潜艇环肋圆柱壳的模环旋压应变诱发法的半固态制造工艺

摘要

潜艇环肋圆柱壳的模环旋压应变诱发法的半固态制造工艺，首先在熔炼合金的基础上，采用离心铸造工艺制备潜艇环肋圆柱壳铸态壳体；其次采用模环旋压变形工艺对该铸态壳体进行大变形量的塑性变形和整形处理；接着对得到的潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料进行二次重熔，以获得具有细小、均匀、球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料；然后对该半固态坯料进行半固态整体模锻成形；最后进行锻后热处理完成潜艇环肋圆柱壳的制造，通过本发明能够制备出具有非枝晶细小均匀球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳，具有工艺过程简单，材料利用率高以及产品力学性能好的特点。

权利要求

1.潜艇环肋圆柱壳的模环旋压应变诱发法的半固态制造工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)离心铸造制坯：首先，将准备好的45#钢材料放入中频感应加热炉进行熔炼，其熔炼温度为1600℃以上，且保温10～20min；接着将得到的钢液温度稳定控制在1500～1550℃浇入离心铸造设备，采用离心铸造工艺制备出潜艇环肋圆柱壳铸态壳体；

2)利用离心铸造余热进行模环旋压塑性变形：

2.1)待步骤1)中制备的潜艇环肋圆柱壳铸态壳体的温度降低到始旋温度时，采用模环旋压工艺对潜艇环肋圆柱壳余热态壳体(1-4)进行模环旋压塑性变形，在进行模环旋压塑性变形时，首先通过旋轮(1-2)对该潜艇环肋圆柱壳余热态壳体(1-4)进行分道次扩径旋压，以促使该潜艇环肋圆柱壳余热态壳体(1-4)产生壁厚减小、轴向长度伸长的大塑性变形，从而得到潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体(1-5)且该扩径态壳体(1-5)的壁厚缩减率达到

40％以上，随后，利用旋轮(1-2)径向进给位移的变化对该潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体(1-

5)进行内环肋的分道次旋压，则成形出潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体(1-6)，其中始旋温度1100～1150℃，终旋温度为800～850℃；

2.2)对经步骤2.1)模环旋压工艺处理得到的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体(1-6)进行整形处理：待步骤2.1)完成后，先控制潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体(1-6)作旋转运动，模环(1-3)作轴向进给运动，旋轮(1-2)作轴向和微量径向进给运动，从而完成对潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体(1-6)的圆整处理，得到潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体(1-

7)；接着，切除潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体(1-7)的未变形段，待经过切除处理后的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体(1-7)冷却后即得到潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料(1-8)；

3)二次重熔：将步骤2.2)中得到的潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料(1-8)放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为1350～1495℃，保温时间选为5～

30min，从而获得具有细小、均匀、球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料；

4)半固态整体模锻成形：将步骤3)中完成二次重熔得到的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料快速取出并放入用于成形潜艇环肋圆柱壳的模锻机的模锻型腔，通过模锻机对该潜艇环肋圆柱壳半固态坯料进行半固态整体模锻：

5)锻后热处理：首先，当完成步骤4)半固态整体模锻成形的潜艇环肋圆柱壳温度降到

860～900℃时，对其进行淬火处理，接着将淬火后的潜艇环肋圆柱壳再加热到180～220℃进行回火处理，从而完成潜艇环肋圆柱壳的制造。

说明书

潜艇环肋圆柱壳的模环旋压应变诱发法的半固态制造工艺

技术领域

[0001] 本发明属于半固态加工与成形技术领域，特别涉及潜艇环肋圆柱壳的模环旋压应变诱发法的半固态制造工艺。

背景技术

[0002] 随着地球上人口的急剧膨胀，陆上资源供应已趋于极限，占有地球表面积71％的海洋中，蕴藏着丰富的人类赖以生存的战略资源，人们已经认识到海洋必将成为人类生存和发展的第二物质空间。因此，各国都把经济发展的重心转移到海洋，因此，海下运载器的研究制造将得到更高的重视，从军事方面来说，潜艇作为我国海军的主战兵力，是海上一种主要的威慑力量；从民用方面来说，潜水器也广泛应用于科研、工程等各领域。

[0003] 无论是潜艇还是潜水器，耐压壳体都是其中的核心部件，目前潜艇耐压壳体多采用环肋圆柱壳，其制造工艺主要有：(1)锻件或轧制件切削加工，主要是先采用锻造或轧制方法制备筒形毛坯，然后通过切削加工的方法将所有需要的筋加工出来。但是该方法材料损耗严重、加工时间长，且加强筋部位的金属流线被切割，壳体的强度降低、力学性能变差，难以满足潜艇环肋圆柱壳的高质量要求；(2)铸造成形，虽然采用该方法材料利用率得到提高，但是由于铸造状态下的晶粒尺寸粗大，组织分布不均匀，且存在缩松、气孔等缺陷的影响，零件合格率很低，最主要的是有时候铸造材料机械性能低，不能满足工件的设计要求；(3)焊接成形，通常先由特种钢板焊接成圆形钢筒(或挤压成筒状)后对接起来，再在其内壁上焊接环筋，这种方法简单，成本低，但是制作的筒体焊接变形大、焊缝强度低(仅为基体的
60％)，塑性、冲击韧性差、焊接变形量大，易产生应力集中，对中性差，不能满足产品的高精度要求，力学性能无法达到使用要求；(4)模环旋压工艺，由于材料产生剧烈的塑性变形，内部残存了大量的残余应力，因此采用该工艺成形的环肋圆柱壳必须进行高温退火处理，消除绝大部分残余应力。同时，实践证明，旋压后，产品同一圆周周向各点应力值的大小和方向存在明显差异，为保证旋压后产品长期存放时不会出现较为明显的应力应变，还需要进行工序复杂的稳定化处理以使应力均匀化。

发明内容

[0004] 为克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种潜艇环肋圆柱壳的模环旋压应变诱发法的半固态制造工艺，通过该工艺制备出具有非枝晶细小均匀球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳。

[0005] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

[0006] 潜艇环肋圆柱壳的模环旋压应变诱发法的半固态制造工艺，具体包括以下步骤：

[0007] 1)离心铸造制坯：首先，将准备好的45#钢材料放入中频感应加热炉进行熔炼，其熔炼温度为1600℃以上，且保温10～20min；接着将得到的钢液温度稳定控制在1500～1550℃浇入离心铸造设备，采用离心铸造工艺制备出潜艇环肋圆柱壳铸态壳体；

[0008] 2)利用离心铸造余热进行模环旋压塑性变形：

[0009] 2.1)待步骤1)中制备的潜艇环肋圆柱壳铸态壳体的温度降低到始旋温度时，采用模环旋压工艺对潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-4进行模环旋压塑性变形，在进行模环旋压塑性变形时，首先通过旋轮1-2对该潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-4进行分道次扩径旋压，以促使该潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-4产生壁厚减小、轴向长度伸长的大塑性变形，从而得到潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-5且该扩径态壳体1-5的壁厚缩减率达到40％以上，随后，利用旋轮1-2径向进给位移的变化对该潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-5进行内环肋的分道次旋压，则成形出潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6，其中始旋温度1100～1150℃，终旋温度为800～850℃；

[0010] 2.2)对经步骤2.1)模环旋压工艺处理得到的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6进行整形处理：待步骤2.1)完成后，先控制潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6作旋转运动，模环1-3作轴向进给运动，旋轮1-2作轴向和微量径向进给运动，从而完成对潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6的圆整处理，得到潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-7；接着，切除潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-7的未变形段，待经过切除处理后的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-7冷却后即得到潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料1-8；

[0011] 3)二次重熔：将步骤2.2)中得到潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料1-8放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为1350～1495℃，保温时间选为5～30min，从而获得具有细小、均匀、球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料；

[0012] 4)半固态整体模锻成形：将步骤3)中完成二次重熔得到的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料快速取出并放入用于成形潜艇环肋圆柱壳的模锻机的模锻型腔，通过模锻机对该潜艇环肋圆柱壳半固态坯料进行半固态整体模锻；

[0013] 5)锻后热处理：首先，当完成步骤4)半固态整体模锻成形的潜艇环肋圆柱壳温度降到860～900℃时，对其进行淬火处理，接着将淬火后的潜艇环肋圆柱壳再加热到180～220℃进行回火处理，从而完成潜艇环肋圆柱壳的制造。

[0014] 相对于现有技术，本发明将模环旋压的应变诱发法用于制备半固态潜艇环肋圆柱壳具有以下优点：

[0015] 1.与传统采用锻造或轧制方法制备筒形毛坯，然后通过切削加工的方法将所有需要的环肋加工出来相比，本发明材料利用率高、且潜艇环肋部位的金属流线完整，壳体的强度、力学性能都更好。

[0016] 2.本发明利用模环旋压的应变诱发法制备的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料具有微观组织晶粒细小，分布均匀且不存在缩松、气孔等缺陷的特点。

[0017] 3.与传统的先由特种钢板焊接成圆形钢筒(或挤压成筒状)后对接起来，再在其内壁上焊接环筋的方法相比，本发明制备的半固态潜艇环肋圆柱壳为整体成形，具有更好的力学特性。

[0018] 4.与模环旋压工艺相比，本发明并没有直接对通过模环旋压成形的潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料采用高温退火处理工艺以消除绝大部分残余应力，而是提出了模环旋压的应变诱发法，利用潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料中存储的较大的变形畸变能，经过二次重熔，以得到具有非枝晶、细小、均匀微观组织的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料，并通过后续的半固态整体模锻、锻后热处理，制造了性能更优的潜艇环肋圆柱壳。

[0019] 5.本发明从常用钢铁材料45#钢出发，首先，通过离心铸造制备了潜艇环肋圆柱壳铸态壳体，随后利用潜艇环肋圆柱壳铸态壳体的余热进行了模环旋压塑性变形，再经过二次重熔、半固态整体模锻成形及锻后热处理，从而制备出了潜艇环肋圆柱壳，工艺过程简单，操作容易。

附图说明

[0020] 图1是本发明的工艺流程图。

[0021] 图2是本发明中对潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-4采用的模环旋压工艺原理示意图。

[0022] 图3是本发明中经分道次模环旋压成形潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-5的原理示意图。

[0023] 图4是本发明中经分道次模环旋压成形潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6的原理示意图。

[0024] 图5是本发明中对潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6进行圆整处理以得到潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-7的示意图。

[0025] 图6是本发明中对潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-7的未变形段进行切除处理且冷却后得到的潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料1-8的示意图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明做详细描述。

[0027] 参照图1，潜艇环肋圆柱壳的模环旋压应变诱发法的半固态制造工艺，具体包括以下步骤：

[0028] 1)离心铸造制坯：首先，将准备好的45#钢材料放入中频感应加热炉进行熔炼，其熔炼温度为1600℃以上，且保温10～20min进行精炼除气；接着将得到的钢液温度稳定控制在1500～1550℃浇入离心铸造设备，采用离心铸造工艺制备出潜艇环肋圆柱壳铸态壳体；

[0029] 2)利用离心铸造余热进行模环旋压塑性变形：通过模环旋压工艺使得步骤1)中得到的潜艇环肋圆柱壳铸态壳体产生大变形量的塑性变形，从而破碎其微观组织中的枝晶，并在其组织内部存储较大的变形畸变能，具体过程为：

[0030] 2.1)参照图2、图3及图4，待步骤1)中制备的潜艇环肋圆柱壳铸态壳体的温度降低到始旋温度时，采用模环旋压工艺对潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-4进行模环旋压塑性变形，在进行模环旋压塑性变形时，首先通过旋轮1-2对该潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-4进行分道次扩径旋压，以促使该潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-4产生壁厚减小、轴向长度伸长的大塑性变形，从而得到潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-5且该扩径态壳体1-5的壁厚缩减率达到40％以上，随后，利用旋轮1-2径向进给位移的变化对该潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-5进行内环肋的分道次旋压，则成形出潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6，其中始旋温度
1100～1150℃，终旋温度为800～850℃；

[0031] 2.2)参照图5及图6，对经步骤2.1)模环旋压工艺处理得到的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6进行整形处理：待步骤2.1)完成后，先控制潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6作旋转运动，模环1-3作轴向进给运动，旋轮1-2作轴向和微量径向进给运动，从而完成对潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6的圆整处理，得到潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-7；接着，切除潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-7的未变形段，待经过切除处理后的潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-7冷却后即得到潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料1-
8；

[0032] 3)二次重熔：将步骤2.2)中得到的经过整形处理的潜艇环肋圆柱壳畸变态坯料1-8放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为1350～1495℃，保温时间选为5～30min，从而获得具有细小、均匀、球状微观组织的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料；

[0033] 4)半固态整体模锻成形：利用潜艇环肋圆柱壳半固态坯料具有良好的触变特性而进行的潜艇环肋圆柱壳的半固态整体模锻成形，其具体工艺为：将步骤3)中完成二次重熔得到的潜艇环肋圆柱壳半固态坯料快速取出并放入用于成形潜艇环肋圆柱壳的模锻机的模锻型腔，通过模锻机对该潜艇环肋圆柱壳半固态坯料进行半固态整体模锻；

[0034] 5)锻后热处理：包括淬火和回火，首先，当完成步骤4)半固态整体模锻成形的潜艇环肋圆柱壳温度降到860～900℃时，对其进行淬火处理，接着将淬火后的潜艇环肋圆柱壳再加热到180～220℃进行回火处理，从而完成潜艇环肋圆柱壳的制造。

[0035] 本发明中采用模环旋压工艺对潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-4进行模环旋压塑性变形的工作原理为：(1)工件装夹，将潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-4装在夹紧机构1-1中，夹紧机构1-1具有可转动的功能；(2)多道次扩径旋压，给旋轮1-2一定的径向位移并控制夹紧机构1-1旋转，同时控制旋轮1-2及模环1-3做轴向运动，则经过分道次扩径旋压，该潜艇环肋圆柱壳余热态壳体1-4将产生壁厚减小、轴向长度伸长的大塑性变形，从而得到潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-5；(3)环肋的旋压，待该扩径态壳体1-5的壁厚缩减率达到40％以上后，继续控制夹紧机构1-1旋转，旋轮1-2及模环1-3做轴向运动，同时当旋轮1-2运动到需要加工环肋的位置时，控制旋轮1-2抬起一定径向位移，则在潜艇环肋圆柱壳扩径态壳体1-5的纵向进给和旋轮1-2的径向进给相互插补作用下就会形成精度可控的环肋，从而得到潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6；(4)圆整处理：先控制潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6作旋转运动，模环1-3作轴向进给运动，旋轮1-2作轴向和微量径向进给运动，从而完成对潜艇环肋圆柱壳扩径环肋态壳体1-6的圆整处理得到潜艇环肋圆柱壳扩径环肋圆整态壳体1-7。