CN115522147B - 一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，根据最终零件的成型结构，建立具有加工余量的粗加工模型，并根据粗加工模型上各个区域的最小截面尺寸、最大残余应力、与最终零件的包络性对加工余量进行调整，进而得到能够满足截面尺寸要求、残余应力要求、包络性要求的粗加工模型，然后根据粗加工模型对锻造的毛坯进行粗加工成型，在有效降低了机械加工过程中取出加工余量的前提下，同时有效控制了毛坯经过机械加工成型后的残余应力与变形量，同时根据粗加工模型对毛坯进行机械加工，使得整个加工过程中的残余应力分布与变形量可预测可控，进而保证最终毛坯加工成型后的残余应力与变形量要求。

Description

一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法

技术领域

本发明属于锻造毛坯机械制造成型的技术领域，具体涉及一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法。

背景技术

高强度铝合金模锻件由于其强度高、韧性好、抗腐蚀性强等优秀的材料性能，广泛应用于飞机零件生产制造中。传统的模锻件毛坯零件制造工艺流程为：锻造成形-固溶淬火-消减残余应力-时效处理-机械加工。由于铝合金模锻件毛坯截面厚度大，淬火时急剧的温度变化会产生100Mpa~150Mpa的残余应力，较大的残余应力不仅会使模锻件毛坯在最后机械加工过程中出现零件翘曲、变形等问题，还会影响最终零件的疲劳寿命，一直以来残余应力消减都是模锻件制造的关键难题。

目前常用的残余应力消减方法有：预拉伸、冷压、深冷处理、热处理等。其中预拉伸法只能适用于结构简单平板结构，不能用于复杂结构的模锻件；冷压法通过设计冷压模来对淬火后的模锻件毛坯施加一定变形量，最大可以降低40%~70%的残余应力幅值，但该方法需要制造冷压模，成本很高，且对于结构复杂的大型模锻件，残余应力消减的效果不够理想；深冷处理法通过将淬火后的模锻件降到一个很低的温度，再快速升温，能够降低一部分残余应力，但该方法一般只能消减10%~30%的残余应力，效果有限；热处理法通过将毛坯加热到一定温度来消减残余应力，但升温很容易影响材料性能，降低材料强度等其他指标。

同时，专利申请号为CN201610411185.4的专利申请文件中公开了一种固溶淬火后通过保压时效空冷来降低模锻件残余应力的方法，虽然能够降低毛坯的残余应力，但是时效处理容易影响毛坯材料的性能；专利申请号CN201811237077.5的专利申请文件中公开了一种将固溶淬火后的模锻件毛坯进行冷压拉处理来消减残余应力的方法，虽然能够有效降低锻造毛坯的残余应力，但是该方法制造成本较高且不适合结构复杂的锻件毛坯处理。

以上方法的不足在于，可能影响材料性能、或制造成本较高、或残余应力消减效果不够理想。随着机械设计对零件要求的不断提高，传统的模锻件制造方法已经不能满足新一代的零件加工制造要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，能够有效消减铝合金锻造毛坯在机械加工过程中的残余应力，同时有效控制毛坯的变形。

本发明通过下述技术方案实现：

一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，包括以下步骤：

步骤1、在最终零件的成型结构的基础上预留加工余量建立粗加工模型，预留的加工余量使得粗加工模型90%以上区域的最小截面尺寸小于预先设定的参考截面尺寸，且预留的最小的加工余量满足机械加工要求；

在三维建模软件中根据最终零件的成型结构的尺寸预留加工余量，然后建立粗加工模型。针对预留了加工余量的区域，提取其最小截面尺寸，并将最小截面尺寸的参考截面尺寸进行比对，对粗加工模型上最小截面尺寸超过了参考截面尺寸的区域的加工余量进行调增，使得粗加工模型90%以上区域的最小截面尺寸小于预先设定的参考截面尺寸。

针对重要加工面所在区域的加工余量设置，应使得当前区域的最小截面尺寸在小于预先设定的参考截面尺寸并满足机械加工要求的前提下越小越好，进而减少后续机械加工时需要去除的加工余量。

步骤2、对步骤1中得到的粗加工模型进行淬火后的残余应力预测，并针对残余应力超标的区域的加工余量进行调整，使得粗加工模型90%以上区域的最大残余应力小于等于危险残余应力；

采用三维建模软件中自带的有限元分析模块，或采用ansys等有限元分析软件对步骤1中调整后得到的粗加工模型分析其残余应力。上述对三维模型进行残余应力的分析方法为现有技术且不是本发明的改进点，故其具体分析原理与步骤在此不再赘述。

步骤3、对步骤2中得到的粗加工模型进行淬火后的变形量预测，根据变形量计算粗加工模型的包络区域，对粗加工模型上不能包络最终零件的区域的加工余量进行调整，使得当前区域能够完全包络最终零件；

步骤4、对锻造成型的毛坯进行固溶处理后并缓慢冷却，然后按照步骤3中得到的粗加工模型对毛坯进行粗加工；

步骤5、对步骤4中粗加工后的毛坯进行固溶、淬火、人工时效、精加工处理。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤1中的参考截面尺寸为25mm-30mm。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤2中针对残余应力超标的区域，降低其加工余量侧的最小截面尺寸，直到当前区域的残余应力小于等于危险残余应力。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述危险残余应力为40Mpa-50Mpa。

为了更好地实现本发明，进一步的，针对粗加工模型上不能包络最终零件的区域，对当前区域的加工余量侧进行增厚，直到当前区域能够将最终零件包络。

为了更好地实现本发明，进一步的，对加工余量侧按照增厚跨度值进行阶梯式递进增厚，所述增厚跨度值小于等于2mm。

为了更好地实现本发明，进一步的，针对步骤3中的粗加工模型上能够包络最终零件的区域的加工余量进行减薄，但减薄后的加工余量应满足步骤1中的最小截面尺寸要求与步骤2中的最大残余应力要求。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤4中，将毛坯加热至470℃-480℃后再进行固溶处理，然后对毛坯保温5h-6h。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤4中，采用自然冷却或随炉冷却对毛坯进行缓慢冷却。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明提出了一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，根据最终零件的成型结构建立具有加工余量的粗加工模型，并根据粗加工模型上各个区域的最小截面尺寸、最大残余应力、与最终零件的包络性对加工余量进行调整，进而得到能够满足截面尺寸要求、残余应力要求、包络性要求的粗加工模型，然后根据粗加工模型对锻造的毛坯进行粗加工成型，在有效降低了机械加工过程中取出加工余量的前提下，同时有效控制了毛坯经过机械加工成型后的残余应力与变形量，同时根据粗加工模型对毛坯进行机械加工，使得整个加工过程中的残余应力分布与变形量可预测可控，进而保证最终毛坯加工成型后的残余应力与变形量要求；

（2）本发明在进行毛坯淬火之前，根据建立的粗加工模型对毛坯进行机械加工，通过调整加工余量，大大降低了机械加工与后续淬火过程中毛坯的最小截面尺寸，进而有效控制毛坯的残余应力与变形量；

（3）本发明相比于传统的残余应力消减方法，不需要制备专用的冷压模具，也不会受到毛坯形状的限制，进而有效降低了毛坯低残余应力制造的加工成本，同时提升了毛坯低残余应力制造的兼容性。

附图说明

图1为本发明的步骤流程示意图；

图2为最终零件的示意图；

图3为设置了加工余量得到的粗加工模型示意图；

图4为加工余量调整的示意图；

图5为粗加工模型不能包络最终零件的示意图；

图6为粗加工模型能够包络最终零件的示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、在最终零件的成型结构的基础上预留加工余量建立粗加工模型，预留的加工余量使得粗加工模型90%以上区域的最小截面尺寸小于预先设定的参考截面尺寸，且预留的最小的加工余量满足机械加工要求；

参考截面尺寸为大于危险截面尺寸的一个参考值，预留了加工余量的粗加工模型当前区域的最小截面尺寸应当介于危险截面尺寸与参考截面尺寸之间。在当前区域的最小截面尺寸大于危险截面尺寸的前提下，当前区域的最小截面尺寸应当越小越好，进而减少后续机械加工过程中需要去除的加工余量。对于横截面形状规则的区域，如横截面形状为规则多边形、三角形、规则圆形等，则直接测量其最小截面尺寸。若当前区域的横截面形状为不规则形状，如不规则多边形，则计算当前横截面形状的最小包络圆，以最小包络圆的直径作为最小截面尺寸。

步骤2、对步骤1中得到的粗加工模型进行淬火后的残余应力预测，并针对残余应力超标的区域的加工余量进行调整，使得粗加工模型90%以上区域的最大残余应力小于等于危险残余应力；

对粗加工模型进行区域分割，然后采用三维建模软件中自带的有限元分析模块或ansys等有限元分析软件对粗加工模型上的各个区域进行残余应力计算预测。为了简化计算，以分割区域中的重要截面、重要加工面、应力集中面等重要参考面为预测面进行残余应力预测。并对残余应力超标的区域进行标注以便后续对残余应力超标区域的加工余量进行调整。每调整一次加工余量，就重新计算一次当前区域的残余应力，直到粗加工模型90%以上区域的最大残余应力小于等于危险残余应力。

步骤3、对步骤2中得到的粗加工模型进行淬火后的变形量预测，根据变形量计算粗加工模型的包络区域，对粗加工模型上不能包络最终零件的包络区域进行调整，使得包络区域能够完全包络最终零件；

采用三维建模软件中自带的有限元分析模块或ansys等有限元分析软件对粗加工模型进行变形量计算预测，进而得到变形后的粗加工模型，然后将变形后的粗加工模型与最终零件进行比对，判断变形后的粗加工模型是否能够将最终零件完全包络。针对变形后的粗加工模型不能包络最终零件的区域，对其加工余量进行调整，使得调整后的区域能够将最终零件包络。

步骤4、对锻造成型的毛坯进行固溶处理后并缓慢冷却，有效消除毛坯中因锻造产生的残余应力，进而有效减少后续的粗加工变形与淬火变形，然后按照步骤3中调整加工余量后得到的粗加工模型对毛坯进行粗加工；

步骤5、对步骤4中粗加工后的毛坯进行固溶、淬火、人工时效、精加工处理。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，所述步骤1中的参考截面尺寸为25mm-30mm，参考截面尺寸大于危险截面尺寸，设置参考截面尺寸是为了限制加工余量，避免加工余量过大造成后续机械加工需要去除的加工余量过量。

进一步的，参考截面尺寸为危险截面尺寸的1.2倍-1.5倍，如危险截面尺寸为20mm，则参考截面尺寸为24mm-30mm，优选为25mm-30mm。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1或2的基础上做进一步优化，所述步骤2中针对残余应力超标的区域，降低其加工余量侧的最小截面尺寸，即减小当前其余的加工余量，进而降低当前区域的最小截面尺寸。对加工余量侧按照减小跨度值进行阶梯式递进减薄，所述减薄跨度值为0.5mm-2mm，直到当前区域的残余应力小于等于危险残余应力。

如当前区域的加工余量为10mm，此时当前区域的残余应力超标，则按照减小跨度值1mm对加工余量进行减小，第一次减小为9mm，然后计算加工余量为9mm时的残余应力，若残余应力达标则停止加工余量减小，若残余应力超标则继续按照减小跨度值1mm将加工余量从9mm减小至8mm，直到当前区域的残余应力小于等于危险残余应力。

进一步的，所述危险残余应力为40Mpa-50Mpa。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上做进一步优化，针对粗加工模型上不能包络最终零件的区域，对当前区域的加工余量侧进行增厚，直到当前区域能够将最终零件包络。

进一步的，对加工余量侧按照增厚跨度值进行阶梯式递进增厚，所述增厚跨度值小于等于2mm。

如当前区域的加工余量为10mm，此时当前区域不能包括最终零件，则按照增厚跨度值1mm对当前区域的交工余量进行增厚，第一次增厚为11mm，然后计算当前区域的加工余量为11mm时能否包络最终零件，若能够包络最终零件，则停止增厚；若不能包络最终零件，则继续按照增厚跨度值1mm将加工余量从11mm增加至12mm，直到当前区域的能够包络最终零件。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上做进一步优化，针对步骤3中的粗加工模型上能够包络最终零件的区域的加工余量进行减薄，但减薄后的加工余量应满足步骤1中的最小截面尺寸要求与步骤2中的最大残余应力要求。

上述处理是为了使得当前区域的加工余量在满足对最终零件的包络、最小截面尺寸要求、残余应力要求的前提下尽可能小，进而减小后续机械加工过程中需要去除的加工余量。

本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例在上述实施例1-5任一项的基础上做进一步优化，所述步骤4中，将毛坯加热至470℃-480℃后再进行固溶处理，然后对毛坯保温5h-6h。

进一步的，所述步骤4中，采用自然冷却或随炉冷却对毛坯进行缓慢冷却。

本实施例的其他部分与上述实施例1-5任一项相同，故不再赘述。

实施例7：

一种用于飞机蒙皮与骨架装配的电磁引孔方法，包括以下步骤：

步骤1、根据最终零件的成型结构的尺寸在三维建模软件中进行粗加工模型的初步建模设计。如图2和图3所示，在最终零件的成型结构的基础上预留单边加工余量形成粗加工模型，然后对粗加工模型进行区域分割，针对各区域的截面尺寸进行提取测量，使得粗加工模型90%以上区域的最小截面尺寸小于参考截面尺寸，参考截面尺寸为30mm。

步骤2、采用有限元分析软件对步骤1中建立的粗加工模型进行数值仿真计算，预测粗加工模型淬火后的残余应力。数值仿真计算结果表明，粗加工模型80%以上区域的最大残余应力小于等于危险残余应力，危险残余应力为50Mpa，表明此时的粗加工模型不满足粗加工模型90%以上区域的最大残余应力小于等于危险残余应力的要求。故根据预测的残余应力分布情况调整粗加工模型的加工余量，如图4所示，针对最大残余应力大于危险残余应力的区域，减少当前区域预留的单边加工余量。针对调整后的单边加工余量进行数值仿真计算，直到满足粗加工模型90%以上区域的最大残余应力小于等于危险残余应力的要。

步骤3、如图5和图6所示，针对步骤2中调整后得到的粗加工模型计算其淬火后的变形量，进而得到淬火变形后的粗加工模型，然后计算变形后的粗加工模型是否能够将最终零件完全包络。针对不能包络最终零件的区域，增厚其单边的加工余量，直到当前区域能够将最终零件包络，并满足最小截面尺寸与残余应力的要求。

步骤4、将锻造成形的模锻件毛坯加热到470~480℃进行固溶处理，保温5~6小时后出炉，在空气中自然空冷或随炉冷却，通过固溶处理以及缓慢冷却能够进一步消除因锻造形成的残余应力，然后按照步骤3中得到的粗加工模型对毛坯进行加工。

步骤5、将步骤4进行粗加工后的毛坯进行固溶-淬火-人工时效-精加工，得到最终零件。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在最终零件的成型结构的基础上预留加工余量建立粗加工模型，预留的加工余量使得粗加工模型90%以上区域的最小截面尺寸小于预先设定的参考截面尺寸，且预留的最小的加工余量满足机械加工要求；

步骤2、对步骤1中得到的粗加工模型进行淬火后的残余应力预测，并针对残余应力超标的区域的加工余量进行调整，使得粗加工模型90%以上区域的最大残余应力小于等于危险残余应力；

步骤3、对步骤2中得到的粗加工模型进行淬火后的变形量预测，根据变形量计算粗加工模型的包络区域，对粗加工模型上不能包络最终零件的包络区域进行调整，使得包络区域能够完全包络最终零件；

步骤4、对锻造成型的毛坯进行固溶处理后并缓慢冷却，然后按照步骤3中得到的粗加工模型对毛坯进行粗加工；

步骤5、对步骤4中粗加工后的毛坯进行固溶、淬火、人工时效、精加工处理；所述步骤1中的参考截面尺寸为25mm-30mm；所述步骤2中针对残余应力超标的区域，降低其加工余量侧的最小截面尺寸，直到当前区域的残余应力小于等于危险残余应力；所述危险残余应力为40Mpa-50Mpa。

2.根据权利要求1所述的一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，其特征在于，针对粗加工模型上不能包络最终零件的区域，对当前区域的加工余量侧进行增厚，直到当前区域能够将最终零件包络。

3.根据权利要求2所述的一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，其特征在于，对加工余量侧按照增厚跨度值进行阶梯式递进增厚，所述增厚跨度值小于等于2mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，其特征在于，针对步骤3中的粗加工模型上能够包络最终零件的区域的加工余量进行减薄，但减薄后的加工余量应满足步骤1中的最小截面尺寸要求与步骤2中的最大残余应力要求。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，其特征在于，所述步骤4中，将毛坯加热至470℃-480℃后再进行固溶处理，然后对毛坯保温5h-6h。

6.根据权利要求5所述的一种控制铝合金锻件加工变形的毛坯低应力制造方法，其特征在于，所述步骤4中，采用自然冷却或随炉冷却对毛坯进行缓慢冷却。