CN112247483A - 一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，所述的异型截面结构是指空间圆滑型面中心区域带有曲面翻边结构，翻边型面为曲线拟合结构，顶部直径240mm，型面精度要求高。通过循环热强旋成形+淬火+校形+机加+人工时效，控制每道次变形量为10.5‑15.5％，并呈梯度递减，主轴转速为25rpm/min，实现2195铝锂材料异型结构热旋压加工一体成形。突破了此种异型结构传统成形先采用刚性模拉深圆滑型面，再局部翻边成形异型结构的两道次成型方案，显著降低刚性模拉深翻边工序出现裂纹而带来的报废风险，开创了热旋压一体成形思路，实现了新材料异型结构成形，为新材料工程应用奠定基础。

Description

一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法
技术领域
本发明创造属于航天零件领域，尤其是涉及一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法。
背景技术
随着航天事业的进步，新型火箭向着轻量化、高性能方向发展，为实现有效减轻结构质量，显著增加有效载荷，对材料性能和关键结构可靠性均提出了新的要求。2195铝锂合金作为一种新型合金，具有密度低、高强度、高比模量以及良好抗腐蚀性能和低温性能等特点，被认为是理想结构材料之一，在航天领域具有广阔应有前景。火箭燃料贮箱的许多关键构件，为大尺寸薄壁复杂结构，为一种2195铝锂合金异型截面结构，产品带有AB和BC两段截面特征，AB段内表面为空间圆滑型面，BC段为空间复杂曲率截面，属于异型结构，产品力学性能和型面精度要求高，构件成形质量直接决定火箭箭体结构可靠性。新型火箭研制异型截面构件采用2195铝锂合金，由于2195铝锂合金属于新型材料，其成形性能尚未有完整的数据支撑，且其塑形较低和伴随的各向异性问题，是亟需突破的新型贮箱制造关键难点。传统成形此类构件一般采用两套拉深模，先液压机拉深成形圆滑型面，再单独拉深成形异型结构特征，制造周期和模具成本较大，不适应新型号研制需求。综合分析，异型截面结构属于回转体结构，具备采用旋压成形可行性。但针对异型结构特征，凸缘与锥壁结合处极易出现堆料，局部凸孔特征处材料的延伸阻力较大，旋压抗力极易导致断裂问题。同时新材料异型结构旋压经验和可借鉴的技术资料较少。因此，突破2195铝锂合金异型结构旋压成形技术，积累异型结构旋压和热处理经验，为实现新材料在贮箱关键构件上的工程应用，推进新型号研制发展至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，采用一体旋压成形方法，替代原有需两道工序的成形方法，节约生产周期和制造成本。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，包括以下步骤：
S1、准备坯料；坯料准备完成后在坯料的中心处设置销钉定位孔；
S2、调试旋压装置；采用数控旋压机装夹旋压模具，用百分表校正旋压模具的跳动，校正完成后装夹坯料，利用数控旋压机主轴对坯料进行旋压加工；
S3、将坯料热旋成型，热旋成型后的工件最小厚度不小于11mm；成型后的工件大圆一端定义为大端，小圆一端定义为小端；
a)、利用喷枪对模具进行加热，然后利用喷枪的火焰对坯料的变形区进行局部的加热，
b)、异型截面结构的成型，选择30道次循环热强旋加循环热普旋成形；旋压路径：1-10道次采用正旋，11-30道次采用正旋与反旋交错旋压；
c)、针对步骤b)中形成的工件，继续选择15道次循环热强旋工艺，成形圆滑型面结构，全程采用正旋工艺；
S4、淬火；旋压后采用淬火工艺提高强度，配合制作淬火工装，采用周向余量捆扎方法，可有效控制淬火变形；淬火采用铝合金淬火炉，工件口部朝下放在淬火夹具底座上，压紧零件而后进行淬火；
S5：针对S4中淬火后工件变形情况，采用数控旋压机进行旋压校形，采用多道次热普旋工艺，校形过程壁厚不减薄，加热温度控制在300℃以内；
S6：机加内形面，选用数控车床卧车为加工设备，将S5中校型完成的工件大端固定在法兰盘上，装夹工件大端对工件内形面进行加工；用测厚仪检测壁厚，将已加工的面进行着色检查，要求是没有裂纹；
S7：机加外形面，利用数控车床卧车继续对内形面机加工完成的工件进行外形面加工，装夹车削胎具，把工件套装在车床胎具上进行加工；用测厚仪检测壁厚，加工完成后对已加工的面进行着色检查，着色面积要求95％以上；
S8：人工时效，通过铝合金空气循环炉进行时效处理。
进一步的，S1中坯料呈直径为φ1380mm的圆形结构，坯料的厚度为16mm，销钉定位孔的直径为6-φ25mm。
进一步的，S2旋压模具的跳动不大于0.1mm，旋压加工时数控旋压机主轴的转数为30rmp。
进一步的，在步骤S3中，工艺试验的具体参数如下，
(1)喷枪对旋压模具的加热温度为50℃-100℃，喷枪对坯料局部变形区的加热温度为360℃-400℃；
(2)步骤b)中每道次的变形量为10.5％-15.5％，并呈梯度递减；轴向进给速度为200mm/min，主轴转速为25rpm/min；每道次下压量0.8-1.3mm/rpm，旋轮攻角15°，为防止旋轮前沿材料局部***过高，旋轮圆角半径选择R20-R30；
(3)步骤c)中每道次变形量为15.5-20.5％，并呈梯度递减，轴向进给速度为300mm/min,主轴转速为30rpm/min。每道次下压量1.5-2mm/rpm。为防止旋轮前沿材料局部***过高，旋轮圆角半径选择R20-R30；
(4)工件的大端直径为1380mm，小端为239.5mm，工件的高度为164mm。
进一步的，步骤S4中淬火转移时间不大于15s，淬火的介质为水，固溶温度为520℃，固溶保温时间为60min。
进一步的，步骤S6中工件大端固定在法兰盘上，保证平行端面不大于0.2mm，装夹工件小端，保证小端跳动不大于0.2mm，机加内形面之后，大端直径1380.5mm±0.5mm，小端尺寸239.5mm±0.5mm，总高尺寸164mm；
后续外表面机加余量保证5mm以上，检测壁厚，壁厚最薄的检测点不小于10.5mm。
进一步的，步骤S7中大端、小端跳动不大于0.03mm，机加外形面之后，工件大端直径
Figure BDA0002707012950000041
小端直径
Figure BDA0002707012950000042
工件总高度164mm，保证最终壁厚5.5mm±0.15；测厚仪检测壁厚，壁厚最薄的检测点不得小于5.5mm。
进一步的，步骤S8中采用铝合金空气循环炉进行人工时效，采用平放装炉方式，时效温度190℃，时效保温时间18h。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法具有以下优势：
(1)本发明创造所述的一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，突破了新型火箭关键构件研制难题，采用热旋成形装置、优化的旋压工艺及热处理工艺，实现了2195铝锂合金异型截面结构一体旋压成形。
(2)本发明创造所述的一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，相比于此类构件传统需两道工序刚性模拉深成形，该方法大大节约模具制造成本，缩短产品加工周期，显著降低由于产品翻边工序出现裂纹而带来的报废风险。为新材料异型结构成形积累了宝贵经验，为加快实现工程应用奠定基础。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例所述的旋压工件成形示意图。
附图标记说明：
1、工件；2、AB段；3、BC段。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、准备坯料；考虑工艺余量，直径沿周向外延50mm，作为装夹工艺余量用于控制后续热处理变形，后续余量也用于切取本体试片，坯料同步制备销钉定位孔，销钉定位孔用于与芯模端面销孔对齐定位，也用于后续淬火时用作过水孔。
S2、调试旋压装置；采用数控旋压机装夹旋压模具，用百分表校正旋压模具的跳动，校正完成后装夹坯料，利用数控旋压机主轴对坯料进行旋压加工；
S3、坯料热旋成型，热旋成型后的工件1最小厚度不小于11mm；成型后的工件1大圆一端定义为大端，小圆一端定义为小端；
a)、利用喷枪对模具进行加热，然后利用喷枪的火焰对坯料的变形区进行局部的加热，并保证旋压过程持续加热；
b)、如图1所示，BC异型截面结构的成型，凸缘与锥壁结合处极易出现堆料，为减小局部特征处材料的延伸阻力，解决此处旋压抗力过大而导致的断裂问题，选择30道次循环热强旋加循环热普旋成形；旋压路径：1-10道次采用正旋，11-30道次采用正旋与反旋交错旋压；使得坯料中心区域旋压形成预设异形曲面结构，先多道次普旋进行收径，再多道次强旋贴模；
c)、针对步骤b)中形成的工件1，继续选择15道次循环热强旋工艺，成形AB段2圆滑型面结构，如图1所示，全程采用正旋工艺；
S4、淬火；旋压后采用淬火工艺提高强度，配合制作淬火工装，采用周向余量捆扎方法，可有效控制淬火变形；淬火采用铝合金淬火炉，工件1口部朝下放在淬火夹具底座上，压紧零件而后进行淬火；
S5：针对S4中淬火后工件1变形情况，采用数控旋压机进行旋压校形，采用多道次热普旋工艺，校形过程壁厚不减薄，加热温度控制在300℃以内；
S6：机加内形面，选用数控车床卧车为加工设备，将S5中校型完成的工件1大端固定在法兰盘上，装夹工件1大端对工件1内形面进行加工；用测厚仪检测壁厚，将已加工的面进行着色检查，要求是没有裂纹；
S7：机加外形面，利用数控车床卧车继续对内形面机加工完成的工件1进行外形面加工，装夹车削胎具，把工件1套装在车床胎具上进行加工；用测厚仪检测壁厚，加工完成后对已加工的面进行着色检查，着色面积要求95％以上；
S8：人工时效，通过铝合金空气循环炉进行时效处理。
S1中坯料呈直径为1380mm的圆形结构，坯料的厚度为16mm，销钉定位孔的直径为6-φ25mm。
S2旋压模具的跳动不大于0.1mm，旋压加工时数控旋压机主轴的转数为30rmp。
在步骤S3中，工艺试验的具体参数如下，
(1)喷枪对旋压模具的加热温度为50℃-100℃，喷枪对坯料局部变形区的加热温度为360℃-400℃；
(2)步骤b)中每道次的变形量为10.5％-15.5％，并呈梯度递减；轴向进给速度为200mm/min，主轴转速为25rpm/min；每道次下压量0.8-1.3mm/rpm，旋轮攻角15°，为防止旋轮前沿材料局部***过高，旋轮圆角半径选择R20-R30；
(3)步骤c)中每道次变形量为15.5-20.5％，并呈梯度递减，轴向进给速度为300mm/min,主轴转速为30rpm/min。每道次下压量1.5-2mm/rpm。为防止旋轮前沿材料局部***过高，旋轮圆角半径选择R20-R30；
(4)工件1的大端直径为1380mm，小端为239.5mm，工件1的高度为164mm。
步骤S4中由于2195铝锂合金为新材料，根据前期摸索制定热处理制度，为保证使用性能和节约能耗，制定热处理工艺为：淬火转移时间不大于15s，淬火的介质为水，固溶温度为520℃，固溶保温时间为60min；
步骤S6中工件1大端固定在法兰盘上，保证平行端面不大于0.2mm，装夹工件1小端，保证小端跳动不大于0.2mm，机加内形面之后，大端直径1380.5mm±0.5mm，小端尺寸239.5mm±0.5mm，总高尺寸164mm；
后续外表面机加余量保证5mm以上，检测壁厚，壁厚最薄的检测点不小于10.5mm。
步骤S7中大端、小端跳动不大于0.03mm，机加外形面之后，工件1大端直径
Figure BDA0002707012950000081
小端直径
Figure BDA0002707012950000082
工件1总高度164mm，保证最终壁厚5.5mm±0.15；测厚仪检测壁厚，壁厚最薄的检测点不得小于5.5mm。
步骤S8中采用铝合金空气循环炉进行人工时效，采用平放装炉方式，时效温度190℃，时效保温时间18h。
一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，进步效果：该旋压方案，突破了新型火箭关键构件研制难题，针对2195铝锂合金异型结构，采用热旋成形方案、优化的旋压工艺及热处理工艺，实现了2195铝锂合金异型截面结构一体旋压成形，相比于此类构件传统需两道工序刚性模拉深成形，该方法大大节约模具制造成本，缩短产品加工周期，显著降低由于产品翻边工序出现裂纹而带来的报废风险；为新材料异型结构成形积累了宝贵经验，为加快实现工程应用奠定基础。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备坯料；坯料准备完成后在坯料的中心处设置销钉定位孔；
S2、调试旋压装置；采用数控旋压机装夹旋压模具，用百分表校正旋压模具的跳动，校正完成后装夹坯料，利用数控旋压机主轴对坯料进行旋压加工；
S3、将坯料热旋成型，热旋成型后的工件最小厚度不小于11mm；成型后的工件大圆一端定义为大端，小圆一端定义为小端；
a)、利用喷枪对模具进行加热，然后利用喷枪的火焰对坯料的变形区进行局部的加热，
b)、异型截面结构的成型，选择30道次循环热强旋加循环热普旋成形；旋压路径：1-10道次采用正旋，11-30道次采用正旋与反旋交错旋压；
c)、针对步骤b)中形成的工件，继续选择15道次循环热强旋工艺，成形圆滑型面结构，全程采用正旋工艺；
S4、淬火；旋压后采用淬火工艺提高强度，配合制作淬火工装，采用周向余量捆扎方法，可有效控制淬火变形；淬火采用铝合金淬火炉，工件口部朝下放在淬火夹具底座上，压紧零件而后进行淬火；
S5：针对S4中淬火后工件变形情况，采用数控旋压机进行旋压校形，采用多道次热普旋工艺，校形过程壁厚不减薄，加热温度控制在300℃以内；
S6：机加内形面，选用数控车床卧车为加工设备，将S5中校型完成的工件大端固定在法兰盘上，装夹工件大端对工件内形面进行加工；用测厚仪检测壁厚，将已加工的面进行着色检查，要求是没有裂纹；
S7：机加外形面，利用数控车床卧车继续对内形面机加工完成的工件进行外形面加工，装夹车削胎具，把工件套装在车床胎具上进行加工；用测厚仪检测壁厚，加工完成后对已加工的面进行着色检查，着色面积要求95％以上；
S8：人工时效，通过铝合金空气循环炉进行时效处理。
2.根据权利要求1所述的一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，其特征在于：S1中坯料呈直径为φ1380mm的圆形结构，坯料的厚度为16mm，销钉定位孔的直径为6-φ25mm。
3.根据权利要求1所述的一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，其特征在于：S2旋压模具的跳动不大于0.1mm，旋压加工时数控旋压机主轴的转数为30rmp。
4.根据权利要求1所述的一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，其特征在于：在步骤S3中，工艺试验的具体参数如下，
(1)喷枪对旋压模具的加热温度为50℃-100℃，喷枪对坯料局部变形区的加热温度为360℃-400℃；
(2)步骤b)中每道次的变形量为10.5％-15.5％，并呈梯度递减；轴向进给速度为200mm/min，主轴转速为25rpm/min；每道次下压量0.8-1.3mm/rpm，旋轮攻角15°，为防止旋轮前沿材料局部***过高，旋轮圆角半径选择R20-R30；
(3)步骤c)中每道次变形量为15.5-20.5％，并呈梯度递减，轴向进给速度为300mm/min,主轴转速为30rpm/min。每道次下压量1.5-2mm/rpm。为防止旋轮前沿材料局部***过高，旋轮圆角半径选择R20-R30；
(4)工件的大端直径为1380mm，小端为239.5mm，工件的高度为164mm。
5.根据权利要求1所述的一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，其特征在于：步骤S4中淬火转移时间不大于15s，淬火的介质为水，固溶温度为520℃，固溶保温时间为60min。
6.根据权利要求1所述的一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，其特征在于：步骤S6中工件大端固定在法兰盘上，保证平行端面不大于0.2mm，装夹工件小端，保证小端跳动不大于0.2mm，机加内形面之后，大端直径1380.5mm±0.5mm，小端尺寸239.5mm±0.5mm，总高尺寸164mm；
后续外表面机加余量保证5mm以上，检测壁厚，壁厚最薄的检测点不小于10.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，其特征在于：步骤S7中大端、小端跳动不大于0.03mm，机加外形面之后，工件大端直径
Figure FDA0002707012940000031
小端直径
Figure FDA0002707012940000032
工件总高度164mm，保证最终壁厚5.5mm±0.15；测厚仪检测壁厚，壁厚最薄的检测点不得小于5.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种2195铝锂合金异形截面结构及其旋压方法，其特征在于：步骤S8中采用铝合金空气循环炉进行人工时效，采用平放装炉方式，时效温度190℃，时效保温时间18h。
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