CN111922167A - 低密度铌合金变壁厚延伸段热旋压成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低密度铌合金变壁厚延伸段热旋压成形方法，包括：将铌合金平板料中心钻定位孔，平板料与预成形模具的上模和下模加热后，将平板料与下模在定位孔处紧固装配，在液压机上冲压成形为碟形预制件，预制件进行真空退火处理；将预制件和一旋模具的第一旋压胎体加热后装配，在旋压机上旋压成为曲母线变壁厚毛坯件，曲母线变壁厚毛坯件进行真空退火处理；将曲母线变壁厚毛坯件和二旋模具的第二旋压胎体加热后装配，在旋压机上旋压成为曲母线变壁厚零件。本发明主要用于低密度铌合金火箭发动机延伸段的制造，产品精度达到各点壁厚公差±0.05mm，型面轮廓度≤0.5mm，能有效降低发动机重量，提高推质比，降低成本。

Description

低密度铌合金变壁厚延伸段热旋压成形方法
技术领域
本发明属于金属成形技术领域，特别涉及一种低密度铌合金变壁厚延伸段热旋压成形方法。
背景技术
某型号火箭发动机推力室延伸段为大尺寸铌钨合金薄壁精密件，小端壁厚远大于大端壁厚，且大、小端直径大、轴向距离长。
目前，加工方法是采用旋压和翻边制造大尺寸薄壁精密延伸段，将铌钨合金平板车切成为变壁厚的平板毛坯，然后在50吨旋压床上冷旋成为变壁厚的曲母线毛坯，再在50吨旋压床上冷旋成为零件形状和壁厚，在3000吨液压机上对大端进行翻边成形。这种方法是车切、旋压和翻边结合的工艺，虽然制造了大尺寸薄壁精密铌钨合金喷管，但其不足之处是：铌钨合金密度大，质量重，限制了喷管的应用范围。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种低密度铌合金变壁厚延伸段热旋压成形方法，采用新材料低密度铌合金，利用针对性成形方法(热冲压+一次热旋+二次热旋)，使低密度铌合金应用于火箭发动机推力室成为可能，减轻了发动机重量，提高了推质比，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
一种低密度铌合金变壁厚延伸段热旋压成形方法，包括：
步骤1，将铌合金平板料中心钻定位孔，平板料与预成形模具的上模和下模加热后，将平板料与下模在定位孔处紧固装配，在液压机上冲压成形为碟形预制件，对预制件进行真空退火处理；
步骤2，将预制件和一旋模具的第一旋压胎体加热后装配，在旋压机上旋压成为曲母线变壁厚毛坯件，对曲母线变壁厚毛坯件进行真空退火处理；
步骤3，将曲母线变壁厚毛坯件和二旋模具的第二旋压胎体加热后装配，在旋压机上旋压成为曲母线变壁厚零件；其中，一旋模具第一旋压胎体的小端直径等于二旋模具第二旋压胎体的小端直径，一旋模具第一旋压胎体的大端直径大于二旋模具第二旋压胎体的大端直径，一旋模具第一旋压胎体的轴向长度小于二旋模具第二旋压胎体的轴向长度。
根据本发明提供的一种低密度铌合金变壁厚延伸段热旋压成形方法，具有以下有益效果：
(1)本发明中，成形方法包括热冲压、一次热旋和二次热旋工序，通过控制各工序参数如加热温度、旋压间隙，使得旋压工艺稳定，重现性好，产品精度达到各点壁厚公差±0.05mm，型面轮廓度≤0.5mm；
(2)本发明中，延伸段的成形完全依赖于成形工序，无需后续对壁厚的车切，车切仅针对大小两端加工余量设计，解决了车切使得壁厚超差的影响，降低了加工风险；
(3)本发明中，延伸段的加工采用低密度铌合金，强度高，质量轻，通过该成形工艺有效支撑了其成形性能，使低密度铌合金应用于火箭发动机推力室成为可能，有利于减轻发动机的重量，提高推质比。
附图说明
图1是预成形模具结构示意图；
图2是一旋模具结构示意图；
图3是二旋模具结构示意图；
图4是预成形后碟形预制件结构示意图；
图5是一旋后曲母线变壁厚毛坯件结构示意图；
图6是二旋后曲母线变壁厚零件结构示意图。
附图标号说明
1-上模板、2-上模、3-下模、4-下模板、11-第一转接盘、12-第一旋压胎体、13-第一定位柱、14-第一尾顶、21-第二转接盘、22-第二旋压胎体、23-第二定位柱、24-第二尾顶。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明提供了一种低密度铌合金变壁厚延伸段热旋压成形方法，包括如下步骤：
步骤1，将铌合金平板料中心钻定位孔，平板料与预成形模具的上模和下模加热后，将平板料与下模在定位孔处紧固装配，在液压机上冲压成形为碟形预制件，对预制件进行真空退火处理；
步骤2，将预制件和一旋模具的第一旋压胎体加热后装配，将预制件中心定位孔装在第一旋压胎体小端第一定位柱上，第一定位柱末端伸进第一尾顶中的中心孔中，顶紧第一尾顶，在旋压机上旋压成为曲母线变壁厚毛坯件，对曲母线变壁厚毛坯件进行真空退火处理；
步骤3，将曲母线变壁厚毛坯件和二旋模具的第二旋压胎体加热后装配，曲母线变壁厚毛坯件中心定位孔装在第二旋压胎体小端第二定位柱上，第二定位柱末端伸进第二尾顶中的中心孔中，顶紧第二尾顶，在旋压机上旋压成为曲母线变壁厚零件；其中，一旋模具的第一旋压胎体的小端直径等于二旋模具第二旋压胎体的小端直径，一旋模具第一旋压胎体的大端直径大于二旋模具第二旋压胎体的大端直径，一旋模具第一旋压胎体的轴向长度小于二旋模具第二旋压胎体的轴向长度。
在本发明中，如图1所示，预成形模具包括作为上模2的凹模和作为下模3的凸模，凹模与凸模的型面相配合且与碟形预制件的形状一致。上模2与上模板1固定连接，在上模板1的带动下产生上下位移；下模3与下模板4固定连接，在下模板4的带动下产生上下位移，平板料通过穿设定位孔的定位销紧固于下模3上，对平板料冲压得到碟形预制件。
在本发明步骤1中，预成型模具上模2和下模3用氧乙炔喷枪加热至300℃～320℃，平板料在电炉中加热至400℃～420℃，再在液压机上冲压成为碟形预制件。
在本发明步骤1中，平板料为圆形坯料。
在本发明步骤1中，铌合金的组成成分见下表1：
表1
成分 Nb(％) Ti(％) Al(％) V(％) Zr(％) C(％)
质量含量 其余 30～35 5～7 5～7 0.7～1.3 0.04～0.05
该铌合金的密度是6.0g/cm3，较铌钨合金的密度9.0g/cm3轻1/3。经过研究发现，该铌合金机械性能见下表2：
表2
低密度铌合金 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％) 弹性模量(MPa)
常温 956.2235 958.4295 41.12231 110848.6
350℃ 660.2034 769.7012 39.27226
铌合金在常温下，屈强比Rp0.2/Rm＝956.2235/958.4295≈0.9977，近似为1，延伸率41％。
350℃时屈强比Rp0.2/Rm＝660.2034/769.7012＝0.8577，延伸率39.3％。
常温下，铌合金屈强比大，则旋压过程中旋压抗力大，间隙值会变大，零件壁厚会变厚。为保证旋压零件壁厚，会提前将间隙值变大的量，通过减小预先旋压间隙体现出来，但是零件大端壁厚太薄，预先旋压间隙可能变为0甚或负值，才能保证旋压后零件壁厚，这样的预先旋压间隙是调整不出来的，无法旋压加工。而加热后，铌合金屈强比变小，旋压抗力减小，旋压过程中间隙值变大的量有限，如可将大端预先旋压间隙设定为0.3mm，旋压后大端零件壁厚达到图纸要求，解决了常温难以旋压的难题。
在本发明中，如图2所示，一旋模具包括第一转接盘11、第一旋压胎体12、第一定位柱13和第一尾顶14，第一转接盘11为圆台结构，第一旋压胎体12的大端固定在第一转接盘11上，小端通过第一定位柱13与第一尾顶14同轴连接，预制件位于第一转接盘11小端和第一尾顶14之间，通过穿过预制件中心定位孔的第一定位柱13以及第一尾顶14的压力，套设于第一旋压胎体12外部。
在本发明步骤2中，第一旋压胎体用氧乙炔喷枪加热至300℃～320℃，预制件加热至400℃～420℃后装配进行旋压，旋压过程中控制预制件各点的旋压间隙，旋压过程中的间隙调整值在±0.04mm以内。
在本发明步骤2中，旋压速度为0.28～0.32毫米/转。
在本发明步骤2中，旋压时的旋轮的圆角半径为R8～R10mm。
在本发明步骤2中，在铌合金预制件旋压前，对预制件清洗后测量不同部位处壁厚，根据壁厚实测情况调整旋压间隙，使后续预制件旋压后壁厚更接近理论值；根据选定的旋压间隙，先用Q235调试料试旋，试旋后零件壁厚满足要求再旋铌合金预制件，其中Q235调试料与预制件的形状一致，规格参数在误差允许范围内。
在本发明中，如图3所示，二旋模具包括第二转接盘21、第二旋压胎体22、第二定位柱23和第二尾顶24，第二转接盘21为圆台结构，第二旋压胎体22的大端固定在第二转接盘21上，小端通过第二定位柱23与第二尾顶24同轴连接，预制件位于第二转接盘21小端和第二尾顶24之间，通过穿过预制件中心定位孔的第二定位柱23以及第二尾顶24的压力，套设于第二旋压胎体22外部。
在本发明步骤3中，第二旋压胎体用氧乙炔喷枪加热至300℃～320℃，预制件加热至400℃～420℃后装配进行旋压，旋压过程中控制预制件各点的旋压间隙，旋压过程中的间隙调整值在±0.04mm以内。
在本发明步骤3中，旋压速度为0.28～0.32毫米/转。
在本发明步骤3中，旋压时的旋轮的圆角半径为R8～R10mm。在本发明步骤3中，在铌合金曲母线变壁厚毛坯件旋压前，对曲母线变壁厚毛坯件清洗后测量不同部位处壁厚，根据壁厚实测情况调整旋压间隙，使后续曲母线变壁厚毛坯件旋压后壁厚更接近理论值；根据选定的旋压间隙，先用Q235调试料试旋，试旋后零件壁厚满足要求再旋铌合金曲母线变壁厚毛坯件，其中Q235调试料与曲母线变壁厚毛坯件的形状一致，规格参数在误差允许范围内。
在本发明中，低密度铌合金火箭发动机延伸段的制造，产品精度达到各检测点壁厚公差在±0.05mm内，型面轮廓度≤0.5mm。
在本发明中，对于厚度2.8mm，直径160mm的圆形铌合金平板料，第一次旋压后曲母线变壁厚毛坯件的小端曲面壁厚为1.91±0.05mm，大端曲面壁厚为1.04±0.05mm；二次旋压后的曲母线变壁厚零件小端曲面壁厚为1.37±0.05mm，大端曲面壁厚为0.4±0.05mm。
实施例
实施例1
(1)将
Figure BDA0002640472220000061
的低密度铌合金平板料，中间钻
Figure BDA0002640472220000062
的定位孔，放入电炉中加热至400℃，预成形模具在300吨液压机装好后，用氧乙炔喷枪加热至300℃，冲压成形为碟形预制件，如图4所示。预制件进行真空退火处理。
(2)在12吨旋压床上安装好第一旋压胎体，进行调整，第一旋压胎体大、小端径向跳动量≤0.04mm，编制旋压程序，每15mm一个点，旋压间隙为旋压滚轮R角与第一旋压胎体之间距离，通过零件在此点的壁厚减去退让量得到，编好程序后，用塞尺逐点测量确认旋压间隙，预制件装上后，用氧乙炔喷枪加热至400℃，在旋压速度0.28毫米/转下)，旋压成为曲母线变壁厚毛坯件，如图5所示。曲母线变壁厚毛坯件进行真空退火处理。
在铌合金预制件旋压前，对预制件清洗后逐点测量壁厚，根据壁厚实测情况调整旋压间隙，使后续预制件旋压后壁厚更接近理论值；根据选定的旋压间隙，先用Q235调试料试旋，试旋后零件壁厚满足要求再旋铌合金预制件，其中Q235调试料与预制件的形状一致，规格参数在误差允许范围内。
(3)在12吨旋压床上安装好第二旋压胎体，进行调整，第二旋压胎体大、小端径向跳动量≤0.04mm，编制旋压程序，每15mm一个点，旋压间隙为旋压滚轮R角与第二旋压胎体之间距离，旋压间隙为零件在此点的壁厚减去退让量，编好程序后，用塞尺逐点测量确认旋压间隙，毛坯件装上后，用氧乙炔喷枪加热至400℃，在旋压速度0.28毫米/转下，旋压成为曲母线变壁厚零件，如图6所示。零件大、小端车切余量至最终尺寸。
在铌合金曲母线变壁厚毛坯件旋压前，对曲母线变壁厚毛坯件清洗后逐点测量壁厚，根据壁厚实测情况调整旋压间隙，使后续曲母线变壁厚毛坯件旋压后壁厚更接近理论值；根据选定的旋压间隙，先用Q235调试料试旋，试旋后零件壁厚满足要求再旋铌合金曲母线变壁厚毛坯件，其中Q235调试料与曲母线变壁厚毛坯件的形状一致，规格参数在误差允许范围内。
该实施例中，热冲压后碟形预制件的壁厚为2.8mm，小端直径为65.08mm，大端直径为148.35mm，高度为18.33mm。
第一次旋压后曲母线变壁厚毛坯件的小端平面壁厚2.8mm，小端曲面壁厚为1.91±0.05mm，小端直径为24.62mm；大端曲面壁厚为1.04±0.05mm，大端有效直径为119.66mm；毛坯件有效长度为71.96mm。
第二次旋压后曲母线变壁厚零件的小端平面壁厚2.8mm，小端曲面壁厚为1.37±0.05mm，小端直径为24.62mm；大端曲面壁厚为0.4±0.05mm，大端有效直径为117.02mm；零件有效长度为146.2mm。
产品精度达到各点壁厚公差±0.05mm，型面轮廓度≤0.5mm。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种低密度铌合金变壁厚延伸段热旋压成形方法，其特征在于，包括：
步骤1，将铌合金平板料中心钻定位孔，平板料与预成形模具的上模和下模加热后，将平板料与下模在定位孔处紧固装配，在液压机上冲压成形为碟形预制件，对预制件进行真空退火处理；
步骤2，将预制件和一旋模具的第一旋压胎体加热后装配，在旋压机上旋压成为曲母线变壁厚毛坯件，对曲母线变壁厚毛坯件进行真空退火处理；
步骤3，将曲母线变壁厚毛坯件和二旋模具的第二旋压胎体加热后装配，在旋压机上旋压成为曲母线变壁厚零件；其中，一旋模具第一旋压胎体的小端直径等于二旋模具第二旋压胎体的小端直径，一旋模具第一旋压胎体的大端直径大于二旋模具第二旋压胎体的大端直径，一旋模具第一旋压胎体的轴向长度小于二旋模具第二旋压胎体的轴向长度。
2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤1中，预成形模具包括作为上模的凹模和作为下模的凸模，凹模与凸模的型面相配合且与碟形预制件的形状一致。
3.根据权利要求2所述的成形方法，其特征在于，步骤1中，预成型模具的上模和下模用氧乙炔喷枪加热至300℃～320℃，平板料在电炉中加热至400℃～420℃，再在液压机上冲压成为碟形预制件。
4.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤1中，铌合金的组成成分按质量百分数计为：钛30％～35％，铝5％～7％，钒5％～7％，锆0.7％～1.3％，碳0.04％～0.05％，其余为铌。
5.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤1中，平板料为圆形坯料。
6.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤2中，第一旋压胎体用氧乙炔喷枪加热至300℃～320℃，预制件加热至400℃～420℃后装配进行旋压，旋压过程中控制预制件各点的旋压间隙，旋压过程中的间隙调整值在±0.04mm以内，旋压速度为0.28～0.32毫米/转。
7.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤2中，在铌合金预制件旋压前，对预制件清洗后测量不同部位处壁厚，根据壁厚实测情况调整旋压间隙，使后续预制件旋压后壁厚更接近理论值；根据选定的旋压间隙，先用Q235调试料试旋，试旋后零件壁厚满足要求再旋铌合金预制件，其中Q235调试料与预制件的形状一致，规格参数在误差允许范围内。
8.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤3中，第二旋压胎体用氧乙炔喷枪加热至300℃～320℃，预制件加热至400℃～420℃后装配进行旋压，旋压过程中控制预制件各点的旋压间隙，旋压过程中的间隙调整值在±0.04mm以内，旋压速度为0.28～0.32毫米/转。
9.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤3中，在铌合金曲母线变壁厚毛坯件旋压前，对曲母线变壁厚毛坯件清洗后测量不同部位处壁厚，根据壁厚实测情况调整旋压间隙，使后续曲母线变壁厚毛坯件旋压后壁厚更接近理论值；根据选定的旋压间隙，先用Q235调试料试旋，试旋后零件壁厚满足要求再旋铌合金曲母线变壁厚毛坯件，其中Q235调试料与曲母线变壁厚毛坯件的形状一致，规格参数在误差允许范围内。
10.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，铌合金火箭发动机变壁厚延伸段的成形精度达到各检测点壁厚公差在±0.05mm内，型面轮廓度≤0.5mm；和/或
对于厚度2.8mm，直径160mm的圆形铌合金平板料，第一次旋压后曲母线变壁厚毛坯件的小端曲面壁厚为1.91±0.05mm，大端曲面壁厚为1.04±0.05mm；二次旋压后的曲母线变壁厚零件小端曲面壁厚为1.37±0.05mm，大端曲面壁厚为0.4±0.05mm。
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