1.本发明属于金属塑性成形技术领域，具体地说是一种锥形薄壁构件剧烈塑性成形方法。
背景技术：
2.薄壁件具有重量轻、结构紧凑等特点，被广泛运用于航空航天、汽车、药型罩等领域。但由于其刚性差、强度弱，结构受力形式复杂，难以按照经典理论进行受力分析，制造过程中极易发生变形、失稳和振动等问题，制造难度极大，是公认的复杂制造工艺。而锥形变形区域及变形特点均与圆筒形件不同，变形程度大，既易产生变薄破裂，又易产生起皱现象，因此锥形薄壁件的加工更是困难。
3.现有的锥形薄壁构件塑性成形工艺以冲压、旋压、温挤压为主，冲压法是局部成形，板材各向异性严重，在变形弱区或剧烈变形区往往存在混晶组织；旋压法其织构不对称、组织不均匀，内锥与芯模贴合度不高，圆度达到0.05mm、旋压痕迹0.02～0.08mm；温挤压配合切削加工法，内部晶粒随温度的升高而迅速长大，表面氧化严重，需要经过切削加工，内表面带有约0.10mm加工刀痕，尺寸精度低，内外锥面同轴度约0.05mm。因此，现有锥形薄壁构件的加工工艺普遍存在大尺寸坯料内部缺陷多、晶粒度、组织均匀性差、不同部位应力值不一致，表面质量低、尺寸精度低、尺寸稳定性差、有加工刀痕等问题。
技术实现要素：
4.本发明的目的在于解决了在无切削加工工艺下，锥形薄壁构件的超细晶组织均匀化与几何尺寸高精度协同制造技术难题。
5.本发明是通过下列技术方案实现：
6.一种锥形薄壁构件剧烈塑性成形方法，包括连续挤轧大塑性变形、多道次冲压成形、低温去应力热处理，所述连续挤轧大塑性变形中坯料加热温度100～220℃，所述多道次冲压成形是在三向压应力作用下经过多道次冲压成形；所述低温去应力热处理的温度150～260℃。
7.优选的，所述连续挤轧大塑性变形采用氮气对棒材加热、挤轧过程进行防氧化保护，挤轧出口采用40～60℃水封冷却。
8.优选的，所述连续挤轧大塑性变形，棒材加热温度100～220℃，挤轧速度10～30mm/s。根据挤压速度和棒材直径选择，棒材直径20～30mm、挤轧速度15～30mm/s，加热温度150～220℃；棒材直径10～20mm、挤轧速度10～15mm/s，加热温度100～150℃。根据挤轧板材的规格选择，板材厚度1～2mm时，挤轧速度15～30mm/s；板材厚度3～6mm时，挤轧速度10～15mm/s。
9.优选的，所述多道次冲压成形的变形速率为5～10mm/s，经过3～9道次的冲压成形，根据构件形状、几何尺寸、壁厚等，确定冲压成形道次。
10.优选的，低温去应力热处理是在150～260℃保温2～5h，真空度≥3
×
10-3
pa。
11.一种锥形薄壁构件剧烈塑性成形方法，经过下列工艺步骤实现：
12.(1)材料准备：依据锥形构件零件图，确定构件最大壁厚，并依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，选取直径10～30mm棒材，材料牌号可以是ta、taw2.5、tu1等材料。
13.(2)连续挤轧大塑性变形：将步骤(1)所得的棒材表面进行除油除污，在挤轧设备上进行剧烈大塑性变形，棒材加热温度100～220℃，挤轧速度10～30mm/s，制备出厚度1～6mm、宽度50～150mm的板材；采用氮气对棒材加热、挤轧过程进行防氧化保护，挤轧出口采用40～60℃水封冷却；板材平均晶粒尺寸不大于5μm，表面粗糙度不大于1.6μm。
14.(3)多道次冲压成形：将步骤(2)所得的板材按照薄壁构件的体积，进行剪切下料，坯料放入冲压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为5～10mm/s的作用下，经过3～9道次的冲压成形，在成形过程中板料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂，通过多道次冲压成形获得锥形构件，圆周壁厚差不大于0.03mm，内外表面直线度不大于0.03mm，圆度不大于0.02mm。
15.(4)低温去应力热处理：将步骤(3)所得的锥形薄壁构件在真空热处理炉中进行去应力热处理，热处理温度150～260℃，保温时间2～5h，真空度≥3
×
10-3
pa。
16.有益效果
17.1、本发明包括连续挤轧大塑性变形控性、多道次冲压控形、低温去应力尺寸稳定化等步骤，通过小规格尺寸棒材挤轧制备出大规格尺寸的板材，克服传统大尺寸坯料内部缺陷多、组织均匀性差等问题，实现由高品质小规格尺寸棒材制备出高性能板材；满足锥形构件几何尺寸、锥角、表面质量等要求；消除冲压过程局部变形引起的应力，保证几何尺寸稳定性。通过该方法获得均匀、细小等轴晶组织结构，不同部位应力值低、均匀一致，尺寸精度高、表面质量好、尺寸稳定性好，为高性能细晶锥形构件的研制提供了一种新的制备方法。
18.2、本发明从连续射流长度与侵彻深度之间的关系以及聚能射流流体力学理论，实现锥形薄壁构件组织细小、均匀，并提高聚能射流的凝聚性、稳定性。
19.3、本发明克服了常规制备方法获得组织不均匀、尺寸精度不高、内部质量差等技术难题，使制备的薄壁构件组织细晶化、尺寸精确化、表面光亮化、性能稳定化，提升聚能战斗部的侵彻威力、稳定性。同时还具有生产效率高、工艺稳定性好、易于实现工业化生产等优点。
20.(1)产品尺寸精度高。采用该方法制备的产品同轴度≤0.025mm、圆度≤0.01mm、锥角度偏差≤2
′
。
21.(2)产品性能好。锥形构件内外形面不加工，克服了加工切削刀痕对构件高温、高压作用下射流塑性流动性、延展性不好的技术难题。
22.(3)产品质量有效控制。通过对工艺参数窄规格控制，获得所需的组织结构与表面质量，平均晶粒尺寸不大于5μm，表面粗糙度不大于ra0.2μm。
附图说明
23.图1连续挤轧大塑性变形板材
24.图2金相组织
25.图3多道次冲压成形过程
26.图4锥形构件
具体实施方式
27.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
28.实施例1
29.一种锥形薄壁构件剧烈塑性成形方法，包括以下步骤：
30.(1)材料准备：某单锥构件口径80mm，变壁厚结构，最大壁厚值1.76mm；选用直径16mm的ta棒材。
31.(2)连续挤轧大塑性变形：将步骤(1)所得的棒材表面进行除油除污，在挤轧设备上进行剧烈大塑性变形，棒材加热温度135℃，挤轧速度15mm/s，制备出厚度2mm、宽度100mm的板材；在棒材加热和挤轧过程采用氮气保护，挤轧出口采用40℃水封冷却；表面粗糙度0.4～0.8μm(图1)，板材平均晶粒尺寸1～3μm(图2)。
32.(3)多道次冲压成形：将步骤(2)所得的板材按照锥形构件的体积，进行剪切下料，坯料放入冲压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为5mm/s的作用下，经过6道次的冲压成形(图3)，在成形过程中板料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂，通过多道次冲压成形获得锥形构件，圆周壁厚差0.01～0.025mm，内外表面直线度0.002～0.02mm(直线长度40mm)，圆度0.003～0.02mm。
33.(4)低温去应力热处理：将步骤(3)所得的锥形构件在真空热处理炉中进行去应力热处理，热处理温度240℃，热处理时间3h，真空度≥3
×
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pa。
34.产品性能：
35.1、采用三坐标测量及进行角度检测，构件内外锥角偏差-0.9
′
～1.4
′
、内外锥面同轴度0.005～0.02mm、内锥面圆度0.003～0.009mm；采用粗糙度仪进行构件表面粗糙度检测，表面粗糙度ra0.08～0.15μm；采用电子称对构件的重量进行称重，重量偏差不大于1.5g(图4)。构件内外形面未切削加工，无加工切削刀痕。
36.2、采用金相显微分析方法，在构件不同部位取样，对试样进行粗磨、精磨、抛光处理，最后采用硝酸水溶液进行腐蚀，在金相显微镜下放大500倍，采用面积法或截线法(每个试样统计3个位置)，获得构件平均晶粒尺寸2.8～5μm(图2)，不同部位应力值低、均匀一致，尺寸精度高、表面质量好、尺寸稳定性好。
37.3、采用使用试验考核方法，一是开展脉冲x光照相试验，获得构件在炸药爆轰作用下射流长度、头部速度、准直性等，通过计算有效射流长度达到11倍口径；二是在某基准试验装置上进行静态破甲试验，侵彻深度达到10倍口径，与传统产品相比提高20％。
38.实施例2
39.一种锥形薄壁构件剧烈塑性成形方法，包括以下步骤：
40.(1)材料准备：某单锥构件口径140mm，变壁厚结构，最大壁厚值2.45mm，选用直径20mm的taw2.5棒材。
41.(2)连续挤轧大塑性变形：将步骤(1)所得的棒材表面进行除油除污，在挤轧设备上进行剧烈大塑性变形，铜棒材加热温度200℃，挤轧速度20mm/s，制备出厚度4.5mm、宽度150mm的板材；在棒材加热和挤轧过程采用氮气保护，挤轧出口采用40℃水封冷却；表面粗
糙度0.4～0.8μm(图1)，板材平均晶粒尺寸2.8～5μm(图2)。
42.(3)多道次冲压成形：将步骤(2)所得的板材按照构件的体积，进行剪切下料，坯料放入冲压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为8mm/s的作用下，经过8道次的冲压成形，在成形过程中板料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂，通过多道次冲压成形获得锥形构件，圆周壁厚差0.01～0.03mm，内外表面直线度0.002～0.02mm(直线长度60mm)，圆度0.003～0.025mm。
43.(4)低温去应力热处理：将步骤(3)所得的锥形构件在真空热处理炉中进行去应力热处理，热处理温度255℃，热处理时间2.5h，真空度≥3
×
10-3
pa。
44.产品性能：
45.1、采用三坐标测量及进行角度检测，构件内外锥角偏差-1.2
′
～1.8
′
、内外锥面同轴度0.005～0.018mm、内锥面圆度0.002～0.008mm；采用粗糙度仪进行构件表面粗糙度检测，表面粗糙度ra0.08～0.18μm；采用电子称对构件的重量进行称重，重量偏差不大于2.5g。构件内外形面未切削加工，无加工切削刀痕。
46.2、采用金相显微分析方法，在构件不同部位取样，对试样进行粗磨、精磨、抛光处理，最后采用硝酸水溶液进行腐蚀，在金相显微镜下放大500倍，采用面积法或截线法(每个试样统计3个位置)，获得构件平均晶粒尺寸1～2.8μm，不同部位应力值低、均匀一致，尺寸精度高、表面质量好、尺寸稳定性好。
47.3、采用使用试验考核方法，一是开展脉冲x光照相试验，获得构件在炸药爆轰作用下射流长度、头部速度、准直性等，通过计算有效射流长度达到13倍口径；二是在某基准试验装置上进行静态破甲试验，侵彻深度达到11倍口径，与传统产品相比提高20％。
48.实施例3
49.一种锥形薄壁构件剧烈塑性成形方法，包括以下步骤：
50.(1)材料准备：某双锥构件口径110mm，变壁厚结构，最大壁厚值4.52mm，选用直径30mm的tu1棒材。
51.(2)连续挤轧大塑性变形：将步骤(1)所得的棒材表面进行除油除污，在挤轧设备上进行剧烈大塑性变形，铜棒材加热温度180℃，挤轧速度20mm/s，制备出厚度6mm、宽度135mm的板材；在棒材加热和挤轧过程采用氮气保护，挤轧出口采用40℃水封冷却；表面粗糙度0.4～0.8μm(图1)，板材平均晶粒尺寸3～3μm(图2)。
52.(3)多道次冲压成形：将步骤(2)所得的板材按照构件的体积，进行剪切下料，坯料放入冲压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为8mm/s的作用下，经过9道次的冲压成形，在成形过程中板料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂，通过多道次冲压成形获得锥形构件，圆周壁厚差0.005～0.03mm，内外表面直线度0.005～0.025mm(直线长度50mm)，圆度0.005～0.02mm。
53.(4)低温去应力热处理：将步骤(3)所得的锥形构件在真空热处理炉中进行去应力热处理，热处理温度220℃，热处理时间4h，真空度≥3
×
10-3
pa。
54.采用该方法制备的产品同轴度≤0.025mm、圆度≤0.01mm、锥角度偏差≤2
′
。
55.产品性能：
56.1、采用三坐标测量机进行角度检测，构件内外锥角偏差-1.4
′
～1.6
′
、内外锥面同轴度0.003～0.021mm、内锥面圆度0.002～0.008mm；采用粗糙度仪进行构件表面粗糙度检
测，表面粗糙度ra0.05～0.2μm；采用电子称对构件的重量进行称重，重量偏差不大于3g。构件内外形面未切削加工，无加工切削刀痕。
57.2、采用金相显微分析方法，在构件不同部位取样，对试样进行粗磨、精磨、抛光处理，最后采用硝酸水溶液进行腐蚀，在金相显微镜下放大500倍，采用面积法或截线法(每个试样统计3个位置)，获得构件平均晶粒尺寸1～3μm，不同部位应力值低、均匀一致，尺寸精度高、表面质量好、尺寸稳定性好。
58.3、采用使用试验考核方法，一是开展脉冲x光照相试验，获得构件在炸药爆轰作用下射流长度、头部速度、准直性等，通多计算有效射流长度达到15倍口径；二是在某基准试验装置上进行静态破甲试验，侵彻深度达到10.5倍口径，与传统产品相比提高15％。
59.结果表明：
60.本发明制备的构件平均晶粒尺寸1～5μm，表面粗糙度ra0.05～0.2μm，同轴度0.003～0.021mm，圆度0.002～0.09mm，锥角度偏差-1.4
′
～1.8
′
。
61.采用使用试验考核方法，一是开展脉冲x光照相试验，获得构件在炸药爆轰作用下射流长度、头部速度、准直性等，通过计算有效射流长度达到11～15倍口径；二是在基准试验装置上进行静态破甲试验，侵彻深度10.5～11倍口径，与传统产品相比提高15％。