CN108161345A - 一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，通过对粗加工零件结构的优化及后续的热处理参数优化，大幅度减小了应力集中水平，有效防止了7055铝合金零件在粗加工后淬火时出现变形和开裂；通过对热处理工艺及机加工工序和参数进行全流程控制，有效减小了复杂零件的加工变形，提高了零件的加工效率及合格率。

Description

一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法

技术领域

本发明涉及一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，属于有色金属加工工艺领域。

背景技术

有色金属材料因其轻质和较好的综合性能，在航天运载器中得到了广泛应用，为大承载，高可靠、高费效比主承力结构件的研制起到了关键作用。虽然复合材料在航天运载器上的使用比例逐年增加，但是在液体运载火箭主体结构材料仍以金属材料为主，其中有色金属材料占90％以上，铝合金则占到80％。先进的铝合金作为运载火箭主体结构材料实现了结构减重，提高运载火箭起飞推重比。

高强度7055铝合金作为迄今工程化使用的最高强度的铝合金材料，在航天运载器上具有广泛的应用前景。7055铝合金属可热处理强化的7XXX系(Al-Zn-Mg-Cu)铝合金，具有比强度高、塑性好、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天领域。7055合金元素含量较高，采用半连续铸造工艺生产的7055铝合金，存在成分偏析、晶粒粗大、组织缺陷等问题，制约了材料的工程应用。喷射成形技术具有组织致密度高，晶粒细小均匀，能够抑制偏析等优点，可获得性能优良的合金，并且加工流程短，成本低、流程短、经济效益好，环境污染少，能够在工业大型生产中应用。使用7055合金能显著减轻结构的质量，在要求抗压强度高、耐腐蚀性能好的各种场合，有着大量的应用。目前美国已将7055铝合金板材成功应用于波音777飞机上翼结构，将型材和锻件应用于龙骨架、行李轨道和座椅轨道结构；国内在某战略型号导弹主承力结构件上也应用了7055铝合金材料，取代了部分传统铝合金和钛合金产品。

作为热处理强化型铝合金，7055合金需经过固溶时效处理以达到所需的力学性能。7055合金峰时效(T6态)虽然强度较高(抗拉强度可达700MPa以上)，但材料的残余应力水平较高，应力腐蚀敏感性大，在实际复杂工况条件下容易产生开裂。采用双级时效处理工艺(T76、T74、T73等)可降低材料的应力水平，提高抗应力腐蚀性能。随着二级时效时间的延长，虽然材料的强度逐渐降低，但抗应力腐蚀性能得到提高，残余应力水平也逐渐降低。

在航天工业领域，如果继续采用传统铝合金(2A14、7075)加工生产结构件，就已无法满足新型号的战术指标要求，因此必须使用比强度更高的材料实现结构减重。国外7055合金多加工成T7751状态的厚板和T7751状态的挤压件。使用7055合金能显著减轻结构的质量，在要求抗压强度高、耐腐蚀性能好的各种场合，有着大量的应用。目前美国已将7055铝合金板材成功应用于波音777飞机上翼结构，将型材和锻件应用于龙骨架、行李轨道和座椅轨道结构；国内在某些固体导弹发动机燃烧室壳体、喷管等结构中也应用了7055铝合金。

7055铝合金中合金元素含量高，溶质元素易脱溶析出形成平衡相，材料具有较强的淬火敏感性。航天产品零件所用原材料规格较厚，要保证淬透性和产品性能均匀，产品采取将零件粗加工至一定尺寸后，再进行固溶时效热处理的工艺方法，一般采用的淬火介质为室温水。但是在淬火过程中，由于零件自身结构和淬火应力的存在，水冷可能导致铝合金零件在淬火过程中发生较大变形甚至开裂而直接报废。7055合金由于元素含量高、残余应力大，更容易出现开裂现象。另外，残余应力对零件后续机加工也有较大的影响。因此，对7055合金复杂结构零件的热处理及机加工过程进行控制至关重要。

超高强7055合金元素含量高，强度高，复杂零件淬火和机加工过程中的应力较大，容易引起变形甚至开裂，对于薄壁带加强筋型的零件，在薄壁结构处的应力加大，刚性也较差，容易导致在装卡及加工过程中产生变形。其加工制造方法与普通铝合金相比，在加工流程、工艺参数和热处理等各方面的工艺及性能上存在明显差异。对加工流程路线的安排、加工参数的选择、刀具类型等提出了更高要求。

7055零件生产所用原材料为喷射沉积制坯后挤压成形，材料的强度高，应力大。产品加工过程中的变形倾向性强，容易导致零件变形或尺寸超差。另外，粗加工零件的表面质量、结构状态对热处理成品率也有很大的影响。结构复杂的零件，对尺寸精度要求较高，部分尺寸加工难度较大，如果加工工序或机加工参数选择不合理，也极易导致零件变形，造成产品报废。

发明内容

本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，防止7055铝合金复杂结构零件热处理开裂和机加工变形，提高产品合格率。

本发明的技术解决方案：

一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，具体步骤为：

(1)对淬火前的零件随形粗加工，粗加工每道次进刀量为0.1-1mm，粗加工主轴转速为3000-6000r/min，粗加工进给速度为1-2m/min，单边加工余量保持在1.5-3mm，表面粗糙度为3.2-6.3μm，将零件所有内外直角加工为圆角，变截面区域保证圆滑过渡；

(2)对粗加工零件双级固溶热处理：以150-280℃/h的升温速率随炉升温至440℃-460℃，保温1-4h，再以30-60℃/h的升温速率继续随炉升温至460℃-480℃，保温1-4h，完成后采用温度为50℃-70℃的水淬火，淬火时固定零件于料框上，保证各个零件间间距不小于5cm，零件的入水方向与材料主应力方向一致，转移时间小于15s，淬火完成后，淬火水温上升不超过5℃；

(3)双级时效处理：在双级固溶处理后4小时内，以80℃-150℃/h的升温速率随炉升温至110℃-130℃，保温6-10h，再以20-60℃/h的升温速率继续随炉升温至150℃-170℃，保温10-14h，完成后空冷至室温；

(4)对热处理后的粗加工零件进行半精加工：半精加工每道次进刀量0.2-0.5mm，精加工主轴转速8000-10000r/min，精加工进给速度为2.5-3.5m/min，表面粗糙度为1.6-3.2μm，单边加工余量保持在1-1.5mm；

(5)对半精加工后的零件进行去应力处理：以50-100℃/h的升温速率随炉升温至110℃-140℃，保温6-10h；

(6)对去应力热处理后的零件进行精加工：精加工每道次进刀量0.2-0.5mm，精加工主轴转速8000-10000r/min，精加工进给速度为2.5-3.5m/min，表面粗糙度为1.6-3.2μm，得到最终零件。

若零件结构非对称，对淬火前的零件粗加工成镜像对称结构。

热处理炉温的均匀性要求为±3℃。

零件粗加工时的最后阶段，采用球头铣刀，转速为5000-6000r/min，进给速度为1.5-2m/min，进刀量为0.2-0.3mm。

双级固溶热处理：以200℃-240℃/h的升温速率随炉升温至450℃-455℃，保温2-3h，再以40-50℃/h的升温速率继续随炉升温至470℃-477℃，保温2-3h，完成后采用温度为60℃-70℃的水淬火，淬火时固定零件于料框上，保证各个零件间间距不小于5cm，零件的入水方向与材料主应力方向一致，转移时间小于15s，淬火完成后，淬火水温上升不超过5℃。

双级时效处理：在双级固溶处理后1小时内，以100℃-120℃/h的升温速率随炉升温至115℃-125℃，保温8-10h，再以30-50℃/h的升温速率继续随炉升温至155℃-165℃，保温12-14h，完成后空冷至室温。

双级固溶处理中，二级的固溶温度选择477℃，双级时效中的二级时效温度选择155℃，使材料纵向的抗拉强度不低于630MPa。

粗加工时，粗加工每道次进刀量为0.5-0.8mm，粗加工主轴转速为5000-6000r/min，粗加工进给速度为1.5-2m/min，单边加工余量保持在2-2.5mm，表面粗糙度不高于3.2μm。

精加工时，精加工每道次进刀量0.2-0.3mm，精加工主轴转速9000-10000r/min，精加工进给速度为3-3.5m/min，表面粗糙度为不高于1.6μm，得到最终零件。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过对粗加工零件结构的优化及后续的热处理工艺优化，大幅度减小了应力集中水平，有效防止了7055铝合金零件在粗加工后淬火时出现变形和开裂；

(2)通常铝合金零件加工采用时效强化态原材料直接进行加工，会导致加工应力大、加工效率低、零件变形严重，甚至导致开裂；本发明通过对热处理工艺及机加工工序和参数进行全流程控制，有效减小了复杂零件的加工应力，提高了零件淬火合格率和加工效率。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

7055合金的元素含量较高，强度大，易造成淬火应力较大；且零件产品的形状较为复杂，零件上的缺口、尖角、沟槽及断面的急剧变化部位都是淬火应力集中的地方，容易造成淬火开裂。残余应力对零件后续机加工也有较大的影响。7055零件加工过程中的变形倾向性强，加工应力容易导致零件变形或尺寸超差。粗加工零件的表面质量、结构状态对热处理成品率也有很大的影响。结构比较复杂的零件，对尺寸精度要求较高，部分尺寸加工难度较大，如果加工工序或机加工参数选择不合理，也极易导致零件变形，造成产品报废。因此，对7055合金零件进行加工工序优选、参数优化、结构形式和热处理工艺进行控制至关重要，否则将严重影响零件的成品率、加工精度及热处理后的力学性能。

本发明通过选择合理的加工流程及机加工工艺参数、热处理工艺参数和粗加工模型结构优化设计，提高7055合金的加工效率和加工质量、产品合格率。包括：选择刀具-7055铝合金的粗加工-选择粗加工每道次进刀量和主轴转速-选择粗加工进给速度-固溶时效热处理-选择半精加工每道次进刀量和主轴转速-选择半精加工进给速度-去应力稳定化处理-选择精加工每道次进刀量和主轴转速-选择精加工进给速度-产品质量检验。

具体的零件加工制造工艺方法如图1所示，步骤如下：

一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，如图1所示，具体步骤为：

(1)对零件随形粗加工，若零件结构非对称，对淬火前的零件粗加工成镜像对称结构；粗加工每道次进刀量为0.1-1mm，粗加工主轴转速为4000-6000r/min，粗加工进给速度为1-2m/min，单边加工余量保持在1.5-3mm，表面粗糙度为3.2-6.3μm，将零件所有内外直角加工为圆角，变截面区域保证圆滑过渡；零件粗加工时的最后阶段，采用球头铣刀，转速为5000-6000r/min，进给速度为1.5-2m/min，进刀量为0.2-0.3mm；

(2)对粗加工零件双级固溶热处理：以150-280℃/h的升温速率随炉升温至440℃-460℃，保温1-4h，再以30-60℃/h的升温速率继续随炉升温至460℃-480℃，保温1-4h，完成后采用温度为50℃-70℃的水淬火，淬火时固定零件于料框上，保证各个零件间间距不小于5cm，零件的入水方向与材料主应力方向一致，转移时间小于15s，淬火完成后，淬火水温上升不超过5℃；

(3)双级时效处理：在双级固溶处理后4小时内，以80℃-150℃/h的升温速率随炉升温至110℃-130℃，保温6-10h，再以20-60℃/h的升温速率继续随炉升温至150℃-170℃，保温10-14h，热处理炉温的均匀性要求为±3℃，完成后空冷至室温；

(4)对热处理后的粗加工零件进行半精加工：半精加工每道次进刀量0.2-0.5mm，精加工主轴转速8000-10000r/min，精加工进给速度为2.5-3.5m/min，表面粗糙度为1.6-3.2μm，单边加工余量保持在1-1.5mm；

(5)对半精加工后的零件进行去应力处理：以50-100℃/h的升温速率随炉升温至110℃-140℃，保温6-10h；

(6)对去应力热处理后的零件进行精加工：精加工每道次进刀量0.2-0.5mm，精加工主轴转速8000-10000r/min，精加工进给速度为2.5-3.5m/min，表面粗糙度为1.6-3.2μm，得到最终零件。

实施例1

某型号用桁条，属于薄壁加强筋型零件，截面为T字型，底面非平面，有3处小拐角，零件结构比较复杂，对尺寸精度要求较高，部分尺寸加工难度较大，加工过程中需综合考虑机械加工参数、变形、热处理等工序，严格控制机加工艺。在加工过程中需多次定位装卡，小进刀量加工，还需在半精加工后稳定化退火，以防止加工变形。

将桁条零件粗加工成镜像对称结构；粗加工每道次进刀量为0.5mm，粗加工主轴转速为4000r/min，粗加工进给速度为1.5m/min，单边加工余量保持在2mm，表面粗糙度为6.3μm，将零件所有内外直角加工为圆角，变截面区域保证圆滑过渡；零件粗加工时的最后阶段，采用球头铣刀，转速为5000r/min，进给速度为1.5m/min，进刀量为0.2mm；

对粗加工零件双级固溶热处理：以20℃/h的升温速率随炉升温至450±5℃，保温3h，再以50℃/h的升温速率继续随炉升温至475±3℃，保温3h，完成后采用温度为60℃-65℃的水淬火，淬火时固定零件于料框上，保证各个零件间间距不小于5cm，零件的入水方向与材料主应力方向一致，转移时间小于15s，淬火完成后，淬火水温上升不超过5℃；

双级时效处理：以80℃-150℃/h的升温速率随炉升温至120±5℃，保温8h，再以40℃/h的升温速率继续随炉升温至160±5℃，保温12h，热处理炉温的均匀性要求为±3℃，完成后空冷至室温；

对热处理后的粗加工零件进行半精加工：半精加工每道次进刀量0.5mm，精加工主轴转速8000r/min，精加工进给速度为2.5m/min，表面粗糙度为3.2μm，单边加工余量保持在1mm；

对半精加工后的零件进行去应力处理：以100℃/h的升温速率随炉升温至110℃±10℃，保温10h；

对去应力热处理后的零件进行精加工：精加工每道次进刀量0.3mm，精加工主轴转速9000r/min，精加工进给速度为3.5m/min，表面粗糙度为1.6μm，得到最终零件。

本发明针对超高强7055合金的材料加工特性，对零件的加工过程进行全流程加工轨迹优化和控制，通过选择合理的加工流程、加工参数和加工刀具，提高产品的加工效率和加工质量。针对不同的加工工序，选择相匹配的进刀量、主轴转速、进给速度等参数，提高加工效率和加工质量。

考虑到大尺寸规格原材料的淬火敏感性和材料加工特性，采用零件粗加工后再进行固溶时效热处理的工艺，再经半精加工、高温稳定化处理、精加工至最终产品；

本发明对粗加工零件进行结构优化，对于复杂结构零件采用减小加工余量、圆角过渡、锐边全部倒钝、刚度变化区综合考虑平缓过渡、随形加工、较小的加工余量、较高的表面粗糙度等要求，非对称结构零件采用对称性结构补偿的方式进行加工，配合热处理制度工艺优化及机加工参数优化，减少应力集中水平，避免零件开裂及变形，提高产品合格率。

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7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)对淬火前的零件随形粗加工，粗加工每道次进刀量为0.1-1mm，粗加工主轴转速为3000-6000r/min，粗加工进给速度为1-2m/min，单边加工余量保持在1.5-3mm，表面粗糙度为3.2-6.3μm，将零件所有内外直角加工为圆角，变截面区域保证圆滑过渡；

(2)对粗加工零件进行双级固溶热处理：以150-280℃/h的升温速率随炉升温至440℃-460℃，保温1-4h，再以30-60℃/h的升温速率继续随炉升温至460℃-480℃，保温1-4h，完成后采用温度为50℃-70℃的水淬火，淬火时固定零件于料框上，保证各个零件间间距不小于5cm，零件的入水方向与材料主应力方向一致，转移时间小于15s，淬火完成后，淬火水温上升不超过5℃；

(3)双级时效处理：在双级固溶处理后4小时内，以80℃-150℃/h的升温速率随炉升温至110℃-130℃，保温6-10h，再以20-60℃/h的升温速率继续随炉升温至150℃-170℃，保温10-14h，完成后空冷至室温；

(4)对热处理后的粗加工零件进行半精加工：半精加工每道次进刀量0.2-0.5mm，精加工主轴转速8000-10000r/min，精加工进给速度为2.5-3.5m/min，表面粗糙度为1.6-3.2μm，单边加工余量保持在1-1.5mm；

(5)对半精加工后的零件进行去应力处理：以50-100℃/h的升温速率随炉升温至110℃-140℃，保温6-10h；

(6)对去应力热处理后的零件进行精加工：精加工每道次进刀量0.2-0.5mm，精加工主轴转速8000-10000r/min，精加工进给速度为2.5-3.5m/min，表面粗糙度为1.6-3.2μm，得到最终零件。

2.如权利要求1所述的一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，其特征在于，若零件结构非对称，对淬火前的零件粗加工成镜像对称结构。

3.如权利要求1所述的一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，其特征在于，热处理炉温的均匀性要求为±3℃。

4.如权利要求1所述的一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，其特征在于，零件粗加工时的最后阶段，采用球头铣刀，转速为5000-6000r/min，进给速度为1.5-2m/min，进刀量为0.2-0.3mm。

5.如权利要求1所述的一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，其特征在于，双级固溶热处理：以200℃-240℃/h的升温速率随炉升温至450℃-455℃，保温2-3h，再以40-50℃/h的升温速率继续随炉升温至470℃-477℃，保温2-3h，完成后采用温度为60℃-70℃的水淬火，淬火时固定零件于料框上，保证各个零件间间距不小于5cm，零件的入水方向与材料主应力方向一致，转移时间小于15s，淬火完成后，淬火水温上升不超过5℃。

6.如权利要求1所述的一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，其特征在于，双级时效处理：在双级固溶处理后1小时内，以100℃-120℃/h的升温速率随炉升温至115℃-125℃，保温8-10h，再以30-50℃/h的升温速率继续随炉升温至155℃-165℃，保温12-14h，完成后空冷至室温。

7.如权利要求1所述的一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，其特征在于，双级固溶处理中，二级的固溶温度选择477℃，双级时效中的二级时效温度选择155℃，使材料纵向的抗拉强度不低于630MPa。

8.如权利要求1所述的一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，其特征在于，粗加工时每道次进刀量为0.5-0.8mm，粗加工主轴转速为5000-6000r/min，粗加工进给速度为1.5-2m/min，单边加工余量保持在2-2.5mm，表面粗糙度不高于3.2μm。

9.如权利要求1所述的一种7055铝合金复杂结构零件的加工制造方法，其特征在于，精加工时，精加工每道次进刀量0.2-0.3mm，精加工主轴转速9000-10000r/min，精加工进给速度为3-3.5m/min，表面粗糙度为不高于1.6μm，得到最终零件。