控制潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-4作旋转运动，外旋轮1-2仅作轴向进给运动，内旋轮1-1作轴向和径向进给运动，则在内旋轮1-1作轴向进给时，通过控制内旋轮1-1的径向进给量的不同，可在潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-4的内孔壁上形成环肋，即成形出潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-5，其中，始旋温度为1100～1150℃，终旋温度为800～850℃；

2.2)参照图5、图6及图7，对经步骤2-1)对轮旋压工艺处理得到的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-5进行整形处理：待步骤2-1)完成后，先控制潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-5作旋转运动，外旋轮1-2作轴向进给运动，内旋轮1-1作轴向和微量径向进给运动，从而完成对潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-5的圆整处理，进而得到潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-6；接着，切除潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-6不平整的轴向端面，待切除不平整轴向端面的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-6冷却后即得到潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料1-7；

3)二次重熔：先将步骤2-2)中得到的产生大塑性变形的潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料1-7放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为1350～1495℃，保温时间选为5～30min，从而获得具有细小、均匀、球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料；

4)半固态整体模锻成形：利用潜艇环肋圆柱壳半固态坯料具有良好的触变特性而进行的潜艇环肋圆柱壳的半固态整体模锻成形，其具体工艺为：将步骤3)中完成二次重熔得到的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料快速取出并放入用于成形潜艇环肋圆柱壳的模锻机的模锻型腔，通过模锻机对该潜艇环肋圆柱壳半固态坯料进行半固态整体模锻；

5)锻后热处理：包括淬火和回火，首先，当完成步骤4)半固态整体模锻成形的潜艇环肋圆柱壳温度降到860～900℃时，对其进行淬火处理，接着将淬火后的潜艇环肋圆柱壳再加热到180～220℃进行回火处理，从而完成潜艇环肋圆柱壳的制造。

Claims (1)

1.潜艇环肋圆柱壳的对轮旋压应变诱发法的半固态制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)离心铸造制坯：首先，将准备好的45#钢材料放入中频感应熔炼炉进行熔炼，其熔炼温度为1600℃以上，且保温10～20min；接着将得到的钢液温度稳定控制在1500～1550℃浇入离心铸造设备，采用离心铸造工艺制备出潜艇环肋圆柱壳铸态壳体；

2)利用离心铸造余热进行对轮旋压塑性变形：

2-1)待步骤1)中制备的潜艇环肋圆柱壳铸态壳体的温度降低到始旋温度时，采用对轮旋压工艺对潜艇环肋圆柱壳余热态壳体(1-3)进行对轮旋压塑性变形，在进行对轮旋压塑性变形时，先控制潜艇环肋圆柱壳余热态壳体(1-3)作旋转运动，内旋轮(1-1)和外旋轮(1-2)作轴向和径向进给运动，从而使该潜艇环肋圆柱壳余热态壳体(1-3)产生壁厚减小、内外径扩大、轴向长度伸长的大塑性变形，得到潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体(1-4)且该扩径态壳体(1-4)的壁厚缩减率达到40％以上，随后控制潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体(1-4)作旋转运动，外旋轮(1-2)仅作轴向进给运动，内旋轮(1-1)作轴向和径向进给运动，则在内旋轮(1-1)作轴向进给时，通过控制内旋轮(1-1)的径向进给量的不同，在潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体(1-4)的内孔壁上形成环肋，即成形出潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体(1-5)，其中，始旋温度为1100～1150℃，终旋温度为800～850℃；

2-2)对经步骤2-1)对轮旋压工艺处理得到的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体(1-5)进行整形处理：待步骤2-1)完成后，先控制潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体(1-5)作旋转运动，外旋轮(1-2)作轴向进给运动，内旋轮(1-1)作轴向和微量径向进给运动，从而完成对潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体(1-5)的圆整处理，进而得到潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体(1-6)；接着，切除潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体(1-6)不平整的轴向端面，待切除不平整轴向端面的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体(1-6)冷却后即得到潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料(1-7)；

3)二次重熔：先将步骤2-2)中得到的产生大塑性变形的潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料(1-7)放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为1350～1495℃，保温时间选为5～30min，从而获得具有细小、均匀、球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料；

4)半固态整体模锻成形：将步骤3)中完成二次重熔得到的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料快速取出并放入用于成形潜艇环肋圆柱壳的模锻机的模锻型腔，通过模锻机对该潜艇环肋圆柱壳半固态坯料进行半固态整体模锻；

5)锻后热处理：首先，当完成步骤4)半固态整体模锻成形的潜艇环肋圆柱壳温度降到860～900℃时，对其进行淬火处理，接着将淬火后的潜艇环肋圆柱壳再加热到180～220℃进行回火处理，从而完成潜艇环肋圆柱壳的制造。