CN113059330B - 一种大口径壳体一体化成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径壳体一体化成形方法，以旋锻设备、锻模、芯模和热旋压机作为主要加工设备，用于制作壳体的坯料装设在芯模上，先由头部锤头通过旋锻坯料头部形成壳体的头部，再由中间部锤头通过旋锻坯料中间部位形成壳体的中间部；完成头部及中间部成形的坯料尾部采用先墩粗、后外形热旋压成形，然后进行热处理工序；尾部外形及内型面采用机加工方式成形；最后将头部挤出头切除，即完成产品成形。采用本发明的方法，能够很方便地制造头部开孔式和封闭式的HD壳体；同时，本发明工艺适应性强，可随时适应产品直径、型面和尺寸的变化；并且加工流程短，效率高，适合批量生产，整体成形效率可提高10倍以上。

Description

一种大口径壳体一体化成形方法

技术领域

本发明涉及金属产品制造技术领域，尤其涉及一种大口径金属壳体的一体化成形方法，这种大口径金属壳体可用于低阻航弹（HD）等领域。

背景技术

随着技术的发展，目前海、陆、空等诸多装备都要求轻量化、一体化、功能化，比如：低阻HD本来是为美国高速战斗机研制的一种新型HD，也是近年来世界武器装备上使用较广泛的一种低阻HD。目前在世界上只有美国和意大利能够生产一体成形的HD壳体，我国低阻HD壳体的加工工艺目前仍处于分体焊接成型的较原始阶段，因此，对于大口径低阻超大超长HD壳体的一体成形技术仍是军工领域“卡脖子”的问题。

目前国内对于此类产品的加工工艺主要存在以下问题：a）加工成本高、制造周期长；b）因焊接而存在一定的安全隐患，无法满足批量列装和模块化的设计要求；还有，目前还无法生产头部为封闭式的一体成形壳体。当然，人们也在探索解决的方法，其中，公开号为CN 112171214 A的发明专利公开了一种大型航弹壳体成形与加工方法，其主要工序为热旋+强旋+热旋+机加工等，虽然在一定程度上改善了前述的一些缺陷，但其工序繁多，且需要反复装夹，操作复杂，并且效率低。同时，在一体成形工艺方面还存在以下一些难点：如，总体厚差大，同时需要减薄和增厚，壁厚控制难。最大壁厚数值大，成形载荷高。局部壁厚突变，存在局部突然增厚情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种成形操作更简单、工艺适应性更强、加工流程更短、效率更高、产品质量更好、精度更高的大口径壳体一体化成形方法，主要可用于成形大口径复杂曲面低阻HD壳体等产品。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种大口径壳体一体化成形方法，以旋锻设备、锻模、芯模和热旋压机作为主要加工设备，锻模安装在旋锻设备中，用于制作壳体的坯料装设在芯模上，芯模具有与壳体形状相适配的中间部和头部，其中头部呈曲面形状，其特征在于：锻模包括分别用于成形壳体头部及中间部的头部成形锻模和中间部成形锻模，在头部成形锻模中安装有成形面形状与壳体头部相适配的头部锤头，在中间部成形锻模中安装有成形面形状与壳体中间部相适配的中间部锤头；用于制作壳体的坯料采用圆管状金属坯料，成形过程为：先将坯料通过芯模装入头部成形锻模，由头部锤头通过旋锻坯料头部形成壳体的头部；再将坯料通过芯模装入中间部成形锻模，由中间部锤头通过旋锻坯料中间部位形成壳体的中间部；完成头部及中间部成形的坯料尾部采用先墩粗、后外形热旋压成形，然后进行热处理工序；尾部外形及内型面采用机加工方式成形；最后将头部挤出头切除，即完成产品成形。

进一步地，所述头部成形锻模的一侧具有坯料入口，另一侧具有头部挤出孔，壳体前端通过头部挤出孔形成头部挤出头；所述中间部成形锻模的一侧具有坯料入口，另一侧具有坯料出口，坯料入口和坯料出口均可容纳坯料连同芯模整体进出。

进一步地，该旋锻设备为能够锻造长度最大为6 m、直径最大为400 mm的实心轴和直径最大为600mm的空心轴的旋锻设备，基本可以满足目前航弹壳体生产的需求。

进一步地，锻模安装在旋锻机构上形成不旋转的安装结构，头部锤头及中间部锤头分别由对应的曲柄连杆机构驱动，通过调整曲柄连杆机构的偏心距离以实现精确控制锻件的尺寸；坯料套装在芯模上，芯模与锻模相对固定。

进一步地，成形壳体的头部时将坯料直接从锻模的入口端送进，锻打过程中坯料在自旋转的同时还通过一送料环沿着轴向送进，头部锤头向坯料轴心施加频率为180-1700次/分钟的径向力锻打，使坯料受径向压缩而按模具型线成形和沿轴向延伸。

进一步地，在成形壳体的中间部时直接将坯料的中间部通过送料环推至与中间部锤头相对的位置，通过中间部锤头向坯料轴心施加频率为180-1700次/分钟的径向力锻打，直至锻出所需的直径和长度。

进一步地，尾部先墩粗，后外形热旋压成形，采用带外模约束的墩粗芯模套在坯料尾端将坯料的尾端局部热镦粗成形；然后将壳体头部朝下垂直吊装，进行精密热处理以消除壳体内部应力；最后将尾部外形和内型面机加工成形，加工前以壳体的中间部找正。

优选地，坯料采用热轧无缝钢管或高强度合金钢钢管；在坯料装上芯模进行旋锻之前，先在芯模和坯料之间涂抹润滑剂。

进一步地，锻模的入口设计为由内往外逐渐扩大的锥状结构，入口的锥角α不超过15度。

进一步地，在进行头部成形时，使坯料的变形角度β不超过5度，成形过程为循序渐进式。

本发明利用了旋锻工艺，即旋转锻造（又称径向锻造），其常采用两个或两个以上的模具在使其环绕坯料外径周围旋转的同时，也向坯料轴心施加高频率的径向力，使坯料受径向压缩而按模具型线成形和沿轴向延伸的过程。旋锻工艺是一种局部而连续、无屑而且精密的金属成形加工工艺，可以在室温下进行的加工工艺。

旋锻兼有脉冲加载和多向锻打两个特点，打击频率很高，可达每分钟180～1700次，摩擦力小，有利于金属均匀变形和提高塑性。因此不仅适用于一般塑性较好的金属材料，而且也适用于高强度低塑性的高合金，尤其难熔金属如钨、钼、铌等及其合金的开坯和锻造。

本发明利用了旋锻的以下工艺优势：如，锻件具有连续的纤维流线，这一点明显的优于切削加工件。锻件的表面粗糙度质量，随坯料横截面压缩量的增大而提高，一般都胜过切削表面。由于经旋锻后的锻件表面存在有附加压缩应力，因而也提高了锻件的抗弯强度、抗拉强度，因而可采用抗拉强度低的廉价材料取代一些高价材料。旋锻件的精度取决于坯料横截面的压缩量、旋锻模的质量和锻件直径的大小，其公差量约为±0.02—±0.2mm范围内，这一精度可与精密切削的精度匹配。冷旋锻造一般可达到的最大截面压缩率：高速钢为40%，中碳钢为50%，低碳钢为70%，Wc为0.2%的合金钢为50%。等等。

采用本发明的方法，能够很方便地制造头部开孔式和封闭式的HD壳体；同时，本发明工艺适应性强，可随时适应产品直径、型面和尺寸的变化；并且加工流程短，效率高，适合批量生产，整体成形效率可提高10倍以上。并且通过旋锻使具有质量高、尺寸精度高、生产效率高、自动化程度高等特点。

附图说明

图1为采用本发明方法制成的头部封闭式大口径复杂曲面低阻HD（航弹）壳体的平面示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为采用本发明方法制成的头部开孔式大口径复杂曲面低阻HD壳体的平面示意图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为用于制备HD壳体的管状坯料的平面示意图；

图6为图5的A-A剖视图，坯料的壁厚t2大于壳体的壁厚t1；

图7为本发明成型过程开始送料时的示意图（图中S4代表送料状态）；

图8为本发明成型过程开始旋锻头部的示意图（图中S5代表旋锻头部开始状态）；

图9为本发明成型过程中旋锻头部时的示意图（图中S6代表旋锻头部进行状态）；

图10为本发明成型过程中完成旋锻头部后的示意图（图中S7代表旋锻完成头部状态，图中S8代表头部挤出头）；

图11为本发明成型过程中旋锻中间部时的示意图（图中S8代表头部挤出头，图中S9代表旋锻完成中间部状态）；

图12为本发明进行壳体尾部加工的示意图（图中S10代表墩粗部位）。

图中，1为锻模，2为头部锤头，3为坯料，4为芯模，5为中间部锤头，6为送料环，7为墩粗芯模，8为外模约束。

具体实施方式

参照图1-图12，本实施例以制造大口径复杂曲面低阻HD壳体为例进行说明，该壳体包括有前段的长弧流线型头部、中间的直线型中间部以及尾部。以旋锻设备（未图示）、锻模1、芯模4和热旋压机（未图示）作为主要加工设备，锻模1安装在旋锻设备中，用于制作壳体的坯料3装设在芯模4上，芯模4具有与壳体形状相适配的中间部和头部，其中头部呈流线型曲面形状；锻模1包括分别用于成形壳体头部S1及中间部S2的头部成形锻模和中间部成形锻模，在头部成形锻模中安装有成形面形状与壳体头部相适配的头部锤头2，在中间部成形锻模中安装有成形面形状与壳体中间部相适配的中间部锤头5；用于制作壳体的坯料3采用圆管状金属坯料。

成形的大致流程为：先将坯料3通过芯模4装入头部成形锻模，由头部锤头2通过旋锻坯料3头部形成壳体的头部S1；再将坯料3通过芯模4装入中间部成形锻模，由中间部锤头5通过旋锻坯料3中间部位形成壳体的中间部S2；完成头部及中间部成形的坯料尾部采用先墩粗、后外形热旋压成形，然后进行热处理工序；尾部外形及内型面采用机加工方式成形；最后将头部挤出头切除，即完成产品成形。

如图7-图12，具体过程描述如下：

1、壳体头部S1加工过程：

锻模1安装在旋锻设备上，锻模1不旋转，头部锤头2由曲柄连杆机构驱动，通过调整曲柄的偏心距离可以精确控制锻件的尺寸。

坯料3套装在芯模4上，芯模4与锻模1相对固定。

坯料3直接从锻模1入口端送进，锻打时坯料3在自旋转的同时还沿着轴向由送料环6送进，头部锤头2向坯料3轴心施加高频率（如1500次/分钟）的径向力，使坯料3受径向压缩而按模具型线成形和沿轴向延伸。

在锻模1的入口锥角α过大时，送进的坯料3将在其锥面部分产生滑动，从而导致送料时会出现严重的轴向振动，给送进带来巨大阻力。因此锻模1的入口锥部锥角α要严格控制在15°以内。

另外，程序设定好坯料3轴向送进量与头部锤头2径向压下量的关系，使坯料3的变形角度β控制在5°以下，成形过程循序渐进。

在坯料3制成头部封闭式或有孔式壳体的成型过程中，轴向送进量比头部锤头2径向压下量要多一些，以便能堆积出封闭部分的材料，再经过多次锻打成型。当然，轴向送进速度越大，生产效率越高，但工件表面质量下降，因此需要根据产品质量要求调整加工工艺。

2、壳体中间部S2加工过程：

因壳体的中间部S2为直线形式，不需要逐步送料，加工时可直接将坯料3的中间部由送料环6推放到与中间部锤头5相对的位置，然后经多次锻打直至锻出所需的直径和长度为止。

3、壳体尾部S3加工过程：

坯料3尾部先墩粗，后外形热旋压成形。通过最终毛坯结构尺寸以及体积不变原理反算，采用带外模约束8的墩粗芯模7套在坯料3尾端将坯料3的尾端局部热镦粗成形，可以解决尾部壁厚突然增厚的问题，同时获得较高的尺寸精度。

4、精密热处理：

HD壳体头部朝下垂直吊装，进行精密热处理，消除壳体内部应力。

5、尾部S3外形和内型面加工：

尾部S3外形和内型面机加工成形，加工前以HD壳体的中间部找正。

由于锻件的表面粗糙度和精度质量都很高，因此所有壳体的头部S1和中间部S2经过锻打后不需要再加工。

6、尾部S3加工成形后还包括两端联接螺纹及装配面加工。

另外，模具侧向要有一定的有效间隙，既起到一定的缓冲作用，也有利于金属流动，如果没有这个间隙，金属流动会受到极限，从而容易导致工件与模具的粘结。对于模具直线段的侧向间隙也遵循这个原理。

对所有的旋锻模，在型腔出入口端都应制出圆角半径。从方便材料入模考虑，锥形段的锥角α最好等于或小于8°。当锥角超过15°时，需要采用机械或液压送料。

模具长度方面：

1）在模具入口处约有10mm的长度范围在旋锻过程中是不起作用的，在工艺设计中应予以扣除。

2）在每两个相邻的工序位置上，由于坯料3表面连接流畅的需要，应当设置25mm长的重叠段。

3）出于工序连接和工序稳定性考虑，在锥形头部段的型腔应为两段组成，在锥形段的尽头外还应有25mm长的直线段。

有芯模旋锻特点：

1）内径尺寸保持不变，或减小内径公差，只缩减坯料外径。

2）在薄壁管的直径缩减中，整段薄壁管都得到了支撑。

3) 可以在坯料的内表面形成花键或其他异形孔。

4）当坯料较长时，需要对伸出模具前端的部分提供支撑。

有芯模旋锻前，在芯模和坯料之间必须进行润滑，主要是为防止坯料入口和坯料出口在旋锻过程中出现胶着现象，给旋锻的继续进行和芯模退出带来麻烦。并且要选用专用润滑剂，只涂抹一层薄薄的油膜，在涂抹之前芯模要擦拭干净。需要保持坯料内、外表面的洁净度。

对于端部封闭的产品，在旋锻时可考虑增加轴向反压力以调控金属的流向。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本申请实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种大口径壳体一体化成形方法，以旋锻设备、锻模、芯模和热旋压机作为主要加工设备，锻模安装在旋锻设备中，用于制作壳体的坯料装设在芯模上，芯模具有与壳体形状相适配的中间部和头部，其中头部呈曲面形状，其特征在于：锻模包括分别用于成形壳体头部及中间部的头部成形锻模和中间部成形锻模，在头部成形锻模中安装有成形面形状与壳体头部相适配的头部锤头，在中间部成形锻模中安装有成形面形状与壳体中间部相适配的中间部锤头；用于制作壳体的坯料采用圆管状金属坯料；

成形过程为：先将坯料通过芯模装入头部成形锻模，由头部锤头通过旋锻坯料头部形成壳体的头部；再将坯料通过芯模装入中间部成形锻模，由中间部锤头通过旋锻坯料中间部位形成壳体的中间部；完成头部及中间部成形的坯料尾部采用先墩粗、后外形热旋压成形，然后进行热处理工序；尾部外形及内型面采用机加工方式成形；最后将头部挤出头切除，即完成产品成形；

锻模为不旋转的安装结构，坯料套装在芯模上，芯模与锻模相对固定；

成形壳体的头部时将坯料直接从锻模的入口端送进，锻打过程中坯料在自旋转的同时还沿着轴向送进，头部锤头向坯料轴心施加径向力锻打，使坯料受径向压缩而按模具型线成形和沿轴向延伸；

在成形壳体的中间部时直接将坯料的中间部推至与中间部锤头相对的位置，通过中间部锤头向坯料轴心施加径向力锻打，直至锻出所需的直径和长度。

2.根据权利要求1所述的大口径壳体一体化成形方法，其特征在于：所述头部成形锻模的一侧具有坯料入口，另一侧具有头部挤出孔，壳体前端通过头部挤出孔形成头部挤出头；所述中间部成形锻模的一侧具有坯料入口，另一侧具有坯料出口，坯料入口和坯料出口均可容纳坯料连同芯模整体进出。

3.根据权利要求1所述的大口径壳体一体化成形方法，其特征在于：该旋锻设备为能够锻造长度最大为6 m、直径最大为400 mm的实心轴和直径最大为600mm的空心轴的旋锻设备。

4.根据权利要求1所述的大口径壳体一体化成形方法，其特征在于：锻模安装在旋锻机构上形成不旋转的安装结构，头部锤头及中间部锤头分别由对应的曲柄连杆机构驱动，通过调整曲柄连杆机构的偏心距离以实现精确控制锻件的尺寸。

5.根据权利要求4所述的大口径壳体一体化成形方法，其特征在于：成形壳体的头部时，锻打过程中坯料在自旋转的同时还通过一送料环沿着轴向送进，头部锤头向坯料轴心施加频率为180-1700次/分钟的径向力锻打。

6.根据权利要求4所述的大口径壳体一体化成形方法，其特征在于：在成形壳体的中间部时直接将坯料的中间部通过送料环推至与中间部锤头相对的位置，通过中间部锤头向坯料轴心施加频率为180-1700次/分钟的径向力锻打，直至锻出所需的直径和长度。

7.根据权利要求1所述的大口径壳体一体化成形方法，其特征在于：尾部先墩粗，后外形热旋压成形，采用带外模约束的墩粗芯模套在坯料尾端将坯料的尾端局部热镦粗成形；然后将壳体头部朝下垂直吊装，进行精密热处理以消除壳体内部应力；最后将尾部外形和内型面机加工成形，加工前以壳体的中间部找正。

8.根据权利要求1所述的大口径壳体一体化成形方法，其特征在于：坯料采用热轧无缝钢管或高强度合金钢钢管；在坯料装上芯模进行旋锻之前，先在芯模和坯料之间涂抹润滑剂。

9.根据权利要求1所述的大口径壳体一体化成形方法，其特征在于：锻模的入口设计为由内往外逐渐扩大的锥状结构，入口的锥角α不超过15度。

10.根据权利要求1所述的大口径壳体一体化成形方法，其特征在于：在进行头部成形时，使坯料的变形角度β不超过5度，成形过程为循序渐进式。

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