CN112588878B - 一种铝合金薄壁异形件局部校形方法 - Google Patents

一种铝合金薄壁异形件局部校形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金薄壁异形件局部校形方法，属于铝合金热处理领域，解决了现有校形方法无法对铝合金薄壁异形件局部校形的问题。局部校形方法包括：测量铝合金薄壁异形件的变形部位尺寸并记录；针对薄壁异形件变形部位设计组合工装，组合工装用于固定变形部位，组合工装与变形部位装配时能够对变形部位施加预紧力；计算变形部位校正所需预紧力；室温条件下，将组合工装装配于变形部位，装配过程中控制组合工装对变形部位施加预紧力；预紧力满足要求后，将组合工装和薄壁异形件整体送入退火炉中进行低温热校形；低温热校形后，检测变形部位变形量；本发明的局部校形方法能保证不对零件非变形部位及力学性能造成影响的前提下，实现变形校正。

Description

一种铝合金薄壁异形件局部校形方法
技术领域
本发明属于铝合金热处理技术领域，具体地涉及一种铝合金薄壁异形件局部校形方法。
背景技术
铝合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀、优良的导电导热性能等优点在航空航天领域应用广泛，飞行器的舱段等承载结构主要以铝合金为主。为满足轻量化、小型化要求，铝合金舱段多为薄壁异形面结构。该结构由于自身的弱刚性以及形状精度对于温度和应力的敏感性，在车削、焊接等加工过程中易形成具有非对称分布特征的残余应力，直接导致薄壁件发生不同程度的局部变形。舱段是航天器上重要组成部分，其尺寸精度的高低直接影响航天器的装配和飞行性能，所以工程上对舱段类零件有较高的尺寸要求。舱段变形可采取校形的方法返修，避免零件报废。
目前常用的校形方法有冷校形和热校形。冷校形主要是利用机械外加力校正零件变形。热校形主要是利用应力松弛原理消除零件的变形。对于薄壁铝合金零件局部变形情况，采用冷校形方法，室温条件下对变形部位局部施加机械力，校形过程会产生较大的回弹和残余应力，甚至发生断裂；采用热校形方法，在高温条件下将零件重新进行热处理，通过应力松弛原理校正变形，零件壁厚较小，过高的温度会导致其他部位发生变形，同时影响零件力学性能。因此，常用校形方法不能解决薄壁铝合金薄壁异形件局部变形问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种铝合金薄壁异形件局部校形方法，能够解决以下技术问题之一：(1)现有的校形方法无法对铝合金薄壁异形件的局部进行校形；(2)现有的热校形方法温度高，耗能大，且过高的温度会导致其他部位发生变形，同时影响零件力学性能。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种铝合金薄壁异形件局部校形方法，所述铝合金薄壁异形件局部校形方法采用冷校形和低温热校形结合的方法对铝合金薄壁异形件进行局部校形。
在一种可能的设计中，包括：
步骤一：测量铝合金薄壁异形件的变形部位的尺寸并记录；
步骤二：针对薄壁异形件的变形部位设计组合工装，组合工装用于固定变形部位，组合工装与变形部位装配时能够对变形部位施加预紧力；
步骤三：计算变形部位校正所需预紧力；
步骤四：室温条件下，将组合工装装配于变形部位，装配过程中控制组合工装对变形部位施加预紧力；预紧力满足要求后，将组合工装和薄壁异形件整体送入退火炉中进行低温热校形；
步骤五：低温热校形后，检测变形部位变形量；若变形量满足要求，则完成校形；若变形量不满足要求，可重复进行步骤三和步骤四，逐步进行局部校形，直至变形量满足要求。
在一种可能的设计中，所述组合工装包括内型面随形板、外型面随形板、支撑板、连接板和调节组件；内型面随形板的形状与变形部位的内侧的理论形状匹配；外型面随形板的形状与变形部位的外侧的理论形状匹配；内型面随形板、外型面随形板、支撑板、连接板和调节组件能够根据变形部位的形状与变形部位实现组合装配。
在一种可能的设计中，所述连接板的一端与外型面随形板可拆卸连接，连接板的另一端与支撑板可拆卸连接；内型面随形板设于外型面随形板和支撑板之间；调节组件穿过支撑板与内型面随形板连接，通过调节调节组件控制内型面随形板靠近或者远离外型面随形板；变形部位能够固定于内型面随形板和外型面随形板之间。
在一种可能的设计中，所述连接板的一端与内型面随形板可拆卸连接，连接板的另一端与支撑板可拆卸连接；外型面随形板设于内型面随形板和支撑板之间；调节组件穿过支撑板与外型面随形板连接，通过调节调节组件控制外型面随形板靠近或者远离内型面随形板；变形部位能够固定于内型面随形板和外型面随形板之间。
在一种可能的设计中，所述调节组件为螺栓。
在一种可能的设计中，所述步骤三中，变形部位校正所需预紧力P符合下述公式：
P＝KLtσb
其中，K的范围为0.7-1；
L为变形部位的区域周长；
t为变形部位的区域厚度；
σb为变形部位的材料的抗拉强度。
在一种可能的设计中，所述步骤四中，装配之前，将组合工装和薄壁异形件清洗并晾干。
在一种可能的设计中，所述步骤四中，装配过程中采用力矩扳手控制组合工装对变形部位施加预紧力。
在一种可能的设计中，所述步骤五中，低温热校形的温度为140℃-160℃。
与现有技术相比，本发明至少能实现以下有益效果之一：
(1)本发明提供的铝合金薄壁异形件局部校形方法通过采用冷校形和低温热校形结合的方法，设计针对局部变形部位的工装，预先施加机械预紧力对局部变形部位进行初步校形，减少变形量，并且预紧力能够减小应力导致的变形；然后将零件在受力作用下进行低温去应力退火处理，在去除应力的同时校正零件的变形，提高零件尺寸精度。
(2)由于本发明采用将冷校形和热校形相结合的方法，在室温下对变形部位施加外力，导致零件内部局部应力场发生变化，形成与变形部位应力场相反的作用力场。同时，结合去应力退火作用，消除部分内部应力，并且通过外力使零件内部应力场向相反的方向进行改变，减小由于应力导致的零件变形。相比于冷校形方法，该方法中增加了低温退火作用，消除了部分应力，避免了冷校形方法导致的开裂问题。相比于热校形方法，该方法能在低于零件常规退火温度的条件下，在保证不对零件非变形部位及力学性能造成影响的前提下，实现变形校正，减少能耗，节约成本。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书中所特别指出的内容来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的零件内凹变形时组合工装与变形部位的截面示意图；
图2为图1的B-B处的截面示意图；
图3为本发明的零件内凹变形校形后的示意图；
图4为本发明的零件外凸变形时组合工装与变形部位的截面示意图；
图5为图4的B-B处的截面示意图；
图6为本发明的零件外凸变形校形后的示意图。
附图标记：
1-内型面随形板；2-外型面随形板；3-支撑板；4-连接板；5-调节组件；6-薄壁异形件。
具体实施方式
下面具体描述本发明的优选实施例。
飞行器的舱段等承载结构主要以铝合金为主。为满足轻量化、小型化要求，铝合金舱段多为薄壁异形件结构。该结构由于自身的弱刚性以及形状精度对于温度和应力的敏感性，在车削、焊接等加工过程中易形成具有非对称分布特征的残余应力，直接导致薄壁件发生不同程度的局部变形。目前常用的校形方法有冷校形和热校形。冷校形主要是利用机械外加力校正零件变形；热校形主要是利用应力松弛原理消除零件的变形。对于铝合金薄壁异形件局部变形情况，采用冷校形方法，室温条件下对变形部位局部施加机械力，校形过程会产生较大的回弹和残余应力，甚至发生断裂；采用热校形方法，在高温条件下将零件重新进行热处理，通过应力松弛原理校正变形，零件壁厚较小，过高的温度会导致其他部位发生变形，同时影响零件力学性能。尤其是对于薄壁异形件的局部变形问题，目前采用常用校形方法不能解决薄壁铝合金薄壁异形件局部变形问题。
本发明提供了一种铝合金薄壁异形件局部校形方法，采用冷校形和低温热校形结合的方法对铝合金薄壁异形件进行局部校形。
需要说明的是，上述铝合金薄壁异形件为大端口异形件，例如薄壁异形件为中空的圆柱状，薄壁异形件的外径为400-500mm，高度为400-500mm，壁厚为1-3mm，薄壁异形件的内壁上设有多个加强筋，多个加强筋将内壁分成形状各异的晶格结构。生产加工过程中，薄壁异形件上局部会出现内凹或外凸的变形。
上述铝合金薄壁异形件局部校形方法包括：
步骤一：测量铝合金薄壁异形件的变形部位的尺寸并记录；
步骤二：针对薄壁异形件的变形部位设计组合工装，组合工装用于固定变形部位，组合工装与变形部位装配时能够对变形部位施加预紧力；
具体的，组合工装包括内型面随形板1、外型面随形板2、支撑板3、连接板4和调节组件5；具体的，内型面随形板1的形状与变形部位的内侧的理论形状匹配；外型面随形板2的形状与变形部位的外侧的理论形状匹配；内型面随形板1、外型面随形板2、支撑板3、连接板4和调节组件5能够根据变形部位的形状与变形部位实现组合装配。
具体的，内型面随形板1和外型面随形板2的尺寸均大于变形部位的尺寸。
具体的，如图1所示，连接板4的一端与外型面随形板2可拆卸连接，连接板4的另一端与支撑板3可拆卸连接；内型面随形板1设于外型面随形板2和支撑板3之间；调节组件5穿过支撑板3与内型面随形板1连接，通过调节调节组件5控制内型面随形板1靠近或者远离外型面随形板2；变形部位能够固定于内型面随形板1和外型面随形板2之间。当薄壁异形件发生局部内凹变形时：内型面随形板1装配于零件变形部位的内侧，内型面随形板1为施力件，通过调节组件5作用于自身的机械力向变形部位施加压应力，外型面随形板2装配于变形部位的外侧，起维形作用，防止校形过剩出现鼓包。
具体的，如图2所示，连接板4的一端与内型面随形板1可拆卸连接，连接板4的另一端与支撑板3可拆卸连接；外型面随形板2设于内型面随形板1和支撑板3之间；调节组件5穿过支撑板3与外型面随形板2连接，通过调节调节组件5控制外型面随形板2靠近或者远离内型面随形板1；变形部位能够固定于内型面随形板1和外型面随形板2之间。当薄壁异形件发生局部外凸变形时：外型面随形板2装配于变形部位的外侧，外型面随形板2为施力件，通过调节组件5作用于自身的机械力向变形部位施加压应力，内型面随形板1装配于零件变形部位的内侧，起维形作用，防止校形过剩出现内凹变形。
具体的，调节组件5可以为螺栓；支撑板3上设有第一螺栓孔，第一螺栓孔的数量为多个，螺栓穿过第一螺栓孔调节内型面随形板1与外型面随形板2的距离。
具体的，内型面随形板1、外型面随形板2与支撑板3的连接均为可拆卸连接，这是因为将组合工装与变形部位装配时需要分别将内型面随形板1与变形部位内侧贴合，外型面随形板2与变形部位外侧贴合，然后将内型面随形板1、外型面随形板2分别与支撑板3连接。如果将连接方式设置为固定连接，组合工装无法实现与变形部位的装配。
需要说明的是，组合工装仅作用于变形部位，使变形部位的应力场向与变形方向相反的方向改变，零件非变形部位不装配工装，应力场维持原始状态。
步骤三：计算变形部位校正所需预紧力；
步骤四：室温条件下，将组合工装装配于变形部位，装配过程中控制组合工装对变形部位施加预紧力；预紧力满足要求后，将组合工装和薄壁异形件整体送入退火炉中进行低温热校形；
步骤五：低温热校形后，检测变形部位变形量；若变形量满足要求，则完成校形；若变形量不满足要求，可重复进行步骤三和步骤四，逐步进行局部校形，直至变形量满足要求。
具体的，步骤三中，变形部位校正所需预紧力P符合下述公式：
P＝KLtσb
其中，P为变形部位校正所需预紧力，单位为N；
K为系数，K的范围为0.7-1；
L为变形部位的区域周长，单位为mm；
t为变形部位的区域厚度，单位为mm；
σb为变形部位的材料的抗拉强度。
具体的，步骤四中，装配之前，为了防止组合工装和薄壁异形件6表面的杂物影响校形效果，先将组合工装和薄壁异形件用丙酮清洗晾干。
具体的，步骤四中，装配过程中采用力矩扳手控制组合工装对变形部位施加预紧力，实现变形部位预紧力的精确控制。
具体的，步骤五中，低温热校形的温度对校形过程有重要影响，退火温度过高，会导致薄壁异形件的非变形部位的尺寸变形或导致零件性能下降；温度过低校形效果不满足要求；因此，控制低温热校形的温度为140℃-160℃。此温度低于常规铝合金材料的退火温度及时效温度，不对零件的性能及尺寸造成影响，同时能实现校形过程中消除应力的作用，实现变形校正。
实施例1
本实施例提供了一种铝合金薄壁异形件局部校形方法，薄壁异形件为圆筒形，直径460mm，高度428mm，壁厚2mm，内壁有复杂的加强筋，将内壁分成形状各异的晶格结构。生产加工过程中，薄壁异形件的圆筒形面局部出现面积约为100mm×100mm的内凹变形，变形量为10mm，导致零件尺寸超差。将薄壁异形件进行局部校形，方法如下：
步骤一：针对薄壁异形件的变形部位设计组合工装；组合工装包括内型面随形板1、外型面随形板2、支撑板3、连接板4和调节组件5。
内型面随形板1的尺寸为：长度为120mm，宽度为120mm，厚度为20mm；内型面随形板1呈圆弧形，内型面随形板1的形状与变形区域的理论内侧面完全贴合。外型面随形板2的尺寸为：长度为470mm，宽度为178mm，厚度为20mm，外型面随形板2呈圆弧形，外型面随形板2的形状与变形区域的理论外侧面完全贴合，并延伸至薄壁异形件的两端口。支撑板3为矩形，尺寸为：长470mm，宽100mm；支撑板3与外型面随形板2在薄壁异形件的端口位置通过螺旋连接成为一整体。支撑板3上设有螺纹孔，安装螺栓，支撑板3能通过螺栓与内型面随形板1连接，并将作用力通过内型面随形板1均匀作用于薄壁异形件的变形部位。
步骤二：计算变形部位校正所需预紧力。
通过计算公式P＝KLtσb，计算出校正变形部位所需预紧力为260KN。
步骤三：组合工装装配及低温热校形处理。
将组合工装和薄壁异形件用丙酮清洗晾干后，将内型面随形板1与薄壁异形件的变形部位的内侧面贴合，将外型面随形板2与薄壁异形件的变形部位的外侧面贴合，然后用螺栓将支撑板3与外型面随形板2固定连接，用螺栓将支撑板3与内型面随形板1连接，使用力矩扳手检测与内型面随形板1连接的螺栓的预紧力，满足260KN后装配完成；然后将组合工装和薄壁异形件整体送入退火炉中，升温至150℃，保温4h，随后开炉门空冷至室温。
步骤四：使用塞尺对变形部位进行测量，内凹变形量减小为1mm，满足精度加工要求。
需要说明的是，步骤三中，通过随炉试样对零件的力学性能进行检测。随炉试样低温热校形前的抗拉强度为321MPa，延伸率为7％；低温热校形后的抗拉强度为325MPa，延伸率为7％；可见，在检测误差允许范围内，零件力学性能未发生明显变化。
对比例1
本对比例提供了一种铝合金薄壁异形件局部校形方法，薄壁异形件为圆筒形，直径460mm，高度428mm，壁厚2mm，内壁有复杂的加强筋，将内壁分成形状各异的晶格结构。生产加工过程中，零件圆筒形面局部出现面积约为100mm×100mm的内凹变形，变形量为10mm，导致零件尺寸超差。采用传统的热校形方法：
步骤一：
依据薄壁异形件的结构设计零件整体随形工装，工装分为A部分和B部分，A部分与薄壁异形件的整体外型面随形，装配于零件底面，B部分与薄壁异形件的整体内型面随形，装配于零件上面。
步骤二：将薄壁异形件与整体随形工装，送入退火炉中，升温至退火温度320℃，保温4h，空冷至室温。
步骤三：使用塞尺对薄壁异形件的变形部位进行测量，零件内凹变形量减小为0.90mm，满足精度加工要求。
步骤二中，通过随炉试样对零件的力学性能进行检测。随炉试样校形前抗拉强度为321MPa，延伸率为7％。校形后抗拉强度为303MPa，延伸率为9％，零件变形量满足要求，但强度有所下降。
通过对比实施例1和对比例1可知，本发明提供的铝合金薄壁异形件局部校形方法通过采用冷校形和低温热校形结合的方法，设计针对局部变形部位的工装，预先施加机械预紧力对局部变形部位进行初步校形，减少变形量，并且预紧力能够减小应力导致的变形；然后将零件在受力作用下进行低温去应力退火处理，在去除应力的同时校正零件的变形，提高零件尺寸精度；相比于冷校形方法，该方法中增加了低温退火作用，消除了部分应力，避免了冷校形方法导致的开裂问题；相比于热校形方法，该方法能在低于零件常规退火温度的条件下，在保证不对零件非变形部位及力学性能造成影响的前提下，实现变形校正，减少能耗，节约成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铝合金薄壁异形件局部校形方法，其特征在于，所述铝合金薄壁异形件局部校形方法采用冷校形和低温热校形结合的方法对铝合金薄壁异形件进行局部校形；
所述方法包括：
步骤一：测量铝合金薄壁异形件的变形部位的尺寸并记录；
步骤二：针对薄壁异形件的变形部位设计组合工装，组合工装用于固定变形部位，组合工装与变形部位装配时能够对变形部位施加预紧力；
步骤三：计算变形部位校正所需预紧力；
步骤四：室温条件下，将组合工装装配于变形部位，装配过程中控制组合工装对变形部位施加预紧力；预紧力满足要求后，将组合工装和薄壁异形件整体送入退火炉中进行低温热校形；
步骤五：低温热校形后，检测变形部位变形量；若变形量满足要求，则完成校形；若变形量不满足要求，可重复进行步骤三和步骤四，逐步进行局部校形，直至变形量满足要求；
所述步骤三中，变形部位校正所需预紧力P符合下述公式：
P＝KLtσb
其中，K的范围为0.7-1；
L为变形部位的区域周长；
t为变形部位的区域厚度；
σb为变形部位的材料的抗拉强度。
2.根据权利要求1所述的铝合金薄壁异形件局部校形方法，其特征在于，所述组合工装包括内型面随形板(1)、外型面随形板(2)、支撑板(3)、连接板(4)和调节组件(5)；内型面随形板(1)的形状与变形部位的内侧的理论形状匹配；外型面随形板(2)的形状与变形部位的外侧的理论形状匹配；内型面随形板(1)、外型面随形板(2)、支撑板(3)、连接板(4)和调节组件(5)能够根据变形部位的形状与变形部位实现组合装配。
3.根据权利要求2所述的铝合金薄壁异形件局部校形方法，其特征在于，所述连接板(4)的一端与外型面随形板(2)可拆卸连接，连接板(4)的另一端与支撑板(3)可拆卸连接；内型面随形板(1)设于外型面随形板(2)和支撑板(3)之间；调节组件(5)穿过支撑板(3)与内型面随形板(1)连接，通过调节调节组件(5)控制内型面随形板(1)靠近或者远离外型面随形板(2)；变形部位能够固定于内型面随形板(1)和外型面随形板(2)之间。
4.根据权利要求2所述的铝合金薄壁异形件局部校形方法，其特征在于，所述连接板(4)的一端与内型面随形板(1)可拆卸连接，连接板(4)的另一端与支撑板(3)可拆卸连接；外型面随形板(2)设于内型面随形板(1)和支撑板(3)之间；调节组件(5)穿过支撑板(3)与外型面随形板(2)连接，通过调节调节组件(5)控制外型面随形板(2)靠近或者远离内型面随形板(1)；变形部位能够固定于内型面随形板(1)和外型面随形板(2)之间。
5.根据权利要求3或4所述的铝合金薄壁异形件局部校形方法，其特征在于，所述调节组件(5)为螺栓。
6.根据权利要求1所述的铝合金薄壁异形件局部校形方法，其特征在于，所述步骤四中，装配之前，将组合工装和薄壁异形件清洗并晾干。
7.根据权利要求6所述的铝合金薄壁异形件局部校形方法，其特征在于，所述步骤四中，装配过程中采用力矩扳手控制组合工装对变形部位施加预紧力。
8.根据权利要求6或7所述的铝合金薄壁异形件局部校形方法，其特征在于，所述步骤五中，低温热校形的温度为140℃-160℃。
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