薄壁圆筒直径及形状精度控制方法及其专用工具

摘要

本发明公开了一种火箭燃烧室壳体薄壁圆筒的直径尺寸及形状精度的控制方法。它包括以下步骤：1）校形前薄壁圆筒直径设计； 2）薄壁圆筒预热；3）专用热胀形芯模安装；4）薄壁圆筒热胀形；5）出炉冷却；6）薄壁圆筒外形检测；7）重复校形处理。本发明通过专用热胀形芯模对薄壁圆筒进行具有适量塑性拉伸的定量热胀形，直径尺寸控制准确，形状校正效果良好。所得到的薄壁圆筒直径尺寸和形状精度较高，完全满足产品设计精度要求。

说明书

技术领域

本发明涉及薄壁圆筒的加工方法，具体地指一种火箭燃烧室壳体薄壁 圆筒直径及形状精度控制方法及其专用工具。

背景技术

薄壁壳体具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，可以满足固体火 箭冲压发动机补燃室的圆筒壳体要求。固体火箭发动机是航天飞行器 的动力装置，由燃烧室、推进剂药柱、喷管、点火器等主要部分组成 。燃烧室壳体是固体火箭发动机系统中的关键件，通过推进剂的燃烧 为飞行器提供动力。燃烧室壳体的圆柱段由2~4个薄壁圆筒对接焊合而 成，在推进剂燃烧后要承受燃气产生的高压，一般在60个大气压以上 。因此，要求薄壁圆筒的直径尺寸尽可能一致，以此减小焊接错位， 提高燃烧室壳体的安全系数。另外，燃烧室壳体一般是航天飞行器中 最大的结构件，要求其圆度及直线度误差尽可能小，以便有良好的飞 行气动特性。因此，对组焊成燃烧室壳体圆柱段的薄壁圆筒的圆度及 直线度误差也有严格的要求。

采用钢板卷圆后焊接的燃烧室壳体薄壁圆筒的工艺流程一般为：钢板 下料→镗纵焊缝坡口→卷圆→纵缝焊接→退火→X射线探伤→校形→镗 加工两端对接坡口→检验→油封包装入库（待焊接成燃烧室壳体圆柱 段）。校形工艺的目的就是要控制薄壁圆筒的直径尺寸和形状精度。

现有的薄壁圆筒直径尺寸控制的常规方法是提高钢板的加工精度和焊 接精度。但是，提高大型薄壁钢板的加工精度是困难的；而且，焊缝 收缩量的波动，常常造成薄壁圆筒直径尺寸超差。现有 的薄壁圆筒形状精度控制的常规方法是采用三轴辊床校正后增加机械 锤击的方式等进行冷校形。但是，这种方法费时、费力，校形精度较 差，常常不能满足设计规定的精度要求。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足，提供一种火箭燃烧 室壳体薄壁圆筒直径及形状精度控制方法。

本发明的另一目的是提供实现该方法而设计的薄壁圆筒直径及形状精 度控制专用工具。

为实现上述目的，本发明所提供的火箭燃烧室壳体薄壁圆筒直径及形 状精度的控制方法，该方法包括以下步骤：

1）校形前薄壁圆筒直径设计：为了控制薄壁圆筒的周向塑性变形和壁 厚减薄量，按照公式d₂＝d₁×t₁/t₂设计校形前薄壁圆筒外径尺寸d₂， 其中，d₁为校形后的薄壁圆筒外径，t₁为校形后的薄壁圆筒壁厚，t₂为校形前的薄壁圆筒壁厚；

2）薄壁圆筒预热：将薄壁圆筒定位安放在专用吊具的底座上，启动专 用吊具，将薄壁圆筒吊装到井式电炉中预热，保温，使薄壁圆筒的内 孔增大，以保证与薄壁圆筒内孔尺寸相匹配的专用热胀形芯模能方便 装入该内孔中；

3）专用热胀形芯模安装：打开井式电炉的炉门，将专用热胀形芯模吊 装对正放置到薄壁圆筒的内孔中，使专用热胀形芯模的芯模圆筒轴心 线与薄壁圆筒的轴心线重合，然后关闭炉门；

4）薄壁圆筒热胀形：在井式电炉中，将专用热胀形芯模、薄壁圆筒和 专用吊具一起加热到设定的温度，保温，利用专用热胀形芯模对薄壁 圆筒进行热胀形；

5）出炉冷却：打开井式电炉炉门，将专用热胀形芯模、薄壁圆筒和专 用吊具一起吊出井式电炉，空冷至室温后吊出专用热胀形芯模；

6）薄壁圆筒外形检测：检测薄壁圆筒的外圆平均直径、母线 直线度和横截面大小直径差，并作出标记和记录；

7）重复校形处理：如果薄壁圆筒的外圆平均直径检测结果不符合设计 要求，则调整薄壁圆筒热胀形温度，重复步骤2）至步骤6）的方法， 直至薄壁圆筒的外圆平均直径达到设计要求。

上述方案所述步骤1）中，控制校形后薄壁圆筒壁厚减薄量为0.01mm～ 0.03mm。

上述方案所述步骤2）中，所述薄壁圆筒预热后的内径比专用热胀形芯 模的外径大6~10mm。

上述方案所述步骤2）中，所述薄壁圆筒的预热温度T₁满足公式T₁＝( d+b-D₁)/（D₁α₁）+T₂，预热保温时间为20min～40min，其中，d为专 用热胀形芯模的外径，b 为薄壁圆筒预热后的内径与专用热胀形芯模 的外径的差值，D₁为热胀形前薄壁圆筒的内径，α₁为薄壁圆筒在预热 温度时的线性膨胀系数，T₂为工作环境温度。

上述方案所述步骤3）中，专用热胀形芯模的芯模圆筒4.3的壁厚a为3 0~40mm，芯模圆筒4.3底部的圆角R为5~8mm，芯模圆筒4.3外圆柱面的 圆柱度误差不大于0.3mm；专用热胀形芯模的外径d满足公式d＝D [1 +(T₃-T₂) α₃] /[1+( T₃-T₂)α₂]，其中，D为热胀形后薄壁圆筒 的内径，T₃为热胀形设定温度，T₂为工作环境温度，α₃为薄壁圆筒在 胀形温度时的线性膨胀系数，α₂为专用热胀形芯模在胀形温度时的线 性膨胀系数。

上述方案所述步骤4）中，热胀形设定温度T₃满足公式T₃＝（D-d）/( dα₂-Dα₃)+T₂，热胀形保温时间为60min～120min，其中，D为热胀形 后薄壁圆筒的内径，d为专用热胀形芯模的外径，T₂为工作环境温度， α₃为薄壁圆筒在胀形温度时的线性膨胀系数，α₂为专用热胀形芯模 在胀形温度时的线性膨胀系数。

上述方案所述步骤6）中，沿薄壁圆筒轴向每间隔300mm检测一个横截 面，每个截面沿周向均分检测6条直径并检测每个截面的外圆平均直径 ，同时检测6条直径两端所对应的12条母线的直线 度。

上述方案所述步骤7）中，热胀形调整温度T₄的计算公式为T₄=T₃+△， △＝T₃- T₃′，或写成T₄=2T₃ - T₃′，

其中，T₃为步骤4）中所述热胀形设定温度，T₃′为按照公式T₃′＝（ D′-d）/(dα₂-D′α₃)+T₂＝（d′-2t₁-d）/ [dα₂-（d′-2t₁）α ₃]+T₂计算的实际热胀形温度，其中，D′为热胀形后实测的薄壁圆筒 内径，d′为热胀形后实测的薄壁圆筒的外圆平均直径，t₁为校形后的 薄壁圆筒壁厚，d为专用热胀形芯模的外径，T₂为工作环境温度，α₃为薄壁圆筒在胀形温度时的线性膨胀系数，α₂为专用热胀形芯模在胀 形温度时的线性膨胀系数。

本发明所设计的实现上述方法的薄壁圆筒直径及形状精度控制专用工 具，包括专用吊具和专用热胀形芯模，所述专用吊具包括吊具吊环和 底座，所述吊具吊环与底座之间通过支撑杆相连，所述底座上沿周向 设置有多个便于薄壁圆筒底部定位安放的定位销；

所述专用热胀形芯模包括与薄壁圆筒内孔尺寸相匹配的芯模圆筒，所 述芯模圆筒的内壁沿轴向间隔设置有环形加强筋，其中最上面的一道 环形加强筋上设置有芯模吊耳。

优选地，所述专用吊具的定位销形成的圆直径D₂比校形后的薄壁圆筒 的外径d₁大40~50mm。

本发明中，所述专用吊具采用1Cr18Ni9Ti等耐热不锈钢材料，专用热 胀形芯模采用具有大线性膨胀系数的1Cr18Ni9Ti等耐热不锈钢材料。

本发明的有益效果在于：通过专用热胀形芯模对薄壁圆筒适量塑性拉 伸变形的定量热胀形，直径尺寸控制准确，形状校正效果良好。所得 到的薄壁圆筒直径尺寸和形状精度较高，完全满足产品设计精度要求 ：设计要求平均直径误差不大于±0.4mm，直线度误差不大于1.5mm， 大小直径差不大于2mm。实际校形后平均直径误差不大于±0.3mm，直 线度误差不大于1.0mm，大小直径差不大于 1.5mm。本发明的处理方法可用于火箭燃烧室壳体薄壁圆筒的直径尺寸 及形状精度控制，也可以用于其他类似产品的直径尺寸及形状精度控 制。

附图说明

图1为本发明中薄壁圆筒热胀形的结构示意图。

图2为图1中专用吊具的结构示意图。

图3为图1中专用热胀形芯模的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施 例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

图2所示的专用吊具包括吊具吊环2.1和底座2.3，吊具吊环2.1与底座 2.3之间通过支撑杆2.2相连，底座2.3上沿周向设置有多个便于薄壁圆 筒3底部定位安放的定位销2.4。

图3所示的专用热胀形芯模4包括与薄壁圆筒3内孔尺寸相匹配的芯模圆 筒4.3，芯模圆筒4.3的内壁沿轴向间隔设置有环形加强筋4.2，其中最 上面的一道环形加强筋4.2上设置有芯模吊耳4.1。

实施例1

针对某飞行器上尺寸参数为Φ880mm×2000mm、壁厚3.8mm的薄壁圆筒 ，其直径尺寸及形状精度控制过程如下：

1）校形前薄壁圆筒3直径设计：工艺设计控制校形后薄壁圆筒3周向有 适量的塑性拉伸变形，其壁厚减薄量为0.023mm。校形前薄壁圆筒3外 径尺寸d₂按照公式计算为d₂＝d₁×t₁/t₂＝880×3.8/3.82＝876mm，其 中，d₁为校形后的的薄壁圆筒3外径，t₁为校形后的薄壁圆筒3壁厚， t₂为校形前的薄壁圆筒3壁厚。

2）薄壁圆筒3预热：将薄壁圆筒3定位安放在专用吊具2的底座2.3上， 启动专用吊具2，将薄壁圆筒3吊装到井式电炉1中预热，保温20min， 使薄壁圆筒3的内孔增大，以保证与薄壁圆筒 3内孔尺寸相匹配的专用热胀形芯模4能方便装入该内孔中。专用吊具 2的定位销2.4形成的圆直径D₂比校形后的薄壁圆筒3的外径d₁大40mm。 薄壁圆筒3预热后其内径比专用热胀形芯模4外径大6mm。

薄壁圆筒3预热温度T₁满足公式T₁＝(d+b-D₁)/（D₁α₁）+T₂＝(870.4 +6-868.4)/（868.4×14.2×10^-6）+20＝649℃，其中，d为专用热胀形 芯模4的外径，b 为薄壁圆筒3预热后的内径与专用热胀形芯模4的外 径的差值，D₁为热胀形前薄壁圆筒3的内径，α₁为薄壁圆筒3在预热温 度时的线性膨胀系数，T₂为工作环境温度。

3）专用热胀形芯模4安装：打开井式电炉1的炉门，将专用热胀形芯模 4吊装对正放置到薄壁圆筒3的内孔中，使专用热胀形芯模4的芯模圆筒 4.3轴心线与薄壁圆筒3的轴心线重合，然后关闭炉门。

专用热胀形芯模4的芯模圆筒4.3的壁厚a为30mm，芯模圆筒4.3底部的 圆角R为5mm，芯模圆筒4.3外圆柱面的圆柱度误差为0.2mm。专用热胀 形芯模4的外径d满足公式d＝D [1+(T₃-T₂) α₃] /[1+( T₃-T₂)α ₂]＝872.4×[1+(600-20)×14.2×10^-6] /[1+( 600-20) ×18.2× 10^-6]＝870.4，其中，D为热胀形后薄壁圆筒3的内径，T₃为热胀形设定 温度，T₂为工作环境温度，α₃为薄壁圆筒3在胀形温度时的线性膨胀 系数，α₂为专用热胀形芯模4在胀形温度时的线性膨胀系数。

4）薄壁圆筒热胀形：如图1所示，在井式电炉1中，将专用热胀形芯模 4、薄壁圆筒3和专用吊具2一起加热到设定的温度T₃，保温60min，利 用专用热胀形芯模4对薄壁圆筒3进行热胀形。

热胀形设定温度T₃满足公式T₃＝（D-d）/(dα₂-Dα₃)+T₂＝（872.4- 870.4）/(870.4×18.2×10^-6-872.4×14.2×10^-6)+20＝600℃，其中， D为热胀形后薄壁圆筒3的内径，d为专用热胀形芯模4的外径，T₂为工 作环境温度，α₃为薄壁圆筒3在胀形温度时的线性膨 胀系数，α₂为专用热胀形芯模4在胀形温度时的线性膨胀系数。

5）出炉冷却：打开井式电炉1炉门，将专用热胀形芯模4、薄壁圆筒3 和专用吊具2一起吊出井式电炉1，空冷至室温后吊出专用热胀形芯模 4。

6）薄壁圆筒3外形检测：沿薄壁圆筒3轴向每间隔300mm检测一个横截 面，每个截面沿周向均分检测6条直径并检测每个截面的外圆平均直径 ，同时检测6条直径两端所对应的12条母线的直线度，并作出标记和记 录。

7）重复校形处理：热胀形后薄壁圆筒3的外圆平均直径检测结果为87 9.8mm，检测结果不符合设计要求，按照热胀形调整温度T₄，重复步骤 2）至步骤6）的方法，调整1次热胀形后外圆平均直径为880.05mm，符 合设计要求。

热胀形调整温度T₄按照公式计算为T₄=T₃+△，△＝T₃- T₃′，或写成 T₄=2T₃ - T₃′＝2×600-540＝660℃，其中，T₃为步骤4）中所述热 胀形设定温度，T₃′为按照公式T₃′＝（D′-d）/(dα₂-D′α₃)+T₂＝（d′-2t₁-d）/ [dα₂-（d′-2t₁）α₃]+T₂＝（879.8-2×3.8-8 70.4）/[870.4×18.2×10^-6-（879.8-2×3.8）×14.2×10^-6]+20=540 ℃计算的实际热胀形温度，其中，D′为热胀形后实测的薄壁圆筒3内 径，d′为热胀形后实测的薄壁圆筒3的外圆平均直径，t₁为校形后的 薄壁圆筒3壁厚，d为专用热胀形芯模4的外径，T₂为工作环境温度，α ₃为薄壁圆筒3在胀形温度时的线性膨胀系数，α₂为专用热胀形芯模4 在胀形温度时的线性膨胀系数。

经过上述方法校形后，所得到的薄壁圆筒3的直径尺寸和形状精度较高 ，完全满足产品设计精度要求：设计要求平均直径误差不大于±0.4m m，直线度误差不大于1.5mm，大小直径差不大于2mm。实际校形后平均 直径误差不大于±0.1mm，直线度误差不大于1.0mm，大小直径差不大 于1.0mm。

实施例2

针对某飞行器上尺寸参数为Φ1200mm×2400mm、壁厚4.0mm的薄壁圆筒 ，其直径尺寸及形状精度控制过程如下：

1）校形前薄壁圆筒3直径设计：工艺设计控制校形后薄壁圆筒3周向有 适量的塑性拉伸变形，其壁厚减薄量为0.01mm。校形前薄壁圆筒3外径 尺寸d₂按照公式计算为d₂＝d₁×t₁/t₂＝1200×4.0/4.01＝1197mm，其 中，d₁为校形后的的薄壁圆筒3外径，t₁为校形后的薄壁圆筒3壁厚， t₂为校形前的薄壁圆筒3壁厚。

2）薄壁圆筒3预热：将薄壁圆筒3定位安放在专用吊具2的底座2.3上， 启动专用吊具2，将薄壁圆筒3吊装到井式电炉1中预热，保温40min， 使薄壁圆筒3的内孔增大，以保证与薄壁圆筒3内孔尺寸相匹配的专用 热胀形芯模4能方便装入该内孔中。专用吊具2的定位销2.4形成的圆直 径D₂比校形后的薄壁圆筒3的外径d₁大50mm。薄壁圆筒3预热后其内径 比专用热胀形芯模4外径大10mm。

薄壁圆筒3预热温度T₁满足公式T₁＝(d+b-D₁)/（D₁α₁）+T₂＝(1189. 3+10-1189)/（1189×14.2×10^-6）+20＝630℃，其中，d为专用热胀形 芯模4的外径，b 为薄壁圆筒3预热后的内径与专用热胀形芯模4的外 径的差值，D₁为热胀形前薄壁圆筒3的内径，α₁为薄壁圆筒3在预热温 度时的线性膨胀系数，T₂为工作环境温度。

3）专用热胀形芯模4安装：打开井式电炉1的炉门，将专用热胀形芯模 4吊装对正放置到薄壁圆筒3的内孔中，使专用热胀形芯模4的芯模圆筒 4.3轴心线与薄壁圆筒3的轴心线重合，然后关闭炉门。

专用热胀形芯模4的芯模圆筒4.3的壁厚a为40mm，芯模圆筒4.3底部的 圆角R为8mm，芯模圆筒4.3外圆柱面的圆柱度误差为0.3mm；专用热胀 形芯模4的外径d满足公式d＝D [1+(T₃-T₂) α₃] /[1+( T₃-T₂)α ₂]＝1192× [1+(600-20)×14.2×10^-6] /[1+( 600-20) × 18.2×10^-6]＝1189.3mm，其中，D为热胀形后薄壁圆筒3的内径，T₃为 热胀形设定温度，T₂为工作环境温度，α₃为薄壁圆筒3在胀形温度时 的线性膨胀系数，α₂为专用热胀形芯模4在胀形温度时的线性膨胀系 数。

4）薄壁圆筒热胀形：如图1所示，在井式电炉1中，将专用热胀形芯模 4、薄壁圆筒3和专用吊具2一起加热到设定的温度T₃，保温80min，利 用专用热胀形芯模4对薄壁圆筒3进行热胀形。

热胀形设定温度T₃满足公式T₃＝（D-d）/(dα₂-Dα₃)+T₂＝（1192-1 189.3）/(1189.3×18.2×10^-6-1192×14.2×10^-6)+20＝592℃，其中， D为热胀形后薄壁圆筒3的内径，d为专用热胀形芯模4的外径，T₂为工 作环境温度，α₃为薄壁圆筒3在胀形温度时的线性膨胀系数，α₂为专 用热胀形芯模4在胀形温度时的线性膨胀系数。

5）出炉冷却：打开井式电炉1炉门，将专用热胀形芯模4、薄壁圆筒3 和专用吊具2一起吊出井式电炉1，空冷至室温后吊出专用热胀形芯模 4。

6）薄壁圆筒3外形检测：沿薄壁圆筒3轴向每间隔300mm检测一个横截 面，每个截面沿周向均分检测6条直径并检测每个截面的外圆平均直径 ，同时检测6条直径两端所对应的12条母线的直线度，并作出标记和记 录。

7）重复校形处理：热胀形后薄壁圆筒的外圆平均直径检测结果为120 0.2mm，检测结果不符合设计要求，按照热胀形调整温度T₄，重复步骤 2）至步骤6）的方法，调整1次热胀形后外圆平均直径为1200.08mm， 符合设计要求。热胀形调整温度T₄按照公式计算为T₄=T₃+△，△＝T₃- T₃′，或写成T₄=2T₃ - T₃′＝2×592-634＝550℃，其中，T₃为 步骤4）所述热胀形设定温度，T₃′为按照公式T₃′为按照公式T₃′＝ （D′-d）/(dα₂-D′α₃)+T₂＝（d′-2t₁-d）/ [dα₂-（d′-2t₁） α₃]+T₂＝（1200.2-2×4-1189.3）/[1189.3×18.2×10^-6-（1200.2- 2×4）×14.2×10^-6]+20＝634℃计算的实际热胀形温度，其 中，D′为热胀形后实测的薄壁圆筒3内径，d′为热胀形后实测的薄壁 圆筒3的外圆平均直径，t₁为校形后的薄壁圆筒3壁厚，d为专用热胀形 芯模4的外径，T₂为工作环境温度，α₃为薄壁圆筒3在胀形温度时的线 性膨胀系数，α₂为专用热胀形芯模4在胀形温度时的线性膨胀系数。

经过上述方法校形后，所得到的薄壁圆筒3直径尺寸和形状精度较高， 完全满足产品设计精度要求：设计要求平均直径误差不大于±0.4mm， 直线度误差不大于1.5mm，大小直径差不大于2mm。实际校形后平均直 径误差不大于±0.12mm，直线度误差不大于1.2mm，大小直径差不大于 1.5mm。