張新棋，郭建軍，張新宇，李 杰，戴 欽

（中國(guó)運(yùn)載火箭研究院 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

0 引言

噴管延伸段是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部位之一，采用螺旋管束式結(jié)構(gòu)，外形呈鐘罩型，主體由數(shù)百根高溫合金變截面薄壁螺旋方管焊接而成。噴管類零件是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中常用及重要的部件，其成形質(zhì)量影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和安全[1]。近年來(lái)，隨著航天事業(yè)的迅速發(fā)展，航天產(chǎn)品更新的周期趨于縮短，對(duì)鈑金零件的成形工藝要求也越來(lái)越高[2]，而方管的成形精度將影響后續(xù)的焊接效果，如果方管尺寸精度無(wú)法保證，后續(xù)的彎管焊接無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。參考文獻(xiàn)[3]公開了一種方管成形用軋輥、方管的軋輥成形方法及成形裝置，利用多用途軋輥將圓管成形為方管。參考文獻(xiàn)[4]公開了一種汽車用大壁厚、大外形方管支撐橋成形工藝，將尺寸計(jì)算好的5 組成形模裝入模具箱內(nèi)，利用壓力機(jī)滑塊推動(dòng)圓管依次通過(guò)5 組成形模，將圓管成形為方管。該薄壁圓管成形方管工藝的特點(diǎn)：①管料壁厚薄，壁厚僅為0.33 mm；②成形精度要求高，且需成形帶有羊角的方管。

現(xiàn)針對(duì)GH3600 薄壁圓管成形方管工藝以及成形模使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，分析并優(yōu)化了零件的成形工藝，改進(jìn)了模具結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了適合薄壁圓管成形為帶羊角方管的模具。

1 成形工藝分析

圖1 所示為圓管成形方管后的結(jié)構(gòu)，材料為GH3600，料厚為0.33 mm。零件的特點(diǎn)是由薄壁圓管成形為帶羊角的方管，現(xiàn)有圓管成形方管的成形工藝過(guò)程為：先變徑后變截面，通過(guò)預(yù)先縮口→拉拔→旋鍛將管料的一端進(jìn)行縮頸處理，并形成過(guò)渡圓錐，成形變徑管，之后對(duì)大端、小端和過(guò)渡段分別進(jìn)行截面成形，形成最終的變截面方管?，F(xiàn)僅針對(duì)大端的截面成形方管進(jìn)行研究，成形方管過(guò)程采用內(nèi)部填充支撐物的方式，通過(guò)多次往復(fù)碾壓，減少單道次的變形量，以保證變形的均勻性，實(shí)現(xiàn)高精度成形方管。滾壓成形能夠加工形狀復(fù)雜的斷面，且彎曲時(shí)具有均勻的冷作硬化[5]。

圖1 管料成形方管后的結(jié)構(gòu)

大端部位成形方管是關(guān)鍵工序，成形方管過(guò)程中內(nèi)部填充物容易外溢，設(shè)備需定期清理。為了研究薄壁圓管成形方管過(guò)程中是否可以不填充物料，基于ABAQUS有限元平臺(tái)，采用Explicit動(dòng)態(tài)顯示算法，將成形方管的成形輪定義為不可變形的剛體并簡(jiǎn)化為面，進(jìn)行不填充物料的成形仿真，成形輪網(wǎng)格劃分如圖2 所示，成形高度為5.4 mm 時(shí)管料成形極限如圖3 所示，表1 所示為GH3600 的物理性能及力學(xué)性能。

表1 GH3600物理性能及力學(xué)性能

圖2 成形輪網(wǎng)格劃分

圖3 管料成形極限

圖1 所示零件要求的成形高度為（5.4±0.05）mm，從圖3 成形極限可知，在管料成形所需的5.4 mm 高度時(shí)，如果在管料內(nèi)部無(wú)填充物，無(wú)法成形有效截面形狀，成形的管料局部有凹陷及起皺現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 無(wú)填充物管料成形缺陷

如圖5 所示，在管料成形到所需高度尺寸5.4 mm 時(shí)，兩成形輪外臺(tái)階間隙為2.4 mm，而在管料成形時(shí)又具有回彈現(xiàn)象，則兩成形輪外臺(tái)階實(shí)際間隙＜2.4 mm。通過(guò)研究分析并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，需要在管料內(nèi)部填充物料才能成形有效的截面形狀并達(dá)到尺寸要求。

圖5 管料成形間隙

2 成形工藝問(wèn)題及改進(jìn)措施

2.1 成形工藝問(wèn)題

在圓管自動(dòng)化成形過(guò)程中，成形工藝的主要問(wèn)題為管料卷曲和成形尺寸超差。當(dāng)管料在自動(dòng)化成形過(guò)程中發(fā)生管料卷曲時(shí)，一方面耽誤了生產(chǎn)，另一方面破損了模具零件型面。管料卷曲是管料自動(dòng)化成形過(guò)程中必需解決的問(wèn)題，圖6 所示為管料卷曲的實(shí)物。

圖6 管料卷曲

成形后的管料還存在尺寸超差的問(wèn)題，成形后大端主要截面尺寸如表2所示。

表2 管料成形后大端主要截面尺寸 mm

2.2 改進(jìn)措施

針對(duì)自動(dòng)化成形過(guò)程中存在管料卷曲的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)研究發(fā)現(xiàn)，將管料填好填充物并自動(dòng)夾緊管料的小端后，小端寬度大于成形模的槽寬，自動(dòng)化成形過(guò)程中，管料有可能無(wú)法從模具中退出，而成形輪一直在旋轉(zhuǎn)，因此產(chǎn)生管料卷曲的問(wèn)題，通過(guò)修磨自動(dòng)夾緊虎鉗夾爪夾緊實(shí)物的有效寬度，改進(jìn)零件的小端夾緊寬度，使自動(dòng)夾緊后的小端寬度小于成形模的槽寬，解決了該問(wèn)題。

針對(duì)管料成形后尺寸超差問(wèn)題，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)分析發(fā)現(xiàn)，影響管料成形尺寸的因素主要有上下模合模間隙、模具零件型面尺寸、管料填充物的軟硬程度等。

管料成形過(guò)程是將管料置于成形凹模內(nèi)，通過(guò)成形凸模對(duì)管料施壓，凹模帶動(dòng)管料勻速進(jìn)給，最終使管料向四周貼向模具成形零件，部分管料擠入成形輪的間隙形成羊角，管料成形原理如圖7所示。實(shí)踐證明，上下模合模間隙和模具零件型面是保證成形尺寸的關(guān)鍵，通過(guò)調(diào)整上下模合模間隙和修正模具零件型面可以得到合格的成形尺寸，而管料填充物的軟硬程度受溫度影響較大，也會(huì)影響管料成形后的尺寸。

圖7 管料成形原理

回彈是影響和制約板料成形精度的重要因素，對(duì)回彈進(jìn)行有效預(yù)測(cè)和控制是提高成形精度的關(guān)鍵[6,7]。室溫溫度影響管料內(nèi)部填充物的硬度，從而影響管料輥壓后的成形尺寸，因此需保持室溫溫度在合理范圍，以去除溫度對(duì)管料成形尺寸的影響。經(jīng)試驗(yàn)得知，成形適宜的環(huán)境溫度為22°～25°，通過(guò)試驗(yàn)并分析所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，成形后管料回彈量較小，回彈量為0.01～0.02 mm。

管料超差主要表現(xiàn)為寬度超差和底部凹陷超差，引起寬度超差的原因?yàn)槟＞吡慵蹖捲趯挾确较虺叽缣鴦?dòng)大，經(jīng)返修模具后解決了寬度超差的問(wèn)題。底部凹陷的超差和合模間隙、模具零件槽寬、成形前管料的截面尺寸、管料內(nèi)部填充物的硬度等因素相關(guān)。當(dāng)成形模零件槽寬、成形管料的截面尺寸、管料內(nèi)部填充物的硬度等因素確定后，只有成形間隙一個(gè)變量，如圖8 所示，通過(guò)實(shí)踐得知，成形溫度為22°～25°，成形間隙≥5.38 mm 時(shí)，底部凹陷在管料要求的公差內(nèi)。

圖8 管料成形參數(shù)曲線

3 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 現(xiàn)狀分析

原模具結(jié)構(gòu)如圖9所示，存在的問(wèn)題：成形輪不耐磨，嚴(yán)重時(shí)生產(chǎn)300 根管料需拋光2 次，才能滿足管料生產(chǎn)要求；拋光后的成形輪尺寸變小，拋光幾次后，生產(chǎn)的管料超出圖紙公差，只能重新加工成形輪；拋光費(fèi)時(shí)費(fèi)力，正常拋光一次需要一到兩天時(shí)間，耗費(fèi)人力物力成本。

圖9 原模具結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)原整體結(jié)構(gòu)模具拋光費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，在不改變成形尺寸的前提下，將整體模具改為分體結(jié)構(gòu)，不僅有利于拋光，還可以通過(guò)加銅墊片調(diào)節(jié)成形模的槽寬，改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 改進(jìn)后模具結(jié)構(gòu)

4 模具零件材料選擇及熱處理

擠壓成形的模具零件是在高單位壓力的條件下工作，因而其材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和硬度、高的耐磨性和足夠的韌性。原成形輪的材料為W6Mo5Cr4V2Al，熱處理硬度雖然能夠達(dá)到58～62 HRC，但是需經(jīng)常拋光。通過(guò)研究分析，為了改善模具零件拋光費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，現(xiàn)將成形模的零件材料選為Cr12MoV，表面進(jìn)行TiN 處理，通過(guò)此方法改善了模具零件的耐磨性、硬度和使用壽命，硬度可達(dá)到180 HRC[8-10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

成形合格的管料如圖11所示，通過(guò)對(duì)圓管成形方管工藝的分析，結(jié)果表明如果管料內(nèi)部無(wú)填充支撐物則不能成形合格管料。針對(duì)管料在自動(dòng)化成形過(guò)程中出現(xiàn)的管料卷曲、成形尺寸超差、模具使用壽命短等問(wèn)題，從模具設(shè)計(jì)和成形工藝方面分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因。通過(guò)調(diào)整小端夾緊的寬度尺寸，解決了自動(dòng)化成形管料卷曲的問(wèn)題；通過(guò)調(diào)整合模間隙解決了成形尺寸超差的問(wèn)題；通過(guò)更改模具結(jié)構(gòu)和在模具零件表面鍍TiN 涂層，解決了模具使用壽命短的問(wèn)題。將優(yōu)化的成形工藝和模具應(yīng)用于生產(chǎn)，提高了圓管成形方管的效率，降低了生產(chǎn)成本。

圖11 成形合格的管料