液力成形在运载火箭增压输送系统中的应用研究

1 引言

随着航天工业加工制造水平的进步，航天产品逐步朝着减轻零件重量，提高产品可靠性方向发展。运载火箭增压输送系统是♂运载火箭传输燃料的重要组成部分，在运载火箭飞行过程中起着极为关键的作用。在运载火箭增压输送系统中存在较多异形管件，而采用传统的冲压成形工艺已不能满足高可靠性、轻量化的需求，因此迫切需要新成形技术应用于运载火箭增压输送系统加工制造。

2 增压输送系统研制现状分析

2.1 增压输送系统异形件结构特点

在长征系列运载火箭增压输送系统中，经常使用如异形ข接头、三通、波形管等变截面异形管件，其具有管径大、管壁薄、形状复杂等特点，材料一般为不锈钢和铝合金。其中异形接头及波形管属于轴对称零件，截面形状沿管材轴向产生凸起；三通属于平面对称零件，其中两主端口口径较大，中间支管口径较小。

2.2 存在的问题

异形接头在运载火箭动力系统中起着连接管路，提高系统强度的作用。图 2 所示为接头零件图。零件材料为 1Cr18Ni9Ti 不锈钢，现有加工方法为先用模具压出两个半环，切边并修配后焊接成整圆，零件存在两条纵向焊缝，受纵缝形状限制，只能进行手工焊接，且焊接难度高，容易产生焊接变形。

三通在运载火箭动力系统中起到燃料分流作用，材料为 1Cr18Ni9Ti 不锈钢。现有加工方式为采用棒料经自由锻造成方块后再机加工成形。为防止零件加工变形，零件的壁厚增厚，导致零件重量增加；同时主管内孔与支管内孔过渡处为尖角，容易因毛刺去除不干净而产生多余物，且影响了内部液体的流动；此外因锻件需进行固溶处理，而 1Cr18Ni9Ti 不锈钢在固溶处理后处于软状态，强度较低，影响了零件的承压能力。

铝合金波形管主要起到输送氧化剂，隔绝燃料剂的作用，材料为 5A06 铝合金，现有加工方式为采用平板压凸筋后再逐次压弯成筒形，打磨纵缝后焊接成形。在实际成形过程中，零件在压筋及压弯时在波形处易产生压伤，材料减薄较严重；同时弯曲成形及后续焊接时由于残余应น力存在，零件变形严重。

3 管材液力成形在航天中的应用分析

3.1 管材液力成形技术特点

管材液力成形采用液体作为传力介质，通过向管材中施加液压而成形零件，成形装置主要包括：管材、上模、下模、左冲头、右冲头等 5 部分，其成形原理如图 4 所示，由合模充液和加压成形两部分构成，相对于传统钢模冲压成形，液力成形具备如下特点：

a. 因液体流动性好，液压施加均匀稳定，液力成形零件表面质量较好，零件尺寸精度较传统钢模冲压成形有较大改善；

b. 液力成形可整体成形变截面异形管件，替代传统冲压+焊接装配成形方式，有效减少焊缝数量，提高产品可靠性；

c. 液力成形有效减少了零件加工工序，提高了产品生产效率，对于运载火箭增压输送系统中异形管件的成形具有较强优势。

3.2 管材液力成形在航天中的应用优势

采用液力成形异形接头，板材经过滚弯后，自动焊接成管坯，然后加压胀形，不仅减少了成形模具数量，而且采用自动化焊接，较传统手工焊接稳定性更高，有效降低了焊接缺陷的产生，消除了焊后热变形，提高了接头尺寸精度；采用液力成形三通，加工工序相比机加工减少了5 道工序，同时液力成形薄壁三通可有效减重 30%，燃料在管材内部流量增加了 15%，达到了轻量化的研制要求。

采用液力成形波形管，管坯采用无缝管，较传统钢模弯曲+焊接成形波形管减少 1 条焊缝，大大提高了增压输送系统成形质量和可靠性。

4 液力成形数值模拟

4.1 仿真软件及材料性能

利用数值模拟方法对液力成形过程进行成形前仿真分析，预判成形缺陷，分析零件成形后壁厚分布，为调整工艺参数提供指导依据。

采用有限元分析软件 Dynaform 以及与之相配套的有限元求解器 LS-DYNA 作为仿真工具。采用单向拉伸试验测定所需材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能指标。

4.2 不同轴向进给对异形接头成形的影响

圆角不再变化，内圆角处材料堆积在入口处形成内凹缺陷。因此合理控制内压与进给量的关系，采用合理的加载路径是成形的关键。

5 液力成形试验研究

在液力成形试验中，对运载火箭增压输送系统异形接头、波形管和三通零件进行了工艺试验，研究各工艺参数对零件成形的影响。通过数值模拟和成形试验，最终得出了异形接头、波形管和三通的最佳加载路径。

波形管选定0～38MPa的内压区间进行液压试验，试验过程由预充填胀形保压整形卸压五部分构成。首先对管材进行预充填，持续时间为20s；然后进行胀形，成形初期迅速增大内压至16MPa，零件开始产生塑性变形，形成波纹，由于零件体积增大♡，需要及时补充液体实现保压过程，该过程持续时间约5s；成形后期，增大内压至38MPa，以成形零件的圆角并对零件进行整形，该过程持续时间为5s；零件成形完成后，对管内液体卸压，而后移动增压装置至下一波纹进行胀形。

T型三通成形初期右冲头的补料量较小，而内压迅速增大至15MPa，此后内压的增大随冲头的行程成线性上升，左右冲头不断进给至30mm，中间冲头回退至28mm，三者间相互配合进行，当内压到达68MPa后，进行零件保压、整形。

Ω接头成形初期迅速增大内压至18MPa，随后轴向补料与内压呈线性变化，最大补料量为25mm，成形后期，增大内压至70MPa，以成形零件的圆角及对零件的整形。

6 结束语

a. 采用管材液力成形，有效提高了运载火箭增压输送系统零件表面质量，减少了焊缝数量，有效降低了焊接缺陷及焊后热变形，提高了产品尺寸精度及可靠性；

b. 通过有限元数值模拟，对异形接头、三通、波形管零件液压成形过程进行仿真，分析进给量、内部压力及胀形形式对零件成形质量的影响，最终制定了合理可行ษ的加载路径；

c. 采用液力成形技术可满足航天零件高可靠性、轻量化的研制需求，对于运载火箭增压输送系统变截面管件的成形具有广泛的应用前景。