調(diào)質(zhì)態(tài)成型技術(shù)在超高強(qiáng)鋼固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室殼體上的應(yīng)用

和玉曉 楊江波 鐘臻榮 吳 欽 盧啟輝

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調(diào)質(zhì)態(tài)成型技術(shù)在超高強(qiáng)鋼固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室殼體上的應(yīng)用

和玉曉 楊江波 鐘臻榮 吳 欽 盧啟輝

（湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司，孝感 432000）

以某型號產(chǎn)品為例，通過產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工藝性分析，制定了合理的調(diào)質(zhì)態(tài)成型工藝路線，摸索出了合理的調(diào)質(zhì)態(tài)工藝參數(shù)，將調(diào)質(zhì)態(tài)旋壓、調(diào)質(zhì)態(tài)焊接以及調(diào)質(zhì)態(tài)鉚接技術(shù)應(yīng)用于該發(fā)動機(jī)殼體制造加工。產(chǎn)品加工后尺寸、性能滿足了設(shè)計要求，為發(fā)動機(jī)殼體的制造提供了一種新型加工方法。

D406A超高強(qiáng)鋼；調(diào)質(zhì)態(tài)旋壓；調(diào)質(zhì)態(tài)焊接；調(diào)質(zhì)態(tài)鉚接；產(chǎn)品性能

1 引言

圖1 殼體結(jié)構(gòu)示意圖

燃燒室殼體是火箭發(fā)動機(jī)的重要組成部件，一般采用超高強(qiáng)鋼零部件經(jīng)焊接、調(diào)質(zhì)、機(jī)加而成[1]。本文研究的發(fā)動機(jī)殼體為典型的發(fā)動機(jī)殼體，如圖1所示。某型號薄壁發(fā)動機(jī)殼體，采用D406A超高強(qiáng)鋼加工而成，要求直線度、圓度等形位公差控制在1mm以內(nèi)，最終熱處理后基體抗拉強(qiáng)度要求≥1620MPa（48～52HRC），延伸率≥8%，焊接接頭抗拉強(qiáng)度≥1490MPa，通過10MPa水壓驗(yàn)收。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝性分析

在傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度鋼發(fā)動機(jī)殼體制造工藝中，工藝流程多為：分段筒體旋壓→退火（熱校形）→零部件焊接（氬弧焊或真空電子束焊接）→退火、X射線→整體熱處理（淬火+回火）→機(jī)加。

該發(fā)動機(jī)殼體從結(jié)構(gòu)上可分為兩大部分：補(bǔ)燃室殼體和艙段。其中補(bǔ)燃室殼體部分由后機(jī)口、旋壓圓筒、進(jìn)氣道窗口、封頭組成，艙段由前機(jī)口、短圓筒以及內(nèi)表面的加強(qiáng)筋組成。

a. 補(bǔ)燃室殼體的封頭位于艙段內(nèi)孔中，距離艙段端面較遠(yuǎn)，刀桿長度過長，加工困難，此外，在距離封頭端面前端存在加強(qiáng)筋的干涉，刀具無法進(jìn)入，因此最終殼體狀態(tài)下封頭的端面、內(nèi)孔將無法加工，須在補(bǔ)燃室殼體狀態(tài)將封頭的最終狀態(tài)直接加工到位。

b. 補(bǔ)燃室殼體進(jìn)氣道窗口的內(nèi)外結(jié)構(gòu)型面復(fù)雜，后端距離后機(jī)口的距離較遠(yuǎn)，前端封頭內(nèi)孔的直徑較小，補(bǔ)燃室殼體焊接后進(jìn)氣道窗口的內(nèi)型面將無法加工，殼體狀態(tài)進(jìn)氣道內(nèi)型面無法進(jìn)行加工。

c. 艙段內(nèi)孔部位存在7件加強(qiáng)筋，若采用焊接的方式聯(lián)接，焊接、調(diào)質(zhì)變形大，且有多處分布在封頭與艙段的夾縫中，施焊困難。

由于該殼體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，再加上薄壁發(fā)動機(jī)殼體焊后需經(jīng)過多道高溫?zé)崽幚?，薄壁筒段部位存在較大的變形且校形困難，傳統(tǒng)的加工方案難以保證產(chǎn)品合格。因此，如何解決焊接調(diào)質(zhì)變形以及封頭端面、進(jìn)氣道窗口加工的結(jié)構(gòu)限制，成為該殼體工藝方案設(shè)計的重點(diǎn)。

3 調(diào)質(zhì)態(tài)成型技術(shù)

鑒于該殼體的結(jié)構(gòu)特性和尺寸、性能要求，補(bǔ)燃室殼體和艙段分別在最終熱處理狀態(tài)將部分結(jié)構(gòu)加工到最終尺寸再進(jìn)行焊接，可良好解決產(chǎn)品進(jìn)氣道窗口內(nèi)型面、封頭無法加工的難題，即調(diào)質(zhì)態(tài)成型技術(shù)：先對零件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，然后在調(diào)質(zhì)態(tài)進(jìn)行焊接、鉚接以及低溫回火去應(yīng)力，控制變形，提高精度。

3.1 調(diào)質(zhì)態(tài)旋壓

調(diào)質(zhì)態(tài)旋壓是一種利用冷作硬化原理的旋壓加工技術(shù)，先對旋壓圓筒軋環(huán)進(jìn)行熱處理預(yù)強(qiáng)化調(diào)質(zhì)處理，然后通過旋壓的冷作硬化效果將圓筒旋壓成型，以達(dá)到圓筒強(qiáng)化的目的。

對調(diào)質(zhì)態(tài)旋壓而言，預(yù)調(diào)質(zhì)硬度的控制是決定后續(xù)圓筒軋環(huán)旋壓合格與否的關(guān)鍵，旋壓前硬度過低，則冷作硬化后抗拉強(qiáng)度無法滿足最終設(shè)計指標(biāo)，若硬度過高，旋壓時壓下量控制困難，且容易開裂[2]。

根據(jù)目前D406A的熱處理制度，調(diào)質(zhì)后高溫回火的溫度是控制材料硬度的重要因素，為摸索旋壓前預(yù)調(diào)質(zhì)的合理硬度值及旋壓參數(shù)，開展了調(diào)質(zhì)態(tài)旋壓工藝試驗(yàn)。

a. 考慮到調(diào)質(zhì)材料變形的存在，預(yù)熱處理調(diào)質(zhì)前軋環(huán)毛坯內(nèi)外留3mm余量；

b. 調(diào)質(zhì)時保證淬火參數(shù)不變，改變回火溫度，以控制旋壓前軋環(huán)坯料的硬度值不同；

c. 旋壓時采用三旋輪同步反向旋壓，旋輪前角為25°、圓角半徑8mm，軋環(huán)厚度12mm。分二道次旋壓成形，第一道次采用大的進(jìn)給比，使工件收徑貼模，同時將壁厚旋至5mm左右，第二道次按工件型面旋至尺寸要求，旋壓參數(shù)見表1。

試驗(yàn)后對旋壓圓筒的硬度值和表觀質(zhì)量進(jìn)行檢測，具體試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 二道次圓筒旋壓參數(shù)表

表2 不同預(yù)處理后圓筒旋壓情況對比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)調(diào)質(zhì)硬度為38～40HRC時旋壓效果較好，圓筒最終硬度值能夠滿足設(shè)計指標(biāo)。預(yù)調(diào)質(zhì)強(qiáng)化的熱處理制度為930℃保溫50min后入油淬火，550℃保溫50～60min后空冷。

3.2 調(diào)質(zhì)態(tài)電子束焊接

電子束焊接是利用加速和聚焦的電子束流轟擊焊件所產(chǎn)生的熱能，使焊件熔化實(shí)現(xiàn)焊接的一種技術(shù)手段[3]，具有顯著的深穿透效應(yīng)，焊接線能小，尤其適用于本型號殼體的調(diào)質(zhì)態(tài)焊接，焊后強(qiáng)度損失小。

為探究調(diào)質(zhì)態(tài)焊接對殼體性能的影響，開展了D406A調(diào)質(zhì)態(tài)焊接工藝試驗(yàn)。選擇厚度3mm的406A調(diào)質(zhì)態(tài)試片進(jìn)行調(diào)質(zhì)態(tài)焊接，焊后4h內(nèi)低溫回火，通過X射線檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量以及焊縫拉伸、彎曲理化性能的檢測，摸索合理的焊接工藝參數(shù)。

焊接時按照焊接制度，做好焊前清理，滿足裝配要求，真空度要求不大于5×10－2Pa，根據(jù)以往退火態(tài)電子束焊接參數(shù)定制的經(jīng)驗(yàn)，調(diào)質(zhì)態(tài)焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置A、B、C三組，具體如表3所示。

表3 調(diào)質(zhì)態(tài)電子束焊接工藝參數(shù)

焊后4h內(nèi)進(jìn)行低溫回火消除焊接內(nèi)應(yīng)力，低溫回火溫度(290±10)℃，時間50～60min后空冷，每組理化性能進(jìn)行3組，焊接后的無損檢測及力學(xué)性能結(jié)果見表4。

表4 無損檢測及力學(xué)性能表

由表4可以看出，采用調(diào)質(zhì)態(tài)電子束焊接后，除A組試驗(yàn)的1組抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)外，其余焊縫的抗拉強(qiáng)度都能滿足1490MPa的設(shè)計要求，彎曲角也合格，這說明采用調(diào)質(zhì)態(tài)電子束焊接的方法對強(qiáng)度的損耗較低，具有可行性。通過三組數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，B組抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定較好，且焊縫的表觀質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量更佳，而其余兩組參數(shù)的匹配程度或多或少都存在缺陷。因此，B組參數(shù)比較合理。

3.3 調(diào)質(zhì)態(tài)鉚接

鉚接技術(shù)是一種利用軸向力將零件鉚釘孔內(nèi)釘桿鐓粗并形成釘頭，使多個零件相連接的方法，具有變形小、連接強(qiáng)度高的特點(diǎn)[4]，針對艙段加強(qiáng)筋焊接調(diào)質(zhì)變形大問題，采用鉚接的方法在艙段調(diào)質(zhì)態(tài)進(jìn)行聯(lián)接。

鉚接采用直徑120°實(shí)芯沉頭鉚釘，標(biāo)準(zhǔn)號為GB/T 954—1986，材質(zhì)為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，直徑3mm。為保證鉚接質(zhì)量，采用雙面埋的鉚接方法，鉚接窩開口角度90°，釘孔尺寸3.1mm，為間隙配合。鉚釘長度凸出產(chǎn)品外表面3～5mm，以保證鉚接桿能在鉚釘窩內(nèi)形成良好的鉚成頭。

為保證加強(qiáng)筋的鉚接質(zhì)量，設(shè)計專用的鉚接工裝，如圖2所示。一方面對加強(qiáng)筋進(jìn)行限位，另一方控制穩(wěn)定鉚頭沖擊位置，避免擊傷產(chǎn)品表面。

圖2 加強(qiáng)筋鉚接結(jié)構(gòu)示意圖

4 產(chǎn)品性能

按照該工藝方法加工的殼體，直線度、圓度良好，能夠滿足≤1mm的要求，焊后經(jīng)100%X射線無損檢測滿足GJB1718A—2005的I級要求，焊縫抗拉強(qiáng)度均在1490MPa以上，彎曲角25°無裂紋，圖3為產(chǎn)品焊縫X射線檢測底片。

后續(xù)生產(chǎn)的8臺產(chǎn)品均合格，圖3為選取的一件產(chǎn)品焊縫Ｘ射線檢測底片。殼體進(jìn)行水壓試驗(yàn)，順利通過10MPa水壓驗(yàn)證。

圖3 產(chǎn)品焊縫X射線檢測底片

5 結(jié)束語

調(diào)質(zhì)態(tài)成型技術(shù)作為一種新型的加工工藝方法，能夠有效解決該型號產(chǎn)品加工中因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)限制而無法加工某些部位的難題，直線度、圓度等形位公差上表現(xiàn)良好，產(chǎn)品性能滿足設(shè)計要求，為發(fā)動機(jī)殼體的制造提供了一種新型加工方法。

1 魏江峰. 固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室殼體旋壓坯料制造技術(shù)工藝技術(shù)研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2009(8)：56～59

2 楊睿智. D406A細(xì)長筒形件旋壓成形工藝研究[C]. 第十一屆全國旋壓技術(shù)交流會. 成都，2008

3 閆曉鋒. 真空電子束焊接在我國航空機(jī)載設(shè)備上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J]. 航空制造技術(shù)，2007(6)：90～10

4 羅子健，尚寶忠. 金屬塑性加工理論與工藝[M]. 西安：西北工藝出版社，1994：97～98

Application of Quenched and Tempered Manufacturinh Technology in Combustion Chamber of Ultra-high Strength Steel Solid Rocket Motor

He Yuxiao Yang Jiangbo Zhong Zhenrong Wu Qin Lu Qihui

(Hubei Sanjiang Aerospace Jiangbei Mechanical Engineering Co. Ltd., Xiaogan 432000)

Taking a certain type of product as an example, through the analysis of its structure and process property, a reasonable process route was established, The reasonable process parameters were found out, and the spinning, welding and riveting techniques of the quenched and tempered state were applied to the manufacturing and processing of the solid rocket motor. The size and performance of the product meet the design requirements and provide a new processing method for the manufacturing of the solid rocket motor.

D406A；quenched spin；quenched welding；quenched riveting；product performance

2018-10-19

和玉曉（1988），碩士，材料加工工程專業(yè)；研究方向：固體火箭發(fā)動機(jī)殼體加工。