CN113235026A - 镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法 - Google Patents

镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法 Download PDF

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Abstract

一种镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，包括以下步骤：(1)建立镁合金舱体铸件的几何模型；(2)确定镁合金舱体铸件的热处理工艺参数，根据热处理工艺参数，建立镁合金舱体铸件热处理工艺过程有限元模型；(3)在确定的热处理工艺下，通过改变工装的几何参数进行影响分析，得到舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量；(4)根据舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量，选择抑制舱体铸件变形的最佳参数。本发明以最小圆度误差为优化目标，对内支撑工装结构尺寸进行合理设计，获得结构简单、灵活、节省材料、变形抑制效果好的内支撑工装，提升工装对于内凸缘结构薄壁筒形铸件热处理变形的抑制效果。

Description

镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法
技术领域
本发明涉及热处理技术领域，具体是涉及一种镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法。
背景技术
舱体铸件是航空航天装备的主承载构件，舱体铸件多为筒体铸件，为实现最优化减重和刚度设计、快速成形制造，筒体铸件采用具有高强度，耐热性和良好耐腐蚀性的镁稀土合金铸造成型。
对于尺寸大、薄壁、内壁多凸缘且不对称的复杂结构特点的筒体铸件(内凸缘结构薄壁筒形铸件)，筒体铸件壁厚沿圆周分布均不对称，因此，在热处理过程中筒体铸件极易发生较大变形，无法满足后续机械加工的要求。
针对该类镁合金筒体铸件，目前的主要控制方法是在筒体内部加装内撑工装，通过工装提高筒体刚度沿圆周方向的分布均匀性，抑制筒体铸件在热处理过程中产生的变形，减小筒体铸件热处理后的圆度误差，完成热处理后再将内支撑工装去除。但现有方法具有工装结构复杂、不灵活、对材料大量浪费、变形抑制效果不佳的缺点。
发明内容
为有效控制内凸缘结构薄壁筒形铸件在热处理过程中的产生的变形，同时满足圆度、尺寸精度和力学性能的要求，本发明提供一种镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，基于优化设计理论，以最小圆度误差为优化目标，对内支撑工装结构尺寸进行合理设计，获得结构简单、灵活、节省材料、变形抑制效果好的内支撑工装，提升工装对于内凸缘结构薄壁筒形铸件热处理变形的抑制效果。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，包括以下步骤：
(1)建立镁合金舱体铸件的几何模型；
(2)确定镁合金舱体铸件的热处理工艺参数，根据热处理工艺参数，建立镁合金舱体铸件热处理工艺过程有限元模型；
(3)在确定的热处理工艺下，通过改变工装的几何参数进行影响分析，得到舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量；
(4)根据舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量，选择抑制舱体铸件变形的最佳参数。
进一步，所述步骤(1)中，采用拉伸方式建立镁合金舱体铸件的几何模型。
进一步，所述步骤(2)中，镁合金舱体铸件的热处理工艺参数包括热处理温度、保温时间、冷却速率和网格划分。
进一步，所述热处理为固溶处理，热处理温度为520-530℃，固溶阶段的保温时间为10-12小时，固溶保温结束后，采用空冷的方式进行冷却至室温，冷却速率为25-35W/(m2·℃)；所述网格划分是指在建立有限元模型时将工装进行划分为多个单元格。
进一步，所述步骤(3)中，采用Abaqus软件对工装的几何参数进行有限元分析。
进一步，所述步骤(3)中，选择圆度误差ΔR作为变形抑制效率的考查指标，由公式(1)计算得到
Figure BDA0003047636910000031
其中，Dmax为变形后舱体铸件最大外接圆直径，Dmin为变形后舱体铸件最小外接圆直径；舱体铸件的变形量也即通过圆度误差ΔR来表示。
进一步，所述步骤(3)中，所述工装的几何参数包括工装截面宽度、工装截面高度、工装加装高度和工装支撑角度，装截面高度范围为10mm-70mm，工装截面宽度取10mm-40mm，工装加装高度取 0mm-300mm，工装加装角度取0°-45°。
进一步，所述步骤(4)，包括以下步骤：
(4.1)使用数学回归的方法分析工装参数对舱体铸件变形的影响，以舱体铸件热处理结束后的圆度误差为目标函数，基于泰勒展开法和有限元数据，以工装几何参数为函数变量，建立舱体铸件圆度误差的多元非线性回归模型，即公式(2)：
v＝a0+a1A+a2B+a3C+a4D+a5AB+a6AC+a7AD+a8BC+aaBD+a10CD+ a11ABC+a12ABD+a13ACD+a14BCD+a15A2+a16B2+a17C2+a18D2+ε (2)
式中，y为舱体铸件热处理结束并去除工装后的圆度误差，为目标函数，A、B、C、D为工装的设置参数，ai为系数；
(4.2)根据有限元计算和实验所得数据，求解回归模型的各个系数，得出舱体铸件的圆度误差与工装几何参数之间的多元非线性关系；
(4.3)基于回归模型和各个参数的取值范围，求解回归模型最小值，此时模型中参数的值即为舱体铸件变形抑制工装的最佳参数；
Miny＝a0+a1A+a2B+a3C+a4D+a5AB+a6AC+a7AD+a8BC+a9BD+a10CD+ a11ABC+a12ABD+a13ACD+a14BCD+a15A2+a16B2+a17C2+a18D2+ε
Figure BDA0003047636910000041
其中，Min y为目标函数，表示使函数y最小，s.t.为约束条件，即各个参数的取值范围。
进一步，所述步骤(4.2)中，求解的回归模型的各个系数如下： a0＝5.81142，a1＝﹣0.04762，a2＝﹣0.12299，a3＝0.01291，a4＝1，a5＝0.00095， a6＝﹣0.00004，a7＝﹣0.00266，a8＝﹣0.001，a9＝0.00053，a10＝-﹣0.00024， a11＝0.00034，a12＝0.00003，a13＝0.00001，a14＝﹣0.00002，a15＝-﹣0.00022， a16＝0.00081，a17＝-﹣0.00001，a19＝0.00095，ε设为零。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
基于优化设计理论，以最小圆度误差为优化目标，对内支撑工装结构尺寸进行合理设计，获得结构简单、灵活、节省材料、变形抑制效果好的内支撑工装，提升工装对于内凸缘结构薄壁筒形铸件热处理变形的抑制效果。
附图说明
图1是本发明实施例中内凸缘结构薄壁筒形铸件的结构示意图。
图2是本发明实施例中工装的结构示意图。
图中，1—内凸缘结构薄壁筒形铸件，2—工装。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
(1)建立镁合金舱体铸件的几何模型，具体采用拉伸方式建立镁合金舱体铸件的几何模型；本实施中的镁合金舱体铸件为图1所示的内凸缘结构薄壁筒形铸件1。
(2)确定镁合金舱体铸件的热处理工艺参数，具体包括热处理温度、保温时间、冷却速率、网格划分和材料参数；根据热处理工艺参数，建立镁合金舱体铸件热处理工艺过程有限元模型；网格划分是指在建立有限元模型时将工装进行划分为多个单元格；材料参数是指工装以及镁合金舱体铸件的材料参数；本实施例中，热处理为固溶处理，热处理温度设置为525℃，固溶阶段的保温时间为12小时，固溶保温结束后，采用空冷的方式进行冷却至室温，冷却速率为30W/ (m2·℃)。采用热力直接耦合的方式进行仿真，在热处理过程中温度场和应力场采用相同的有限元网格划分方式和单元类型，都为沙漏模式控制三向线性位移三向线性温度的八结点热耦合六面体单元 (C3D8RT,ABAQUS)。本实施的工装为如图2所示的工装2。
(3)在确定的热处理工艺下，通过改变工装的几何参数进行影响分析，得到舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量。
在本实施例中，采用Abaqus软件对工装的几何参数进行有限元分析；选择圆度误差ΔR作为变形抑制效率的考查指标，由公式(1) 计算得到
Figure BDA0003047636910000061
其中，Dmax为变形后舱体铸件最大外接圆直径，Dmin为变形后舱体铸件最小外接圆直径；舱体铸件的变形量也即通过圆度误差ΔR来表示。
工装的几何参数包括工装截面宽度a、工装截面高度b、工装加装高度h和工装支撑角度θ四个参数，在说明几何参数时，以图1中虚线表示的工装为虚拟参考基准，基准参考工装虚拟安装于内凸缘结构薄壁筒形铸件1的上端面，图1中工装2为实际安装的工装，工装 2为十字形工装，工装截面宽度a是指工装端面的宽度，工装截面高度b是指工装端面的高度，工装加装高度h是指工装2相对于基准参考工装的高度，工装支撑角度θ是指工装2相对于基准参考工装的旋转角度。各参数的不同取值即为参数水平，装截面高度范围为 10mm-70mm，工装截面宽度取10mm-40mm，工装加装高度取 0mm-300mm，工装加装角度取0°-45°，在各设计参数取值范围的基础上，将每个参数均赋予4个不同的取值，即构成了4因素的水平，各因素的具体水平表如表1所示。
表1工装实验水平因素表
Figure BDA0003047636910000071
通过改变工装的几何参数进行影响分析时，具体采用正交法设计试验样本点，选用四因子四水平正交样本点设计，共16个样本点，每个样本点的圆度误差分析结果如表2所示。
表2正交实验方案设计表：
Figure BDA0003047636910000072
Figure BDA0003047636910000081
(4)根据舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量，选择抑制舱体铸件变形的最佳参数。
本实施例中，步骤(4)包括以下步骤：
(4.1)使用数学回归的方法分析工装参数对舱体铸件变形的影响，以舱体铸件热处理结束后的圆度误差为目标函数，基于泰勒展开法和有限元数据，以工装几何参数为函数变量，建立舱体铸件圆度误差的多元非线性回归模型，如公式(2)：
y＝a0+a1A+a2B+a3C+a4D+a5AB+a6AC+a7AD+a8BC+a9BD+a10CD+ a11ABC+a12ABD+a13ACD+a14BCD+a15A2+a16B2+a17C2+a19D2+ε (2)
式中，y为舱体铸件热处理结束并去除工装后的圆度误差，为目标函数，A、B、C、D为工装的设置参数，ai为系数，ε表示误差；
(4.2)根据有限元计算和实验所得数据，求解回归模型的各个系数，得出舱体铸件的圆度误差与工装几何参数之间的多元非线性关系；本实施例中，求解回归模型的各个系数结果如下：a0＝5.81142，a1＝﹣ 0.04762，a2＝﹣0.12299，a3＝0.01291，a4＝1，a5＝0.00095，a6＝﹣0.00004， a7＝﹣0.00266，a8＝﹣0.001，a9＝0.00053，a10＝-﹣0.00024，a11＝0.00034， a12＝0.00003，a13＝0.00001，a14＝﹣0.00002，a15＝-﹣0.00022，a16＝0.00081， a17＝-﹣0.00001，a18＝0.00095，ε设为零。
(4.3)基于回归模型和各个参数的取值范围，求解回归模型最小值，此时模型中参数的值即为舱体铸件变形抑制工装的最佳参数；
Miny＝a0+a1A+a2B+a3C+a4D+a5AB+a6AC+a7AD+a8BC+a9BD+a10CD+ a11ABC+a12ABD+a13ACD+a14BCD+a15A2+a16B2+a17C2+a18D2+ε
Figure BDA0003047636910000091
其中min y为目标函数，表示使函数y最小，s.t.为约束条件，即各个参数的取值范围。
本发明基于优化设计理论，以最小圆度误差为优化目标，对内支撑工装结构尺寸进行合理设计，获得结构简单、灵活、节省材料、变形抑制效果好的内支撑工装，提升工装对于内凸缘结构薄壁筒形铸件热处理变形的抑制效果。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立镁合金舱体铸件的几何模型；
(2)确定镁合金舱体铸件的热处理工艺参数，根据热处理工艺参数，建立镁合金舱体铸件热处理工艺过程有限元模型；
(3)在确定的热处理工艺下，通过改变工装的几何参数进行影响分析，得到舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量；
(4)根据舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量，选择抑制舱体铸件变形的最佳参数。
2.如权利要求1所述的镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，镁合金舱体铸件的热处理工艺参数包括热处理温度、保温时间、冷却速率和网格划分。
3.如权利要求2所述的镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，其特征在于：所述热处理为固溶处理，热处理温度为520-530℃，固溶阶段的保温时间为10-12小时，固溶保温结束后，采用空冷的方式进行冷却至室温，冷却速率为25-35W/(m2·℃)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，选择圆度误差ΔR作为变形抑制效率的考查指标，由公式(1)计算得到
Figure FDA0003047636900000021
其中，Dmax为变形后舱体铸件最大外接圆直径，Dmin为变形后舱体铸件最小外接圆直径；舱体铸件的变形量也即通过圆度误差ΔR来表示。
5.如权利要求1-3中任一项所述的镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述工装的几何参数包括工装截面宽度、工装截面高度、工装加装高度和工装支撑角度，装截面高度范围为10mm-70mm，工装截面宽度取10mm-40mm，工装加装高度取0mm-300mm，工装加装角度取0°-45°。
6.如权利要求1-3中任一项所述的镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，其特征在于：所述步骤(4)，包括以下步骤：
(4.1)使用数学回归的方法分析工装参数对舱体铸件变形的影响，以舱体铸件热处理结束后的圆度误差为目标函数，基于泰勒展开法和有限元数据，以工装几何参数为函数变量，建立舱体铸件圆度误差的多元非线性回归模型，即公式(2)：
y＝a0+a1A+a2B+a3C+a4D+a5AB+a6AC+a7AD+a8BC
+a9BD+a10CD+a11ABC+a12ABD+a13ACD+a14BCD+a15A2+a16B2+a17C2+a18D2+ε (2)
式中，y为舱体铸件热处理结束并去除工装后的圆度误差，为目标函数，A、B、C、D为工装的设置参数，ai为系数；
(4.2)根据有限元计算和实验所得数据，求解回归模型的各个系数，得出舱体铸件的圆度误差与工装几何参数之间的多元非线性关系；
(4.3)基于回归模型和各个参数的取值范围，求解回归模型最小值，此时模型中参数的值即为舱体铸件变形抑制工装的最佳参数；
Miny＝a0+a1A+a2B+a3C+a4D+a5AB+a6AC+a7AD+a8BC
+a9BD+a10CD+a11ABC+a12ABD+a13ACD+a14BCD+a15A2+a16B2+a17C2+a1sD2+ε
Figure FDA0003047636900000031
其中，Min y为目标函数，表示使函数y最小，s.t.为约束条件，即各个参数的取值范围。
7.如权利要求6所述的镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，其特征在于：所述步骤(4.2)中，求解的回归模型的各个系数如下：a0＝5.81142，a1＝-0.04762，a2＝-0.12299，a3＝0.01291，a4＝1，a5＝0.00095，a6＝-0.00004，a7＝-0.00266，a8＝-0.001，a9＝0.00053，a10＝--0.00024，a11＝0.00034，a12＝0.00003，a13＝0.00001，a14＝-0.00002，a15＝--0.00022，a16＝0.00081，a17＝--0.00001，a18＝0.00095，ε设为零。
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