CN111763895B - 一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法 - Google Patents

一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法 Download PDF

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Abstract

一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，包括如下步骤：步骤一：对已经锻造成形的锻筒进行固溶处理和淬火热处理。淬火过程中，在锻筒内部安装周向支撑架，防止长锻筒发生较大变形。步骤二：根据淬火后锻件的直径、壁厚、材料性能，确定施加冷胀形的变形量，根据计算出的冷胀形的变形量设计出对应的冷胀形冲头和下砧板；步骤三：将冷胀形冲头放入锻筒内，以2mm/s的下压速度使冷胀形冲头下压，直至冷胀形冲头到达锻筒底端，将锻筒上下翻转，使用相同的下压速度使冷胀形冲头再次到达锻筒的底端。本发明能够获得很好的残余应力消减效果，锻件各部位变形均匀，表面质量较高。

Description

一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法
技术领域
本发明属于航空锻筒残余应力的消除领域，具体地说是一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法。
背景技术
铝合金材料由于其密度小，比强度高，具有较好的耐腐蚀性能等一系列优点，在航空和航天飞行器中获得了广泛应用。然而，铝合金航空产品在热成形以及热处理过程中，往往由于变形不均匀或在淬火过程中不同厚度处材料的冷却速度不同，导致锻件内部产生很大的残余应力。这种存在的残余应力会产生很多不良后果，容易使锻件在后续机加工过程中出现变形、翘曲、扭曲，加工后的结构件尺寸变形超差，使零部件无法装配到指定飞机部位，导致整批锻件报废，尤其是航空用重要铝合金结构锻件，若内部残余应力较大，会加速断裂失效和应力腐蚀断裂，大大降低结构件的使用寿命，甚至造成严重后果。因此，如何有效消除航空铝合金锻件内部的残余应力具有十分重要的意义。
常见的铝合金模锻件残余应力消除方法有模冷压法、模拉压法、深冷方法、喷丸方法、机械振动、保压时效法等，但是这些方法均适合扁平的模锻件，难以适用于较大尺寸锻筒的残余应力消除。如何消除铝合金航空锻筒内部的残余应力，目前仍未有相应的技术用于生产实际。因此，如何有效消除筒形航空锻件的残余应力，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，用以解决现有技术中的缺陷。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，包括如下步骤：
步骤一：对已经锻造成形的锻筒进行固溶处理和淬火热处理。淬火过程中，在锻筒内部安装周向支撑架，防止长锻筒发生较大变形；
步骤二：根据淬火后锻件的直径、壁厚、材料性能，确定施加冷胀形的变形量，根据计算出的冷胀形的变形量设计出对应的冷胀形冲头和下砧板；
步骤三：将冷胀形冲头放入锻筒内，以2mm/s的下压速度使冷胀形冲头下压，直至冷胀形冲头到达锻筒底端，将锻筒上下翻转，使用相同的下压速度使冷胀形冲头再次到达锻筒的底端。
如上所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，所述的步骤一的固溶处理的操作为，把固定好的锻筒放到铝合金立式固溶保温炉中，在454℃-521℃的炉气温度中保温规定时间。
如上所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，所述的步骤一的淬火热处理的操作为当固溶保温炉炉门打开后，确保整个锻筒在15s内完成全部入淬火介质。
如上所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，所述的步骤一的淬火过程中，防止锻筒发生较大变形，在固溶处理之前在锻筒内部安装周向支撑架，所述的支撑架形状为中心是厚度150mm的圆柱状支撑座，支撑座周围焊接有对称发射状的6根支撑杆，每根支撑杆顶端配有与锻筒内壁匹配的垫块。
如上所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，所述的步骤一的淬火过程中锻筒淬火介质为40-80℃的水溶液。
如上所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，所述的冷胀形得变形量为1-8％，所述的步骤二的冷胀形的变形量计算公式为
Figure BDA0002480328920000031
D1为锻件胀形处理后的内径，D0为锻件的初始内径。
如上所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，所述的步骤二和步骤三中冷胀形冲头的结构为沿高度方向为中间粗两头窄的纺锤形状，所述的冷胀形冲头的两端边线倾斜角为5°-10°，所述的冷胀形冲头的两端连接部分为5-30mm厚度的凸台，所述的凸台下边缘为8-12mm的倒圆角，所述的冷胀形冲头的下端外周设置外轮齿，所述的冷胀形冲头的轮齿能够与设置在下砧板的中心部位圆槽插接配合，所述的圆槽内设置内轮齿，所述的冷胀形冲头通过定位标记能够嵌入下砧板的中心部位圆槽内，此时齿轮与轮齿啮合，使筒形件的底端也能够获得充分变形。
如上所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，所述的步骤三的操作必须在淬火后的4h内完成。
本发明的优点是：本发明所提供的铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，能够获得很好的残余应力消减效果，锻件各部位变形均匀，表面质量较高。此外，该方法使用传统的锻压机就可以实现，而无需使用专门的胀形机，并且该方法能够解决胀形机无法实现的大高径比锻筒的残余应力消除问题。且该方法工艺简单，易于操作，适合于工业化推广应用。本发明在保证锻筒几乎完全消除残余应力的同时，又能提高工件的综合力学和抗应力腐蚀性能，保证产品质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明进行冷胀形的结构示意图；
图2是本发明的冷胀形冲头的结构示意图；
图3是本发明的下砧板的结构示意图；
图4是本发明的周向支撑架的结构示意图。
附图标记：1、冷胀形冲头；2、锻筒；3、下砧板；4、内轮齿；5、外轮齿；6、支撑座；7、支撑杆；8、垫块；9、圆槽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例以一个7075的铝合金锻筒2为例，来说明残余应力的消除方法及其过程。该7075筒形件产品最终要求的规格尺寸为外径1150±2mm，内径为1050±2mm,高度要求为2550±10mm，锻件的壁厚为50±2mm。根据最终尺寸要求，设计了该锻筒2的热锻件生产尺寸，内径为986±4mm，外径1098±4mm，高度要求为2610mm±10mm；
步骤一：在60MN自由锻液压机上，采用自由锻制坯和马杠扩孔方式生产出符合设计规格的热锻件，然后放在空气中缓慢冷却至室温，由于扩孔方式生产的热锻件壁厚会存在少量差异，因此需采用机加工方法对锻筒2的内外表面进行机加工，最后获得内径为991±2mm、外径为1094±2mm和高度为2610mm±10mm的锻筒2；
步骤二：锻筒2高度方向的顶端、中心、以及底部放入周向支撑架，如图3所示，支撑架的中心是厚度150mm的圆柱状的支撑座6，支撑座6周围焊接有对称发射状的6根支撑杆7，每根支撑杆7顶端配有与锻筒2内壁匹配的垫块8，然后把锻件放置在温度为470℃的淬火炉中并保温270min，到达保温时间后，采用立式淬火炉对锻件进行淬火，淬火转移时间≤15s，淬火水温控制在60℃，淬火完成后得锻筒2；
步骤三：根据锻筒2的壁厚、直径和锻筒2实际所采用的生产过程，确定采用冷胀形的变形量为6％，通过公式
Figure BDA0002480328920000061
计算出冷胀形的变形量为6％时的D1的预设直径，从而选择冷胀形冲头1和下砧板3的尺寸，冷胀形冲头1沿高度方向为中间粗两头窄的纺锤形状，两端边线倾斜角为7°，两端连接部分为一定厚度的凸台，凸台下边缘为10mm的倒圆角，冷胀形冲头下端设置齿轮5，冷胀形冲头1中间部位的直径为1050mm，下砧板3中心部位设置圆槽9，所述的圆槽9内设置轮齿4，所述的齿轮5能与轮齿4啮合，所述的冷胀形冲头1通过定位标记能够嵌入下砧板3的中心部位圆槽9内，此时轮齿5与轮齿4啮合，使锻筒2的底端也能够获得充分变形。；
步骤四：冷胀形消除残余应力，选用125MN的液压机，将冷胀形冲头1放入锻筒2的内孔内，以2mm/s的下压速度缓缓下压到锻筒2中，并缓缓向下运动，逐渐完全进入到锻筒2中，此时锻筒2最顶端由于受到下部直径的扩大，而上端又没有材料约束，在距离锻筒2顶端128mm的范围内存在缩口现象，沿径向最大收缩达10mm，因此当冷胀形冲头1下压到锻筒2的最低部并嵌入到下砧板3的圆槽9中后，需要把锻筒2调转方向(底端变为上端)，再次以相同的速度使冷胀形冲头1下压到锻筒2的底部，这样，锻筒2全部高度范围内都受到了均匀的冷胀形，且锻筒2锻件表面的质量较好。这种消除铝合金锻筒2残余应力冷胀形过程是在室温下完成的，且整个过程在锻件淬火后3h完成。
采用上述冷胀形后生产的7075锻筒2内外径和高度均符合产品规范要求，且整体变形均匀，最大残余应力≤20Mpa，满足客户要求。采用本发明方法来消除铝合金航空锻筒2的残余应力，能够在保证锻件最终尺寸满足要求的同时，可使整个锻筒2整体的周向残余应力消除的较为充分，锻件表面质量较高，此外，胀形生产过程中投入的模具成本低，易于实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：对已经锻造成形的锻筒进行固溶处理和淬火热处理，淬火过程中，在锻筒内部安装周向支撑架，防止长锻筒发生较大变形；
步骤二：根据淬火后锻件的直径、壁厚、材料性能，确定需施加冷胀形变形量的理论值，根据计算出的冷胀形的变形量理论值以及淬火后锻筒的直径，确定出对应的冷胀形冲头和下砧板尺寸，并制作出相应的冲头和下砧板模具；
步骤三：将冷胀形冲头放入锻筒内，以2mm/s的下压速度使冷胀形冲头下压，直至冷胀形冲头到达锻筒底端，将锻筒上下翻转，使用相同的下压速度使冷胀形冲头再次到达锻筒的底端。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，其特征在于：所述的步骤一的固溶处理的操作为，把固定好的锻筒放到铝合金立式固溶保温炉中，在温度为454℃-521℃的炉气中保温到规定时间。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，其特征在于：所述的步骤一的淬火热处理的操作为当固溶保温炉炉门打开后，确保整个锻筒在15s内完成全部入淬火介质。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，其特征在于：所述的支撑架形状为中心是厚度150mm的圆柱状支撑座，支撑座周围焊接有对称发射状的6根支撑杆，每根支撑杆顶端配有与锻筒内壁匹配的垫块。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，其特征在于：所述的步骤一的淬火过程中锻筒淬火介质为40-80℃的水溶液。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，其特征在于：所述的冷胀形的变形量为1-8％，所述的步骤二的冷胀形的变形量计算公式为
Figure FDA0003200175220000021
D1为锻件胀形处理后的内径，D0为锻件的初始内径。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，其特征在于：所述的步骤二和步骤三中冷胀形冲头的结构为沿高度方向为中间粗两头窄的纺锤形状，所述的冷胀形冲头的两端边线倾斜角为5°-10°，所述的冷胀形冲头的两端连接部分为5-30mm厚度的凸台，所述的凸台下边缘为8-12mm的倒圆角，所述的冷胀形冲头的下端外周设置外轮齿，所述的冷胀形冲头能够与设置在下砧板中心部位的圆槽插接配合，所述的下砧板圆槽内设置内轮齿，所述的冷胀形冲头通过定位标记能够嵌入下砧板的中心部位圆槽内，所述的外轮齿与内轮齿啮合，使筒形件的底端也能够获得充分变形。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金航空锻筒残余应力的消除方法，其特征在于：所述的步骤三的操作必须在淬火后的4h内完成。
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