一种液体火箭发动机轻质铌合金延伸段冷旋压成形方法

技术领域

本发明属于金属成形技术领域，特别涉及一种液体火箭发动机轻质铌合金延伸段冷旋压成形方法。

背景技术

某型号火箭发动机推力室延伸段为大尺寸铌钨合金薄壁精密件，小端壁厚远大于大端壁厚，且大、小端直径相差大，轴向距离长。

目前，加工方法是采用旋压和翻边制造大尺寸薄壁精密延伸段，将铌钨合金平板车切成为变壁厚的平板毛坯，然后在50吨旋压床上冷旋成为变壁厚的曲母线毛坯，再在50吨旋压床上冷旋成为零件形状和壁厚，在3000吨液压机上对大端进行翻边成形。这种方法是车切、旋压和翻边结合的工艺，虽然制造了大尺寸薄壁精密铌钨合金喷管，但其不足之处是：铌钨合金密度大，质量重，限制了喷管的应用范围。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种轻质铌合金变壁厚延伸段冷旋压成形方法，采用新材料轻质铌合金，利用针对性成形方法(变壁厚车切+一次冷旋+二次冷旋)，使轻质铌合金应用于液体火箭发动机推力室成为可能，减轻了发动机重量，提高了推质比，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

一种液体火箭发动机轻质铌合金延伸段冷旋压成形方法，包括：

步骤1，将铌合金和1Cr21Ni5Ti调试料的平板圆毛坯分别车切成变壁厚平板毛坯；

步骤2，将1Cr21Ni5Ti调试料变壁厚平板毛坯件和一旋模具的旋压胎体装配，在旋压机上冷旋压成为1Cr21Ni5Ti调试料曲母线变壁厚毛坯件，试旋合格后再旋压铌合金，得到铌合金曲母线变壁厚毛坯件；

步骤3，将1Cr21Ni5Ti调试料曲母线变壁厚毛坯件和二旋模具的旋压胎体装配，在旋压机上冷旋压成为1Cr21Ni5Ti调试料曲母线变壁厚零件，试旋合格后再旋压铌合金曲母线变壁厚零件；其中，一旋模具旋压胎体的小端直径等于二旋模具旋压胎体的小端直径，一旋模具旋压胎体的轴向长度小于二旋模具旋压胎体的轴向长度。

根据本发明提供的一种液体火箭发动机轻质铌合金延伸段冷旋压成形方法，具有以下有益效果：

(1)本发明一种液体火箭发动机轻质铌合金延伸段冷旋压成形方法，成形方法包括车切变壁厚平板毛坯、一次冷旋曲母线变壁厚毛坯和二次冷旋曲母线变壁厚零件工序，通过控制各工序参数如毛坯壁厚、旋压间隙、进给速度等，使得旋压工艺稳定，重现性好，产品精度达到各点壁厚公差±0.05mm，型面轮廓度≤0.5mm；

(2)本发明一种液体火箭发动机轻质铌合金延伸段冷旋压成形方法，延伸段的成形完全依赖于成形工序，无需后续对壁厚的车切，车切仅针对大小两端加工余量设计，解决了车切使得壁厚超差的影响，降低了加工风险；

(3)本发明一种液体火箭发动机轻质铌合金延伸段冷旋压成形方法，延伸段的加工采用轻质铌合金，强度高，质量轻，通过该成形工艺有效支撑了其成形性能，使轻质铌合金应用于液体火箭发动机推力室成为可能，有利于减轻发动机的重量，提高推质比。

附图说明

图1是车切夹具结构示意图；

图2是一旋模具结构示意图；

图3是二旋模具结构示意图；

图4是车切变壁厚毛坯结构示意图；

图5是一旋后曲母线变壁厚毛坯件结构示意图；

图6是二旋后曲母线变壁厚零件结构示意图。

附图标号说明

1-压板；2-定位轴；3-压块；4-夹具体；5-第一转接盘；6-第一旋压胎体；7-第一定位柱；8-第一尾顶；10-第二转接盘；11-第二旋压胎体；12-第二定位柱；13-第二尾顶。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供了一种液体火箭发动机轻质铌合金延伸段冷旋压成形方法，包括如下步骤：

步骤1，在轻质铌合金和1Cr21Ni5Ti调试料的平板圆毛坯中心钻定位孔，校平至平面度≤0.2mm，将平板圆毛坯固定在车切夹具上，车切成变壁厚平板毛坯。轻质铌合金车切后进行960±10℃、保温时间60～65min真空再结晶退火处理，不锈钢1Cr21Ni5Ti固溶处理。

该步骤中，轻质铌合金的成分为：

表1

轻质铌合金常温机械性能为：

表2

如图1所示，车切夹具包括压板1、定位轴2、压块3和夹具体4，平板圆毛坯中心孔通过定位轴2，放置在夹具体4上，用螺钉将压板1和压块3压紧在毛坯上，车切成变壁厚平板毛坯件。

该步骤中，车切时车刀每次进刀量控制在0.1mm以内。

该步骤中，车切时，将平板圆毛坯平面度找正在0.1mm以内；车切后测量均布的四条母线壁厚，每条母线上厚度每变化0.02～0.03mm测1个点，每点壁厚与理论值相比，公差控制在±0.05mm。

步骤2，将变壁厚平板毛坯件和一旋模具的第一旋压胎体6装配，将变壁厚平板毛坯件的中心定位孔装在第一旋旋压胎体小端的第一定位柱7上，第一定位柱7末端伸进第一尾顶8的中心孔中，顶紧第一尾顶8，在旋压机上冷旋压成为曲母线变壁厚毛坯件，先用1Cr21Ni5Ti调试料试旋合格后再旋压轻质铌合金。一次旋压后，轻质铌合金进行960±10℃、保温时间60～65min真空再结晶退火处理，不锈钢1Cr21Ni5Ti固溶处理。

该步骤中，如图2所示，一旋模具包括第一转接盘5、第一旋压胎体6、第一定位柱7和第一尾顶8，第一旋压胎体6大端固定在第一转接盘5上，小端通过第一定位柱7与第一尾顶8同轴连接，变壁厚平板毛坯件位于第一旋压胎体6小端和第一尾顶8之间，通过穿过变壁厚平板毛坯件中心定位孔的第一定位柱7以及第一尾顶8的压力，固定于第一旋压胎体6外部。

该步骤中，旋压过程中控制变壁厚平板毛坯件各点的旋压间隙，旋压过程中的间隙调整值在±0.04mm以内，旋压进给速度为0.24～0.28毫米/转，旋轮圆角半径为R8～R10mm。

该步骤中，初始旋压间隙的确定方法是变壁厚平板毛坯件各点理论壁厚减去退让量0.25mm；在轻质铌合金第一次旋压前，测量变壁厚平板毛坯件均布四条母线不同部位处壁厚，将壁厚实测情况与理论值相比以调整旋压间隙，壁厚实测情况大于理论值的缩小旋压间隙，小于理论值的增加旋压间隙，使后续变壁厚平板毛坯件旋压后壁厚更接近理论值；

根据调整后的旋压间隙，先用1Cr21Ni5Ti调试料变壁厚平板毛坯件试旋，测量试旋件均布的四条母线壁厚，每条母线测多个点(优选为厚度每变化0.02～0.03mm测1个点)，每点壁厚与理论值相比，大于理论值的缩小旋压间隙，小于理论值的增加旋压间隙，直至试旋件壁厚满足要求再旋铌合金件，其中1Cr21Ni5Ti调试料变壁厚平板毛坯件与轻质铌合金变壁厚平板毛坯件的形状一致，规格参数在误差允许范围内。

步骤3，将曲母线变壁厚毛坯件和二旋模具的第二旋压胎体11装配，曲母线变壁厚毛坯件的中心定位孔装在第二旋旋压胎体11小端的第二定位柱12上，第二定位柱12末端伸进第二尾顶13的中心孔中，顶紧第二尾顶13，在旋压机上冷旋压成为曲母线变壁厚零件，先用1Cr21Ni5Ti调试料曲母线变壁厚毛坯件试旋合格后再旋压轻质铌合金曲母线变壁厚毛坯件；其中，一旋模具第一旋压胎体6的小端直径等于二旋模具第二旋压胎体11的小端直径，一旋模具第一旋压胎体6的轴向长度小于二旋模具第二旋压胎体11的轴向长度。

该步骤中，如图3所示，二旋模具包括第二转接盘10、第二旋压胎体11、第二定位柱12和第二尾顶13，第二旋压胎体11的大端固定在第二转接盘10上，小端通过第二定位柱12与第二尾顶13同轴连接，曲母线变壁厚毛坯件位于第二旋压胎体11小端和第二尾顶13之间，通过穿过变壁厚平板毛坯件中心定位孔的第二定位柱12以及第二尾顶13的压力，固定于第二旋压胎体11外部。

该步骤中，旋压过程中控制曲母线变壁厚毛坯件各点的旋压间隙，旋压过程中的间隙调整值在±0.04mm以内，旋压速度为0.24～0.28毫米/转，旋轮的圆角半径为R8～R10mm。

该步骤中，初始旋压间隙的确定方法是曲母线变壁厚毛坯件各点理论壁厚减去退让量0.25mm；在铌合金第二次旋压前，测量曲母线变壁厚毛坯件均布四条母线不同部位处壁厚，将壁厚实测情况与理论值相比以调整旋压间隙，壁厚实测情况大于理论值的缩小旋压间隙，小于理论值的增加旋压间隙，使后续曲母线变壁厚毛坯件旋压后壁厚更接近理论值；

根据调整后的旋压间隙，先用1Cr21Ni5Ti调试料曲母线变壁厚毛坯件试旋，测量试旋件均布的四条母线壁厚，每条母线测多个点(优选为厚度每变化0.02～0.03mm测1个点)，每点壁厚与理论值相比，大于理论值的缩小旋压间隙，小于理论值的增加旋压间隙，直至试旋件壁厚满足要求再旋铌合金件，其中1Cr21Ni5Ti调试料与轻质铌合金曲母线变壁厚毛坯件的形状一致，规格参数在误差允许范围内。

在本发明中，液体火箭发动机轻质铌合金延伸段的制造，产品精度达到各检测点壁厚公差在±0.05mm内，型面轮廓度≤0.5mm。

(1)将δ4.25×φ810的轻质铌合金平板毛坯校平至平面度≤0.2mm，中间钻φ16的定位孔，在立车上，将平板圆毛坯平面度找正在0.1mm以内，使用图1中车切夹具，每次进刀量控制在0.1mm以内，车制为变壁厚平板毛坯件，见图4，壁厚最薄2.88mm，最厚4.25mm。车切后测量均布的四条母线壁厚，每条母线上测56个点，每点壁厚与理论值相比，公差控制在±0.05mm。

同时车制不锈钢1Cr21Ni5Ti调试料，调试料尺寸和形状与铌合金相同。铌合金件真空再结晶退火，退火热处理制度为960±10℃、保温时间60分钟真空再结晶退火处理，不锈钢1Cr21Ni5Ti固溶处理，固溶处理制度为970±10℃、保温20分钟。

(2)在50吨旋压床上安装好一旋压胎，进行调整，旋压胎大、小端径向跳动量≤0.04mm，编制旋压程序，沿轴向编制56点旋压间隙，旋压间隙为旋压滚轮R角与旋压胎之间的距离，旋压间隙为零件在此点的壁厚减去退让量0.25mm，编好程序后，用塞尺逐点测量确认旋压间隙，零件装上后，以间隙调整值在±0.04mm以内、旋压进给速度为0.25毫米/转，旋轮圆角半径R10mm旋压成为曲母线变壁厚毛坯件。先用不锈钢1Cr21Ni5Ti调试料试旋，根据试旋件壁厚调整旋压间隙，直至调试件壁厚满足工艺要求，再旋压轻质铌合金件。铌合金件真空再结晶退火，退火热处理制度为960±10℃、保温时间60分钟真空再结晶退火处理，不锈钢1Cr21Ni5Ti固溶处理。

在轻质铌合金第一次旋压前，测量变壁厚平板毛坯件均布四条母线56个点处壁厚，将壁厚实测情况与理论值相比以调整旋压间隙，壁厚实测情况大于理论值的缩小旋压间隙，小于理论值的增加旋压间隙，使后续变壁厚平板毛坯件旋压后壁厚更接近理论值；根据调整后的旋压间隙，先用1Cr21Ni5Ti调试料变壁厚平板毛坯件试旋，测量试旋件均布的四条母线壁厚，每条母线测56个点，每点壁厚与理论值相比，大于理论值的缩小旋压间隙，小于理论值的增加旋压间隙，直至试旋件壁厚满足要求再旋铌合金件。

(3)在50吨旋压床上安装好二旋压胎，进行调整，旋压胎大、小端径向跳动量≤0.04mm，编制旋压程序，沿轴向编制56点旋压间隙，旋压间隙为旋压滚轮R角与旋压胎之间距离，旋压间隙为零件在此点的壁厚减去退让量0.25mm，编好程序后，用塞尺逐点测量确认旋压间隙，零件装上后，以间隙调整值在±0.04mm以内、旋压进给速度为0.25毫米/转，旋轮圆角半径R10mm旋压成为曲母线变壁厚零件。先用不锈钢1Cr21Ni5Ti调试料试旋，根据试旋件壁厚调整旋压间隙，直至调试件壁厚满足工艺要求，再旋压轻质铌合金件。零件大、小端车切至最终尺寸。

在铌合金第二次旋压前，测量曲母线变壁厚毛坯件均布四条母线56个点处壁厚，将壁厚实测情况与理论值相比以调整旋压间隙，壁厚实测情况大于理论值的缩小旋压间隙，小于理论值的增加旋压间隙，使后续曲母线变壁厚毛坯件旋压后壁厚更接近理论值；根据调整后的旋压间隙，先用1Cr21Ni5Ti调试料曲母线变壁厚毛坯件试旋，测量试旋件均布的四条母线壁厚，每条母线测56个点，每点壁厚与理论值相比，大于理论值的缩小旋压间隙，小于理论值的增加旋压间隙，直至试旋件壁厚满足要求再旋铌合金件。

第一次旋压后曲母线变壁厚毛坯件的小端平面壁厚4.25mm，小端曲面壁厚为

第二次旋压后曲母线变壁厚零件的小端平面壁厚4.25mm，小端曲面壁厚为2.12±0.05mm，小端直径为170mm；大端曲面壁厚为0.5±0.05mm，大端有效直径为805mm；零件有效长度为910mm，见图6。

产品精度达到各点壁厚公差±0.05mm，型面轮廓度≤0.5mm。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。