基于應力松弛原理的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

基于應力松弛原理的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

（西安長峰機電研究所，西安 710065）

針對某火箭發動機T250鋼薄壁殼體在加工過程中出現的變形問題，統計分析了影響變形的主要因素，結合殼體工藝過程和材料性能特點提出了熱校形方案。基于應力松弛原理研究了殼體熱校形方法，總結了外壓式熱校形規律，并應用到實際生產中，有效解決了T250鋼薄壁殼體變形問題。

應力松弛；T250鋼；薄壁殼體；熱校形

1 引言

基于應力松弛原理的熱校形方法廣泛應用于鈦合金板材零件校形、鋁合金蒙皮和機翼壁板的成形與校形[1]，而在超高強度鋼薄壁件校形中的應用研究未見報道。某型火箭發動機殼體為T250馬氏體時效鋼薄壁筒形件，生產過程中經過旋壓、焊接、熱處理等多道冷、熱加工，產生較大變形，尺寸精度難以達到設計圖樣要求，過程中往往需要校形以減小對后續加工、裝配帶來的影響。本研究基于應力松弛原理，結合薄壁殼體材料、結構特點和生產工藝，通過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，為實際生產提供理論參考。

2 殼體變形情況

T250鋼薄壁殼體由旋壓筒體和前后連接環焊接而成，是典型的大長徑比結構，要求最終熱處理后徑向跳動量不大于1.5 mm。將薄壁殼體筒體段沿長度方向分為5個截面，如圖1所示，測量各截面圓徑向跳動量和橢圓度，以分析薄壁殼體的變形情況。

圖1 薄壁殼體變形測量示意圖

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

表1 熱處理前薄壁殼體變形統計

3 殼體熱校形

3.1 熱校方案和難點

尺寸精度要求高的金屬筒形件一般都需要通過校形達到設計要求，校形多結合熱處理工藝，在加熱過程中進行，主要是因為所用材料性能不利于校形，在冷狀態下校形難度更大。T250薄壁殼體是某型火箭發動機重要組成部分，尺寸精度要求高，制造過程復雜，工藝過程包括筒體旋壓、熱處理（固溶+時效），焊接前后連接環，在校形前的熱處理狀態為時效態，力學性能見表2。塑性差而強度高，變形抗力大，回彈嚴重，各工序產生的變形在室溫狀態下很難通過一般方法校正。因此，基于應力松弛原理，決定在殼體最終時效處理時使用專用工裝校形，即熱校形。

表2 T250馬氏體時效鋼主要力學性能

筒形件熱校形常見的方法主要包括外壓式和內撐式兩種，由于T250鋼薄壁殼體連接環內徑小于筒體內徑，見圖1，內撐式校形工裝很難進入殼體內，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構夾具工裝按校形截面壓在變形的薄壁殼體外側，加載并固定，保持形狀不變，加熱保溫一段時間后卸載。薄壁殼體經過熱校形后，應力重新分布，部分應變發生彈塑性轉變，最終處于平衡狀態，起到校形作用。

具有彈塑性特性的材料在外載作用下發生變形，由于彈性勢能的積累，卸載后往往出現回彈，只有塑性變形被保留下來。影響材料彈塑性特性較大的有屈服強度、抗拉強度、屈強比和伸長率等指標。通常材料抗拉強度越高，零件能夠承受的變形越大，變形過程中可靠性越高，抗變形能力越強，不利于熱校形。屈服強度較高的材料，在較小外載條件下難以成形和定形，卸載后回彈現象嚴重，不利于熱校形。在遇到加載斷裂前，材料屈強比越大，允許的變形量越小，不利于熱校形。伸長率越小，說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效后的強度、屈強比都很高，旋壓筒體時效后塑性較差，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在控制回彈量，加載時，必須使被校形殼體處于過加載校正狀態，但又要防止加載過大而出現永久變形，產生壓痕。

3.2 熱校形原理

圖2 應力松弛原理圖

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

3.3 熱校形過程及討論

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，也引起了各個截面圓跳動量的增加。因此，設計了由兩半圓形卡環夾具及固定螺栓組成專用校形工裝，見圖3a，卡環內型面直徑與筒體截面外徑相同，兩半圓形卡環開口部位留有一定距離間隙，以保證通過加載后與筒體貼合，且能使殼體處于過校正狀態，被校形部位將發生沿夾具內型面的變形。

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量為1.5mm，考慮熱處理過程帶來的變形影響，對熱處理前跳動量大于1.2mm的截面校形。校形時，半圓卡環夾具開口對準校形截面橢圓大徑1，同時壓緊兩半卡環緩慢加載，通過調整加載力，壓大徑1變為小徑2，用螺栓固定卡環夾具，見圖3b，通過支架懸吊在爐內時效處理。時效保溫結束，拆卸卡環夾具，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，達到校形目的。由應力松弛原理可知，熱校形時的加熱溫度和保溫時間是影響校形精度的兩個重要因素，因此，結合殼體最終熱處理后的性能要求，采用T250馬氏體時效鋼常規時效處理參數，加熱校形殼體。對于第一次校形后，跳動量仍不能滿足設計要求的殼體，可重復1～2次熱校形。重復時效時，適當提高加熱溫度，以增加應力松弛量，取得更佳的校形效果。

熱校形前后校形截面外徑經歷了由1變為2，再由2趨近0的變化過程，如圖3c所示，其中，1變2是由卡環夾具對殼體截面加載引起，2變0的變化正是利用了材料在高溫下軟化和短時應力松弛的特性，卸載發生回彈引起。而此回彈量比室溫下回彈量要小，這是由于總應變不變，熱校形消除了部分回彈。可見，回彈量是決定熱校形效果的關鍵。在總應不變的情況下，回彈量還取決于加載后的應變。加載越大，應變越大，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。回彈量過大或過小，都達不到校形的目的。所以，熱校形時，在加熱溫度和保溫時間確定后，要同時考慮加熱前的加載應變和校形后的回彈量。

3.4 熱校形規律分析

表3 校形前跳動量與校形加載后小徑對應規律

根據以上校形方法，對一批T250鋼薄壁殼體進行熱校形試驗，分析校形截面跳動量和校形加載前后外徑之間的關系。統計了200個校形截面校形前跳動量與校形加載后小徑2分布規律，見表3。校形截面圓跳動量越大，需要越大的壓下量，即校形加載后小徑2相對偏小。當校形前跳動量在1.2～1.5mm之間時，將大徑1壓至小徑2=(197.4～197.9mm)，占校形截面數量的91%；當校形前跳動量大于等于1.5mm時，將大徑1壓至小徑2=(197.2～197.6mm)，占校形截面數量的90%。試驗研究和實際生產情況表明，當校形時大徑1壓至小徑2大于198.0mm時，由于加載后應變太小，回彈過大，熱校形不足以消除原有變形，校形幾乎無效果；當校形時大徑1壓至小徑2小于197.0mm時，總應變發生變化，產生塑性變形，殼體校形截面出現壓坑痕跡。綜上分析，熱校形的關鍵是通過調整外壓的加載力控制校形后截面小徑2。針對該T250鋼薄壁殼體，直徑0為200mm，結合以上統計規律，可以建立校形后截面小徑2與設計直徑0、跳動量之間的關系，并根據經驗修正后，總結公式如下：

2=0-(2.0～2.5)，=1.2～1.5；

2=0-(2.5～3.0)，≥1.5。 （1）

按校形規律式（1），對近年來生產的薄壁殼體進行了外壓式熱校形，跳動量全部滿足不大于1.5mm的設計要求，校形合格率達到100%。

4 結束語

基于應力松弛原理的熱校形方法可以應用于超高強度鋼T250薄壁殼體的校形，且能起到很好的校正作用。通過總結T250薄壁殼體熱校形規律，建立了外壓式校形經驗公式，對實際生產起到了指導作用，對其它超高強度鋼薄壁殼體校形具有推廣應用價值。

1 周賢賓，常和生. 時效應力松弛校形原理及其在蒙皮制造中的應用[J]. 北京航空航天大學學報，1992(2)：65～71

2 羅艷，胡正飛. 18Ni無鈷馬氏體鋼薄壁管徑縮機理研究[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，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，材料學專業；研究方向：超高強度鋼熱處理。

2019-04-16