本發(fā)明涉及運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)中金屬管狀構(gòu)件零件加工，具體地，涉及一種用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、動(dòng)力系統(tǒng)中的管狀構(gòu)件在運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中起著極為關(guān)鍵的作用，因而在火箭制造中被廣泛應(yīng)用，如直導(dǎo)管件，隧道管件，補(bǔ)償器管件等，其具有徑厚比大、形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，材料一般為不銹鋼或鋁合金。對(duì)于管狀結(jié)構(gòu)件由于它在實(shí)際使用中需要承受復(fù)雜的外加載荷和使用環(huán)境，殘余應(yīng)力是決定該類結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)和服役性能的關(guān)鍵要素。其中，一般認(rèn)為殘余拉應(yīng)力會(huì)促進(jìn)工件的裂紋的萌生和擴(kuò)展，降低成形件的疲勞壽命；而殘余壓應(yīng)力的存在則有助于防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，以及疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。進(jìn)而提高工件的疲勞壽命。因此在該類零件預(yù)成形結(jié)束后，往往需要額外增加一步殘余應(yīng)力控制工藝，期望消除殘余拉應(yīng)力甚至形成有益的殘余壓應(yīng)力。

2、根據(jù)工藝原理可將傳統(tǒng)的殘余應(yīng)力的去除和調(diào)整可分為兩類：熱處理法和機(jī)械法。對(duì)于現(xiàn)有的殘余應(yīng)力控制方法在應(yīng)用于復(fù)雜截面管狀件時(shí)存在以下難點(diǎn)：1、熱處理法時(shí)材料內(nèi)部的組織轉(zhuǎn)變是不可避免的，容易降低成形件的機(jī)械性能；2、機(jī)械法由于外加強(qiáng)載荷的作用，會(huì)降低成形件的形狀精度，熱處理法也同樣存在這個(gè)問(wèn)題。

3、因此如何在充分保證截面形狀精度的同時(shí)，消除管狀件的殘余應(yīng)力，并在表面形成有益的殘余壓應(yīng)力成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

4、專利文獻(xiàn)cn112048613a公開(kāi)了一種管狀構(gòu)件的激光表面處理方法及導(dǎo)波體，在實(shí)施強(qiáng)化過(guò)程中在管狀構(gòu)件內(nèi)部填充一種與管狀構(gòu)件材料阻抗匹配的導(dǎo)波彈性體，控制沖擊波傳播，實(shí)現(xiàn)耦合應(yīng)力場(chǎng)分布和宏觀變形控制，用于包括航空液壓導(dǎo)管在內(nèi)的薄壁管狀構(gòu)件的激光表面強(qiáng)化處理，能夠基本消除或減弱激光在管內(nèi)壁形成反射、折射，避免與入射波系耦合，從而避免形成復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)分布及宏觀變形，保證管狀構(gòu)件抗疲勞性能，最終降低使用故障率。然而該專利無(wú)法完全解決目前存在的技術(shù)問(wèn)題，也無(wú)法滿足本發(fā)明的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝方法和系統(tǒng)。

2、根據(jù)本發(fā)明提供的用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝方法，包括：

3、步驟1：選取直管坯，進(jìn)行預(yù)成形來(lái)獲得所需截面形狀的預(yù)制坯；

4、步驟2：將預(yù)成形后零件放入截面壓縮終成形模具中，其中下模的模具輪廓與最終得到的零件的外輪廓完全相同，并通過(guò)壓機(jī)的合模作用，使得上下模具合模，此時(shí)管坯的截面沒(méi)有發(fā)生壓縮；

5、步驟3：對(duì)預(yù)成形零件進(jìn)行管端密封，并施加支撐內(nèi)壓；

6、步驟4：當(dāng)管材內(nèi)部存在預(yù)設(shè)條件的內(nèi)壓支撐后，通過(guò)上模座的合模作用給上模提供下壓量，進(jìn)而對(duì)預(yù)成形零件進(jìn)行截面壓縮；

7、步驟5：撤掉內(nèi)壓支撐，模具開(kāi)模，取出截面壓縮后的管坯，得到外表面低殘余拉應(yīng)力數(shù)值水平的管狀件。

8、優(yōu)選地，對(duì)預(yù)成形零件的內(nèi)腔施加液體或者氣體介質(zhì)，并對(duì)管端進(jìn)行密封，使管材內(nèi)部形成內(nèi)壓支撐，根據(jù)管坯材料強(qiáng)度的不同施加不同大小的支撐內(nèi)壓，保證管坯截面在壓縮過(guò)程中不發(fā)生起皺。

9、優(yōu)選地，預(yù)成形零件各個(gè)截面環(huán)向周長(zhǎng)發(fā)生縮短，并使截面各處材料均產(chǎn)生塑性變形，整個(gè)截面的壓縮變形量達(dá)到0.5％-60％，同時(shí)，在整個(gè)截面壓縮過(guò)程中預(yù)成形零件各處的截面始終與模具型腔貼合，進(jìn)而保證在截面壓縮過(guò)程中截面形狀的精度要求。

10、優(yōu)選地，在截面壓縮過(guò)程中，沿環(huán)向施加壓縮力f，與彎曲產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力相抵、環(huán)向壓應(yīng)力疊加，進(jìn)而使得截面上環(huán)向應(yīng)力均勻化，消除內(nèi)壓外拉的應(yīng)力差。

11、優(yōu)選地，適用于封閉截面金屬材料管狀件，以及彎曲軸線復(fù)雜截面管狀結(jié)構(gòu)件。

12、根據(jù)本發(fā)明提供的用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝系統(tǒng)，包括：

13、模塊m1：選取直管坯，進(jìn)行預(yù)成形來(lái)獲得所需截面形狀的預(yù)制坯；

14、模塊m2：將預(yù)成形后零件放入截面壓縮終成形模具中，其中下模的模具輪廓與最終得到的零件的外輪廓完全相同，并通過(guò)壓機(jī)的合模作用，使得上下模具合模，此時(shí)管坯的截面沒(méi)有發(fā)生壓縮；

15、模塊m3：對(duì)預(yù)成形零件進(jìn)行管端密封，并施加支撐內(nèi)壓；

16、模塊m4：當(dāng)管材內(nèi)部存在預(yù)設(shè)條件的內(nèi)壓支撐后，通過(guò)上模座的合模作用給上模提供下壓量，進(jìn)而對(duì)預(yù)成形零件進(jìn)行截面壓縮；

17、模塊m5：撤掉內(nèi)壓支撐，模具開(kāi)模，取出截面壓縮后的管坯，得到外表面低殘余拉應(yīng)力數(shù)值水平的管狀件。

18、優(yōu)選地，對(duì)預(yù)成形零件的內(nèi)腔施加液體或者氣體介質(zhì)，并對(duì)管端進(jìn)行密封，使管材內(nèi)部形成內(nèi)壓支撐，根據(jù)管坯材料強(qiáng)度的不同施加不同大小的支撐內(nèi)壓，保證管坯截面在壓縮過(guò)程中不發(fā)生起皺。

19、優(yōu)選地，預(yù)成形零件各個(gè)截面環(huán)向周長(zhǎng)發(fā)生縮短，并使截面各處材料均產(chǎn)生塑性變形，整個(gè)截面的壓縮變形量達(dá)到0.5％-60％，同時(shí)，在整個(gè)截面壓縮過(guò)程中預(yù)成形零件各處的截面始終與模具型腔貼合，進(jìn)而保證在截面壓縮過(guò)程中截面形狀的精度要求。

20、優(yōu)選地，在截面壓縮過(guò)程中，沿環(huán)向施加壓縮力f，與彎曲產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力相抵、環(huán)向壓應(yīng)力疊加，進(jìn)而使得截面上環(huán)向應(yīng)力均勻化，消除內(nèi)壓外拉的應(yīng)力差。

21、優(yōu)選地，適用于封閉截面金屬材料管狀件，以及彎曲軸線復(fù)雜截面管狀結(jié)構(gòu)件。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

23、(1)本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)單的模具合模運(yùn)動(dòng)，使得管狀件截面發(fā)生壓縮塑性變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)向應(yīng)力均勻化，最終達(dá)到消除管狀件外表面殘余拉應(yīng)力甚至形成一定的外表面殘余壓應(yīng)力的目的，操作流程簡(jiǎn)單，提高了管狀件殘余應(yīng)力調(diào)控工藝的工作效率；

24、(2)相較于傳統(tǒng)的機(jī)械法、熱處理法在控制管狀件外表面殘余應(yīng)力時(shí)，利用截面壓縮具有以下優(yōu)點(diǎn)：(a)相較于熱處理法，室溫下成形能很好地避免材料組織熱敏感性問(wèn)題；(b)在模具和內(nèi)壓的共同約束作用下，成形件的形狀精度更高、表面粗糙度更低；(c)由于環(huán)向壓縮力在整個(gè)截面上連續(xù)分布，所以能使截面上各單元的殘余應(yīng)力控制更為徹底，適用于復(fù)雜的截面形狀；(d)施加的是環(huán)向壓縮力，材料全程處于壓縮變形，從應(yīng)力狀態(tài)上避免了微裂紋的產(chǎn)生，克服了高強(qiáng)鋼材料塑性低的問(wèn)題，進(jìn)一步提高了成形件的力學(xué)性能和使用壽命；(e)由于這是從殘余應(yīng)力產(chǎn)生的根本力學(xué)條件以及封閉截面的特性來(lái)調(diào)整殘余應(yīng)力，因此適用于大部分金屬材料。

技術(shù)特征：

1.一種用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝方法，其特征在于，對(duì)預(yù)成形零件的內(nèi)腔施加液體或者氣體介質(zhì)，并對(duì)管端進(jìn)行密封，使管材內(nèi)部形成內(nèi)壓支撐，根據(jù)管坯材料強(qiáng)度的不同施加不同大小的支撐內(nèi)壓，保證管坯截面在壓縮過(guò)程中不發(fā)生起皺。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝方法，其特征在于，預(yù)成形零件各個(gè)截面環(huán)向周長(zhǎng)發(fā)生縮短，并使截面各處材料均產(chǎn)生塑性變形，整個(gè)截面的壓縮變形量達(dá)到0.5％-60％，同時(shí)，在整個(gè)截面壓縮過(guò)程中預(yù)成形零件各處的截面始終與模具型腔貼合，進(jìn)而保證在截面壓縮過(guò)程中截面形狀的精度要求。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝方法，其特征在于，在截面壓縮過(guò)程中，沿環(huán)向施加壓縮力f，與彎曲產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力相抵、環(huán)向壓應(yīng)力疊加，進(jìn)而使得截面上環(huán)向應(yīng)力均勻化，消除內(nèi)壓外拉的應(yīng)力差。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝方法，其特征在于，適用于封閉截面金屬材料管狀件，以及彎曲軸線復(fù)雜截面管狀結(jié)構(gòu)件。

6.一種用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝系統(tǒng)，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝系統(tǒng)，其特征在于，對(duì)預(yù)成形零件的內(nèi)腔施加液體或者氣體介質(zhì)，并對(duì)管端進(jìn)行密封，使管材內(nèi)部形成內(nèi)壓支撐，根據(jù)管坯材料強(qiáng)度的不同施加不同大小的支撐內(nèi)壓，保證管坯截面在壓縮過(guò)程中不發(fā)生起皺。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝系統(tǒng)，其特征在于，預(yù)成形零件各個(gè)截面環(huán)向周長(zhǎng)發(fā)生縮短，并使截面各處材料均產(chǎn)生塑性變形，整個(gè)截面的壓縮變形量達(dá)到0.5％-60％，同時(shí)，在整個(gè)截面壓縮過(guò)程中預(yù)成形零件各處的截面始終與模具型腔貼合，進(jìn)而保證在截面壓縮過(guò)程中截面形狀的精度要求。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝系統(tǒng)，其特征在于，在截面壓縮過(guò)程中，沿環(huán)向施加壓縮力f，與彎曲產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力相抵、環(huán)向壓應(yīng)力疊加，進(jìn)而使得截面上環(huán)向應(yīng)力均勻化，消除內(nèi)壓外拉的應(yīng)力差。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝系統(tǒng)，其特征在于，適用于封閉截面金屬材料管狀件，以及彎曲軸線復(fù)雜截面管狀結(jié)構(gòu)件。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種用于降低金屬管狀件殘余應(yīng)力的工藝方法和系統(tǒng)，包括：步驟1：選取直管坯，進(jìn)行預(yù)成形來(lái)獲得所需截面形狀的預(yù)制坯；步驟2：將預(yù)成形后零件放入截面壓縮終成形模具中，通過(guò)壓機(jī)進(jìn)行合模運(yùn)動(dòng)；步驟3：對(duì)預(yù)成形零件進(jìn)行管端密封，并施加支撐內(nèi)壓；步驟4：通過(guò)上模座的合模作用給上模提供下壓量，進(jìn)而對(duì)預(yù)成形零件進(jìn)行截面壓縮；步驟5：撤掉內(nèi)壓支撐，模具開(kāi)模，取出截面壓縮后的管坯，得到外表面低殘余拉應(yīng)力數(shù)值水平的管狀件。本發(fā)明通過(guò)模具合模運(yùn)動(dòng)，使得管狀件截面發(fā)生壓縮塑性變形，實(shí)現(xiàn)環(huán)向應(yīng)力均勻化，達(dá)到消除管狀件外表面殘余拉應(yīng)力甚至形成一定的外表面殘余壓應(yīng)力的目的，提高了管狀件殘余應(yīng)力調(diào)控工藝的工作效率。

技術(shù)研發(fā)人員：林才淵,武凱琦,張?jiān)?鄒隆勛,陳哲,孫振欽,歷吳愷,趙淘,馮蘇樂(lè),初冠南
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海航天精密機(jī)械研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10