本發(fā)明涉及封頭成形，具體涉及超高強度鋼加工領域，尤其涉及一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法。

背景技術：

1、封頭：固體火箭發(fā)動機殼體的筒底，是分段連接段的主要承力構件，發(fā)動機殼體中受力狀況最復雜、可靠性要求最高、制造難度最大、制造周期最長的零件。封頭屬于橢球形帶法蘭接頭的薄壁變壁厚異形零件，是噴管組件的安裝基準，也是與筒體聯(lián)接的焊接基準。封頭零件的形性一致性和制造可靠性對發(fā)動機的總體性能、可靠性、制造周期和制造成本均有重大影響。

2、軸向閉式輾軋成形技術：axial?closed?die?rolling，簡稱acdr，是我國自主研發(fā)的一種三向劇烈塑性變形技術。在成形過程中，上模傾斜特定角度與坯料局部接觸，在上模壓下的同時通過下模旋轉帶動坯料及上模旋轉。由工件旋轉成形導致心部與邊緣具有明顯的線速度差，同時因上下端面接觸面積不同而呈現(xiàn)角速度差，從而在鍛件連續(xù)局部成形的同時，實現(xiàn)壓縮和扭轉復合變形。

3、針對大尺寸深腔封頭一般采用分體焊接方法制造，其制造過程是將球體、過渡環(huán)、法蘭接頭分體制造。其中球體采用板料拉伸成形，過渡環(huán)采用環(huán)軋成形，法蘭接頭采用模鍛成形，然后采用環(huán)焊方式將過渡環(huán)、球體和法蘭焊接成封頭零件。整個制造過程涉及拉深、環(huán)軋、模鍛、焊接等多道工序，生產制造周期長。尤其是封頭存在環(huán)焊縫，影響發(fā)動機可靠性。無論是熱軋還是冷軋板材，其縱橫向性能存在明顯的各向異性。軋制過程中軋板的切向和法向應力狀態(tài)和應力水平均不同，使得封頭零件在后續(xù)熱處理和焊接過程中往往出現(xiàn)明顯翹曲變形，嚴重影響發(fā)動機殼體的裝配精度和生產效率。并且球體采用板材拉伸成形，其壁厚不均勻，回彈明顯，需要進行附加校正，或通過加大余量進行機械加工。

4、國外大型固體發(fā)動機超高強度鋼金屬殼體的封頭體全部采用無焊縫的整體式封頭體結構，采用模鍛件整體機加而成，如美國航天飛機助推器直徑3.7m的固體發(fā)動機金屬殼體和歐洲阿里安5火箭助推器直徑ф3.5m的固體發(fā)動機金屬殼體，其封頭體都采用無焊縫結構的整體式熱成形后的機加結構。

5、常州和仕達有限公司開展了碗型薄壁件的系列研究，基于金屬在室溫下塑性差、強度高，彈性模量小，導熱率低，變形抗力大，金屬回彈嚴重，使得該類零件的成形載荷較大，且壁厚控制困難，對生產設備精度要求極高的問題，提供一種低載荷、成形精準的碗型薄壁件的偏心成形裝置及方法。該方法能夠實現(xiàn)額定載荷上生產開口直徑500mm等級的薄壁碗型件，成形載荷僅是沖壓工藝的1/15—1/30，是普通連續(xù)局部加載方法的1/2—1/5。該成形方法所制備的薄壁碗型件的尺寸精確，單邊余量精準，解決了因回彈嚴重而導致的壁厚難控制的技術難題，尤其適合生產鈦合金、合金鋼類大型碗型薄壁件。

6、綜上現(xiàn)有技術存在的問題：

7、（1）針對國內中、大型固體火箭發(fā)動機，其固體發(fā)動機金屬殼體的封頭體全部采用焊接結構封頭體，由接頭、沖壓封頭、叉形環(huán)等零件組焊成形，導致封頭體焊接變形、應力集中、結構精度下降，焊縫缺陷的存在降低了結構的承載能力，從而影響發(fā)動機結構可靠性；另外，由于焊接結構封頭體的生產流程冗長，生產效率低下，無法滿足生產、交付需求。

8、（2）采用偏心成形裝置及方法生產碗形薄壁件，在變形過程中，由于凸模具與工件內壁接觸，致使在成形過程中設備需要承受較大的側向力，隨著碗形件整體尺寸的增加、碗形件內壁的減小，所受的側向力越來越大，不能保證封頭成形的完整性。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于連續(xù)壓扭復合變形原理的軸向閉式輾軋成形技術（axial?closed?die?rolling，簡稱acdr），完成大尺寸封頭的高質量、高效率、高可靠、低成本制造，實現(xiàn)大尺寸封頭鍛件的低載、高效、各向同性，整體精密成形的一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法。

2、本發(fā)明一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法，其特征在于，包括如下步驟：

3、第一步，鐓粗成形，選用超高強度鋼棒材，將棒材加熱至1100~1150℃，并保溫4~5h后，在液壓機上進行軸向鐓粗，鐓粗后獲得餅坯；

4、第二步，軸向閉式輾軋成形，將得到的餅坯置于軸向閉式輾軋成形設備上水平設置的輾軋下模上，輾軋下模上設置有環(huán)形第一凹槽，所述第一凹槽的外徑與成品封頭的裙邊外徑相同，第一凹槽朝向輾軋下模中心的一側與輾軋下模朝向輾軋上模的一面平滑過渡相接；輾軋上模與坯料水平接觸，輾軋上模的軸線與輾軋下模的軸線夾角為9°。在軸向輾軋成形過程中，輾軋下模主動旋轉，借助摩擦力作用帶動餅坯及輾軋上模旋轉；同時輾軋上模沿軸向向下做進給運動，通過輾軋上模與坯料的周期性局部接觸，實現(xiàn)工件連續(xù)穩(wěn)定成形，變形獲得薄板坯料；

5、第三步，將薄板坯料置于拉深凹模中，保持靜止；拉深凸模固定在液壓機上橫梁，拉深凸模以恒定速度垂直向下朝向拉深凹模運動，當薄板坯料拉深至所需尺寸時即完成拉深，然后對拉深件進行機加工至要求尺寸即得到所需深腔封頭，所述深腔封頭的深度/直徑＞0.1。

6、優(yōu)選地，第二步中，在軸向輾軋成形過程中，輾軋下模以轉速0.5~1rad/s主動旋轉，輾軋上模沿軸向向下做進給運動，速度為3~6mm/s。

7、優(yōu)選地，第一步中，鐓粗過程中，鐓粗上模以6~8mm/s恒定速度垂直向下運動對棒材進行鐓粗。

8、優(yōu)選地，第三步中，拉深凸模以3mm/s恒定速度垂直向下朝向拉深凹模移動實現(xiàn)對薄板坯料的拉深。

9、或者優(yōu)選地，輾軋上模朝向輾軋下模的一面上對應第一凹槽的位置設置有環(huán)形第二凹槽，第二凹槽朝向輾軋上模中心的一側與輾軋上模朝向輾軋下模的一面平滑過渡相接。

10、優(yōu)選地，超高強度鋼棒材為d406a合金。

11、本發(fā)明采用鐓粗-軸向閉式輾軋-拉深-機加工的方式一火次成形，經統(tǒng)計分析，與現(xiàn)行工藝路線相比，生產周期縮短50%，材料利用率達到40%以上，制造成本降低30%以上，各向性能一致性可達95%以上，與筒段焊接時殘余變形量可降低80%；同時，可以減少環(huán)向焊縫的數(shù)量，能夠提高制造精度、承力性能及產品可靠性。軸向閉式輾軋成形是目前大尺寸各向同性封頭整體化制造最理想的成形技術，能夠有效滿足大尺寸封頭對各向同性、整體成形、抑制焊接變形、高效低成本的制造需求。

技術特征：

1.一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權利要求1所述一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法，其特征在于，所述第二步中，在軸向輾軋成形過程中，輾軋下模以轉速0.5~1rad/s主動旋轉，輾軋上模沿軸向向下做進給運動，速度為3~6mm/s。

3.如權利要求1所述一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法，其特征在于，所述第一步中，鐓粗過程中，鐓粗上模以6~8mm/s恒定速度垂直向下運動對棒材進行鐓粗。

4.如權利要求1所述一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法，其特征在于，所述第三步中，拉深凸模以3mm/s恒定速度垂直向下朝向拉深凹模移動實現(xiàn)對薄板坯料的拉深。

5.如權利要求1-4任意一項所述一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法，其特征在于，所述輾軋上模朝向輾軋下模的一面上對應第一凹槽的位置設置有環(huán)形第二凹槽，第二凹槽朝向輾軋上模中心的一側與輾軋上模朝向輾軋下模的一面平滑過渡相接。

6.如權利要求5所述一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法，其特征在于，所述超高強度鋼棒材為d406a合金。

技術總結
本發(fā)明一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法涉及封頭成形技術領域，具體涉及超高強度鋼加工領域，尤其涉及一種大尺寸超高強度鋼深腔式整體封頭成形方法，包括如下步驟：鐓粗成形，選用超高強度鋼棒材，將棒材加熱并保溫后，在液壓機上進行軸向鐓粗，鐓粗后獲得餅坯；將得到的餅坯置于軸向閉式輾壓成形設備上水平設置的輾軋下模上進行成形，本發(fā)明采用鐓粗?軸向閉式輾軋?拉深?機加工的方式一火次成形，與現(xiàn)行工藝路線相比，生產周期縮短50%，材料利用率達到40%以上，制造成本降低30%以上，各向性能一致性可達95%以上，與筒段焊接時殘余變形量可降低80%；同時，可以減少環(huán)向焊縫的數(shù)量，能夠提高制造精度、承力性能及產品可靠性。

技術研發(fā)人員：劉東,南俊剛,王建國,趙佳航
受保護的技術使用者：西北工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/5/16