CN108823517B - 一种用于薄壁铝合金铸件变形控制的随形微约束刚性支撑装置及热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于薄壁铝合金铸件变形控制的随形微约束刚性支撑装置，其特征在于：包括底部托盘以及设置在底部托盘上的随形骨架，所述随形骨架外形与铸件内腔随形，在所述随形骨架上设置有螺纹孔，该螺纹孔由内朝外安装有螺栓，所述螺栓与铸件内腔纵、环筋交叉点相对应，在所述随形骨架上还设置有多个开孔。本发明尤其适用于大型薄壁复杂铝合金构件，其结构强度系数低，变形倾向大，采用发明的装置及方法，能够有效减少此类构件在热处理中发生变形。
Description
技术领域：
本发明涉及一种用于薄壁铝合金铸件变形控制的随形微约束刚性支撑装置及其使用方法，属于铝合金变形控制技术领域。
背景技术：
随着轻量化的推进，大尺寸、薄壁化、精密化、复杂化、高质量、近无余量是铝合金构件发展的共同需求，在航空航天、兵器、船舶等领域的应用日益广泛。薄壁铝合金构件轮廓尺寸大（800~1700mm），外形为异形曲面，壁厚差大（局部达40mm）。凝固时组织浓度差表现出不同的屈服行为，造成晶格畸变产生组织应力，热处理时壁厚差大部位热传导不同，致使各部分的热应力作用均不相同，从而在内部产生塑性变形，造成铸件热应力集中。机加过程装夹应力易使刚性差的薄壁铸件引起较大的加工变形。
目前，国内针对大型复杂薄壁铝合金构件变形严重的技术难题也展开了相关研究，分为铸造、热处理和机加三个阶段进行控制，主要集中在工艺筋、喷溅淬火、校形工装、振动时效、机加工装夹具设计等方面，并取得了一定的效果，但对构件的变形控制作用效果有限。
尤其是在热处理阶段会造成极大的变形。热处理阶段分为固溶、淬火和时效三个阶段，在固溶阶段需将铸件通过吊件吊至高温炉加热至500℃，并保持12-14h，在此过程中，对于大型薄壁件而言，在高度方向上极易出现向下坍缩的现象，导致铸件在高度方向上极易变形。而在淬火时，需要在极短的时间内，最好控制在10s内，将固溶的铸件吊入冷水之中，使铸件温度下降至60~80℃，在此过程中，由于温度的剧烈变化，会导致铸件发生整体变形，无论是高度方向还是周向等，另外，还会导致铸件产生裂纹，影响其强度。严重的情况下，其变形会超过20%，导致铸件完全报废，无法使用，无论是材料、人工或时间都是极大的浪费。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种能够有效减少热处理过程中发生变形的用于薄壁铝合金铸件变形控制的随形约束装置。
为了实现上述目的，本发明是这样实现的：一种用于薄壁铝合金铸件变形控制的随形微约束刚性支撑装置，包括底部托盘以及设置在底部托盘上的随形骨架，所述随形骨架外形与铸件内腔随形，在所述随形骨架上设置有螺纹孔，该螺纹孔由内朝外安装有螺栓，所述螺栓与铸件内腔纵、环筋交叉点相对应，在所述随形骨架上还设置有多个开孔。采用上述方式设置的装置，能够对铸件内腔形成多点均布微约束刚性支撑，并通过底部托盘对铸件的支撑，可有效减少铸件处理过程中高度方向及周向的变形。
为进一步保证固溶加热温度条件下，不会涨裂铸件，所述随形骨架与铸件内腔单边间距为15~20mm。
为进一步保证淬火介质在铸件内外表面的流动，实现铸件表面降温速率一致，所述开孔为φ150的圆孔，所述开孔的表面积占骨架表面积的40~60%。
为进一步保证淬火过程中淬火介质能有效进入铸件型腔，提升铸件的冷却效果，在所述底部托盘中心区域开设φ500~800mm通孔，且底部托盘的外沿距离随形骨架的距离为50~100mm。
为进一步提高稳定性，所述随形骨架采用耐热铸铁整体铸造而成，铸铁材料选择在500~600℃下、线膨胀系数12.9×10-6/℃的热稳定性好的耐热铸铁。
为进一步保证装置的精度，螺纹孔在随形骨架上机加而成，粗加工后采用振动时效去应力，然后再精加工，支撑螺栓材料采用1Cr18Ni9Ti不锈钢，外径Φ20~25mm，长度150~200mm，有效螺纹长度80~100mm。
为进一步保证足够的支撑强度和少变形，所述底部托盘材料采用304不锈钢，厚度20~30mm。
为进一步防止变形，在底部托盘下底面按照60°的角度焊接6个Φ30~Φ50mm的304不锈钢支撑底座，随形骨架以同心的方式焊接在底部托盘上平面上，焊接完成后采用超声波时效去应力。
一种薄壁铝合金铸件的热处理方法，包括以下步骤：
（1）将铸件吊入随形微约束刚性支撑装置中并包裹随形骨架，使铸件与随形微约束刚性支撑装置的中心对齐，然后在随形微约束刚性支撑装置内腔调节支撑螺栓的位置，使螺栓与铸件内腔的纵、环筋交叉点相抵；
（2）将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置，吊进控温精度在±5℃范围内的热处理炉中进行固溶处理，首先加热到300~320℃，保温1~2h，然后升温到380~400℃，保温1~2h，最后加热到520~540℃，保温10~18h；
（3）固溶保温时间到后，打开热处理炉底盖，将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置落入60~80℃的淬火水箱中，下落时间控制在10s以内，以保证铝合金α固溶体的过饱和度；
（4）采用游标卡尺或移动三坐标仪检测铸件尺寸，根据尺寸检测结果与铸件图进行对比分析，然后采用随形微约束刚性支撑装置，通过调节支撑螺栓的进给量，控制在2mm以内，进行局部校形，获得合格铸件；
（5）将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置吊入控温精度在±5℃范围内时效炉中，先升温至100~110℃，保温1~2h，进行预时效处理，然后升温至160~180℃，保温6~8h，进行双级时效处理；时效完后，吊出随形微约束刚性支撑装置，松开支撑螺栓，吊出铸件。
有益效果：
1、应用旋转薄壳理论，研制的随形微约束刚性支撑装置，在铸件内腔纵、环筋交叉点布局支撑螺栓，其位置和力度可调，将大面积异形薄壁分割为众多规则几何体，在铸件内腔形成多点均布微约束刚性支撑，大幅提升铸件的变形抵御能力，有效控制热处理的变形量在1.5mm/1000mm范围内。
2、本发明尤其适用于大型薄壁复杂铝合金构件，其结构强度系数低，变形倾向大，采用发明的装置及方法，能够有效减少此类构件在热处理中发生变形。
而该类构件大部分运用在航空航天、兵器、船舶领域，通过本发明的装置和方法可有效保证该类构件的外形尺寸，提高成品的质量和成品率。
3、随形微约束刚性支撑装置除了用于抑制铸件在强韧化过程中的变形外，还可应用于铸件的局部校形、振动时效和机加过程，可以彻底解决薄壁铸件的变形问题，获得性能优异铸件，已实现了批量生产，具有操作流程清晰、稳定性高、适用性强等特点，推广应用价值较高，工业潜力巨大。
附图说明：
图1为本发明的随形约束刚性支撑装置结构图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例：如图1所示，一种用于薄壁铝合金铸件变形控制的随形微约束刚性支撑装置，包括底部托盘2以及设置在底部托盘上的随形骨架4，所述随形骨架外形与铸件内腔随形，在所述随形骨架上设置有螺纹孔，该螺纹孔由内朝外安装有螺栓3，所述螺栓与铸件内腔纵、环筋交叉点相对应，在所述随形骨架上还设置有多个开孔5。
另外，作为本实施例的另一实施方式，在所述底部托盘底部还设置有支撑底座1。
其中，所述随形骨架与铸件内腔单边间距为15~20mm，所述单边距离是指将铸件套设在随形骨架之后，铸件内腔壁至随形骨架外壁的间距，该间距可选择但不限于15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm等。
而设置在所述随形骨架上的开孔其形状可为多种多样，如圆形、三角形、四边形或其他多边形等，但是在本实施例中，所述开孔为φ150的圆孔。并且所述开孔的表面积占骨架表面积的40~60%，可选择但不限于40%、45%、50%、55%或60%等。
所述底部托盘中心区域开设φ500~800mm通孔，可选择但不限于φ500mm、φ600mm、φ700mm、φ800mm，该通孔还可根据铸件具体尺寸设定，且底部托盘的外沿距离随形骨架的距离为50~100mm，可选择但不限于50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm等。
另外作为本实施例的另一实施方式，还提供了随形微约束刚性支撑装置的材质选择和制造方式：
1、所述随形骨架采用耐热铸铁整体铸造而成，铸铁材料选择在500~600℃下、线膨胀系数12.9×10-6/℃的热稳定性好的耐热铸铁；
2、螺纹孔在随形骨架上机加而成，粗加工后采用振动时效去应力，然后再精加工，支撑螺栓材料采用1Cr18Ni9Ti不锈钢，外径Φ20、φ21、φ22、φ23、φ24或φ25mm等，长度150~200mm，可选择但不限于150mm、160mm、170mm、180mm、190mm或200mm。有效螺纹长度80~100mm，可选择但不限于80mm、90mm、或100mm等。
3、所述底部托盘材料采用304不锈钢，厚度20~30mm，可选择但不限于20mm、25mm或30mm等。
4、在底部托盘下底面按照60°的角度焊接6个Φ30~Φ50mm的304不锈钢支撑底座，随形骨架以同心的方式焊接在底部托盘上平面上，焊接完成后采用超声波时效去应力，其中，支撑底座可选择但不限于φ30mm、φ40mm、φ50mm等。
作为本实施例的另一实施方式，本实施例还提供了基于本实施例的随形微约束刚性支撑装置的薄壁铝合金铸件的热处理方法，如下。
一种薄壁铝合金铸件的热处理方法，包括以下步骤：
（1）将铸件吊入随形微约束刚性支撑装置中并包裹随形骨架，使铸件与随形微约束刚性支撑装置的中心对齐，然后在随形微约束刚性支撑装置内腔调节支撑螺栓的位置，使螺栓与铸件内腔的纵、环筋交叉点相抵；
（2）将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置，吊进控温精度在±5℃范围内的热处理炉中进行固溶处理，首先加热到300~320℃，保温1~2h，然后升温到380~400℃，保温1~2h，最后加热到520~540℃，保温10~18h；
第一次加热的温度可选择但不限于300℃、310℃、320℃等，保温时间可选择但不限于1h、1.5h或2h等；第二次升温的温度可选择但不限于380℃、390℃、400℃等，保温时间可选择但不限于1h、1.5h或2h等；最后一次加热温度可选择520℃、540℃、540℃等，保温时间可选择但不限于10h、14h、16h或18h等；
（3）固溶保温时间到后，打开热处理炉底盖，将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置落入60~80℃的淬火水箱中，下落时间控制在10s以内，以保证铝合金α固溶体的过饱和度；
其中，淬火水箱的温度可选择但不限于60℃、70℃或80℃等；
（4）采用游标卡尺或移动三坐标仪检测铸件尺寸，根据尺寸检测结果与铸件图进行对比分析，然后采用随形微约束刚性支撑装置，通过调节支撑螺栓的进给量，控制在2mm以内，进行局部校形，获得合格铸件；
（5）将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置吊入控温精度在±5℃范围内时效炉中，先升温至100~110℃，保温1~2h，进行预时效处理，然后升温至160~180℃，保温6~8h，进行双级时效处理；时效完后，吊出随形微约束刚性支撑装置，松开支撑螺栓，吊出铸件；
其中，第一次升温的温度可选择但不限于100℃、105℃或110℃，保温时间可选择但不限于1h、1.5h或2h等；第二次升温的温度可选择但不限于160℃、170℃或180℃，保温时间可选择但不限于6h、7h或8h等。
基于本实施例提供的装置与方法，现已某大型复杂薄壁铝合金铸件为应用对象，具体轮廓尺寸：高1014mm，大端圆Φ1200mm，异型曲面，口部鱼嘴型结构，主体壁厚2.5mm，薄壁占比超过80%，内腔含多条纵筋和环筋，材料：ZL114A。
随形微约束刚性支撑装置的热处理变形控制操作步骤，按如下步骤进行：
（1）热处理前，将铸件吊入随形微约束刚性支撑装置中，通过限位块使铸件与装置的中心对齐，然后在装置内腔用手动扳手调节支撑螺栓的位置及力度，逐层对称控力旋紧每个支撑螺栓。
（2）将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置，吊进控温精度在±5℃范围内的热处理炉中进行固溶处理，首先加热到300±5℃，保温1h，然后升温到380±5℃，保温1h，最后加热到535±5℃，保温12h。
（3）固溶保温时间到后，打开热处理炉底盖，将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置落入水温80℃的淬火水箱中，下落时间控制在10s以内，以保证铝合金α固溶体的过饱和度。
（4）铸件温度低于100℃后，从淬火水箱中吊出随形微约束刚性支撑装置和铸件，检测铸件尺寸，针对局部变形的部位，通过调节支撑螺栓的进给量进行局部校形。
（5）铸件尺寸稳定合格后，将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置吊入时效炉中，先升温至110±5℃，保温2h，进行预时效处理，然后升温至160±5℃，保温6h，进行双级时效处理，时效完后，吊出随形微约束刚性支撑装置，松开支撑螺栓，吊出铸件。
实施效果：铸件本体指定部位抗拉强度达到350MPa，延伸率6.0%，长度变形量小于1.0mm/1000mm，同轴度小于0.5mm，直线度小于1.0mm。
实施例2：采用实施例1所提供的装置与方法，现以某大型复杂薄壁铝合金铸件为应用对象，铸件轮廓尺寸Φ1700×400mm，主体壁厚3.5mm，外形为异型曲面，含220×220mm窗口6个，450×350mm窗口2个，典型的舱体铸件结构，材料ZL205A。
随形微约束刚性支撑装置的热处理变形控制操作步骤，按如下步骤进行：
（1）热处理前，将铸件吊入随形微约束刚性支撑装置中，通过限位块使铸件与装置的中心对齐，然后在装置内腔用手动扳手调节支撑螺栓的位置及力度，逐层对称控力旋紧每个支撑螺栓。
（2）将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置，吊进控温精度在±5℃范围内的热处理炉中进行固溶处理，首先加热到320±5℃，保温1.5h，然后升温到400±5℃，保温1.5h，最后加热到540±5℃，保温16h。
（3）固溶保温时间到后，打开热处理炉底盖，将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置落入水温60℃的淬火水箱中，下落时间控制在10s以内，以保证铝合金α固溶体的过饱和度。
（4）铸件温度低于100℃后，从淬火水箱中吊出随形微约束刚性支撑装置和铸件，检测铸件尺寸，针对局部变形的部位，通过调节支撑螺栓的进给量进行局部校形。
（5）铸件尺寸稳定合格后，将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置吊入时效炉中，先升温至100±5℃，保温2h，进行预时效处理，然后升温至175±5℃，保温5h，进行双级时效处理，时效完后，吊出随形微约束刚性支撑装置，松开支撑螺栓，吊出铸件。
实施效果：铸件本体指定部位抗拉强度达到520MPa，延伸率8.0%，长度变形量小于1.2mm/1000mm，同轴度小于0.8mm，直线度小于1.5mm。
Claims (24)
1.一种用于薄壁铝合金铸件变形控制的随形微约束刚性支撑装置，其特征在于：包括底部托盘以及设置在底部托盘上的随形骨架，所述随形骨架外形与铸件内腔随形，在所述随形骨架上设置有螺纹孔，该螺纹孔由内朝外安装有螺栓，所述螺栓与铸件内腔纵、环筋交叉点相对应，在所述随形骨架上还设置有多个开孔。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述随形骨架与铸件内腔单边间距为15~20mm。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述开孔为φ150的圆孔，所述开孔的表面积占骨架表面积的40~60%。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：在所述底部托盘中心区域开设φ500~800mm通孔，且底部托盘的外沿距离随形骨架的距离为50~100mm。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于：在所述底部托盘中心区域开设φ500~800mm通孔，且底部托盘的外沿距离随形骨架的距离为50~100mm。
6.如权利要求1、2或5所述的装置，其特征在于：所述随形骨架采用耐热铸铁整体铸造而成，铸铁材料选择在500~600℃下、线膨胀系数12.9×10-6/℃的热稳定性好的耐热铸铁。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述随形骨架采用耐热铸铁整体铸造而成，铸铁材料选择在500~600℃下、线膨胀系数12.9×10-6/℃的热稳定性好的耐热铸铁。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述随形骨架采用耐热铸铁整体铸造而成，铸铁材料选择在500~600℃下、线膨胀系数12.9×10-6/℃的热稳定性好的耐热铸铁。
9.如权利要求1、2、5、7或8所述的装置，其特征在于：螺纹孔在随形骨架上机加而成，粗加工后采用振动时效去应力，然后再精加工，支撑螺栓材料采用1Cr18Ni9Ti不锈钢，外径Φ20~25mm，长度150~200mm，有效螺纹长度80~100mm。
10.如权利要求3所述的装置，其特征在于：螺纹孔在随形骨架上机加而成，粗加工后采用振动时效去应力，然后再精加工，支撑螺栓材料采用1Cr18Ni9Ti不锈钢，外径Φ20~25mm，长度150~200mm，有效螺纹长度80~100mm。
11.如权利要求4所述的装置，其特征在于：螺纹孔在随形骨架上机加而成，粗加工后采用振动时效去应力，然后再精加工，支撑螺栓材料采用1Cr18Ni9Ti不锈钢，外径Φ20~25mm，长度150~200mm，有效螺纹长度80~100mm。
12.如权利要求6所述的装置，其特征在于：螺纹孔在随形骨架上机加而成，粗加工后采用振动时效去应力，然后再精加工，支撑螺栓材料采用1Cr18Ni9Ti不锈钢，外径Φ20~25mm，长度150~200mm，有效螺纹长度80~100mm。
13.如权利要求1、2、5、7、8、10、11或12所述的装置，其特征在于：所述底部托盘材料采用304不锈钢，厚度20~30mm。
14.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述底部托盘材料采用304不锈钢，厚度20~30mm。
15.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述底部托盘材料采用304不锈钢，厚度20~30mm。
16.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述底部托盘材料采用304不锈钢，厚度20~30mm。
17.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述底部托盘材料采用304不锈钢，厚度20~30mm。
18.如权利要求1、2、5、7、8、10、11、12、14、15、16或17所述的装置，其特征在于：在底部托盘下底面按照60°的角度焊接6个Φ30~Φ50mm的304不锈钢支撑底座，随形骨架以同心的方式焊接在底部托盘上平面上，焊接完成后采用超声波时效去应力。
19.如权利要求3所述的装置，其特征在于：在底部托盘下底面按照60°的角度焊接6个Φ30~Φ50mm的304不锈钢支撑底座，随形骨架以同心的方式焊接在底部托盘上平面上，焊接完成后采用超声波时效去应力。
20.如权利要求4所述的装置，其特征在于：在底部托盘下底面按照60°的角度焊接6个Φ30~Φ50mm的304不锈钢支撑底座，随形骨架以同心的方式焊接在底部托盘上平面上，焊接完成后采用超声波时效去应力。
21.如权利要求6所述的装置，其特征在于：在底部托盘下底面按照60°的角度焊接6个Φ30~Φ50mm的304不锈钢支撑底座，随形骨架以同心的方式焊接在底部托盘上平面上，焊接完成后采用超声波时效去应力。
22.如权利要求9所述的装置，其特征在于：在底部托盘下底面按照60°的角度焊接6个Φ30~Φ50mm的304不锈钢支撑底座，随形骨架以同心的方式焊接在底部托盘上平面上，焊接完成后采用超声波时效去应力。
23.如权利要求13所述的装置，其特征在于：在底部托盘下底面按照60°的角度焊接6个Φ30~Φ50mm的304不锈钢支撑底座，随形骨架以同心的方式焊接在底部托盘上平面上，焊接完成后采用超声波时效去应力。
24.一种薄壁铝合金铸件的热处理方法，采用权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22或23所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将铸件吊入随形微约束刚性支撑装置中并包裹随形骨架，使铸件与随形微约束刚性支撑装置的中心对齐，然后在随形微约束刚性支撑装置内腔调节支撑螺栓的位置，使螺栓与铸件内腔的纵、环筋交叉点相抵；
（2）将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置，吊进控温精度在±5℃范围内的热处理炉中进行固溶处理，首先加热到300~320℃，保温1~2h，然后升温到380~400℃，保温1~2h，最后加热到520~540℃，保温10~18h；
（3）固溶保温时间到后，打开热处理炉底盖，将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置落入60~80℃的淬火水箱中，下落时间控制在10s以内，以保证铝合金α固溶体的过饱和度；
（4）采用游标卡尺或移动三坐标仪检测铸件尺寸，根据尺寸检测结果与铸件图进行对比分析，然后采用随形微约束刚性支撑装置，通过调节支撑螺栓的进给量，控制在2mm以内，进行局部校形，获得合格铸件；
（5）将装有铸件的随形微约束刚性支撑装置吊入控温精度在±5℃范围内时效炉中，先升温至100~110℃，保温1~2h，进行预时效处理，然后升温至160~180℃，保温6~8h，进行双级时效处理；时效完后，吊出随形微约束刚性支撑装置，松开支撑螺栓，吊出铸件。
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