CN113976787A - 变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法，将超高强度钢圆棒锻压制成锻环，并进行去应力退火处理，并将锻环进行机械粗加工获得锻环半成品；将锻环半成品进行预先调质热处理后进行机械精加工获得旋压坯料；将旋压坯料安装于旋压芯模上，借助于三旋轮在数控强力旋压机上经多道次旋压加工获得变壁厚超薄圆筒体；将变壁厚超薄圆筒体低温退火处理。采用调质态旋压方法，利用金属冷作硬化的原理进行旋压加工，即先对旋压坯料进行热处理预强化调质处理，然后通过旋压的冷作硬化效果将圆筒旋压成型，以达到圆筒性能和结构强化的目的，与传统的厚壁球化退火态坯料旋压，最后退火、调质的工艺方法相比，壳体生产具有变形小，尺寸精度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于超高强度钢旋压加工技术领域，具体涉及一种变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法。
背景技术
在固体火箭发动机中需要用到燃烧室壳体，燃烧室壳体内灌装动力药柱，为发动机的飞行提供动力。在固体火箭发动机燃烧室壳体制造领域，超高强度钢是我国目前发动机壳体制造领域的主导材料，为提高导弹武器的打击范围及突防能力，要求火箭发动机为导弹武器提供更大的射程和速度，要求壳体结构紧凑，以减小壳体比重，增加弹药比重，提高武器威力。超高强度钢在退火状态下具有较好的延伸率和断面收缩率，塑性加工效果好的优势，可以用于冷态旋压。但变壁厚超薄圆筒的旋压一直是旋压的技术难点。实际生产中一般通过精确计算和控制旋压过程中的金属流动，调整工艺参数和旋轮轨迹，实现对不同部分尺寸和位置度的控制，同时还必须考虑由于多种减薄率、旋轮轨迹等多种因素，防止在过渡区域出现各种缺陷。
现有某型号小直径变壁厚超薄圆筒，圆筒变壁厚最薄只有0.8mm，而直径为180mm，是典型的超薄壁筒形零件，采用反向旋压方式成形，其工艺流程为：机加锻环→一旋→中间退火→二旋压→三旋→中间退火→四旋→五旋→检验→超声检测→热处理→切割→旋压圆筒。由此方法生产的旋压圆筒存在壁厚整体隆起、直线度、台阶长度尺寸、圆筒壁厚、直径均不能满足设计要求的问题，产品报废。
发明内容
本发明的目的就是针对现有方法的缺陷，提供一种高效、低成本的变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法。
为实现上述目的，本发明所设计的变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法具体如下：
1)将超高强度钢圆棒锻压制成锻环，并进行去应力退火处理，并将锻环进行机械粗加工获得锻环半成品；
2)将步骤1)得到的锻环半成品进行预先调质热处理后进行机械精加工获得旋压坯料；
3)将步骤2)的旋压坯料安装于旋压芯模上，借助于三旋轮在数控强力旋压机上经多道次旋压加工获得变壁厚超薄圆筒体；
4)将变壁厚超薄圆筒体低温退火处理。
进一步地，所述步骤1)中，锻环晶粒度≥6级。
进一步地，所述步骤2)中，预先调质热处理具体为：入炉温度≤650℃，650±10℃保温30～50min，立即转入淬火炉，入炉≤930℃，930±10℃保温30～50min，出炉转入淬火油槽中冷却至40～50℃，硬度40～42HRC。
进一步地，所述步骤2)中，机械精加工后旋压坯料直径为180～600mm，单边壁厚为2.5～7mm。
进一步地，所述步骤4)中，低温回火温度380～400℃，保温100～160min后空冷至室温。
进一步地，所述步骤3)中，芯模材料选用5CrNiMo、硬度HRC50～55，表面碎硬层深度大于15mm；芯模表面经过精密磨削抛光，芯模直线度≤0.02。
进一步地，所述步骤3)中，旋轮选用高碳高鉻型莱氏体钢，热处理后硬度为HRC55～58，工作面表面粗糙度Ra0.8μm，成形角α选20°～30°。
本发明采用调质态旋压方法，利用金属冷作硬化的原理进行旋压加工，即先对旋压坯料进行热处理预强化调质处理，然后通过旋压的冷作硬化效果将圆筒旋压成型，以达到圆筒性能和结构强化的目的，与传统的厚壁球化退火态坯料旋压，最后退火、调质的工艺方法相比，壳体生产具有变形小，尺寸精度高的特点；使用该方法能生产尺寸、形位公差合格的变壁厚薄壁圆筒，且工艺流程简单，材料利用率高，不仅降低了生产成本，也能缩短生产周期。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.采用锻压轧制的锻环坯料实现组织均匀化和晶粒细化，具有良好的成形性能；
2.采用金属冷作硬化的原理进行旋压加工，即先对旋压坯料进行热处理预强化调质处理，然后通过旋压的冷作硬化效果将圆筒旋压成型，达到了圆筒性能和结构强化的目的；
3.采用一次装模两道次旋压技术，通过道次减薄率、进给比的协调处理，实现了旋压过程中材料流动稳定性和变形均匀性的有效控制，避免了隆起、开裂、鼓包、扩径等缺陷的产生，解决了薄壁变壁厚尺寸和形位公差难以控制的难题；
4.采用正向旋压成形薄壁圆筒，材料塑性流动与变薄方向一致，利于利于控制变壁厚长度尺寸，比普通反向旋压尺寸加工精度提高，圆筒合格率大幅提升。
5.与传统的厚壁球化退火态坯料旋压，最后退火、调质的工艺方法相比，变壁厚圆筒制备过程工艺简单，工序少；采用本方法加工制备的超高强度钢变壁厚超薄圆筒体，工艺流程短，质量稳定可靠，可获得细小均匀组织、力学性能以及综合性能满足要求的超高强度钢变壁厚超薄圆筒体，而且能大大提高圆筒体的成品率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法，包括超高强度钢棒料锻压轧制成锻环、锻环机械粗加工、锻环预先调质热处理、锻环机械精加工、调质态旋压坯料、精密旋压成形及成品圆筒体低温回火。
本发明中旋压芯模为整体+中心开孔结构，芯模材料选用5CrNiMo、硬度HRC50～55，表面碎硬层深度大于15mm。芯模结构形式设计为空心，壁厚为100mm，选用锻件形式，表面经过精密磨削抛光，芯模直线度≤0.02。用于冷态强力旋压的旋轮选用高碳高鉻型莱氏体钢，耐磨、冲击韧性好、易淬透，且有较好的热加工性和较好的碳化物分布，热处理后硬度为HRC55～58，工作面表面粗糙度Ra0.8μm，成形角α选20°～30°。
1)将超高强度钢圆棒锻压制成锻环，并进行去应力退火处理，锻环晶粒度≥6级；并将锻环进行机械粗加工获得锻环半成品；
2)将步骤1)得到的锻环半成品进行预先调质热处理后进行机械精加工获得旋压坯料；
预先调质热处理具体为：入炉温度≤650℃，650±10℃保温30～50min，立即转入淬火炉，入炉≤930℃，930±10℃保温30～50min，出炉转入淬火油槽中冷却至40～50℃，硬度40～42HRC；
机械精加工后得到尺寸和形位公差精度满足要求的调质态旋压坯料，旋压坯料直径为180～600mm，单边壁厚为2.5～7mm；
3)将步骤2)的旋压坯料安装于旋压芯模上，借助于三旋轮在数控强力旋压机上经多道次旋压加工，利用旋压的冷作硬化效果将变壁厚超薄圆筒精密旋压加工；
旋压坯料经一次装模多道次旋压加工，主轴转速70～75rpm、进给比0.8～1.0mm/r、道次减薄率28～40％，旋压过程采用质量浓度为10～20％的乳化液作为润滑剂，获得符合尺寸要求的变壁厚超薄圆筒体；变壁厚超薄圆筒体直径为180～600mm长度为1000～3000mm壁厚0.8～1.3mm；
4)将变壁厚超薄圆筒体低温退火处理，低温回火温度380～400℃，保温100～160min，空冷至室温，获得力学性能和微观组织符合要求的变壁厚超薄圆筒体。
实施例1
制备规格为
的30Si2MnCrMoVE超高强度钢变壁厚的圆筒体。本实施例中旋轮成形角α为25°。
1)将超高强度钢圆棒锻压制成锻环，并进行去应力退火处理，锻环晶粒度≥6级；并将锻环进行机械粗加工获得锻环半成品；
2)将步骤1)得到的锻环半成品进行预先调质热处理后进行机械精加工获得旋压坯料；
预先调质热处理具体为：入炉温度≤650℃，650℃保温40min，立即转入淬火炉，入炉≤930℃，930℃保温40min，出炉转入淬火油槽中冷却至45℃，硬度40～42HRC；
机械精加工后得到尺寸和形位公差精度满足要求的调质态旋压坯料，旋压坯料内径尺寸精度为±0.08mm，壁厚尺寸精度为±0.05mm；旋压坯料直径为180mm，单边壁厚为2.5mm；
3)将步骤2)的旋压坯料安装于旋压芯模上，借助于三旋轮在数控强力旋压机上经多道次旋压加工，利用旋压的冷作硬化效果将变壁厚超薄圆筒精密旋压加工；
旋压坯料经一次装模多道次旋压加工，三旋轮错距，错距量为0、5mm、10mm，要求旋轮径向圆跳动不大于0.15mm。第一道次减薄率48％、进给比0.8mm/r、主轴转速70～75rpm，得到φ180mm×1.3mm半成品筒体；第二道次减薄率38.5％、进给比0.8mm/r、主轴转速70～75rpm；旋压过程采用质量浓度为20％的乳化液作为润滑剂，获得符合尺寸要求的变壁厚超薄圆筒体
4)将变壁厚超薄圆筒体低温退火处理，低温回火温度390℃，保温120min，空冷至室温，获得力学性能和微观组织符合要求的变壁厚超薄圆筒体。
实施例2
制备规格为
的30Cr3超高强度钢变壁厚的圆筒体。本实施例中旋轮成形角α为25°。
1)将超高强度钢圆棒锻压制成锻环，并进行去应力退火处理，锻环晶粒度≥6级；并将锻环进行机械粗加工获得锻环半成品；
2)将步骤1)得到的锻环半成品进行预先调质热处理后进行机械精加工获得旋压坯料；
预先调质热处理具体为：入炉温度≤650℃，655℃保温35min，立即转入淬火炉，入炉≤930℃，935℃保温45min，出炉转入淬火油槽中冷却至50℃，硬度40～42HRC；
机械精加工后得到尺寸和形位公差精度满足要求的调质态旋压坯料，旋压坯料内径尺寸精度为±0.10mm，壁厚尺寸精度为±0.08mm；旋压坯料直径为600mm，单边壁厚为2.5mm；
3)将步骤2)的旋压坯料安装于旋压芯模上，借助于三旋轮在数控强力旋压机上经多道次旋压加工，利用旋压的冷作硬化效果将变壁厚超薄圆筒精密旋压加工；
旋压坯料经一次装模多道次旋压加工，三旋轮错距，错距量为0、5mm、10mm，要求旋轮径向圆跳动不大于0.15mm。第一道次减薄率48％、进给比0.8mm/r、主轴转速70～75rpm，得到φ600mm×1.3mm半成品筒体；第二道次减薄率38.5％、进给比0.8mm/r、主轴转速70～75rpm；旋压过程采用质量浓度为20％的乳化液作为润滑剂，获得符合尺寸要求的变壁厚超薄圆筒体
4)将变壁厚超薄圆筒体低温退火处理，低温回火温度400℃，保温100min，空冷至室温，获得力学性能和微观组织符合要求的变壁厚超薄圆筒体。
Claims (7)
1.一种变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法，其特征在于：所述制备方法具体如下：
1)将超高强度钢圆棒锻压制成锻环，并进行去应力退火处理，并将锻环进行机械粗加工获得锻环半成品；
2)将步骤1)得到的锻环半成品进行预先调质热处理后进行机械精加工获得旋压坯料；
3)将步骤2)的旋压坯料安装于旋压芯模上，借助于三旋轮在数控强力旋压机上经多道次旋压加工获得变壁厚超薄圆筒体；
4)将变壁厚超薄圆筒体低温退火处理。
2.根据权利要求1所述变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，锻环晶粒度≥6级。
3.根据权利要求1所述变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，预先调质热处理具体为：入炉温度≤650℃，650±10℃保温30～50min，立即转入淬火炉，入炉≤930℃，930±10℃保温30～50min，出炉转入淬火油槽中冷却至40～50℃，硬度40～42HRC。
4.根据权利要求1所述变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，机械精加工后旋压坯料直径为180～600mm，单边壁厚为2.5～7mm。
5.根据权利要求1所述变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，低温回火温度380～400℃，保温100～160min后空冷至室温。
6.根据权利要求1所述变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，芯模材料选用5CrNiMo、硬度HRC50～55，表面碎硬层深度大于15mm；芯模表面经过精密磨削抛光，芯模直线度≤0.02。
7.根据权利要求1所述变壁厚超薄超高强度钢圆筒体制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，旋轮选用高碳高鉻型莱氏体钢，热处理后硬度为HRC55～58，工作面表面粗糙度Ra0.8μm，成形角α选20°～30°。
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