張志正 楊立合 孫 菁 王錫鵬 郭 剛

基于應(yīng)力松弛原理的T250鋼薄壁殼體熱校形工藝研究

張志正 楊立合 孫 菁 王錫鵬 郭 剛

（西安長(zhǎng)峰機(jī)電研究所，西安 710065）

針對(duì)某火箭發(fā)動(dòng)機(jī)T250鋼薄壁殼體在加工過(guò)程中出現(xiàn)的變形問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)分析了影響變形的主要因素，結(jié)合殼體工藝過(guò)程和材料性能特點(diǎn)提出了熱校形方案。基于應(yīng)力松弛原理研究了殼體熱校形方法，總結(jié)了外壓式熱校形規(guī)律，并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，有效解決了T250鋼薄壁殼體變形問(wèn)題。

應(yīng)力松弛；T250鋼；薄壁殼體；熱校形

1 引言

基于應(yīng)力松弛原理的熱校形方法廣泛應(yīng)用于鈦合金板材零件校形、鋁合金蒙皮和機(jī)翼壁板的成形與校形[1]，而在超高強(qiáng)度鋼薄壁件校形中的應(yīng)用研究未見報(bào)道。某型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體為T250馬氏體時(shí)效鋼薄壁筒形件，生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)旋壓、焊接、熱處理等多道冷、熱加工，產(chǎn)生較大變形，尺寸精度難以達(dá)到設(shè)計(jì)圖樣要求，過(guò)程中往往需要校形以減小對(duì)后續(xù)加工、裝配帶來(lái)的影響。本研究基于應(yīng)力松弛原理，結(jié)合薄壁殼體材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝，通過(guò)研究外壓式熱校形工藝方法，解決T250鋼薄壁殼體加工變形難題，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論參考。

2 殼體變形情況

T250鋼薄壁殼體由旋壓筒體和前后連接環(huán)焊接而成，是典型的大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)，要求最終熱處理后徑向跳動(dòng)量不大于1.5 mm。將薄壁殼體筒體段沿長(zhǎng)度方向分為5個(gè)截面，如圖1所示，測(cè)量各截面圓徑向跳動(dòng)量和橢圓度，以分析薄壁殼體的變形情況。

圖1 薄壁殼體變形測(cè)量示意圖

統(tǒng)計(jì)了一批薄壁殼體熱處理前殼體各截面跳動(dòng)量分布和橢圓度范圍，見表1。可以看出，由于連接環(huán)壁厚相對(duì)較厚，具有較大的剛度，受連接環(huán)約束，靠近兩端連接環(huán)的第1、5截面，橢圓度和跳動(dòng)量較小，變形主要集中在筒體段第2、3、4截面，尤其是中部的第3截面橢圓度和跳動(dòng)量較大，即殼體中部變形比兩端變形嚴(yán)重。各截面跳動(dòng)量隨著橢圓度變大而變大，說(shuō)明跳動(dòng)量與橢圓度有著密切關(guān)系，橢圓度是引起跳動(dòng)量變化的重要因素。因此，試圖通過(guò)外壓式熱校形，控制各截面橢圓度，以減小跳動(dòng)量。

表1 熱處理前薄壁殼體變形統(tǒng)計(jì)

3 殼體熱校形

3.1 熱校方案和難點(diǎn)

尺寸精度要求高的金屬筒形件一般都需要通過(guò)校形達(dá)到設(shè)計(jì)要求，校形多結(jié)合熱處理工藝，在加熱過(guò)程中進(jìn)行，主要是因?yàn)樗貌牧闲阅懿焕谛Ｐ?，在冷狀態(tài)下校形難度更大。T250薄壁殼體是某型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分，尺寸精度要求高，制造過(guò)程復(fù)雜，工藝過(guò)程包括筒體旋壓、熱處理（固溶+時(shí)效），焊接前后連接環(huán)，在校形前的熱處理狀態(tài)為時(shí)效態(tài)，力學(xué)性能見表2。塑性差而強(qiáng)度高，變形抗力大，回彈嚴(yán)重，各工序產(chǎn)生的變形在室溫狀態(tài)下很難通過(guò)一般方法校正。因此，基于應(yīng)力松弛原理，決定在殼體最終時(shí)效處理時(shí)使用專用工裝校形，即熱校形。

表2 T250馬氏體時(shí)效鋼主要力學(xué)性能

筒形件熱校形常見的方法主要包括外壓式和內(nèi)撐式兩種，由于T250鋼薄壁殼體連接環(huán)內(nèi)徑小于筒體內(nèi)徑，見圖1，內(nèi)撐式校形工裝很難進(jìn)入殼體內(nèi)，所以只能采用外壓式熱校形方法。將具有一定剛度的圓形結(jié)構(gòu)夾具工裝按校形截面壓在變形的薄壁殼體外側(cè)，加載并固定，保持形狀不變，加熱保溫一段時(shí)間后卸載。薄壁殼體經(jīng)過(guò)熱校形后，應(yīng)力重新分布，部分應(yīng)變發(fā)生彈塑性轉(zhuǎn)變，最終處于平衡狀態(tài)，起到校形作用。

具有彈塑性特性的材料在外載作用下發(fā)生變形，由于彈性勢(shì)能的積累，卸載后往往出現(xiàn)回彈，只有塑性變形被保留下來(lái)。影響材料彈塑性特性較大的有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和伸長(zhǎng)率等指標(biāo)。通常材料抗拉強(qiáng)度越高，零件能夠承受的變形越大，變形過(guò)程中可靠性越高，抗變形能力越強(qiáng)，不利于熱校形。屈服強(qiáng)度較高的材料，在較小外載條件下難以成形和定形，卸載后回彈現(xiàn)象嚴(yán)重，不利于熱校形。在遇到加載斷裂前，材料屈強(qiáng)比越大，允許的變形量越小，不利于熱校形。伸長(zhǎng)率越小，說(shuō)明塑性變形能力越差，不利于熱校形。由表2可知，T250鋼棒材和旋壓筒體時(shí)效后的強(qiáng)度、屈強(qiáng)比都很高，旋壓筒體時(shí)效后塑性較差，這些特性都決定了其定形性差，回彈量大，不利于校形。因此，T250鋼薄壁殼體熱校形的難點(diǎn)在控制回彈量，加載時(shí)，必須使被校形殼體處于過(guò)加載校正狀態(tài)，但又要防止加載過(guò)大而出現(xiàn)永久變形，產(chǎn)生壓痕。

3.2 熱校形原理

圖2 應(yīng)力松弛原理圖

應(yīng)力松弛是指彈性材料或零件在總應(yīng)變不變的條件下，塑性應(yīng)變分量隨時(shí)間增加，回彈應(yīng)變分量逐漸降低，導(dǎo)致回彈應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象。如圖2所示，右側(cè)部分為室溫和加熱溫度時(shí)的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看出，卸載后加熱溫度時(shí)的回彈量比室溫回彈量小0-ε<ε0-1，即發(fā)生了高溫軟化現(xiàn)象[3]。左側(cè)部分為加熱溫度時(shí)的材料應(yīng)力松弛曲線，可以看出，應(yīng)力松弛速率由快變慢，最后趨向一個(gè)極限值。隨著時(shí)間變化至后，應(yīng)力減小為σ。對(duì)應(yīng)留下的應(yīng)變?yōu)棣?i>，比加熱未松弛回彈減小ε-ε，即由于應(yīng)力松弛引起了殘余應(yīng)力大幅降低或消失[3]，T250薄壁殼體的熱校形基于此應(yīng)力松弛原理。

3.3 熱校形過(guò)程及討論

殼體變形情況表明，筒體段截面橢圓度大是殼體最主要的變形之一，也引起了各個(gè)截面圓跳動(dòng)量的增加。因此，設(shè)計(jì)了由兩半圓形卡環(huán)夾具及固定螺栓組成專用校形工裝，見圖3a，卡環(huán)內(nèi)型面直徑與筒體截面外徑相同，兩半圓形卡環(huán)開口部位留有一定距離間隙，以保證通過(guò)加載后與筒體貼合，且能使殼體處于過(guò)校正狀態(tài)，被校形部位將發(fā)生沿夾具內(nèi)型面的變形。

a 專用校形工裝 b 加載校形 c 校形截面外徑變化

由于殼體最終熱處理后要求跳動(dòng)量為1.5mm，考慮熱處理過(guò)程帶來(lái)的變形影響，對(duì)熱處理前跳動(dòng)量大于1.2mm的截面校形。校形時(shí)，半圓卡環(huán)夾具開口對(duì)準(zhǔn)校形截面橢圓大徑1，同時(shí)壓緊兩半卡環(huán)緩慢加載，通過(guò)調(diào)整加載力，壓大徑1變?yōu)樾?，用螺栓固定卡環(huán)夾具，見圖3b，通過(guò)支架懸吊在爐內(nèi)時(shí)效處理。時(shí)效保溫結(jié)束，拆卸卡環(huán)夾具，截面橢圓小徑2回彈至接近截面圓直徑0，即2≈0，校形后截面由橢圓變圓，達(dá)到校形目的。由應(yīng)力松弛原理可知，熱校形時(shí)的加熱溫度和保溫時(shí)間是影響校形精度的兩個(gè)重要因素，因此，結(jié)合殼體最終熱處理后的性能要求，采用T250馬氏體時(shí)效鋼常規(guī)時(shí)效處理參數(shù)，加熱校形殼體。對(duì)于第一次校形后，跳動(dòng)量仍不能滿足設(shè)計(jì)要求的殼體，可重復(fù)1～2次熱校形。重復(fù)時(shí)效時(shí)，適當(dāng)提高加熱溫度，以增加應(yīng)力松弛量，取得更佳的校形效果。

熱校形前后校形截面外徑經(jīng)歷了由1變?yōu)?，再由2趨近0的變化過(guò)程，如圖3c所示，其中，1變2是由卡環(huán)夾具對(duì)殼體截面加載引起，2變0的變化正是利用了材料在高溫下軟化和短時(shí)應(yīng)力松弛的特性，卸載發(fā)生回彈引起。而此回彈量比室溫下回彈量要小，這是由于總應(yīng)變不變，熱校形消除了部分回彈?？梢?，回彈量是決定熱校形效果的關(guān)鍵。在總應(yīng)不變的情況下，回彈量還取決于加載后的應(yīng)變。加載越大，應(yīng)變?cè)酱?，即加載后的2越小，校形后回彈量則越小，最終2＜0；反之，校形后回彈量越大，最終2＞0。回彈量過(guò)大或過(guò)小，都達(dá)不到校形的目的。所以，熱校形時(shí)，在加熱溫度和保溫時(shí)間確定后，要同時(shí)考慮加熱前的加載應(yīng)變和校形后的回彈量。

3.4 熱校形規(guī)律分析

表3 校形前跳動(dòng)量與校形加載后小徑對(duì)應(yīng)規(guī)律

根據(jù)以上校形方法，對(duì)一批T250鋼薄壁殼體進(jìn)行熱校形試驗(yàn)，分析校形截面跳動(dòng)量和校形加載前后外徑之間的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)了200個(gè)校形截面校形前跳動(dòng)量與校形加載后小徑2分布規(guī)律，見表3。校形截面圓跳動(dòng)量越大，需要越大的壓下量，即校形加載后小徑2相對(duì)偏小。當(dāng)校形前跳動(dòng)量在1.2～1.5mm之間時(shí)，將大徑1壓至小徑2=(197.4～197.9mm)，占校形截面數(shù)量的91%；當(dāng)校形前跳動(dòng)量大于等于1.5mm時(shí)，將大徑1壓至小徑2=(197.2～197.6mm)，占校形截面數(shù)量的90%。試驗(yàn)研究和實(shí)際生產(chǎn)情況表明，當(dāng)校形時(shí)大徑1壓至小徑2大于198.0mm時(shí)，由于加載后應(yīng)變太小，回彈過(guò)大，熱校形不足以消除原有變形，校形幾乎無(wú)效果；當(dāng)校形時(shí)大徑1壓至小徑2小于197.0mm時(shí)，總應(yīng)變發(fā)生變化，產(chǎn)生塑性變形，殼體校形截面出現(xiàn)壓坑痕跡。綜上分析，熱校形的關(guān)鍵是通過(guò)調(diào)整外壓的加載力控制校形后截面小徑2。針對(duì)該T250鋼薄壁殼體，直徑0為200mm，結(jié)合以上統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可以建立校形后截面小徑2與設(shè)計(jì)直徑0、跳動(dòng)量之間的關(guān)系，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)修正后，總結(jié)公式如下：

2=0-(2.0～2.5)，=1.2～1.5；

2=0-(2.5～3.0)，≥1.5。 （1）

按校形規(guī)律式（1），對(duì)近年來(lái)生產(chǎn)的薄壁殼體進(jìn)行了外壓式熱校形，跳動(dòng)量全部滿足不大于1.5mm的設(shè)計(jì)要求，校形合格率達(dá)到100%。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于應(yīng)力松弛原理的熱校形方法可以應(yīng)用于超高強(qiáng)度鋼T250薄壁殼體的校形，且能起到很好的校正作用。通過(guò)總結(jié)T250薄壁殼體熱校形規(guī)律，建立了外壓式校形經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)起到了指導(dǎo)作用，對(duì)其它超高強(qiáng)度鋼薄壁殼體校形具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 周賢賓，常和生. 時(shí)效應(yīng)力松弛校形原理及其在蒙皮制造中的應(yīng)用[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1992(2)：65～71

2 羅艷，胡正飛. 18Ni無(wú)鈷?cǎi)R氏體鋼薄壁管徑縮機(jī)理研究[J]. 金屬熱處理，2009(4)：13～16

3 姚少飛. 鈦合金筒形件精密校形工藝研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2012

Process Study on Hot Shape Correction of T250 Steel Thin-walled Shell Based on the Stress Relaxation Theorem

Zhang Zhizheng Yang Lihe Sun Jing Wang Xipeng Guo Gang

(Xi’an Changfeng Research Institute of Mechanism and Electricity, Xi’an 710065)

Aiming at the deformation problem of T250 steel thin-walled shell of a rocket engine during processing, the main factors affecting deformation were statistically analyzed. The hot shape correction project was proposed considering the process and material properties of the shell. Based on the stress relaxation theorem, the method of hot shape correction of thin-walled shellwas researched, the external-compression hot shape correction principle was also summarized, and has been applied to actual production. It effectively solved the deformation problem of T250 steel thin-walled shell.

stress relaxation；T250 steel；thin-walled shell；hot shape correction

張志正（1986），工程師，材料學(xué)專業(yè)；研究方向：超高強(qiáng)度鋼熱處理。

2019-04-16