导弹战斗部壳体楔横轧盲孔轧制的成形工艺及装置

技术领域

本发明涉及金属塑性成形工艺与装备技术领域，特别涉及一种导弹战斗部壳体楔横轧盲孔轧制的成形工艺及装置。

背景技术

面对当前复杂国际形势，导弹头壳体作为国防、军工、航天航空类产品的重要组成部分，是国家军事领域不可替代的关键基础零部件，国富民强也必须依赖于军工产品的高性能与可靠性，因而对导弹头壳体的设计和制造要求越来越高。钻地导弹是一种携带侵彻战斗部，用于攻击机场跑道、地面加固目标、地下设施等目标的导弹。钻地弹头由载体和侵彻战斗部组成，其主要毁伤原理为采用延时引信，使搭载的侵彻战斗部在接触目标的瞬间不立即爆炸，而是滞后爆炸时间，待侵彻战斗部钻入被攻击目标后再发生爆炸，以增大爆炸威力和毁伤效果。

随着导弹末段速度不断提高，对战斗部壳体也提出了更高要求，要求具有更高强度、更高耐磨性以及更良好抗冲击能力。传统战斗部壳体采用锻造+焊接的制造方法，无法制造复杂的结构，焊接区域容易出现材料不均匀和应力集中等问题，限制了其性能的进一步提高。

带芯棒楔横轧工艺是一种先进的回转类零件成形工艺，与传统的锻造工艺、挤压工艺和机械加工工艺生产回转体比较，具有生产效率与材料利用率高、产品成形质量稳定、组织性能良好等优点，其通过内外协同轧制控制轧件性能，近些年在轻量化领域得到了广泛关注，被工业化应用于兵器，航空航天，船舶，化工、轻工业以及民用等多个领域。

以生产导弹头壳体为例，基于芯棒控制的楔横轧工艺主要有以下优点：一是采用芯棒作用内外协同轧制，采用大断面收缩率轧制增大塑性应变，从而显著提高空心管璧的材料性能；二是在楔横轧轧制速度快的工艺基础上，如采用对称轧制一次性轧制2件产品，制造效率可以达到20件/分钟，鉴于高速成形也使得温降不明显，从而可以保证材料性能稳定；三是采用楔横轧工艺，相较于旋压等板材成形工艺，可以成形厚壁壳体，从而增加导弹设计人员的自由度。但是现有楔横轧工艺仅能成形实心轴类零件或者通孔轴类零件，暂无法成形盲孔类零件，对于导弹壳体这类带盲孔的盘状类零件，目前暂无技术实施方案。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有的存在的问题，提出了本发明一种导弹战斗部壳体楔横轧盲孔轧制的成形工艺及装置，对现在楔横轧技术进行升级与发展，通过两个芯棒对楔横轧的凹心缺陷进行精确控制，通过二次楔入实现了大断面收缩率轧制并改善材料性能，采用对称轧制的方式一次轧制得到两个导弹战斗部壳体，从而高性能精密楔横轧盲孔成形导弹战斗部壳体。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种导弹战斗部壳体楔横轧盲孔轧制的成形工艺，包括：

S1、依据体积守恒原则，通过计算导弹战斗部壳体的体积得到实心圆棒料的下料尺寸；

S2、根据导弹战斗部壳体的外表面尺寸设计两个板式楔横轧模具，根据导弹战斗部壳体的内孔几何尺寸设计两个芯棒的外形尺寸；所述导弹战斗部壳体包括一个空心圆柱体和一个锥形盲孔端面；

S3、将所述实心圆棒料加热到设定的变形温度；

S4、将所述实心圆棒料置于两个所述模具之间，两个所述芯棒分别置于所述实心圆棒料的两端并分别与两端面接触；所述芯棒的轴线与实心圆棒料的轴线重合；

S5、轧制：两个所述板式楔横轧模具作相向等速的直线运动，两个所述芯棒轴向保持不动，周向作随动旋转运动，实心圆棒料在所述板式楔横轧模具和所述芯棒的共同作用下被对称轧制成形，并被切割得到两个所述导弹战斗部壳体。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，两个所述板式楔横轧模具为几何尺寸相同的矩形厚板，两个所述板式楔横轧模具的凸起楔块以实心圆棒料为对称轴呈对称设置；

所述板式楔横轧模具为二次楔入结构，依次包括入料段、第一次楔入段、展宽段、第二次楔入段和精整段；

所述入料段用于将加热到变形温度的实心圆棒料轧件限定到楔横轧加工位置；

所述第一次楔入段用于径向压缩轧件变形区金属，从而将所述板式楔横轧模具咬入到轧件内；

所述展宽段用于轴向展开轧件变形区金属，将轧件预成形为一根盲孔光轴；

所述第二次楔入段使轧件变形区金属径向压缩，将所述板式楔横轧模具咬入到盲孔光轴内，并形成导弹战斗部壳体的外表面形状；

所述精整段用于对轧件进行几何尺寸精确成形，并切断轧件轴向中心处金属，形成两根导弹战斗部壳体。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，所述实心圆棒料的长度L0与所述导弹战斗部壳体盲孔厚度L1的数学关系为L0＝2*L1，所述实心圆棒料的直径D0与导弹战斗部壳体总体积V的数学关系式为：

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S5中，所述实心圆棒料先经过入料段、第一次楔入段、展宽段被预成形为一根盲孔光轴，再经过第二次楔入段、精整段被最终成形为两根导弹战斗部壳体。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，两个所述芯棒为几何尺寸相同的圆弧端面等直径圆杆芯棒，所述芯棒的长度大于导弹战斗部壳体的盲孔深度，所述芯棒的形状与导弹战斗部壳体的盲孔形状一致；两个所述芯棒在实心圆棒料轴向两侧对称布置。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中，所述变形温度为600℃-1300℃。

另一方面，本发明还提供了一种导弹战斗部壳体楔横轧盲孔轧制的成形装置，包括两个板式楔横轧模具、两个芯棒和模具驱动单元；

两个所述板式楔横轧模具，具有相向等速的直线运动，分别布置在实心圆棒料的径向两侧，用于在轧制过程中对实心圆棒料轧件进行轧制形成导弹战斗部壳体的外形尺寸，并切割得到两个所述导弹战斗部壳体；所述导弹战斗部壳体包括一个空心圆柱体和一个锥形盲孔端面；

两个所述芯棒，其在轴向保持不动，周向具有随动旋转运动，分别布置在实心圆棒料的轴向两侧，用于控制凹心缺陷并在轧制过程中形成所述导弹战斗部壳体的内孔几何尺寸；

所述模具驱动单元，用于控制两个所述楔横轧模具的等速相向直线运动。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，两个所述板式楔横轧模具均水平设置。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，两个所述板式楔横轧模具形状相同，两个所述芯棒形状相同。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述实心圆棒料的材质为钢材、铝合金、钛合金或镁合金。

本发明的有益效果为：

1、通过双芯棒控制凹心以成形盲孔壳体，实现快速连续局部成形，具有轧件无焊缝、变轧制温降少及材料均匀性好等优点。

2、通过二次楔入实现大断面收缩率轧制，总断面收缩率超过75％，大塑性诱导晶粒组织显著细化，导弹战斗部壳体的微观组织及力学性能将得到显著改善。实验表明：相较于传统工艺，采用本发明工艺，零件的平均晶粒尺寸可以减少50％以上；疲劳强度提高20％以上，抗压强度提高20％以上；且内壁无叠皱缺陷。

3、通过先预成形盲孔光轴，再二次楔入段同时楔入和展宽，从而外台阶无需展宽段，实现了窄台阶的轧制成形。

4、采用板式楔横轧结构，无需考虑导板的磨损，实现带切断的对称楔横轧成形，一次成形两个导弹战斗部壳体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1所示为实施例中导弹战斗部壳体的结构示意图。

图2为所示为实施例一种导弹战斗部壳体楔横轧盲孔轧制的成形装置的整体结构示意图。

图3所示为实施例中导弹战斗部壳体轧制过程示意图。

图4所示为实施例中导弹战斗部壳体的变形过程示意图。

图5所示为实施例中两个板式楔横轧模具的结构示意图。

图6所示为实施例中两个芯棒的结构与尺寸示意图。

图7所示为传统楔横轧空心轴内壁结构(缺陷)与本发明实施例所制备导弹战斗部壳体内壁结构对比示意图。

图8所示为本发明实施例所制备导弹战斗部壳体晶粒尺寸的细化过程示意图。

图中：1.第一楔横轧模具；2.第二楔横轧模具；3.第一芯棒；4.第二芯棒；5.轧件；5a.实心圆棒料；5b.盲孔光轴；5c.导弹战斗部壳体；X-X为轧件轴线、芯棒轴线；V1为第一楔横轧模具直线运动；V2为第二楔横轧模具直线运动；Ⅰ为楔横轧模具入料段；Ⅱ为楔横轧模具第一次楔入段；III为楔横轧模具展宽段；Ⅳ为楔横轧模具第二次楔入段；Ⅴ为楔横轧模具精整段；L0为实心圆棒料长度；D0为实心圆棒料直径；L1为导弹战斗部壳体盲孔深度。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

如图1-图3所示，本发明实施例一种导弹战斗部壳体楔横轧盲孔轧制的成形工艺，包括：

S1、依据体积守恒原则，通过计算导弹战斗部壳体的体积得到实心圆棒料的下料尺寸；

S2、根据导弹战斗部壳体的外表面尺寸设计两个板式楔横轧模具，根据导弹战斗部壳体的内孔几何尺寸设计两个芯棒的外形尺寸；所述导弹战斗部壳体包括一个空心圆柱体和一个锥形盲孔端面；

S3、将所述实心圆棒料加热到设定的变形温度；

S4、将所述实心圆棒料置于两个所述模具之间，两个所述芯棒分别置于所述实心圆棒料的两端并分别与两端面接触；所述芯棒的轴线与实心圆棒料的轴线重合；

S5、轧制：两个所述板式楔横轧模具作相向等速的直线运动，两个所述芯棒轴向保持不动，周向作随动旋转运动，实心圆棒料在所述板式楔横轧模具和所述芯棒的共同作用下被对称轧制成形，并被切割得到两个所述导弹战斗部壳体。

如图1所示，导弹战斗部壳体5c为带内孔的锥形盲孔轴，几何特征包括一个空心圆柱体和一个锥形盲孔端面。

如图2、图3所示，两个板式楔横轧模具(第一楔横轧模具1、第二楔横轧模具2)对应地安装在轧件5径向两侧、且均与轧件5径向外表面接触，以轧件轴线X-X为中心作相向等速直线运动V1、V2，用于成形所述导弹战斗部壳体5c的外表面形状。

如图2、图3所示，两个芯棒(第一芯棒3和第二芯棒4)安装在轧件5轴向两侧、均可围绕轧件轴线X-X作随动旋转运动，所述第一芯棒3、第二芯棒4均与轧件5轴向端面保持接触，用于控制轧件5凹心缺陷处的金属流动，从而成形所述导弹战斗部壳体5c的盲孔形状。

在一个具体实施例中，如图1-图3所示，利用上述楔横轧工艺，将一根实心圆棒料5a放置在第一楔横轧模具1、第二楔横轧模具2、第一芯棒3、第二芯棒4构成的空间内，由第一楔横轧模具直线运动V1、第二楔横轧模具直线运动V2共同驱动、在摩擦力作用下对称轧制，实心圆棒料5a先预成形为一根盲孔光轴5b、最终成形为两根导弹战斗部壳体5c。

所述实心圆棒料的长度L0与所述导弹战斗部壳体盲孔厚度L1的数学关系为L0＝2*L1，所述实心圆棒料的直径D0与导弹战斗部壳体总体积V的数学关系式为：

所述实心圆棒料5a的尺寸设计原则为：先计算实心圆棒料长度L0，再计算实心圆棒料直径D0。

如图5所示，两个所述板式楔横轧模具1、2为几何尺寸相同的矩形厚板，两个所述板式楔横轧模具1、2的凸起楔块C以实心圆棒料5a为对称轴呈对称设置；

所述板式楔横轧模具为二次楔入结构，依次包括入料段Ⅰ、第一次楔入段Ⅱ、展宽段III、第二次楔入段Ⅳ和精整段Ⅴ；

所述入料段Ⅰ用于将加热到变形温度的实心圆棒料轧件5限定到楔横轧加工位置；

所述第一次楔入段Ⅱ用于径向压缩轧件变形区金属，从而将所述板式楔横轧模具1、2咬入到轧件内；

所述展宽段III用于轴向展开轧件变形区金属，将轧件5预成形为一根盲孔光轴5b；

所述第二次楔入段Ⅳ使轧件变形区金属径向压缩，将所述板式楔横轧模具1、2咬入到盲孔光轴5b内，并形成导弹战斗部壳体5c的外表面形状；

所述精整段Ⅴ用于对轧件进行几何尺寸精确成形，并切断轧件轴向中心处金属，形成两根导弹战斗部壳体5c。

在一个具体实施例中，如图6所示，第一芯棒3、第二芯棒4为几何尺寸相同的圆弧端面等直径圆杆芯棒，芯棒长度大于导弹战斗部壳体5c的盲孔深度，芯棒3、4的形状与导弹战斗部壳体5c的盲孔形状一致；两个芯棒3、4在实心圆棒料5a轴向两侧对称布置。

如图2所示，本发明实施例一种导弹战斗部壳体楔横轧盲孔轧制的成形装置，包括两个板式楔横轧模具(第一楔横轧模具1和第二楔横轧模具2)、两个芯棒(第一芯棒3和第二芯棒4)和模具驱动单元；

两个所述板式楔横轧模具1、2，具有相向等速的直线运动，分别布置在实心圆棒料5a的径向两侧，用于在轧制过程中对实心圆棒料轧件5进行轧制形成导弹战斗部壳体5c的外形尺寸，并切割得到两个所述导弹战斗部壳体5c；所述导弹战斗部壳体5c包括一个空心圆柱体和一个锥形盲孔端面；

两个所述芯棒3、4，其在轴向保持不动，周向具有随动旋转运动，分别布置在实心圆棒料5a的轴向两侧，用于控制凹心缺陷并在轧制过程中形成所述导弹战斗部壳体5c的内孔几何尺寸；

所述模具驱动单元，用于控制两个所述楔横轧模具1、2的等速相向直线运动。

两个所述板式楔横轧模具1、2均水平设置。

本发明的工作原理为：

如图1-7所示，根据导弹战斗部壳体盲孔深度L1首先确定实心圆棒料长度L0，依据导弹战斗部壳体5c的总体积V计算实心圆棒料直径D0，依据导弹战斗部壳体5c的形状设计对称轧制的楔横轧模具1、2，依据导弹战斗部壳体5c的盲孔形状设计芯棒尺寸。将加热到轧制温度的实心圆棒料5a转移到由两个楔横轧模具1、2，两个芯棒3、4组成的成形装置内，两个楔横轧模具1、2作相向等速的直线运动V1、V2，两个芯棒3、4轴向固定作随动旋转，由两个芯棒3、4精确控制轧件5端面内孔的几何尺寸，由两个楔横轧模具1、2精确成形轧件5外表面几何尺寸，轧件5先预成形为一根盲孔光轴5b、再二次楔入轧制成形为两根导弹战斗部壳体5c。

本发明所产生的技术效果：

1、由于采用板式楔横轧和芯棒协同轧制，使得导弹战斗部壳体的金属经历剧烈塑性变形，剧烈塑性变形诱导晶粒细化，本工艺晶粒细化达到50％以上，如图8所示；与传统切削成形盲孔轴相比，力学性能提高明显，疲劳强度提高20％以上，抗压强度提高20％以上。

2、传统的楔横轧空心轴内孔表面易起皱褶，影响盲孔新能源车轴零件的使用性能；本发明工艺可显著改善这一点。如图7所示，图7中a为传统楔横轧空心轴的内孔壁，存在明显皱褶缺陷，图7中b为本发明工艺所得到的内孔壁，表面光滑平整。褶皱的改善同样对零件性能带来有利的影响。

3、本发明无料头损耗，显著提高材料利用率；与传统车削成形盲孔轴工艺相比，材料利用率达到90％以上。

本发明基于双芯棒控制凹心成形盲孔壳体，采用二次楔入实现总断面收缩率超过75％剧烈塑性变形轧制，创新性将楔横轧工艺运用到军品导弹壳体的成形制造领域，首次实现了军品导弹战斗部壳体的大断面收缩率带切断的楔横轧高性能高效率轧制。本发明的轧件无焊缝、轧制温降少及材料均匀性好，导弹战斗部壳体的微观组织及力学性能将得到显著改善，尤其适合于厚璧导弹战斗部壳体的高性能轧制成形。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。