火箭发动机燃烧室壳体成形工艺设计.doc
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1绪论 1
1.1课题研究的意义和目的 1
1.1.1技术上 2
1.1.2经济上 2
1.2国内的现状和发展趋势 3
1.2.1国内冲压模具发展现状 3
1.2.2冲压模具制造技术发展趋势 4
2工艺方案设计 7
2.1零件工艺性分析 7
2.2工艺计算 7
2.2.1计算毛坯直径D 7
2.2.2拉深工艺系数的确定和拉深次数的确定 8
2.2.3选取各次半成品底部的圆角半径和各次拉深的高度 8
2.3确定工艺方案 9
3模具设计 12
3.1冲裁模设计 12
3.1.1冲裁模具结构形式 12
3.1.2模具设计计算 12
3.2首次拉深模设计 16
3.2.1拉深模工作部分尺寸确定 16
3.2.2计算压边力、拉深力 17
3.2.3模具的总体设计 18
3.3二次拉深模设计 19
3.3.1拉深模工作部分尺寸确定 19
3.3.2计算压边力、拉深力 19
3.3.3模具的总体设计 20
4冲压工艺规程设计 22
4.1冲压工艺规程制定步骤 22
4.2该零件冲压工艺的难点 22
4.3冲压工艺规程方案的确定 23
5模具主要零件的工艺设计 24
5.1机械制造工艺设计的一般性原则：
24
5.1.1零件的工艺分析：
结构分析与技术要求分析 24
5.1.2毛坯选择 24
5.1.3基准选择 24
5.1.4拟定工艺路线 24
5.1.5机床和工艺装备的确定 25
5.1.6工序及加工余量的确定 25
5.1.7工序尺寸和公差的确定 25
5.1.8切削参数的计算确定 25
5.1.9工艺文件的编制 25
5.2首次拉深模凹模加工工艺设计 26
5.2.1零件分析 26
5.2.2选择毛坯 27
5.2.3工艺规程设计 28
5.2.4工艺卡片的填写 32
6结论 33
参考文献 34
致谢 35
1绪论
1.1课题研究的意义和目的
火箭发动机，是指由飞行器自带推进剂（燃料和氧化剂）不依赖外界空气的喷气发动机[1]。
火箭发动机主要由燃烧室、燃气发生剂、点火装置及燃气喷嘴组成。
其中火箭发动机燃烧室是用来贮存固体推进剂装药并在其中燃烧的部件。
由筒体壳体、两端封头壳体及绝热层组成。
燃烧室是火箭发动机的重要组成部件，同时也是弹体结构的组成部分，装药在其内燃烧，将化学能转换成热能。
燃烧室承受着高温高压燃气的作用，还承受飞行时复杂的外力及环境载荷[2][3]。
图1.1固体火箭发动机
图1.2液体火箭发动机
由于火箭发动机燃烧室工作时产生高温、高压和强振动，一些推进剂具有极低温和强腐蚀性能，因此燃烧室要求有极高的耐热、耐极低温、抗疲劳、抗腐蚀的性能和良好的机械性能（如强度、刚度等）。
而冲压件刚性好、强度高、重量轻、表面质量好。
冲压加工过程中，材料表面不易遭受破坏，且通过塑性变形还可以使制件的机械性能有所提高[4]。
故用冲压模具来制造该零件。
模具是当今工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备，是最重要的工业生产手段和工艺发展方向，一个国家工业水平的高低在很大程度上取决于模具工业的发展水平，模具工业的发展水平是一个国家工业水平的重要的标志之一。
模具工业称作“黄金工业”[5]。
冲压模具作为模具种类之一有以下的优点[6]：
1.1.1技术上
（1）在材料消耗不大的前提下，制造出的零件重量轻、刚度好、精度高。
由于在冲压过程中材料的表面不受破坏，使得制件的表面质量较好，外观光滑美观。
并且经过塑性变形后，金属内部组织得到改善，机械强度有所提高。
（2）在压力机的简单冲击作用下，一次工序即可完成由其他加工方法所不能或难以制造完成的较复杂形状零件加工。
（3）制件的精度较高，且能保证零件尺寸的均一性和互换性。
不需要进一步的机械加工即可满足一般的装配和实验要求。
1.1.2经济上
（1）原材料是冶金厂大量生产的价廉的轧制板或带料。
（2）采用适当的工艺后，可大量节约金属材料，可以实现少切屑和无切屑的加工方法。
材料利用率可达75%—85%，因而制件的成本相应地比较低。
（3）节省能源。
冲压时不需要加热，也不象切削加工那样将金属切成碎屑而需要消耗很大的能量。
（4）生产率高。
每分钟一台冲压设备可生产零件从几件到几十件。
目前的高速冲床生产率则每分钟高达数百件甚至上千件。
（5）操作简单，便于组织生产。
在大批量的生产中，易于实现机械化和自动化，进一步提高劳动生产率。
（6）对操作人员的技术要求不高。
当生产需要时，用短期培训的方法既可解决操作人员不足的问题。
由于冲压模具有以上的优点和发展前景和火箭发动机燃烧室壳体严格的质量要求，因此，利用冲压模具来制造火箭发动机热燃烧室壳体工艺设计具有重要意义。
所以本课题的目的就是要制定合理的设计制造工艺（包括模具设计）。
1.2国内的现状和发展趋势
1.2.1国内冲压模具发展现状
改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。
近年来，模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。
浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”；广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心；中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家。
随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。
而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一个国家发展水来的标志。
近年许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。
一些国内模具企业已普及了二维CAD，并陆续开始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等国际通用软件，个别厂家还引进了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE软件，并成功应用于冲压模的设计中。
以汽车覆盖件模具为代表的大型冲压模具的制造技术已取得很大进步，东风汽车公司模具厂、一汽模具中心等模具厂家已能生产部分轿车覆盖件模具。
此外，许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发。
经过多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技术方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。
例如，吉林大学汽车覆盖件成型技术所独立研制的汽车覆盖件冲压成型分析KMAS软件，华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的注塑模、汽车覆盖件模具和级进模CAD/CAE/CAM软件，上海交通大学模具CAD国家工程研究中心开发的冷冲模和精冲研究中心开发的冷冲模和精冲模CAD软件等在国内模具行业拥有不少的用户。
虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。
例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重比较低；CAD/CAE/CAM技术的普及率不高；许多先进的模具技术应用不够广泛等等，致使相当一部分大型、精密、复杂和长寿命模具依赖进口。
我国的模具技术有了很大发展，模具的精密度、复杂程度和寿命都有很大提高。
如，主要的汽车模具企业已能生产大型、精密的轿车覆盖件模具；体现高水平制造技术的多工位级进模的覆盖面增加；塑料模热流道技术日渐成熟，气体辅助注射技术开始采用；压铸工艺得到发展。
此外，CAD/CAM/CAE技术得到广泛应用，高速加工、复合加工等先进的加工技术也得到进一步推广；快速原型进展很快；模具的标准化程度也有一定提高。
但是，由于我国的模具行业起步较晚，与国外相比，仍存在不小的差距，主要体现在：
（1）产需矛盾：
随着工业发展水平的不断提高，工业产品更新速度的加快，对模具的需求越来越大。
无论是数量还是质量都无法满足国内市场的需要，只达到70％左右。
造成矛盾突出的原因是模具企业的专业化、标准化程度低，生产周期长。
另外，设计和制造工艺水平还不能完全适应发展的需要。
（2）企业结构不合理：
我国很多模具生产能力集中在各主机厂的模具分厂或车间内，模具的商品化程度低，而国外70％以上都是专业模具厂，且走的是“小而精”的道路，因此生产效率和经济效益俱佳。
（3）产品水平：
衡量模具的产品水平，主要有模具加工的制造精度和表面粗糙度，加工模具的复杂程度，以及模具的制造周期和使用寿命。
而这几项指标与国外相比的差距都十分明显。
（4）模具工业的整体装备水平也存在相对落后，利用率低的现象。
高素质的模具技术人才缺乏，产品的综合开发能力还急需加强。
1.2.2冲压模具制造技术发展趋势
模具技术的发展应该为适应模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”的要求服务。
达到这一要求急需发展如下几项[7]：
（1）全面推广CAD/CAM/CAE技术
模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。
随着微机软件的发展和进步，普及CAD/CAM/CAE技术的条件已基本成熟，各企业将加大CAD/CAM技术培训和技术服务的力度；进一步扩大CAE技术的应用范围。
计算机和网络的发展正使CAD/CAM/CAE技术跨地区、跨企业、跨院所地在整个行业中推广成为可能，实现技术资源的重新整合，使虚拟制造成为可能。
（2）高速铣削加工
国外近年来发展的高速铣削加工，大幅度提高了加工效率，并可获得极高的表面光洁度。
另外，还可加工高硬度模块，还具有温升低、热变形小等优点。
高速铣削加工技术的发展，对汽车、家电行业中大型型腔模具制造注入了新的活力。
目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向发展。
（3）模具扫描及数字化系统
高速扫描机和模具扫描系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能，大大缩短了模具的在研制制造周期。
有些快速扫描系统，可快速安装在已有的数控铣床及加工中心上，实现快速数据采集、自动生成各种不同数控系统的加工程序、不同格式的CAD数据，用于模具制造业的“逆向工程”。
模具扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成功应用，相信在“十五”期间将发挥更大的作用。
（4）电火花铣削加工
电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术，这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术，它是有高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工（像数控铣一样），因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电火花成形加工领域的重大发展。
国外已有使用这种技术的机床在模具加工中应用。
预计这一技术将得到发展。
（5）提高模具标准化程度
我国模具标准化程度正在不断提高，估计目前我国模具标准件使用覆盖率已达到30%左右。
国外发达国家一般为80%左右。
（6）优质材料及先进表面处理技术
选用优质钢材和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。
模具热处理和表面处理是否能充分发挥模具钢材料性能的关键环节。
模具热处理的发展方向是采用真空热处理。
模具表面处理有热喷涂技术、激光表面处理、离子注入表面改性、等离子体化学气相沉淀等[8]。
（7）模具研磨抛光将自动化、智能化
模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，研究自动化、智能化的研磨与抛光方法替代现有手工操作，以提高模具表面质量是重要的发展趋势。
（8）模具自动加工系统的发展
模具自动加工系统应有多台机床合理组合；配有随行定位夹具或定位盘；有完整的机具、刀具数控库；有完整的数控柔性同步系统；有质量监测控制系统。
（9）开发新的成形工艺和模具
如粉末冶金的注塑成形工艺等，将扩大模具成形的加工范围，为模具工业带来更大的发展空间[9]。
由以上的分析可以看出，我国冲压模具和国外相比还存在一定的差距。
但随着模具行业的兴起和发展，将极大地促进我国模具设计加工水平向前发展并逐步完善。
2工艺方案设计
2.1零件工艺性分析
图2.1零件图
如图2.1所示该零件为火箭发动机燃烧室壳体其工作原理属于燃料空气弹药性质，所以燃烧室壳体的质量尤为重要。
而该壳体的材料是30CrNiWV为低合金高强度钢，其特点是：
在制造使用过程中，这类钢对缺口和应力集中敏感，容易导致裂纹萌生并迅速扩展造成脆断[10]。
此外，此零件需要通过为深筒零件需多次拉深。
由多次拉深的特点：
即在拉深过程中拉深件口部容易出现竖向裂纹[11][12]因此,该零件为难加工材料的难加工零件。
2.2工艺计算
2.2.1计算毛坯直径D
零件高：
h=78.75mm
零件直径：
d=51.8mm
通过计算拉深件的相对高度h/d=1.52
查冲压手册182页表4-4得Δh=3.8mm
由冲压手册187页表4-7查得无凸缘圆筒形拉深件的毛坯尺寸的计算公式为：
D=（2.1）
将d=51.8mm,H=h+Δh=78.75+3.8=82.55mm,r=10+1.25=11.25mm代入上式，得毛坯的直径为：
D==136.8mm
2.2.2拉深工艺系数的确定和拉深次数的确定
根据拉深件的相对高度=1.52和毛坯相对厚度=1.83查冲压手册203页表4-18得出拉深次数n=4。
因为材料是低合金高强度钢，故拉深系数要比普通合金钢的大。
参考冲压工艺与模具设计中表5-8得各次的拉深系数为=0.7,=0.75,=0.8,=0.85。
由冲压手册203页公式得
=0.7×136.8=95.76mm，
0.75×95.76=71.82mm，
0.8×71.82=57.46mm，
0.85×57.46=48.84mm
48.84＜54，说明允许的变形程度未用足，应对各次拉深系数作适当调整，均大于相应的极限拉深系数。
调整拉深系数为：
=075,=0.77,=0.8,=0.85相应的直径为：
=0.75×136.8=102.6mm，
0.77×102.6=79mm，
0.8×79=63.5mm，
0.85×63.5=54mm。
2.2.3选取各次半成品底部的圆角半径和各次拉深的高度
根据经验公式和，取各次（半成品底部的圆角半径）分别为：
=12mm，，10mm,10mm。
由冲压手册204页表4-19的有关公式计算各次拉深高度得：
=
=62mm
82.55mm
2.3确定工艺方案
从所用材料30CrNiWV的机械性能分析，其屈强比大而延伸率小，极限强度又很高，均不利制件的拉深，经过反复论证和计算，除了优化模具结构，增大拉深系数之外，对此种低合金高强度板料，应采用合理的中间退火工序与适当的润滑方式以确保拉深性能的稳定、连续是必不可少的。
最后确定在每道拉深后辅以退火工序并采用良好的润滑方式，工艺方案如表2.1所示。
表2.1工艺方案表
序号
工序名称
工艺简图
设备型号
1
落料
J28—250
2
退火
RJX—75—9
3
首次拉深
J28—250
4
退火
RJX—75—9
5
二次拉深
J28—250
6
退火
RJX—75—9
7
三次拉深
J28—250
8
退火
RJX—75—9
9
四次拉深
J28—250
10
退火
RJX—75—9
11
成形拉深
J28—250
12
退火
RJX—75—9
13
切边
J28—250
3模具设计
3.1冲裁模设计
3.1.1冲裁模具结构形式
该零件形状简单，并且只需要一次即可，所以采用单工序落料模进行冲压加工比较合适。
零件的厚度是2.5mm，可采用自然漏料方式，同时选择标准导柱、导套模架，使模具具有良好的导向精度。
卸料采用弹性卸料装置，便于操作，同时起到冲裁时的压料作用。
3.1.2模具设计计算
（1）排样
为方便操作和定位，采用单排有废料排样方式，如图3.1所示。
3.2.3模具的总体设计
模具的总装图如图3.5所示。
模具采用倒装结构，选择在单动压力机上拉深。
压边圈采用平面式的，压边圈上的凹槽对坯料定位，凹槽深度小于2.5mm，以便压料。
拉深后的工件由推件装置11、15推出凹槽，下模则由压边圈将工件托出凸模。
图3.5模具的总装图
1—下模座；2，13—螺钉；3，16—圆柱销；4—固定板；5—凸模；6—导柱；
7—卸料板；8—导套；9—凹模；10—中垫板；11—推件块；12—上模座；
14—模柄；15—推杆；17—垫板。
3.3二次拉深模设计
3.3.1拉深模工作部分尺寸确定
确定凸模和凹模工作部分尺寸时，应考虑模具的磨损和拉深件的弹复，其尺寸公差只在最后一道工序考虑。
（1）拉深模的间隙
零件所需总拉深次数为四次，查冲压工艺与模具设计157页表5-14得拉深模的单边间隙为：
=3mm，则拉深模的双边间隙为：
Z=6mm。
（2）拉深模的圆角半径
凹模的圆角半径按验公式计算。
第二道拉深工序，将D=102.6mm，d=79mm，代入上式得=6.1mm。
但零件的最后尺寸要求零件的圆角半径为r=10mm，故可取=10mm。
（3）凸、凹模工作部分的尺寸和公差
因零件需要多次拉深时，对中间半成品的尺寸不需要严格要求模具尺寸等于半成品的尺寸即可，取零件公差等级为IT14级，参考文献[14]表2-2得公差T=0.87mm。
凸、凹模的制造公差，根据工件的材料厚度与工件直径来选定，其数值见于参考文献[13]表5-15得：
，
凹模尺寸：
凸模尺寸：
式中：
——是零件半成品外形的公称尺寸。
（4）确定凸模的通气孔尺寸由表5-11查得，凸模的通气孔直径为6.5mm。
4冲压工艺规程设计
冲压工艺规程是指导冲压件生产的工艺技术文件，它既是生产准备的基础，
又是模具设计部门进行设计和生产管理部门用于指挥生产的重要依据。
冲压工艺规程的制定，是一项复杂的综合性技术工作，通常是根据具体冲压件的特点、生产批量、现有设备和生产条件等，拟定出技术上可行、经济上合理的最佳工艺方案，包括冲压工序的安排、模具的结构形式、适用设备、检验要求等。
制定冲压工艺规程时，不仅要保证产品的质量，还要综合考虑成本、生产效率以及减轻劳动强度和保证安全生产等各方面因素[13]。
4.1冲压工艺规程制定步骤
冲压工艺规程制定步骤大致如下：
（1）设计准备工作；
（2）零件的工艺性分析；
（3）确定冲压件生产的工艺方案；
（4）确定模具类型及结构形式；
（5）选择冲压设备；
（6）编写冲压工艺卡及设计计算说明书。
4.2该零件冲压工艺的难点
火箭发动机燃烧室壳体为一圆弧底面无凸缘筒形拉深件，由于其工作原理属于燃料气体弹药性质，所以质量尤为重要，而该壳体材料为低合金高强度合金板料，从机械性能分析，其屈强比大而延伸率小，极限强度又高，均不利于制件的拉深，经反复论证，除优化模具结构，增大拉深系数之外，对此种低合金高强度板料，采用合理的中间退火工序与适当的润滑方式以确保拉深性能的稳定、连续是必不可少的。
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5模具主要零件的工艺设计
5.1机械制造工艺设计的一般性原则：
5.1.1零件的工艺分析：
结构分析与技术要求分析
（1）分析零件图
熟悉零件图，了解零件的用途及工作条件；分析零件图上各项技术要求，确定主要加工面。
（2）结构工艺性分析
机械加工对零件结构的要求；装配、维修对零件结构的要求。
（3）零件技术要求分析
（4）加工表面的尺寸精度和形状精度
5.1.2毛坯选择
5.1.3基准选择
定位基准的选择对保证加工面的位置精度，确定零件加工顺序具有决定性影响，同时也影响到工序数量、夹具结构等问题，因此必须根据基准选择原则，认真分析思考[17]。
粗、细基准选择以后，还应确定各工序加工时工件的夹紧方法、夹紧装置和夹紧作用方向。
5.1.4拟定工艺路线
制定工艺路线主要指确定加工方法和划分加工阶段。
（1）选择加工方法应以零件加工表面的技术条件为依据，主要是加工面的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度，并综合考虑各方面工艺因素的影响。
一般是根据主要表面的技术条件先确定最终加工方法，接着再确定一系列准备工序的加工方法，然后再确定其他次要表面的加工方法。
（2）在各表面加工方法选定以后，就需进一步考虑这些加工方法在工艺路线中的大致顺序，以定位基准面的加工为主线，妥善安排热处理工序及其他辅助工序。
（3）编制加工路线图表。
5.1.5机床和工艺装备的确定
（1）根据零件加工精度、轮廓尺寸和生产类型等因素，合理确定机床种类及规格。
根据质量、效率和经济性选择夹具种类和数量。
（2）根据工件材料和切削以及生产率的要求，选择刀具，应注意尽量选择标准刀具。
（3）根据批量及加工精度选择量具。
5.1.6工序及加工余量的确定
5.1.7工序尺寸和公差的确定
（1）用查表法确定各工序余量。
（2）当无基准转换时，工序尺寸及其公差的确定应首先明确工序的加工精度。
（3）当有基准转换时，工序尺寸及其公差应由计算工艺尺寸链获得。
6结论
我的毕业设计题目是火箭发动机燃烧室壳体成形工艺设计，此设计涉及到了火箭发动机、机械制造工程原理、冲压工艺、模具设计、互换性与技术测量、机械加工工艺基础、机械设计手册等基础理论知识。
通过这次毕业设计，不仅让我学到很多新的东西，而且还将四年所学的知识进行了一次巩固和整理。
巩固了我的专业基础知识，提高了专业能力。
可以说收获不小。
但最重要也是最大的收获是我深刻地明白了一个道理—“纸上得来终觉浅，绝知此事须躬行”。
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