CN104715086A - 一种超高强度铝合金模锻件的设计、锻造和热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高强度铝合金模锻件的设计、锻造和热处理方法，采用了模锻件数模和模具的设计、制造、成型锻造、热处理、理化检测、机加等步骤，本发明解决了模锻件因截面大小不同造成冷锻变形不均匀和模锻件不同部位的力学性能不稳定的问题，并对模锻件各截面按照上述方法进行设计，保证整体模锻件冷变形的均匀性，保证模锻件在不同的解剖部位力学性能的一致性，解决了模锻件加工过程中出现翘曲的问题。

Description

一种超高强度铝合金模锻件的设计、锻造和热处理方法

技术领域

本发明涉及超高强度铝合金模锻件的设计、锻造和热处理领域。

技术背景

超高强度铝合金具有高比强度和良好的韧性以及耐腐蚀性，多用于飞机的重要结构件。研究发现：对超高强度铝合金模锻件锻造完成后，进行热处理时，在固溶和一次时效之间增加一道冷变形工序，可减少应力集中，解决因应力集中造成的加工翘曲或使用时较大的裂纹倾向。冷变形是指模锻件在固溶后在水中淬火，使模锻件在15min内冷却至室温，然后在锻造设备上使模锻件发生1%～5%的冷变形。国内目前使用比较广泛的是在自由模锻件上进行冷变形，这种工艺交付的模锻件称为T7452状态模锻件。随着我国对飞机结构件要求的提高，要求对超高强度铝合金模锻件热处理时也要求冷锻，这种工艺交付的模锻件称为T7454状态模锻件。目前国内少有报道。模锻件由于形状复杂，模锻件横截面变化大，实现模锻件各部分均匀变形是一个非常大的难点。而且，经研究表明：冷变形量对模锻件的力学性能影响较大，因此保证模锻件均匀的冷变形量有助于提高模锻件性能稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决模锻件因截面大小不同造成冷锻变形不均匀和模锻件不同部位的力学性能不稳定的问题。

本发明的技术方案是：

1、一种超高强度铝合金模锻件的设计、锻造和热处理方法，步骤如下：

步骤1：模锻件数模和模具的设计、制造

为需冷锻变形的模锻件设计、制造两套模具，一套为成型用模具，一套为冷锻模具。成型模具主要用于冷锻前模锻件的锻造，冷锻模具主要用于冷锻工步；

步骤1.1：模锻件数模和成型用模具的设计、制造

在零件数模的基础上设计出模锻件数模，再将模锻件数模的尺寸按照铝材料的热成型膨胀率进行尺寸放大，并制作模具数模，再在数控机床上加工出成型用模具；

步骤1.2：冷锻数模的设计

步骤1.2.1：根据模锻件数模设计出冷锻数模，其可分为两部分：第一部分为高度方向的设计，第二部分为宽度方向的设计；

步骤1.2.1.1：高度方向设计

在模锻件数模上截取多个典型截面，以分模面为基准，根据各典型截面上表面到分模面的测量高度H和选定的冷锻变形量参数a计算出冷锻数模上对应的截面上表面到分模面的高度值h，根据式1计算冷锻数模对应截面的高度：

$1-a=\frac{h}{H}$    （式1）

式1中：a——冷锻变形量参数；

h——冷锻数模高度；

H——模锻件数模高度；

根据模锻件数模截面情况，高度方向可以按照下列四种类型分别进行设计：

第一种为数模截面的上表面与分模面平行，称之为平行面，根据数模截面的高度和选定的冷锻变形量参数，使用式1计算出该平行面冷锻变形后的高度，从而确定该平行面在冷锻数模上的位置；

第二种为数模截面的上表面与分模面成一定的角度，称之为角度面，选定该角度面的最高点和最低点，使用式1分别计算出该角度面最高点和最低点在冷锻变形后的高度，从而确定该角度面在冷锻数模上的位置；

第三种为数模截面的上表面是一个弧面；根据弧面的弧度要求，选定弧面的两个端点、最高点和其他多个高度点，使用式1分别计算出该弧面上述各点在冷锻变形后的高度，从而确定该弧面上述各点在冷锻数模上的位置点，再用光滑的曲线依次连接各点在冷锻数模上的位置点；

第四种为上述两种以上类型的截面，将模锻件数模的截面按照上述情况进行区分，分别计算各个类型截面的高度值，然后将各截面拼合起来；

按照本步骤获得各种截面在冷锻数模的高度，更改模锻件数模上相应截面的高度，获得模锻件的冷锻数模的高度；

步骤1.2.1.2：宽度方向的设计

冷锻变形过程中，模锻件质量不变，高度变低时模锻件会向宽度方向展宽；因此，可以通过截面积不变的方法计算宽度方向的展宽量；宽度方向展宽量的理论设计原则是：模锻件数模截面面积应等于冷锻数模对应截面的截面面积；

宽度方向可以按照下列五种类型分别进行设计：

第一种为矩形截面，根据式2计算宽度方向的展宽量：

S＝B×H＝b×h   （式2）

式2中：S——模锻件数模矩形截面积；

H——模锻件数模截面高度；

B——模锻件数模截面宽度；

h——模锻件冷锻数模截面高度；

b——模锻件冷锻数模截面宽度；

第二种为三角形截面，根据式3计算宽度方向的展宽量：

$S=\frac{1}{2}\×B\×H=\frac{1}{2}\×b\×h$    （式3）

式3中：S——模锻件数模三角形截面积；

H——模锻件数模截面高度；

B——模锻件数模截面底边宽度；

h——模锻件冷锻数模截面高度；

b——模锻件冷锻数模截面底边宽度；

第三种为梯形截面，根据式4计算宽度方向的展宽量：

$S=\frac{1}{2}\×(H1+H2)\×B=\frac{1}{2}\×(h1+h2)\×b$    （式4）

式4中：S——模锻件数模梯形截面积；

H1——模锻件数模梯形截面上底；

H2——模锻件数模梯形截面下底；

B——模锻件数模梯形截面高度；

h1——模锻件冷锻数模梯形截面上底；

h2——模锻件冷锻数模梯形截面下底；

b——模锻件冷锻数模梯形截面高度；

第四种为弧形截面，将弧形截面分为多块，各块近似为梯形，按照式4分别计算各块宽度方向的展宽量；然后将各块近似梯形截面拼接起来，并用光滑的曲线连接各块在冷锻数模上表面的对应点；

第五种为同时出现上述两种以上类型的截面，将模锻件截面按照上述类型进行区分，分别计算各个类型截面的展宽量，然后将各类型截面拼合起来；

按照本步骤获得的各种截面在冷锻数模的展宽量，更改模锻件数模上相应截面的宽度，获得模锻件的冷锻数模的宽度；

结合步骤1.2.1.1和1.2.1.2分别获得高度和宽度设计出模锻件的冷锻数模；

步骤1.3：冷锻模具的设计和制造

根据步骤1.2取得的模锻件的冷锻数模，直接制作冷锻模具数模，再在数控机床上加工出冷锻模具；

步骤2：成型锻造

首先将成型用模具加热至200℃～300℃，将其热态安装在锻造设备上并保持温度不变；然后将模锻坯加热到模锻坯的锻造温度，锻造温度根据模锻件的材料确定；最后将模锻坯放入步骤1.1所述的成型用模具中进行锻造，待成型用模具闭合后，锻造完成，获得模锻件。

步骤3：热处理

步骤3.1：固溶

步骤3.1.1：温度和保温时间的选取

依据模锻件材料和模锻件要求的标准选取适合的温度进行保温，保温时间按照模锻件厚度确定；

步骤3.1.2：装炉量的确定

模锻件每一炉的装炉数量根据模锻件的投影面积和固溶炉的合格区面积确定，计算方法为模锻件投影面积×装炉数量≤固溶炉的合格区面积；

步骤3.1.3：固溶处理

确定步骤3.1.1和3.1.2所述的参数后，将模锻件进行固溶处理，完成后进行水冷；从模锻件出炉至模锻件浸入水中的转移时间不超过30s，模锻件在水中保留时间为15～20min，水温要求为50℃～60℃。

步骤3.2：冷锻

预先将步骤1.3所述的冷锻模具加热至200℃～300℃；模锻件固溶处理后，必须在2h内使用冷锻模具对其完成冷锻变形；冷锻过程中，由于模锻件各个截面高度的不均匀性，只能采用渐进式冷压方法对模锻件进行冷锻变形；即：模锻件垂直高度比较大的地方先接触到模具，然后按照模锻件高度的顺序，冷锻模具上、下型腔面逐渐与模锻件上、下表面全部接触；直至冷锻模具的上下模完全合模后，冷锻结束；

步骤3.3：一次时效

模锻件温度和保温时间要求同步骤3.1.1，模锻件装炉量的确定同步骤3.1.2；模锻件从固溶出炉后至一次时效入炉的时间不能超过2h，在固溶处理时，需要预先将时效炉加热至模锻件材料一次时效工序要求的温度；一次时效处理完成后空冷，完全冷却至室温后再进行二次时效；

步骤3.4：二次时效

模锻件温度和保温时间要求同步骤3.1.1，模锻件装炉量的确定同步骤3.1.2；将模锻件按照选定的温度和保温时间进行二次时效处理后，出炉空冷；

步骤4：理化测试

根据模锻件预先设计的取样图进行取样和加工试样，加工完成后进行理化检验。

步骤5：机械加工

使用数控机床对锻件进行机械加工，加工过程未见翘曲。

另外，步骤1.1所述铝材料的热成型膨胀率为0.6—1.0%。步骤1.2.1.1所述的冷锻变形量参数a的范围为1%—5%之间的变形量选定值。步骤3.1.3所述的水冷条件为从模锻件出炉至模锻件浸入水中的转移时间不超过30s，模锻件在水中保留时间为15～20min，水温要求为50℃～60℃。步骤1.1所述成型用模具和冷锻模具的材料均为5CrNiMo。

本发明的有益效果是：通过对模锻件各截面按照上述方法进行设计，保证整体模锻件冷变形的均匀性，保证模锻件在不同的解剖部位力学性能的一致性，解决了模锻件加工过程中出现翘曲的问题。

具体实施方式：

以下结合实例对本发明技术方案作进一步的详述：

某型机弧框模锻件采用7050超高强度铝合金，要求的交付状态为T7454，设定冷锻变形量参数为a=4%。

步骤1：模锻件数模和模具的设计、制造

为弧框模锻件设计、制造两套模具，一套为成型用模具，一套为冷锻模具；选用的模具材料为5CrNiMo。成型模具主要用于冷锻前模锻件的锻造，冷锻模具主要用于冷锻工步；

步骤1.1：模锻件数模和成型用模具的设计、制造

在零件数模的基础上设计出模锻件数模，再将模锻件数模的尺寸按照铝材料的热成型膨胀率进行尺寸放大，并制作模具数模，再在数控机床上加工出成型用模具；

步骤1.2：冷锻数模的设计

步骤1.2.1：根据模锻件数模设计出冷锻数模，其可分为两部分：第一部分为高度方向的设计，第二部分为宽度方向的设计。在弧框模锻件上截取两个典型截面，称为截面1和截面2。

步骤1.2.1.1：高度方向设计

在截面1上，截面上表面是一个平行面和两个角度面的。以分模面为基准，平行面的测量高度为150mm，角度面1的最高点和最低点的高度分别为265mm和150mm，角度面2的最高点和最低点分别为265mm和0mm。套用技术方案中1.2.1.1的方法，计算出冷锻数模平行面的高度应为：h=144mm。冷锻数模角度面1的最高点高度为：h=254.4mm；最低点的高度为：h=144mm。冷锻数模角度面2的最高点高度为：h=254.4mm；最低点高度为：h=0mm。通过以上计算得出冷锻数模上截面1的高度。

在截面2上，截面上表面是一个弧面和平行面，弧面的两端点和最高点高度分别为：60mm，130mm和213mm，弧面上另取两个高度点分别为：180mm，147mm。平行面的高度为：130mm。引用技术方案中步骤1.2.1.1所述方法，计算出冷锻数模中端点1的高度：h=57.6mm；端点2的高度为：h=124.8；最高点的高度为：h=204.5mm，另外两个高度点分别为：h=172.8mm；h=141.1mm。冷锻数模上平行面的高度为：h=124.8mm。用光滑的曲线依次连接各高度点得到冷锻数模上弧面的高度。通过以上计算做出冷锻数模截面2的高度。

步骤1.2.1.2：宽度方向的设计

在截面1上，可将截面分为矩形块、梯形块和三角形块，矩形块的高度和宽度分别为：150mm和70mm，梯形块的截面高度分别为：150mm和265mm，宽度为92mm，三角形块的高度和底边宽度分别为：265mm和124mm；冷锻数模上矩形块的高度为：144mm，梯形块的截面高度分别为：144mm和254.4mm，三角形块的高度为：254.4mm，使用技术方案中步骤1.2.1.2所述的方法，计算出冷锻数模中各块的宽度。矩形块：150×70=144×b，b=72.9mm；

梯形块： $\frac{1}{2}\×(150+265)\×92=\frac{1}{2}\×(144+254.4)\×b,b=95.8\mathrm{mm};$

三角形块： $\frac{1}{2}\×265\×124=\frac{1}{2}\×b\×254.4,b=129.2\mathrm{mm}.$

通过以上计算做出冷锻数模截面1的宽度。

在截面2上，可将截面的平行面分为矩形块，弧面近似为四块梯形。矩形块的高度和宽度分别为：130mm和182mm。梯形块1的截面高度分别为：60mm和147mm，宽度为80mm；梯形块2的截面高度为147mm和213mm，宽度为80mm；梯形块3的截面高度为213mm和180mm，宽度为80mm；梯形块4的截面高度为180mm和130mm，宽度为80mm。冷锻数模上矩形块的高度为：124.8mm，梯形块1的截面高度分别为：57.6mm和141.1mm，梯形块2的截面高度分别为：141.1mm和204.5mm，梯形块3的截面高度分别为：204.5mm和172.8mm，梯形块4的截面高度分别为：172.8mm和124.8mm，使用技术方案中步骤1.2.1.2所述的方法，计算出冷锻数模中各块的宽度。矩形块：130×182=124.8×b，b=189.6mm；

梯形块1： $\frac{1}{2}\×(60+147)\×80=\frac{1}{2}\×(57.6+141.1)\×b,b=83.3\mathrm{mm};$

梯形块2： $\frac{1}{2}\×(213+147)\×80=\frac{1}{2}\×(204.5+141.1)\×b,b=83.3\mathrm{mm};$ 梯形块3： $\frac{1}{2}\×(213+180)\×80=\frac{1}{2}\×(204.5+172.8)\×b,b=83.3\mathrm{mm};$ 梯形块4： $\frac{1}{2}\×(180+130)\×80=\frac{1}{2}\×(172.8+124.8)\×b,b=83.3\mathrm{mm};$

通过以上计算做出冷锻数模截面2的宽度。

结合截面1和截面2计算出的高度和宽度设计出冷锻数模；

步骤1.3：冷锻模具的设计和制造

根据步骤1.2取得的模锻件的冷锻数模，直接制作冷锻模具数模，再在数控机床上加工出冷锻模具；

步骤2：成型锻造

首先将成型用模具加热至200℃～300℃，将其热态安装在锻造设备上并保持温度不变；然后将模锻坯加热到420±5℃，最后将模锻坯放入步骤1.1所述的成型用模具中进行锻造，待成型用模具闭合后，锻造完成。

步骤3：热处理

步骤3.1：固溶

工艺要求：478℃×5h，水冷。装炉量：5件。

步骤3.2：冷锻

预先将步骤1.3所述的冷锻模具加热至200℃～300℃，目的是防止在低温条件下，模具因应力集中出现冷裂；模锻件固溶处理后，在2h内使用冷锻模具对其完成冷锻变形；冷锻模具的上下模完全合模后，冷锻结束；

步骤3.3：一次时效

工艺要求：121℃×6h，空冷。装炉量：5件。

模锻件从固溶出炉后至一次时效入炉的时间不能超过2h，在固溶处理时，需要预先将时效炉加热至模锻件材料一次时效工序要求的121℃；一次时效处理完成后空冷，完全冷却至室温后再进行二次时效；

步骤3.4：二次时效

工艺要求：178℃×8h，空冷。装炉量：5件。

步骤4：理化测试

根据模锻件预先设计的取样图进行取样和加工试样，加工完成后进行理化检验。经过理化测试，各部分力学性能符合锻件要求并且数据均匀。

步骤5：机械加工

使用数控机床对锻件进行机械加工，加工过程未见翘曲。

Claims (5)

1.一种超高强度铝合金模锻件的设计、锻造和热处理方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：模锻件数模和模具的设计、制造

为需冷锻变形的模锻件设计、制造两套模具，一套为成型用模具，一套为冷锻模具；成型用模具主要用于冷锻前模锻件的锻造，冷锻模具主要用于冷锻工步；

步骤1.1：模锻件数模和成型用模具的设计、制造

在零件数模的基础上设计出模锻件数模，再将模锻件数模的尺寸按照铝材料的热成型膨胀率进行尺寸放大，并制作模具数模，再在数控机床上加工出成型用模具；

步骤1.2：冷锻数模的设计

步骤1.2.1：根据模锻件数模设计出冷锻数模，其可分为两部分：第一部分为高度方向的设计，第二部分为宽度方向的设计；

步骤1.2.1.1：高度方向设计

在模锻件数模上截取多个典型截面，以分模面为基准，根据各典型截面上表面到分模面的测量高度H和选定的冷锻变形量参数a计算出冷锻数模上对应的截面上表面到分模面的高度值h，根据式1计算冷锻数模高度：

$1-a=\frac{h}{H}$    （式1）

式1中：a——冷锻变形量参数；

h——冷锻变形后模锻件高度；

H——冷锻变形前模锻件高度；

根据模锻件数模截面情况，高度方向可以按照下列四种类型分别进行设计：

第一种为数模截面的上表面与分模面平行，称之为平行面，根据数模截面的高度和选定的冷锻变形量参数，使用式1计算出该平行面冷锻变形后的高度，从而确定该平行面在冷锻数模上的位置；

第二种为数模截面的上表面与分模面成一定的角度，称之为角度面，选定该角度面的最高点和最低点，使用式1分别计算出该角度面最高点和最低点在冷锻变形后的高度，从而确定该角度面在冷锻数模上的位置；

第三种为数模截面的上表面是一个弧面；根据弧面的弧度要求，选定弧面的两个端点、最高点和其他多个高度点，使用式1分别计算出该弧面上述各点在冷锻变形后的高度，从而确定该弧面上述各点在冷锻数模上的位置点，再用光滑的曲线依次连接各点在冷锻数模上的位置点；

第四种为上述两种以上类型的截面，将数模截面按照上述情况进行区分，分别计算各个类型截面的高度值，然后将各截面拼合起来；

按照本步骤获得各种截面在冷锻数模的高度，更改模锻件数模上相应截面的高度，获得模锻件的冷锻数模的高度；

步骤1.2.1.2：宽度方向的设计

冷锻变形过程中，模锻件质量不变，高度变低时模锻件会向宽度方向展宽；因此，可以通过截面积不变的方法计算宽度方向的展宽量；宽度方向展宽量的理论设计方法为：模锻件数模截面面积应等于对应的冷锻数模截面面积；

宽度方向可以按照下列五种类型分别进行设计：

第一种为矩形截面，根据式2计算宽度方向的展宽量：

S＝B×H＝b×h   （式2）

式2中：S——模锻件数模矩形截面积；

H——模锻件数模截面高度；

B——模锻件数模截面宽度；

h——模锻件冷锻数模截面高度；

b——模锻件冷锻数模截面宽度；

第二种为三角形截面，根据式3计算宽度方向的展宽量：

$S=\frac{1}{2}\×B\×H=\frac{1}{2}\×b\×h$    （式3）

式3中：S——模锻件数模三角形截面积；

H——模锻件数模截面高度；

B——模锻件数模截面底边宽度；

h——模锻件冷锻数模截面高度；

b——模锻件冷锻数模截面底边宽度；

第三种为梯形截面，根据式4计算宽度方向的展宽量：

$S=\frac{1}{2}\×(H1+H2)\×B=\frac{1}{2}\×(h1+h2)\×b$    （式4）

式4中：S——模锻件数模梯形截面积；

H1——模锻件数模梯形截面上底；

H2——模锻件数模梯形截面下底；

B——模锻件数模梯形截面高度；

h1——模锻件冷锻数模梯形截面上底；

h2——模锻件冷锻数模梯形截面下底；

b——模锻件冷锻数模梯形截面高度；

第四种为弧形截面，将弧形截面沿高度方向分为多块，各块近似为梯形，按照式4分别计算各块宽度方向的展宽量；然后将各块近似梯形截面拼接起来，并用光滑的曲线连接各块在冷锻数模上表面的对应点；

第五种为同时出现上述两种以上类型的截面，将模锻件数模截面按照上述类型进行区分，分别计算各个类型截面的展宽量，然后将各类型截面拼合起来；

按照本步骤获得的各种截面在冷锻数模的展宽量，更改模锻件数模上相应截面的宽度，获得模锻件的冷锻数模的宽度；

结合步骤1.2.1.1和1.2.1.2分别获得高度和宽度设计出模锻件的冷锻数模；

步骤1.3：冷锻模具的设计和制造

根据步骤1.2取得的模锻件的冷锻数模，直接制作冷锻模具数模，再在数控机床上加工出冷锻模具；

步骤2：成型锻造

首先将成型用模具加热至200℃～300℃，将其热态安装在锻造设备上并保持温度不变；然后将模锻坯加热到锻造温度，锻造温度根据模锻件的材料确定；最后将模锻坯放入步骤1.1所述的成型用模具中进行锻造，待成型用模具闭合后，锻造完成。

步骤3：热处理

步骤3.1：固溶

步骤3.1.1：温度和保温时间的选取

依据模锻件材料和模锻件要求的标准选取适合的温度进行保温，保温时间按照模锻件厚度确定；

步骤3.1.2：装炉量的确定

模锻件每一炉的装炉数量根据模锻件的投影面积和固溶炉的合格区面积确定，计算方法为：模锻件投影面积×装炉数量≤固溶炉的合格区面积；

步骤3.1.3：固溶处理

确定步骤3.1.1和3.1.2所述的参数后，将模锻件进行固溶处理，完成后进行水冷；

步骤3.2：冷锻

预先将步骤1.3所述的冷锻模具加热至200℃～300℃；模锻件固溶处理后，必须在2h内使用冷锻模具对其完成冷锻变形；冷锻过程中，由于模锻件各个截面高度的不均匀性，只能采用渐进式冷压方法对模锻件进行冷锻变形；即：模锻件垂直高度比较大的地方先接触到模具，然后按照模锻件高度的顺序，冷锻模具上、下型腔面逐渐与模锻件上、下表面全部接触；直至冷锻模具的上下模完全合模后，冷锻结束；

步骤3.3：一次时效

模锻件温度和保温时间要求同步骤3.1.1，模锻件装炉量的确定同步骤3.1.2；模锻件从固溶出炉后至一次时效入炉的时间不能超过2h，在固溶处理时，需要预先将时效炉加热至模锻件材料一次时效工序要求的温度；一次时效处理完成后空冷，完全冷却至室温后再进行二次时效；

步骤3.4：二次时效

模锻件温度和保温时间要求同步骤3.1.1，模锻件装炉量的确定同步骤3.1.2；将模锻件按照选定的温度和保温时间进行二次时效处理后，出炉空冷；

步骤4：理化测试

根据模锻件预先设计的取样图进行取样和加工试样，加工完成后进行理化检验。

步骤5：机械加工

使用数控机床对锻件进行机械加工，加工过程未见翘曲。

2.如如权利要求1所述的模锻件的设计、锻造和热处理方法，其特征在于：步骤1.1所述铝材料的热成型膨胀率为0.6—1.0%。

3.如权利要求1所述的模锻件的设计、锻造和热处理方法，其特征在于：步骤1.2.1.1所述冷锻变形量参数a范围为1%—5%之间的变形量选定值。

4.如权利要求1所述的模锻件的设计、锻造和热处理方法，其特征在于：步骤3.1.3所述的水冷条件为从模锻件出炉至模锻件浸入水中的转移时间不超过30s，模锻件在水中保留时间为15～20min，水温要求为50℃～60℃。

5.如权利要求1所述的模锻件的设计、锻造和热处理方法，其特征在于：步骤1.1所述成型用模具和冷锻模具的材料均为5CrNiMo。