CN107513677B - 一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法，属于贮箱制造技术领域。本发明通过设计一体化淬火、时效热处理工装，使椭球型面贮箱半球壳体与热处理工装紧密配合，减少淬火转移时间，避免淬火时壳体顶部塌陷、周向出现凹坑，减小淬火和时效变形，从而使椭球型面贮箱半球壳体的热处理性能得到保障，同时也保证了壳体后续的加工精度；另外本发明采用浓度为6％～10％的UCON水溶液作为淬火介质且其保持动态流动，在保障壳体冷却速度及均匀性的同时又控制了淬火变形，从而保障了产品精度。

Description

一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法

技术领域

本发明涉及一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法，属于贮箱制造技术领域，所述的大直径是指半球壳体的最大直径不小于Φ1300mm，大模数是指半球壳体的长轴与短轴的比值不小于2。

背景技术

国外通常设计专业的热处理设备来对大型贮箱半球壳体进行热处理，如美国AresI火箭燃料贮箱整体旋压箱底(Φ5500mm)使用专用热处理设备进行喷淋+水淬；国内超大型火箭燃料贮箱箱底(Φ2250mm、Φ3350mm、Φ5000mm)均采用瓜瓣拼焊成形，瓜瓣毛坯壁厚较大，拼焊成形后的箱底加工余量较大，热处理过程中的变形对其后续机加工工序无较大影响，因此不需要对其热处理过程采取特殊措施进行控制。一般采用的淬火介质为水，其成本较低，但水冷可能导致铝合金构件在淬火过程中发生较大变形甚至开裂而直接报废。

液氧贮箱椭球型面半球壳体毛坯采用2219铝合金板材直接旋压成形，壁厚约8～12mm。为提高构件的服役性能，需要对其进行热处理强化，即固溶保温、淬火+时效处理。对于2219铝合金，其具体的热处理制度为：在535±5℃保温90～100min后进行淬火，淬火转移时间不超过15s，然后在165±5℃保温18～24h进行时效，保温结束后空冷处理。椭球型面贮箱半球壳体后续加工余量较小，若无法实现对热处理过程中壳体变形进行控制，则将导致其大端口部严重变形，口部圆度过大，从而严重影响后续的机加工工序；另外，构件为椭球型面且模数较大(模数不小于2)，其结构特点导致壳体在淬火过程中小端口部易发生塌陷、壳体周向易出现凹坑，即发生较大变形而导致构件直接报废。此外，2219铝合金为淬火转移时间敏感合金，淬火转移时间与其热处理后的力学性能密切相关，转移时间一般要求越短越好，否则将导致构件强度急剧下降。另外，大型椭球型面贮箱半球壳体淬火过程中将遭遇较大浮力，若不能使其处于固定状态，则壳体将在淬火过程中快速上浮于淬火介质表面。综上所述，对大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体的热处理过程进行控制至关重要，否则将严重影响构件加工精度及热处理后的力学性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法，该方法能够减缓大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体在热处理过程中的变形，提高其加工精度，同时保障其热处理强化效果。

本发明的解决解决方案是：

一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法，该方法的步骤包括：

步骤(一)，将半球壳体固定安装在热处理模具上；

步骤(二)，将安装在热处理工装上的半球壳体放入热处理炉中进行固溶处理，处理完毕后，将热处理工装和半球壳体吊出沉入淬火介质中，进行淬火处理；

步骤(三)，淬火处理结束后，对热处理工装进行处理；

步骤(四)，将经步骤(三)处理后的工装及安装在其上面的半球壳体放入热处理炉中进行时效处理，处理完毕后，将椭球型面贮箱半球壳体从热处理工装上拆卸，得到经过热处理后的半球壳体。

所述的热处理工装包括底盘、支撑杆、第一撑板、第二撑板、压紧螺栓以及压杆；

所述的底盘上带有一环形凹槽；

所述的第一撑板和第二撑板均为圆板，所述的第一撑板的直径小于第二撑板的直径；

所述的支撑杆的一端固定连接在底盘的上表面的中心位置；所述的支撑杆的另一端依次穿过第二撑板、第一撑板和半球壳体的顶端平面；且支撑杆与第二撑板、第一撑板和半球壳体均为固定连接，支撑杆和半球壳体固定连接时是通过压杆和压紧螺栓实现的；

底盘与第一撑板、第二撑板为平行关系，底盘、第一撑板、第二撑板与支撑杆为垂直关系。

所述的热处理工装的材质为A3钢。

淬火处理时，待处理的椭球型面贮箱半球壳体其大端口部套装在底盘的凹槽内，底盘用于支撑待处理的椭球型面贮箱半球壳体，与支撑杆连接固定在一起的第一撑板和第二撑板支撑待处理椭球型面贮箱半球壳体的内表面，压杆穿过支撑杆以固定待处理椭球型面贮箱半球壳体的小端口部，压紧螺栓穿过支撑杆顶紧压杆，将待处理的椭球型面贮箱半球壳体固定。

底盘的凹槽内径、外径与待处理椭球型面贮箱半球壳体的大端口部内径、外径相匹配，将待处理贮箱半球壳体的大端口部套装在底盘的凹槽内。

第一撑板的直径为450～550mm，第二撑板的直径为800～900mm，第一撑板和第二撑板的距离为100～150mm，第一撑板和第二撑板的边缘均与待处理的椭球型面半球壳体的内型面相应位置完全贴合。

压紧螺栓为六角头螺栓，压杆为长方体，其中压紧螺栓的螺纹长度为38～46mm，拧紧力矩为20～30N·m，压杆的长度为150～200mm。

所述的步骤(二)中，淬火介质为UCON水溶液，其浓度为6％～10％。

所述的步骤(三)中对热处理工装进行处理的方法为：松开压紧螺栓并将压紧螺栓移除热处理工装，将压杆退出支撑杆，其余不做任何处理。

所述的半球壳体的最大直径不小于Φ1300mm，半球壳体的长轴与短轴的比值不小于2。

所述的半球壳体在进行热处理前的成形过程为：

(1)制备旋压模具；

所述的旋压模具包括下面的空心圆柱和上面的空心椭球；空心椭球的顶端为平面，定义圆柱的底端为大端面，顶端平面为小端面；

(2)制备铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上，然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热；

(4)将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状；

步骤(4)完成后再进行热处理。

以该半球壳体的中心作为原点建立坐标系，该半球壳体在XZ方向的半径相等，该半球壳体在XY、YZ方向的半径不相等，且X、Z方向为椭球型面的长轴方向、Y方向为椭球型面的短轴方向，X、Z方向椭球型面的最大直径为椭球长轴、Y方向椭球型面的最大直径为椭球短轴，椭球型面的模数不小于2。

所述的步骤(1)中，所述的旋压模具中空心圆柱的底端带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接，所述的旋压模具中空心椭球的底端外径与圆柱的外径一致，空心椭球的底端内径与圆柱的内径一致，空心椭球的壁厚与圆柱的壁厚一致；空心椭球的外型面与待成形半球壳体毛坯的内型面一致。

所述的步骤(1)中，空心椭球顶端的平面直径为Φ200～250mm；空心椭球的长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形半球壳体相对应的最大直径小4～10mm；所述的旋压模具的内表面带有加强筋。

所述的步骤(2)中，制备铝合金圆板的方法为：从规格为2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1400～1600mm的铝合金圆板。

所述的步骤(3)中，利用旋压设备的尾顶将铝合金圆板固定到旋压模具上时使铝合金圆板的圆心与旋压模具的顶端平面的中心重合，且铝合金圆板与旋压模具的顶端平面紧密贴合；旋压模具的加热温度为80～150℃，铝合金圆板的加热温度为180～230℃。

所述的步骤(4)中，将铝合金圆板旋压至预设形状的过程为：旋压过程中先从尾顶边缘处即小端面的边缘进行第一阶段普通旋压，使铝合金圆板沿旋压模具大端面方向具有设定的压窝量，经2～3道次普通旋压旋至铝合金圆板与旋压模具轴线夹角α呈70～80°时第一阶段普通旋压结束，然后进行强力旋压，强力旋压后再进行第二阶段普通旋压，循环强力旋压和第二阶段普通旋压6～8道次至铝合金圆板与旋压模具完全贴合。

在旋压过程中，当铝合金圆板旋至与待成形椭球型面半球壳体长轴的法向高度为50～150mm区域时调整旋压模具和铝合金圆板之间的间隙，使该间隙为12～15mm。

旋压过程中，全旋程的加热温度为300～370℃；旋压模具转速为30～60r/min；普通旋压时旋轮进给比f＝2.1～3.6，强力旋压时旋轮进给比f＝1.3～1.8，旋压时单道次减薄率为10％～15％；旋轮圆角半径R为16～20mm。

最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴法向高度150～180mm区域时停止加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压；在最后1道次旋压结束前，设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明针对大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体的结构特点，设计了一体化的淬火、时效热处理工装，采用底盘+支撑杆+撑板+压紧螺栓的结构设计，使得贮箱半球壳体与一体化热处理工装匹配良好，避免淬火时壳体顶部发生塌陷、周向出现凹坑，减小了淬火变形，降低了淬火转移时间，同时防止半球壳体由于淬火介质的浮力而导致其快速漂浮于淬火介质表面，从而使椭球型面贮箱半球壳体的热处理性能得到了保障，同时也保证了壳体后续的加工精度；淬火处理结束后将一体化热处理工装的压紧螺栓拆卸，然后进行时效处理，保证了椭球型面贮箱半球壳体与一体化热处理工装的紧密配合，减小时效变形。

(2)本发明一体化的淬火、时效热处理工装中，底盘有一凹槽形的结构设计，使得贮箱半球壳体可快速装卡于工装上，操作过程简单、高效，适宜于批量进行热处理，且热处理过程中由于工装和构件材质的热膨胀系数差异可实现对大端口部圆度进行校正的目的。

(3)本发明一体化的淬火、时效热处理工装中包含2块圆形撑板，其目的是保障贮箱半球壳体在热处理过程中的型面轮廓，避免壳体顶部发生塌陷、周向出现凹坑，从而保障贮箱半球壳体的加工精度。

(4)本发明一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形方法工序简单，具有较强的可操作性和实用性。

(5)本发明涉及一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法，针对大型、大模数椭球型面贮箱半球壳体的结构特点，为了减缓其热处理变形问题而设计了特殊的一体化淬火、时效热处理工装，采用底盘+支承杆+撑板+压紧螺栓(时效时拆除压紧螺栓)的结构设计，可以使椭球型面贮箱半球壳体与热处理工装紧密配合，减少淬火转移时间，避免淬火时壳体顶部塌陷、周向出现凹坑，减小淬火和时效变形，从而使椭球型面贮箱半球壳体的热处理性能得到保障，同时也保证了壳体后续的加工精度；另外本发明采用浓度为6％～10％的UCON水溶液作为淬火介质且其保持动态流动，在保障壳体冷却速度及均匀性的同时又控制了淬火变形，从而保障了产品精度。

附图说明

图1本发明的椭球结构及坐标系示意图；

图2a本发明的旋压模具结构大端面和小端面的示意图；

图2b为本发明的旋压模具的垭口示意图；

图3本发明的铝合金圆板固定到旋压模具的示意图；

图4a本发明的旋压过程中普通旋压的示意图；

图4b本发明的旋压过程中强力旋压的示意图；

图5本发明的旋压过程中旋压过程结束时铝合金圆板与旋压模具完全贴合的示意图；

图6为热处理工装外部形貌；

图7为热处理工装内部形貌。

具体实施方式

一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法，包括如下步骤：

步骤(一)将半球壳体固定安装在一体化淬火、时效热处理模具上，具体为：

所述的一体化淬火、时效热处理工装包括底盘1、支撑杆2、第一撑板3、第二撑板4、压紧螺栓5以及压杆7，上述构件的材质均为A3钢；

所述的底盘1上带有一环形凹槽；

所述的第一撑板3和第二撑板4均为圆板，所述的第一撑板3的直径小于第二撑板4的直径；

所述的支撑杆2的一端固定连接在底盘1的上表面的中心位置；所述的支撑杆2的另一端依次穿过第二撑板4、第一撑板3和半球壳体6的顶端平面；且支撑杆2与第二撑板4、第一撑板3和半球壳体6均为固定连接，支撑杆2和半球壳体6固定连接时是通过压杆7和压紧螺栓5实现的；

底盘1与第一撑板3、第二撑板4为平行关系，底盘1、第一撑板3、第二撑板4与支撑杆2为垂直关系；

淬火处理时，待处理的椭球型面贮箱半球壳体6其大端口部套装在底盘1的凹槽内，底盘1用于支撑待处理的椭球型面贮箱半球壳体6，与支撑杆2连接固定在一起的撑板3和4支撑待处理椭球型面贮箱半球壳体6的内表面，压杆7穿过支撑杆2以固定待处理椭球型面贮箱半球壳体6的小端口部，压紧螺栓5穿过支撑杆2顶紧压杆7，将待处理的椭球型面贮箱半球壳体6固定。

底盘1的凹槽内径、外径与待处理椭球型面贮箱半球壳体6的大端口部内径、外径相匹配，将待处理贮箱半球壳体6的大端口部套装在底盘1的凹槽内，主要作用是在固溶加热、保温过程中由于构件与工装材质热膨胀系数差异获得口部校圆目的，同时防止贮箱半球壳体6的大端口部在淬火处理过程中发生大幅变形、保障半球壳体6的大端口部圆度，提高其后续加工精度。本发明中大直径、大模数椭球型面贮箱直径在Ф1400mm以上。

撑板3和4固定在支撑杆2上，其中撑板3的直径为450～550mm，撑板4的直径为800～900mm，撑板3和4均平行于底盘1、垂直于支撑杆2且2块撑板之间的距离为100～150mm，另外撑板3和4的边缘均与待处理的椭球型面贮箱壳体6的内型面相应位置完全贴合。由于大模数椭球型面贮箱半球壳体的结构特点是其在垂直于地面的轴向被大幅压缩，因此淬火处理过程中壳体易出现顶部和周向凹陷，因此撑板3和4的主要作用是避免或减小椭球型面贮箱半球壳体6在淬火过程中发生顶部塌陷、周向出现凹坑，保障其后续的加工精度。

压紧螺栓5为六角头螺栓，压杆7为长方体，其中压紧螺栓5的螺纹长度为38～46mm，拧紧力矩为20～30N·m，压杆7的长度为150～200mm。由于椭球型面贮箱半球壳体6在淬火过程中将遭遇较大浮力，若无法实现对半球壳体进行固定，则其在淬火过程中将由于浮力主要而快速上浮于介质表面，影响淬火效果，因此压紧螺栓5和压杆7的主要作用是防止椭球型面贮箱半球壳体6在淬火过程中发生快速上浮，同时提高了热处理系统的整体刚度，有助于降低淬火转移时间，从而保障了热处理后贮箱半球壳体的力学性能。

本发明采用UCON水溶液作为淬火介质，可以克服水淬由于冷却速快过快而导致壳体变形较大的问题。UCON水溶液淬火介质具有无烟、无腐蚀、不着火、环保绿色和冷却速度可在水和中速油之间可调的突出优点，而且对加热零件表面有良好的润湿性。UCON水溶液淬火介质浓度越低其冷却速度越快，经综合考虑后，本发明确定了UCON淬火水溶液介质浓度为6％～10％较为适宜，同时保持其处于动态流动状态已优化淬火效果。

时效处理时，将一体化的淬火、时效热处理工装进行小幅处理，具体为：松开压紧螺栓5并将其移除一体化热处理工装，将压杆7退出支撑杆2，其余不做任何处理，从而保障椭球型面贮箱半球壳体6与一体化热处理工装的紧密配合，减小时效变形，提高其后续的加工精度。

步骤(二)、将安装在一体化淬火、时效热处理工装上的待处理椭球型面贮箱半球壳体放入热处理炉中进行固溶处理，处理完毕后，迅速将一体化淬火、时效热处理工装和待淬火处理的椭球型面贮箱半球壳体吊出沉入淬火介质中；

步骤(三)、淬火处理结束后，对一体化淬火、时效热处理工装进行小幅处理，具体为：松开压紧螺栓并将压紧螺栓移除淬火处理工装，将压杆退出支撑杆，其余不做任何处理；

步骤(四)、将经步骤(三)处理后的工装及安装在其上面的待处理椭球型面贮箱半球壳体放入热处理炉中进行时效处理，处理完毕后，将椭球型面贮箱半球壳体从工装上拆卸。

在上述一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法中，一体化淬火、时效热处理工装底盘上有一环形凹槽。

在上述一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法中，在支撑杆上连接固定2块撑板，撑板的直径随轴向高度增加而减小且其均垂直于支撑杆并平行于底盘，撑板的边缘均与待处理的椭球型面贮箱壳体的内型面相应位置完全贴合。

在上述一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法中，压紧螺栓为六角头螺栓，压杆为长方体。

在上述一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法中，2块撑板的直径分别为450～550mm、800～900mm。

在上述一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法中，压紧螺栓的螺纹长度为38～46mm，其拧紧力矩为20～30N·m，压杆的长度为150～200mm。

在上述一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法中，步骤(二)中的淬火介质为浓度6％～10％的UCON水溶液且其保持动态流动。

在上述一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法中，支撑杆固定在底盘上，2块撑板均固定连接在支撑杆上。

在上述一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法中，淬火处理工装的原材料为A3钢。

一种大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体热处理变形控制方法，包括如下步骤：

步骤一、将大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体固定安装在一体化淬火、时效热处理工装上，具体为：所述一体化淬火、时效热处理工装包括底盘1、支撑杆2、第一撑板3和第二撑板4以及压紧螺栓5，其中底盘1上有一环形凹槽，待处理的椭球型面贮箱半球壳体6大端口部套装在底盘1的凹槽上，与支撑杆2连接固定在一起的第一撑板3和第二撑板4支撑待处理椭球型面贮箱半球壳体6的内表面，压杆7穿过支撑杆2固定待处理椭球型面贮箱半球壳体6的小端口部，压紧螺栓5穿过支撑杆2顶紧压杆7，将待处理的椭球型面贮箱半球壳体6固定；

步骤二、将安装在一体化淬火、时效热处理工装上的待处理椭球型面贮箱半球壳体6放入热处理炉中进行固溶处理，处理完毕后，迅速将一体化淬火、时效热处理工装和待淬火处理的椭球型面贮箱半球壳体6吊出沉入淬火介质中；

步骤三、淬火处理结束后，对一体化淬火、时效热处理工装进行小幅处理，具体为：松开压紧螺栓5并将其移除一体化热处理工装，将压杆7退出支撑杆2，其余不做任何处理；

步骤四、将经步骤三处理后的工装及安装在其上面的待处理椭球型面贮箱半球壳体6放入热处理炉中进行时效处理，处理完毕后，将椭球型面贮箱半球壳体6从工装上拆卸。

所述一体化淬火、时效热处理工装的底盘1上有一环形凹槽。

所述支撑杆2上连接固定第一撑板3和第二撑板4，第二撑板4位于第一撑板3下方且第二撑板4的直径大于第一撑板3，另外第一撑板3和第二撑板4均垂直于支撑杆2、平行于底盘1，第一撑板3和第二撑板4的边缘均与待处理的椭球型面贮箱壳体6的内型面相应位置完全贴合。

所述压紧螺栓5为六角头螺栓，压杆7为长方体。

所述第一撑板3的直径为450～550mm、第二撑板4的直径为800～900mm。

所述压紧螺栓5的螺纹长度为38～46mm，其拧紧力矩为20～30N·m，压杆7的长度为150～200mm。

所述步骤二中的淬火介质为浓度6％～10％的UCON水溶液且其保持动态流动。

所述支撑杆2固定在底盘1上，第一撑板3和第二撑板4固定连接在支撑杆2上。

所述一体化淬火、时效热处理工装的原材料为A3钢。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图6和图7所示，一体化淬火、时效热处理工装结构示意图，从图中可以看出一体化淬火、时效热处理工装包括底盘1、支撑杆2、第一撑板3和第二撑板4、压紧螺栓5以及压杆7，其中底盘1上有一凹槽，上述构件的材质均为A3钢。

淬火处理时，待处理的椭球型面贮箱半球壳体6其大端口部套装在底盘1的凹槽内，与支撑杆2连接固定在一起的第一撑板3和第二撑板4支撑待处理椭球型面贮箱半球壳体6的内表面，压杆7穿过支撑杆2以固定待处理椭球型面贮箱半球壳体6的小端口部，压紧螺栓5穿过支撑杆2顶紧压杆7，将待处理的椭球型面贮箱半球壳体6固定。

底盘1中有一环形凹槽，凹槽的内径和外径分别与待处理椭球型面贮箱半球壳体6的大端口部内径和外径相匹配，将待处理贮箱半球壳体6的大端口部套装在凹槽内，主要作用是在固溶加热、保温过程中由于构件与工装材质热膨胀系数差异获得口部校圆目的，同时防止贮箱半球壳体6的大端口部在淬火处理过程中发生大幅变形、保障半球壳体6的大端口部圆度，提高其后续加工精度。本发明中大直径、大模数椭球型面贮箱直径在Ф1400mm以上。

第一撑板3和第二撑板4固定在支撑杆2上，其中第一撑板3的直径为450～550mm，第二撑板4的直径为800～900mm，第一撑板3和第二撑板4均平行于底盘1、垂直于支撑杆2且2块撑板之间的距离为100～150mm，另外第一撑板3和第二撑板4的边缘均与待处理的椭球型面贮箱壳体6的内型面相应位置完全贴合。由于大模数椭球型面贮箱半球壳体的结构特点是其在垂直于地面的轴向被大幅压缩，因此淬火处理过程中壳体易出现顶部和周向凹陷，因此第一撑板3和第二撑板4的主要作用是避免或减小椭球型面贮箱半球壳体6在淬火过程中发生顶部塌陷、周向出现凹坑，保障其后续的加工精度。

压紧螺栓5为六角头螺栓，压杆7为长方体，其中压紧螺栓5的螺纹长度为38～46mm，拧紧力矩为20～30N·m，压杆7的长度为150～200mm。由于椭球型面贮箱半球壳体6在淬火过程中将遭遇较大浮力，若无法实现对半球壳体进行固定，则其在淬火过程中将由于浮力主要而快速上浮于介质表面，影响淬火效果，因此压紧螺栓5和压杆7的主要作用是防止椭球型面贮箱半球壳体6在淬火过程中发生快速上浮，同时提高了热处理系统的整体刚度，有助于降低淬火转移时间，从而保障了热处理后贮箱半球壳体的力学性能。

本发明采用UCON水溶液作为淬火介质，可以克服水淬由于冷却速快过快而导致壳体变形较大的问题。UCON水溶液淬火介质具有无烟、无腐蚀、不着火、环保绿色和冷却速度可在水和中速油之间可调的突出优点，而且对加热零件表面有良好的润湿性。UCON水溶液淬火介质浓度越低其冷却速度越快，经综合考虑后，本发明确定了UCON淬火水溶液介质浓度为6％～10％较为适宜，同时保持其处于动态流动状态已优化淬火效果。

时效处理时，将一体化的淬火、时效热处理工装进行小幅处理，具体为：松开压紧螺栓5并将其移除一体化热处理工装，将压杆7退出支撑杆2，其余不做任何处理，从而保障椭球型面贮箱半球壳体6与一体化热处理工装的紧密配合，减小时效变形，提高其后续的加工精度。

实施例1

本实施例中椭球型面贮箱半球壳体为2219铝合金，椭球模数为2，2219铝合金板材经旋压后成形为椭球型面半球状的毛坯，内径为Ф1399～1400mm，壁厚为7～13mm。以下为热处理变形控制方法的具体过程：

步骤(一)、将2219铝合金椭球型面贮箱半球壳体固定安装在一体化淬火、时效热处理工装上；

步骤(二)、将安装在一体化淬火、时效热处理工装上的大直径、大模数椭球型面贮箱半球壳体6放入热处理炉中进行固溶处理，在535±5℃保温100min，处理完毕后，迅速将一体化淬火、时效热处理工装和椭球型面贮箱半球壳体6吊出沉入淬火介质中，淬火转移时间不超过15s，淬火后介质温度不得超过30℃且淬火介质一直保持动态流动。

本实施例中第一撑板3和第二撑板4的直径分别为500mm和900mm，且两者之间相距59mm，压紧螺栓5的螺纹长度为46mm，拧紧力矩为25N·m，压杆7的长度为200mm。另外，一体化淬火、时效热处理工装的材质均为A3钢。

步骤(三)、淬火完毕后，松开压紧螺栓5并将其移除一体化热处理工装，将压杆7退出支撑杆2。

步骤(四)、将安装在一体化热处理工装上的椭球型面贮箱半球壳体6放入热处理炉中进行时效处理，在165±5℃保温18h，空冷。处理完毕后，将椭球型面贮箱半球壳体6从一体化热处理工装上拆卸。

本实施例中处理后的椭球型面贮箱半球壳体6口部圆度控制在1mm以内，其抗拉强度在450MPa以上，保证了构件的热处理性能和尺寸精度。

该半球壳体在进行热处理前的成形方法为：

以该半球壳体的中心作为原点建立坐标系，该半球壳体在XZ方向的半径相等，该半球壳体在XY、YZ方向的半径不相等，如附图1所示，且X、Z方向为椭球型面的长轴方向、Y方向为椭球型面的短轴方向，另外，X、Z方向椭球型面的最大直径为椭球长轴、Y方向椭球型面的最大直径为椭球短轴，椭球长轴与短轴的比值即为其模数，椭球型面的模数不小于2。

该方法的步骤包括：

(1)制备旋压模具；

所述的旋压模具为包括下面的空心圆柱和上面的空心椭球；圆柱的底端带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接，空心椭球的底端外径与圆柱的外径一致，空心椭球的底端内径与圆柱的内径一致，空心椭球的壁厚与圆柱的壁厚一致；空心椭球的外型面与待成形半球壳体毛坯的内型面一致；

空心椭球的顶端为平面，空心椭球顶端平面的直径为Φ200～250mm；

空心椭球的长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形半球壳体相对应的最大直径小4～10mm；

所述的旋压模具的内表面带有加强筋；

定义圆柱的底端为大端面，顶端平面为小端面，如附图2a和图2b所示；

(2)准备旋压坯料，从规格为2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1400～1600mm的铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上，即使铝合金圆板的圆心与旋压模具的顶端平面的中心重合，且铝合金圆板与旋压模具的顶端平面紧密贴合；然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热，旋压模具的加热温度为80～150℃，铝合金圆板的加热温度为180～230℃；

(4)开始旋压；

将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状，即待成形半球壳体毛坯的内型面与旋压模具的外型面完全贴合；

具体旋压过程为：旋压过程中先从尾顶边缘处(即小端面的边缘)进行第一阶段普通旋压，使铝合金圆板沿旋压模具大端面方向具有设定的压窝量，经2～3道次普通旋压旋至铝合金圆板与旋压模具轴线(等同于Y轴)夹角α呈70～80°时第一阶段普通旋压结束，如附图4a所示；然后进行强力旋压，强力旋压后再进行第二阶段普通旋压，如附图4b所示，循环强力旋压-第二阶段普通旋压6～8道次至铝合金圆板与旋压模具完全贴合，如附图5所示。其中，当铝合金圆板旋至与待成形椭球型面半球壳体长轴(X轴或Z轴)的法向高度为50～150mm区域时(如附图5中圆圈标记位置所示)调整旋压模具和铝合金圆板之间的间隙，使该间隙为12～15mm，即使此区域获得局部增厚效果。上述局部增厚效果内涵如下：根据旋压规律此位置的理论壁厚应为a值，但实际旋压过程中将此位置的间隙放大为b值，其中b＝1.1～1.2a，即此位置相对于理论壁厚值实现了局部增厚效果。

旋压过程中，全旋程的加热温度为300～370℃；旋压模具转速为30～60r/min；普通旋压时旋轮进给比f＝2.1～3.6，强力旋压时旋轮进给比f＝1.3～1.8，旋压时单道次减薄率为10％～15％；旋轮圆角半径R为16～20mm。特别地，最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴(X轴或Z轴)法向高度150～180mm区域时停止加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压；另外，在最后1道次旋压结束前，设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边，如附图5箭头所示；

(5)热处理，卸下通过步骤(4)成形的铝合金旋压件，并对其进行T6(淬火+时效)热处理。

(6)机械加工，将经过步骤(5)后的铝合金旋压件进行机械加工，最终成为椭球型面铝合金贮箱半球壳体。

半球壳体原材料为2219铝合金，半球壳体模数为2，长轴方向最大内径为Ф1339～1340mm，壁厚为以下为整体精密成形的具体过程：

(1)制造旋压模具，所制作的旋压模具为椭球型面半球壳体+直线段，其长轴方向、短轴方向的最大直径分别为Φ1336mm、Φ664mm，另外，旋压模具为空心、内部带有加强筋结构且外部带有Φ200～250mm平底小端面的模具，如图2a和图2b所示。

(2)准备旋压坯料，利用体积不变原理计算旋压坯料规格并从2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1550mm的铝合金圆板，圆板的厚度为16mm。

(3)利用旋压设备的尾顶22、将2219铝合金圆板33固定到旋压模具11上并对旋压模具11和铝合金圆板33进行预热，如图3所示，加热方式为氧-乙炔喷枪加热，加热时间为15～20min，直至将旋压模具11加热至120℃、将铝合金圆板33加热至215℃为止。

(4)开始按照设定程序进行旋压，主轴转速为40r/min，旋压模具11和板坯3上都涂抹MoS₂润滑，如附图4a、4b所示，旋压第一道次是从尾顶22边缘处进行第一阶段热普旋，经2～3道次旋压、旋至铝合金圆板33与轴线夹角α呈75°时第一阶段普旋结束，再经8道次交替进行的热强旋-热普旋至板坯3完全贴模，其中，当旋至构件型面距椭球长轴高度50～150mm区域时调整间隙，使此区域获得局部增厚效果，道次减薄率：15％，其中在旋压至距大端面口部25mm时，可设置旋轮提前旋出，使口部形成一段法兰翻边，普旋时旋轮进给比：f＝3，强旋时旋轮进给比：f＝1.5。

(5)最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴高度160mm时停止加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压，如附图5所示。旋压结束后，退出尾顶22，卸下旋压工件44。成形后的椭球壳体内型面与理论型面样板单边间隙小于0.2mm，壁厚差小于0.2mm。

之后再按照上述的热处理过程进行热处理，然后将旋压工件44进行机械加工，得到产品。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法，其特征在于该方法的步骤包括：

步骤(一)，将半球壳体固定安装在热处理模具上；

步骤(二)，将安装在热处理工装上的半球壳体放入热处理炉中进行固溶处理，处理完毕后，将热处理工装和半球壳体吊出沉入淬火介质中，进行淬火处理；

步骤(三)，淬火处理结束后，对热处理工装进行处理；

对热处理工装进行处理的方法为：松开压紧螺栓并将压紧螺栓移除热处理工装，将压杆退出支撑杆，其余不做任何处理；

步骤(四)，将经步骤(三)处理后的工装及安装在其上面的半球壳体放入热处理炉中进行时效处理，处理完毕后，将椭球型面贮箱半球壳体从热处理工装上拆卸，得到经过热处理后的半球壳体；

所述的热处理工装包括底盘(1)、支撑杆(2)、第一撑板(3)、第二撑板(4)、压紧螺栓(5)以及压杆(7)；

所述的底盘(1)上带有一环形凹槽；

所述的第一撑板(3)和第二撑板(4)均为圆板，所述的第一撑板(3)的直径小于第二撑板(4)的直径；

所述的支撑杆(2)的一端固定连接在底盘(1)的上表面的中心位置；所述的支撑杆(2)的另一端依次穿过第二撑板(4)、第一撑板(3)和半球壳体(6)的顶端平面；且支撑杆(2)与第二撑板(4)、第一撑板(3)和半球壳体(6)均为固定连接，支撑杆(2)和半球壳体(6)固定连接时是通过压杆(7)和压紧螺栓(5)实现的；

底盘(1)与第一撑板(3)、第二撑板(4)为平行关系，底盘(1)、第一撑板(3)、第二撑板(4)与支撑杆(2)为垂直关系。

2.根据权利要求1所述的一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法，其特征在于：所述的热处理工装的材质为A3钢。

3.根据权利要求1所述的一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法，其特征在于：淬火处理时，待处理的椭球型面贮箱半球壳体(6)其大端口部套装在底盘(1)的凹槽内，底盘(1)用于支撑待处理的椭球型面贮箱半球壳体(6)，与支撑杆(2)连接固定在一起的第一撑板(3)和第二撑板(4)支撑待处理椭球型面贮箱半球壳体(6)的内表面，压杆(7)穿过支撑杆(2)以固定待处理椭球型面贮箱半球壳体(6)的小端口部，压紧螺栓(5)穿过支撑杆(2)顶紧压杆(7)，将待处理的椭球型面贮箱半球壳体(6)固定。

4.根据权利要求1所述的一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法，其特征在于：底盘(1)的凹槽内径、外径与待处理椭球型面贮箱半球壳体(6)的大端口部内径、外径相匹配，将待处理贮箱半球壳体(6)的大端口部套装在底盘(1)的凹槽内。

5.根据权利要求1所述的一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法，其特征在于：第一撑板(3)的直径为450～550mm，第二撑板(4)的直径为800～900mm，第一撑板(3)和第二撑板(4)的距离为100～150mm，第一撑板(3)和第二撑板(4)的边缘均与待处理的椭球型面半球壳体(6)的内型面相应位置完全贴合；

压紧螺栓(5)为六角头螺栓，压杆(7)为长方体，其中压紧螺栓(5)的螺纹长度为38～46mm，拧紧力矩为20～30N·m，压杆(7)的长度为150～200mm。

6.根据权利要求1所述的一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法，其特征在于：所述的步骤(二)中，淬火介质为UCON水溶液，其浓度为6％～10％；所述的半球壳体的最大直径不小于Φ1300mm，半球壳体的长轴与短轴的比值不小于2。

7.根据权利要求1所述的一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法，其特征在于：所述的半球壳体在进行热处理前的成形方法为：

(1)制备旋压模具；

所述的旋压模具包括下面的空心圆柱和上面的空心椭球；空心椭球的顶端为平面，定义圆柱的底端为大端面，顶端平面为小端面；

(2)制备铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上，然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热；

(4)将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状。

8.根据权利要求7所述的一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法，其特征在于：

以该半球壳体的中心作为原点建立坐标系，该半球壳体在XZ方向的半径相等，该半球壳体在XY、YZ方向的半径不相等，且X、Z方向为椭球型面的长轴方向、Y方向为椭球型面的短轴方向，X、Z方向椭球型面的最大直径为椭球长轴、Y方向椭球型面的最大直径为椭球短轴，椭球型面的模数不小于2；

所述的步骤(1)中，所述的旋压模具中空心圆柱的底端带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接，所述的旋压模具中空心椭球的底端外径与圆柱的外径一致，空心椭球的底端内径与圆柱的内径一致，空心椭球的壁厚与圆柱的壁厚一致；空心椭球的外型面与待成形半球壳体毛坯的内型面一致；

所述的步骤(1)中，空心椭球顶端的平面直径为Φ200～250mm；空心椭球的长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形半球壳体相对应的最大直径小4～10mm；所述的旋压模具的内表面带有加强筋；

所述的步骤(2)中，制备铝合金圆板的方法为：从规格为2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1400～1600mm的铝合金圆板；

所述的步骤(3)中，利用旋压设备的尾顶将铝合金圆板固定到旋压模具上时使铝合金圆板的圆心与旋压模具的顶端平面的中心重合，且铝合金圆板与旋压模具的顶端平面紧密贴合；旋压模具的加热温度为80～150℃，铝合金圆板的加热温度为180～230℃。

9.根据权利要求7所述的一种椭球型面贮箱铝合金半球壳体热处理变形控制方法，其特征在于：

所述的步骤(4)中，将铝合金圆板旋压至预设形状的过程为：旋压过程中先从尾顶边缘处即小端面的边缘进行第一阶段普通旋压，使铝合金圆板沿旋压模具大端面方向具有设定的压窝量，经2～3道次普通旋压旋至铝合金圆板与旋压模具轴线夹角α呈70～80°时第一阶段普通旋压结束，然后进行强力旋压，强力旋压后再进行第二阶段普通旋压，循环强力旋压和第二阶段普通旋压6～8道次至铝合金圆板与旋压模具完全贴合；

在旋压过程中，当铝合金圆板旋至与待成形椭球型面半球壳体长轴的法向高度为50～150mm区域时调整旋压模具和铝合金圆板之间的间隙，使该间隙为12～15mm；

旋压过程中，全旋程的加热温度为300～370℃；旋压模具转速为30～60r/min；普通旋压时旋轮进给比f＝2.1～3.6，强力旋压时旋轮进给比f＝1.3～1.8，旋压时单道次减薄率为10％～15％；旋轮圆角半径R为16～20mm；

最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴法向高度150～180mm区域时停止加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压；在最后1道次旋压结束前，设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边。