CN1761771A - 制造整体单块铝结构的方法和由这种结构机加工的铝制件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造整体单块铝结构的方法,包括下列步骤:(a)从一种铝合金制备具有预定厚度(y)的一种铝合金板材(4),(b)加工或成形铝合金板材(4)得到一种预定形状的结构(5),(c)对上述成形结构(5)进行热处理,(d)对上述成形结构(5)进行选择性机加工,例如高速机加工得到一种整体单块铝结构(6)。
Description
技术领域
本发明涉及一种由铝合金制造整体铝结构的方法和由这样一种铝结构机加工的铝制件。本发明特别涉及一种由按铝业协会(AA)国际命名法称之为AA7000系的高强度、高韧性、耐腐蚀铝合金制造航空结构件的方法。本发明尤其涉及制造用于航空的整体铝结构的新方法,即把薄板零件和板材零件组合在一个整体单块结构件中的新方法,以避免由于进行人工时效造成的变形。
背景技术
在技术上,人们都知道,在涉及高强度、高韧性、耐腐蚀要求的许多场合使用可热处理铝合金,如飞机机身、车辆构件及其他应用中。AA7050和AA7150铝合金在T6状态具有高的强度,参见US-A-6315842(结合作为本发明参考)。沉淀硬化AA7x75和AA7x55合金在T6状态也具有高的强度值。T6状态可以提高合金制件的强度,因而特别在航空工业得到应用。人们也知道对飞机预装配件进行人工时效以提高其耐腐蚀性,因为它们的典型应用导致其暴露在各种各样的气候条件下,必须谨慎控制其加工及时效状态,以提供适当的强度和耐腐蚀性,包括耐应力腐蚀性和耐剥离腐蚀性。
因此,对AA7000系铝合金进行人工过时效处理。当人工时效到T79,T76,T74或T73状态时,它们的耐应力腐蚀性、耐剥离腐蚀性和断裂韧性依所述顺序得到改进(在这些状态中,T73最好,T79接近于T6)。合格的热处理状态是T74或T73状态,在这种状态,其抗拉强度、耐应力腐蚀性、耐剥离腐蚀性及断裂韧性达到合理的平衡。
在制造飞机机身一类飞机结构件时,由于机身是由桁条,如机舱桁条或机身桁条,梁以及蒙皮,如机身蒙皮或机舱蒙皮组成的,通常是用铆钉或用焊接把桁条或梁连接到构成机身蒙皮的铝合金薄板上。一种铝合金薄板按照飞机机身形状弯曲并成形,借助于焊接和/或使用铆钉连接到桁条和梁或加强筋上。桁条和加强筋的用途是支撑和加强其成品结构。
为加快飞机的制造,降低成本,缩短制造时间,也制造了一种厚度在15-70mm范围的铝合金板,并对其厚度等于或大于机身蒙皮薄板厚度以及桁条或梁高度的板进行弯曲,在弯曲操作后,从这个板中机加工桁条,并从桁条之间铣削铝合金。
上述这类先有技术至少有两个主要缺点。第一,为提高耐腐蚀性,从已经按上述进行人工时效的铝合金制造的铝板,在弯曲和机加工操作后出现明显的变形,表现为垂直变形和水平变形,这就给机身装置或机翼装置带来麻烦,因为所有零部件都必须进行附加的校正弯曲和测量操作。第二,弯曲和机加工的结构,包括薄板,桁条或梁,都具有由弯曲引起的残余应力或内应力,这就在结构的不同区域和部分导致不同的显微组织以至或低或高的内部残余应力。具有较高内部残余应力的区域对腐蚀和疲劳裂纹扩展更为敏感。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种制造整体单块铝结构的方法,并由没有上述一个或几个缺点的这种结构机加工一种铝制件,因此为飞机或其他应用提供简易而便宜组装的结构件,它们在机加工后没有或只有很小的变形,并且具有均匀的显微组织,因而不会出现不同内应力的区域。
更准确地说,本发明的一个目的是提供一种制造整体单块航空铝结构的方法,它们可以比先有技术结构更快地装配飞机,并实现较好的性能,如强度、韧性和耐腐蚀性。
为满足上述一个或几个目的,本发明提供了一种制造整体单块铝结构的方法,包括下列步骤:(a)由一种铝合金制备具有预定厚度(y)的铝合金板,(b)使上述铝合金板定形或成形,得到具有一个内装半径的预定形状结构,(c)对上述成形结构热处理,(d)有选择地对上述结构进行机加工,如高速机加工,得到一种整体单块铝结构。其他的最佳实施例在相关权利要求书中说明和规定。
本发明的另一方面,提供了按本发明方法制造的整体单块铝结构制造一种铝制件,即对这种成形结构进行机加工得到一种具有基本薄板和构件的整体铝结构件。最佳实施例在相关权利要求书中说明和提出。
下文中,除非另有说明,合金名称及状态名称均参照铝业协会出版的“铝标准、数据和注册登记的铝协会命名法”一书。
“单块”是一个技术术语,其含义是:由单块材料形成或产生的、无接头或无接缝的,基本上单一的一个组合件,以及基本上均匀的一个统一体。由本发明方法得到的单块制件也没有什么不同,即:由单块材料构成,包括整体结构件或零件,如具有外表面或侧面以及内表面或侧面的基本连续的蒙皮,和整体支撑件,如蒙皮内表面上的加强筋或加厚部分,包括构架件。
上述一个或多个目的这样实现,即由一种铝合金制备具有预定厚度的铝合金板,使上述合金板成形得到一种预定形状的结构,对上述成形结构进行人工或自然时效,或退火处理,铣削或机加工上述结构,如用高速机加工,得到可用于上述用途的整体单块铝结构。
因为时效或退火是在成形后进行,可以获得变形很小甚至基本不变形的结构件,因此其最终制件特别适合于飞机机身或机翼应用,或适合于飞机尾部的带垂直翼梁的垂直蒙皮。可以相信,由于成形步骤而显示上述缺点的成形结构,通过在合金板成形操作后进行人工或自然时效,将释放其内应力或残余应力。
在本发明方法的一个最佳实施例中,在铝合金板材成形为一种预定形状的结构之后,以及在进行任何机加工,如高速机加工之前,这种预定形状的结构进行人工时效,以在随后的机加工中改进其尺寸稳定性。这种成形的结构最好人工时效到下列状态中的一种状态:T6,T79,T78,T77,T76,T74,T73和T8。例如,合适的T73状态是T7351,合适的T74状态是T7451。
在本方法的一个实施例中,得到预定形状结构的加工或成形操作包括一种冷成形操作,如导致制品具有一个固有的半径的弯曲成形。
在本发明方法的一个实施例中,在成形操作之前,在从固溶热处理温度淬火后,已经对铝合金板材进行拉伸。这种拉伸不要超过刚开始拉伸前铝板长度的8%,优选地在1%-5%的范围。通常是使铝合金处于一种T4,或T73,或T74,或T76状态,如一种T451或一种T7351状态,来实现这种拉伸。
这种成形结构最好有一个预机加工厚度,并且这个厚度等于或大于基体薄板或蒙皮以及附加构件,如桁条的组合厚度,其中,基体薄板和附加构件形成上述整体单块铝结构。
当按照BMS(波音公司材料规范)7-323D第8.7节的规定测量时,所得制件纵向变形通常小于0.13mm,优选地小于0.10mm。
在一个实施例中,这种成形结构的预机加工厚度Y在10-220mm范围,优选地在15-150mm范围,更优选地在20-100mm范围,最优选地在30-80mm范围。
这种铝合金板最好由AA5xxx,AA7xxx,AA6xxx,AA2xxx系铝合金中选定的一个铝合金制造。特别的实例是在AA7x50,AA7x55,AA7x75和AA6x13铝合金系中,这些铝合金系中的典型代表是AA7075,AA7475,AA7010,AA7050,AA7150和AA6013合金。
按照本发明一个最佳实施例,这种铝合金板由一种已经在淬火后拉伸的铝合金制造,其一个实例如下:
一种优选的制造用于航空航天领域的,具有高韧性和良好抗腐蚀性能平衡的AA7xxx系铝合金板的方法,包括加工合金块的步骤,其成分按重量百分数(wt%)为:
Zn 5.0-5.8
Cu 1.0-2.6
Mg 1.0-2.9
Fe <0.3,优选地<0.15
Si <0.3,优选地<0.15还包括从下列元素中选定的一种或几种元素:
Cr 0.03-0.25
Zr 0.03-0.25
Mn 0.03-0.4
V 0.03-0.2
Hf 0.03-0.5
Ti 0.01-0.15上述任选元素总量不超过0.6wt%,余量为铝,非主要杂质元素各<0.005%,杂质总量<0.20%;对制件进行固溶热处理和淬火处理;对淬火制件拉伸1%-5%,优选地为1.5%-3%,以达到T451状态;然后对制件进行成形加工,如弯曲、预弯曲或铣削,得到预定形状的结构。
这种预定形状结构然后优选地进行人工时效:连续三次把制件加热到79-165℃温度范围的一个或几个温度,或者把预定形状结构首先加热到79-145℃温度范围的一个或几个温度保温2小时或更长时间,或者把成形结构加热到148-175℃温度范围的一个或几个温度。随后,这种成形结构没有任何实质的变形,同时,该成形结构具有改进的“EB”耐剥离腐蚀性,按照ASTM(美国材料试验学会标准)G34-97的测量,其屈服强度比T76状态的AA7x50合金类似尺寸的相应结构件约高15%。
按照AMS(美国金属学会)2772C,AA7050合金达到T7651状态的时效操作是:在121℃保温3-6h(小时),在163℃保温12-15h;该合金达到T7451状态的时效操作是:在121℃保温3-6h,在163℃保温20-30h。AA7475合金达到T7351状态的典型时效操作是:在121℃保温6-8h,在163℃保温24-30h。AA7150合金达到T651状态的典型时效操作是:121℃保温24h,或者在121℃保温24h后在160℃保温12h。
在本发明制件一个优选的实施例中,上述基体薄板是飞机机身蒙皮,上述构件至少是整体桁条或飞机机身其他整体增强件,而且机身有一个固有的半径。
在另一个实施例中,上述基体薄板是一种整体结构如整体门的基本蒙皮,上述构件至少是飞机整体结构的整体增强件,而整体结构有一个固有的半径。
在另一个实施例中,上述基体薄板是飞机的一种机翼蒙皮,上述构件至少是整体加强筋和/或其他增强件如飞机机翼桁条。
附图说明
下面结合附图对实施例进行详细说明,将更加清楚本发明的方法及铝合金制件的上述的或其他的特点和优点,附图中:
图1示出一种整体铝结构;
图2示出图1中整体铝结构的变形效应;
图3a示出先有技术的一个实施例;
图3b示出本发明一个实施例;
图3c示出一种按照本发明人工或自然时效的一种成形结构。
具体实施方式
图1示出一种整体铝结构,包括基体薄板1和附加构件2,如飞机桁条和梁。这种整体铝结构6由一种按飞机机身形状成形的预弯曲基体薄板1组成,因此,所示为机身蒙皮1的横截面。附加构件2是按先有技术,用例如铆钉和/或焊接,连接在基体薄板1上的桁条。
图2示出按先有技术方法制造的整体铝结构的变形效应。当附加构件2连接到基体薄板1时,以及当整个结构通过机加工、铆接或焊接而完成时,在附加构件2进行这种连接以前或构件2从板机加工到相应厚度以前已经进行过弯曲加工的这种预弯曲板或薄板的应力释放,导致一个水平变形d1和/或一个垂直变形d2。
图3a示出按先有技术制造的一种整体单块结构或构件。铝合金锭块3通过铸造、均匀化、热加工、轧制、锻造或挤压和/或冷加工、固溶热处理、淬火和拉伸而制出,得到一个厚的铝合金锁块,并被成形为一种预定形状的结构5。这种成形步骤是一种机械铣削或机加工,因此铣削铝合金块3,得到一种如图3c所示的具有预定厚度y的预定形状结构5。这个预定厚度y等于或大于基体薄板1的厚度x和附加构件2的伸出高度,构件2是在时效后经过几个铣削步骤从成形结构5机加工而成。这个方法的缺点是可能在制件中产生明显的残余应力,可能导致构架件或蒙皮本身横截面的加大,以满足配合公差和安全的要求。
图3b示出本发明的一个实施例,其成形步骤是一种机械弯曲,把合金板4弯曲成如图3c所示的一种具有固有的半径的弯曲或预弯曲结构5。使用本发明的方法也可以制造具有抛物线形的双曲结构。与图3a所述先有技术相比,本发明这个实施例的一个优点是只有较少的铝合金用于机加工或铣削,因为合金板4的预定厚度y明显小于整个铝合金块3的预定厚度。成形以后进行时效,可以得到适用于飞机机身和机翼的基本无变形的结构件。本发明方法和制件的另一个优点是,与传统方法制造的粗大型制件相比,可以提供一种更薄的、具有强度和重量优于普通方法的单块制件或结构。这意味着可以提供并已证明可以使用薄壁而重量轻的设计。本发明方法和制件的另一个优点是单块构件重量的降低。消除紧固件还可以进一步降低重量。这也与减小变形而导致的机加工精确度优点以及成形后最后机加工的固有精确度有关。
实例
在工业规模上制备了AA7475系合金(航空航天级材料)的厚板,最终厚度为40mm,宽度为1900mm,长度为2000mm。不同的板按已知的方式带到T451状态和T7351状态。
在一种制造整体单块结构的方法中,一种T451状态的板材在其纵向弯曲成一种半径为1000mm的结构件,随后人工时效到T7351状态。其纵向变形在0.07-0.09mm范围,由此按已知的方法可以计算纵向残余应力在16-22MPa范围。
在另一种制造整体结构的方法中,一种T7351状态的板材在其纵向弯曲成一种半径为1000mm的结构,不再进行时效处理。其纵向变形在0.15-0.22mm范围,由此可按已知的方式计算纵向残余应力在49-54MPa范围。
对于这两种方法,已经按BMS 7-323D第8.7节(2003年1月21目修订版)测量了机加工后的变形,在这里作为参考。
这种实例表明,在成形一种弯曲壁板以后,并在机加工成整体结构以前,进行时效处理对降低机加工后的变形,因而对降低材料中的残余应力有有利的影响。
现在已经全面说明了本发明,本专业技术人员都很清楚,在不背离所述的本发明的精神和范围前提下,可以进行许多变化和改进。
Claims (17)
1.一种制造整体单块铝结构的方法,包括下列步骤:
(a)从一种铝合金制备具有预定厚度(y)的一种铝合金板材(4),
(b)加工或成形铝合金板材(4)得到一种预定形状的结构(5),
(c)对上述成形结构(5)进行热处理,
(d)对上述成形结构(5)进行选择性机加工,得到一种整体单块铝结构(6)。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,上述热处理包括自然时效、人工时效或退火处理。
3.按照权利要求1-2所述的方法,其特征在于,上述成形结构(5)人工时效到一种T6,T79,T78,T77,T76,T74,T73或T8状态。
4.按照权利要求1-3中任何一项所述的方法,其特征在于,加工或成形工艺包括冷成形。
5.按照权利要求1-4中任何一项所述的方法,其特征在于,在加工或成形步骤之前,上述铝合金板(4)在淬火后已经拉伸。
6.按照权利要求1-5中任何一项所述的方法,其特征在于,在加工或成形步骤前,上述铝合金板(4)在淬火后已经拉伸,拉伸范围在8%以内。
7.按照权利要求6所述的方法,其特征在于,在加工或成形步骤前,上述铝合金板(4)在淬火后已经拉伸到1%-5%的范围。
8.按照权利要求1-7中任何一项所述的方法,其特征在于,上述铝合金板(4)在加工或成形步骤前已经达到T4,T73,T74和T76中选定的一种状态。
9.按照权利要求1-8中任何一项所述的方法,其特征在于,上述铝合金板(4)由从AA2xxx,AA5xxx,AA6xxx或AA7xxx系合金中选定的一种铝合金制造。
10.按照权利要求9所述的方法,其特征在于,上述铝合金板(4)由从AA7x50,AA7x55,AA7x75,和AA6x13系合金中选定的一个铝合金制造。
11.按照权利要求1-10中任何一项所述的方法,其特征在于,上述铝合金板(4)由具有下列按重量百分比的成分的一个铝合金制造:
Zn 5.0-8.5
Cu 1.0-2.6
Mg 1.0-2.9
Fe <0.3,优选地<0.15
Si <0.3,优选地<0.15
任选地,所述的铝合金还含有下列一个或几个元素:
Cr 0.03-0.25
Zr 0.03-0.25
Mn 0.03-0.4
V 0.03-0.2
Hf 0.03-0.5
Ti 0.01-0.15。
上述任选的元素总量不超过0.6,余量为铝;非主要的杂质各<0.05,杂质总量<0.20。
12.按照权利要求1-11中任何一项所述的方法,其特征在于,上述成形的结构的预定厚度(y)在10-220mm范围,优选地在15-1500mm范围,更优选地在30-60mm范围。
13.按照权利要求1-12中任何一项所述的方法,其特征在于,整体单块铝结构是一种机翼蒙皮或飞机的框架部分。
14.由按照权利要求1-13中任何一项所述的方法制造的整体单块铝结构(5)制造的铝制件,其特征在于,上述成形的结构件(5)进行机加工得到一个整体铝制件(6),该整体铝制件(6)具有一个基体薄板(1)和整体构件(2)。
15.按照权利要求14所述的铝制件,其特征在于,上述基体薄板(1)是飞机的一个机身蒙皮,上述构件(2)至少是整体桁条或飞机机身其他整体增强件,整体构件有一个固有的半径。
16.按照权利要求14所述的铝制件,其特征在于,上述基体薄板(1)是类似于整体门的一种整体单块结构的基本蒙皮,上述整体构件(2)至少是飞机整体结构的整体增强件,整体构件有一个内装半径。
17.按照权利要求14所述的铝制件,其特征在于,上述基体薄板(1)是飞机的一个机翼蒙皮,上述构件至少是整体加强筋和飞机机翼的其他整体增强件。
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