CN112941434A - 一种旅客观察窗窗框精密模锻件高精度尺寸控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种旅客观察窗窗框精密模锻件高精度尺寸控制的方法，具体为：先将旅客观察窗窗框锻件进行固溶热处理，再淬火到室温；最后将淬火后的锻件利用冷压模具进行冷校形处理。锻件进行固溶、淬火之后由于尺寸问题，残余应力较小，但是变形较大，因此，本申请通过进行后续的冷压模具的冷校形处理，使得锻件的尺寸精度较高。

Description

一种旅客观察窗窗框精密模锻件高精度尺寸控制的方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种旅客观察窗窗框精密模锻件高精度尺寸控制的方法。
背景技术
窗框模锻件壁厚薄、呈弧型、尺寸精度要求高，在淬火过程中都会产生极大的残余内应力、淬火后容易产生翘曲变形，因此如何热处理后达到高精度尺寸要求是一大难点。
7175铝合金在成形过后需要通过固溶淬火才能得到材料强度及韧性的最佳组合。但锻件的快速冷却又会带来温度变化不均匀，产生残余应力。若锻件的残余应力消减不及时，会导致锻件在自由状态时发生应力释放，影响锻件形状及尺寸，降低锻件的抗疲劳耐腐蚀等性能。而淬火时锻件的温度及应力变化较快，对合金淬火和冷校形过程进行合理分析，从而设计出合理的淬火和冷校形工艺，以使冷校形后窗框的尺寸满足数模和高精度尺寸的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种旅客观察窗窗框精密模锻件高精度尺寸控制的方法。
有鉴于此，本申请提供了一种旅客观察窗窗框精密模锻件高精度尺寸控制的方法，包括：
A)将旅客观察窗窗框锻件进行固溶热处理，再淬火到室温；
B)将淬火后的锻件利用冷压模具进行冷校形处理。
优选的，所述固溶热处理的温度为471～482℃。
优选的，所述淬火的介质为水，水的温度为25～35℃。
优选的，所述固溶热处理和所述淬火之间还包括转运，所述转运的时间为2～3s。
优选的，所述冷压模具的型腔与最终观察窗窗框的三维数模相同。
优选的，所述冷压模具对所述淬火后的锻件的筋和腹板相交的圆角施加压力。
优选的，所述旅客观察窗窗框锻件的合金成分包括：Cu的含量为1.3～1.8wt％，Mg的含量为2.2～2.8wt％，0.19～0.26wt％的Cr，Zn的含量为5.3～6.0wt％，Mn的含量为0.02wt％，Si的含量为0.10wt％，Fe的含量为0.15wt％，Ti的含量为0.06wt％。
优选的，所述旅客观察窗窗框锻件的合金成分包括：Cu的含量为1.9wt％，Mg的含量为2.73wt％，Zn的含量为6.03wt％，Cr的含量为0.251wt％，Mn的含量为0.096wt％，Si的含量为0.064wt％，Fe的含量为0.115wt％，Ti的含量为0.001wt％。
本申请提供了一种旅客观察窗窗框精密模锻件高精度尺寸控制的方法，具体为：先将旅客观察窗窗框锻件进行固溶热处理，再淬火到室温；最后将淬火后的锻件利用冷压模具进行冷校形处理。锻件进行固溶、淬火之后由于尺寸问题，残余应力较小，但是变形较大，因此，本申请通过进行后续的冷压模具的冷校形处理，使得锻件的尺寸精度较高。
附图说明
图1为本发明实施例转运及淬火过程中锻件温度分布情况；
图2为本发明实施例转运后应力分布即淬火后空冷至室温的锻件残余应力分布图；
图3为本发明对比模型的3D拟合后的偏差分析；
图4为本发明锻件俯视图及仰视图；
图5为本发明窗框锻件进行冷校形后与原始锻件的对比情况；
图6为冷压后锻件的变形情况；
图7为本申请锻件淬火冷压模型示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
旅客观察窗窗框形状复杂，如图7中截面A-A、B-B、C-C、D-D为窗框淬火后的最大面积处及窗框的典型位置，4个不同位置截面淬火残余应力较典型，故主要分析此4个截面的残余应力情况，锻件本体全为弧面、锻件厚度较薄，在淬火过程中易出现锻件变形。因此，十分有必要对锻件的淬火过程进行研究，分析锻件温度分布、应力变化及锻件变形情况，从而优化锻件淬火工艺，以进一步分析淬火后的应力分布，而对后续的处理服务，以提高锻件的精度。通过进行仿真研究淬火和冷校形过程进行模拟，确定淬火残余应力分布、冷校形工艺的合理性，确定合理的淬火和冷校形工艺。由此，本发明实施例公开了一种旅客观察窗窗框精密模锻件高精度尺寸控制的方法，包括：
A)将旅客观察窗窗框锻件进行固溶热处理，再淬火到室温；
B)将淬火后的锻件利用冷压模具进行冷校形处理。
在本申请中，首先对旅客观察窗窗框进行固溶处理，所述固溶处理的温度为471～482℃，在之后则将其进行淬火，所述淬火的冷却介质为水，水温为25～35℃，在锻件固溶处理及淬火之间有一转运过程，考虑该过程锻件与空气热交换系数为0.02N/sec/mm/℃，转运时间为2～3s。
按照本发明，然后将淬火后的锻件利用冷压模具进行冷校形，此过程中，所述冷压模具的型腔与最终观察窗窗框的三维数模相同，所述冷压模具对所述淬火后的锻件的筋和腹板相交的圆角施加压力，使锻件产生塑性变形后和冷压模贴合，以达到和数模尺寸一致的目的。
在本申请中，所述旅客观察窗窗框锻件的合金成分包括：Cu的含量为1.3～1.8wt％，Mg的含量为2.2～2.8wt％，0.19～0.26wt％的Cr，Zn的含量为5.3～6.0wt％，Mn的含量为0.02wt％，Si的含量为0.10wt％，Fe的含量为0.15wt％，Ti的含量为0.06wt％，更具体的，所述旅客观察窗窗框锻件的合金成分包括：Cu的含量为1.9wt％，Mg的含量为2.73wt％，Zn的含量为6.03wt％，Cr的含量为0.251wt％，Mn的含量为0.096wt％，Si的含量为0.064wt％，Fe的含量为0.115wt％，Ti的含量为0.001wt％。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的旅客观察窗窗框精密模锻件高精度尺寸控制的方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例
将具体成分如下的旅客观察窗窗框锻件加热到固溶温度477℃，固溶一段时间后转运2s，于水中淬火至室温：Cu的含量为1.9wt％，Mg的含量为2.73wt％，Zn的含量为6.03wt％，Cr的含量为0.251wt％，Mn的含量为0.096wt％，Si的含量为0.064wt％，Fe的含量为0.115wt％，Ti的含量为0.001wt％，余量的铝；
将淬火后的锻件于冷压模具中进行冷校形处理；所述冷压模具的型腔与最终观察窗窗框的三维数模相同，冷压模具对所述淬火后的锻件的筋和腹板相交的圆角施加压力。
对上述过程进行分析：
1)上述过程中主要转运及淬火时温度变化如图1所示：加热及转运时，锻件传热介质为空气，热传导系数较小，但由于零件较薄，当加热270s后，锻件整体温度达到477℃，温度变化较快；锻件转运2s，温度下降到455℃～464℃左右，变化较大；锻件淬火开始时，温度变化较剧烈，淬火0.5s后，锻件筋顶表面温度下降到134℃以下，锻件心部温度为191℃～249℃左右，内外温差较大；当淬火时间为2.5s时，锻件温度进一步下降到32.5℃～47.4℃以下，淬火时间达到20s后，锻件整体温度降到水温20℃；其中，淬火时间为0.5s左右时锻件内外温度差最大，淬火时间达到1.5s，内外温差接近相同。由于淬火时锻件内外温度差的不断变化，锻件产生残余应力。
2)上述淬火应力场结果及分析
锻件在淬火过程中，由于表层金属的快速冷却产生锻件内外温度差，导致在淬火结束后会产生分布不均的内应力(主要为热应力)，图2为转运后应力分布及淬火后空冷至室温的锻件残余应力分布：锻件转运时，由于传热介质为空气，传热较慢，锻件产生应力较小，不管是锻件截面的横向方向及纵向方向，其应力分布较为均匀，且应力值均在±0.1MPa范围内；而锻件较薄，温度变化加快，锻件淬火后残余应力增加到±50MPa内，整体残余应力分布主要为外部压应力，内部拉应力；其中四个典型截面中截面D-D变化最大，其表层的横向压应力最大48MPa，心部横向拉应力最大51.3MPa；表层的纵向压应力最大14.4MPa，心部纵向最大拉应力为8.66MPa。整个锻件的残余应力都较小，分析其原因主要为：锻件较薄，淬火时传热较快，锻件整体冷却较快，表层及心部温度梯度较小，从而导致锻件在淬火后残余应力较小。因此，窗框淬火时易发生变形。
由上节锻件淬火情况可知，由于锻件较薄，淬火时温度变化较快，导致锻件的内外温度梯度较小，因此锻件残余应力较小。也正由于锻件较薄，导致锻件在淬火时产生较大变形，为进一步分析窗框在淬火后的变形情况，本申请采用模型分析软件Geomagic-control将淬火前后的锻件模型进行分析；以淬火前锻件作为基准，淬火后模型作为测试件，利用软件最佳拟合，分析不同区域变形情况，并进行量化。
图3为对比模型的3D拟合后的偏差分析，其中偏差为正，说明淬火后锻件表面在淬火前锻件表面上侧，偏差为负时，淬火后锻件在淬火前锻件下侧。若淬火后锻件与淬火前锻件偏差较大，说明锻件在淬火后有较大变形，主要表现在窗框弧形面的翘曲与筋条的变形。
由锻件偏差分析可知，当对锻件淬火后，锻件出现了较大的变形。以偏差为±0.2mm作为锻件相合标准，可以发现，锻件只有47％的区域未出现变形；96.86％区域变形量集中在±0.6mm范围内，剩余部分变形量均超过了0.6mm。对变形区域进一步进行分析，图4为锻件俯视图及仰视图，通过上下弧面的注释视图可以看出，锻件淬火后变形最大的地方主要集中在窗框的四个角落，而四边变形较小。具体为上表面减薄，下表面增厚，说明锻件淬火后有不同程度的张开，窗框锻件在Z方向的角度呈现出变大趋势。
综合分析锻件淬火过程发现，由于锻件较薄，淬火后锻件淬火残余应力较小，最大应力仅50MPa左右，但是锻件变形较大，其未变形区域仅占总锻件的47％。因此，需要对锻件进行冷校形处理，进行消减残余应力，同时使尺寸满足高精度要求。
3)冷校形有限元模拟
上述主要对锻件在淬火时的温度分布、应力变化以及淬火变形情况进行了有限元数值模拟。从结果可知，由于锻件较薄，其淬火残余应力较小，仅50MPa左右，故利用冷压法对锻件进行残余应力消减意义不大，主要利用冷压模具对其进行锻件校形作用。因此本节主要对锻件的校形情况进行分析，对冷压消除不再赘述。
窗框在淬火时由于锻件形状较复杂及锻件较薄，产生了较大部分的变形(主要为弧面方向角度的张开)。将窗框锻件进行冷校形处理，以得到残余应力及尺寸精度均合格的产品。图5为窗框锻件进行冷校形后与原始锻件的对比情况，同理，若偏差为正，说明淬火后锻件表面在淬火前锻件表面上侧，偏差为负，淬火后锻件在淬火前锻件下侧。同样以偏差范围在±0.2mm作为锻件相合标准，冷压后锻件与原始锻件相合部分占总体积的66％，比未冷压前提高了20个百分点；变形量为±0.6mm的区域占锻件总体的97.64％，提高了1个百分点。由此可知，锻件整体在冷压后比冷压前更加接近原始锻件，说明锻件的冷压工序对其校形起了较大的作用。
对锻件冷压后的锻件表面进一步分析，通过各点与原始锻件的注释尺寸进行比较，从而得到锻件的冷压校形效果。其中图6(a)为冷压后锻件上表面的尺寸偏差，图6(b)为锻件下表面尺寸偏差情况；可以看到，整个锻件在冷压后色条分布较冷压前更均匀，颜色也更浅；而对比各区域数值，可以发现冷压后的尺寸偏差更小，冷压校形效果较好。
因此，通过对窗框锻件淬火和冷压的有限元模拟发现窗框锻件在淬火后，其残余应力较小，锻件变形较大，主要原因为残余应力通过锻件的变形得到了较大释放，其数值仅在50MPa左右；锻件尺寸由于残余应力的释放变形较大，仅47％的区域变形较小；通过锻件的冷校形，窗框的尺寸精度得到不同程度的提高，使冷校形后尺寸满足窗框数模和高精度尺寸的要求。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种旅客观察窗窗框精密模锻件高精度尺寸控制的方法，包括：
A)将旅客观察窗窗框锻件进行固溶热处理，再淬火到室温；
B)将淬火后的锻件利用冷压模具进行冷校形处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固溶热处理的温度为471～482℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述淬火的介质为水，水的温度为25～35℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固溶热处理和所述淬火之间还包括转运，所述转运的时间为2～3s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷压模具的型腔与最终观察窗窗框的三维数模相同。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述冷压模具对所述淬火后的锻件的筋和腹板相交的圆角施加压力。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旅客观察窗窗框锻件的合金成分包括：Cu的含量为1.3～1.8wt％，Mg的含量为2.2～2.8wt％，0.19～0.26wt％的Cr，Zn的含量为5.3～6.0wt％，Mn的含量为0.02wt％，Si的含量为0.10wt％，Fe的含量为0.15wt％，Ti的含量为0.06wt％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旅客观察窗窗框锻件的合金成分包括：Cu的含量为1.9wt％，Mg的含量为2.73wt％，Zn的含量为6.03wt％，Cr的含量为0.251wt％，Mn的含量为0.096wt％，Si的含量为0.064wt％，Fe的含量为0.115wt％，Ti的含量为0.001wt％。
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