CN113996690A - 一种大型薄壁异型曲面构件制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大型薄壁异型曲面构件制造方法，通过下料→固溶处理→冷旋→切割→时效处理→机加的方法制造大型薄壁异性曲面零件，相较于现有技术中采用下料→冷旋→校形→冷旋→切割→固溶处理→时效处理→机加的方法，本方法工序更为简单，取消了校形、第二次冷旋两道工序，从而减少了大量的生产费用，使得生产成本显著降低。同时，通过对金属板坯在冷旋前进行固溶处理，大幅减轻了冷旋后零件由于处于复杂应力状态而再进行固溶处理时所导致的型面畸变，使零件成形精度显著提高，本发明方法得到的零件晶粒组织明显改善、质量好，服役性能和使用寿命大大提高。
Description
技术领域
本发明属于合金产品加工技术领域，具体涉及一种大型薄壁异型曲面构件制造方法。
背景技术
大型薄壁异型曲面构件是国家航空航天、国防军工等重点领域的关键核心结构件之一，具有尺寸大、型面复杂、壁厚薄及精度高等特点，决定着航空、航天及国防装备的性能优异和升级换代。因此，掌握大型薄壁异型曲面构件的制造方法是极其重要的，对于满足当前航天领域的高密度发射需求以及武器装备的常规化战略值班，具有十分重要的意义。
目前，大型薄壁异型曲面构件成形采用的工艺方法是下料→冷旋→校形→冷旋→切割→固溶处理→时效处理→机加，该方法生产的零件型面精度较差，变形不均匀，且工序较为复杂，生产效率不高，加工成本较高。所以研究一种工序简单、成形质量好、生产效率和成形精度高的大型薄壁异型曲面构件制造方法已成为该领域技术人员迫切需要解决的技术难题。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提供一种工序简单、成形质量好、生产效率和成形精度高的大型薄壁异型曲面构件成形工艺方法。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种大型薄壁异型曲面构件制造方法，包括以下步骤：
S1、下料：采用龙门数控铣床将金属方形毛坯板材加工为后续工序冷旋压所需大小及厚度的板坯，通过压板等工装及机床真空吸附将金属方形板材固定于机床工作台上，加工位于板材中心的安装定位孔及吊装孔，并铣削去除板材多余材料至所需大小及厚度；
S2、固溶处理：将加工后的金属板坯在工业固溶淬火炉中进行固溶处理，金属板坯置于淬火炉放料框内，并采用专用热处理工装进行固定，根据金属板坯材料设定固溶温度，板坯入炉前先将炉温预热至该设定温度，并在达到设定温度后保温1～2h，使炉内温度充分均匀，待保温完成后快速打开炉门将载有金属板坯的放料框置于淬火炉内进行加热，当炉内温度重新达到设定固溶温度后进行保温，按金属板坯材料设定保温时间；
保温结束后，迅速将载有金属板坯的放料框转移至冷却水池中进行冷却，冷却水温为15℃至60℃，冷却时间为10～30min，且在冷却过程中，放料框在淬火炉送料机构的作用下做上下运动，使金属板坯冷却均匀；
S3、冷旋：将固溶处理后的金属板坯安装于大型卧式数控双轮旋压机上，通过压板、螺钉将板坯固定于芯模上，并由旋压机尾顶机构顶紧，保证该板坯在旋压过程中处于稳定状态，芯模及旋轮结构尺寸根据拟成形球底零件的外形及尺寸进行设计并制造，同时也按拟成形球底零件的外形及尺寸设置旋压轨迹，并编写与之对应的数控程序；
启动旋压机，执行编写的数控程序，芯模带动金属板坯进行顺时针旋转，转速为30～120r/min，双旋轮位置沿芯模中心呈对称分布，当旋轮接触到金属板坯时，板坯带动双旋轮进行顺时旋转，旋轮由板坯中心向板坯边缘按设置好的旋压轨迹做水平进给运动，进给速度为10～50mm/min，板坯由内到外逐步发生局部塑性变形至贴紧芯模，在整个旋压过程中，必须保证板坯稳定且无倾斜；
S4、切割：采用等离子切割去除旋压后球底零件大端旋压余量，将球底零件固定于切割专用工装上，沿零件外表面所做标记进行切割；
S5、时效处理：采用工业时效炉对切割后的球底零件进行时效处理，将球底零件固定于专用时效工装上，根据零件材料设定时效温度，零件入炉前先将炉温预热至该设定温度，并在达到设定温度后保温0.5～1h，使炉内温度充分均匀，待保温结束后迅速将球底零件放入炉内，当炉内温度又重新升至设定时效温度时进行保温，按零件材料设定保温时间，保温结束后，取出空冷；
S6、机加：采用大型立式车床车削加工球底零件大端，时效处理后的球底零件经专用车削工装固定于车床工作平台上，车削平整球底零件大端端面。
具体的，S1、S2、S3、S4、S5、S6步骤中，所述的金属材料类型包括铝合金、铜合金及铁基合金等。
具体的，S1、S2、S3步骤中，所述的金属板坯壁厚为10～30mm，直径为2000～4000mm。
具体的，S3步骤中，所述的旋轮圆角半径为20～100mm。
具体的，S3步骤中，所述的冷旋方式可以采取普旋、强旋、强旋加普旋。
具体的，S3步骤中，所述的旋压轨迹可为正圆或椭圆。若零件母线为正圆，则直接按圆弧半径设置旋压轨迹；若零件母线为椭圆，则沿垂直方向将零件椭圆母线均分为n段，分别测算各段起末点的半锥角及旋压间隙，在每段内采用圆弧近似逼近正弦率轨迹，以此来设置旋压轨迹，n取5～15。
具体的，S3、S4、S5、S6步骤中，所述的球底零件外径为1500～3500mm，壁厚为10～30mm。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)零件质量好：本发明中通过固溶处理改变冷旋前金属板坯的显微组织，使得金属板坯在旋压过程中更加容易成形，并改善了冷旋后零件的晶粒组织，经过时效处理后，零件时效强化效果又显著增强，从而大大提高其服役性能和使用寿命。
(2)生产效率高：本发明所提出的制造方法工序更为简单，取消了零件在冷旋后仍需要校形、第二次冷旋两道工序，大大缩短了零件生产周期，显著提高零件的生产效率。
(3)成形精度高：本发明中通过对金属板坯在冷旋前进行固溶处理，大幅减轻了冷旋后零件由于处于复杂应力状态而再进行固溶处理时所导致的型面畸变，使零件成形精度显著提高。
(4)生产成本低：由于本发明取消了校形、第二次冷旋两道工序，并且不用再制造专门用于零件校形的工装，从而减少了大量的生产费用，使得零件生产成本显著降低。
附图说明
图1为具体实施方式中椭球底零件冷旋装配俯视结构图
图2为具体实施方式中椭球底零件冷旋所用旋轮示意图；
图3为具体实施方式中椭球底零件旋压轨迹示意图；
图中，1—芯模，2—旋轮，3—球底零件，4—压盘，5—尾顶。
具体实施方式
选用材料为2219铝合金的毛坯板材，其尺寸为3800×3800mm，壁厚30mm，椭球底零件大端外径为3500mm，高度1200mm，壁厚15～30mm。
本实施例提供一种大型薄壁异型曲面构件制造方法，包括以下步骤：
S1、下料：采用龙门数控铣床将尺寸为3800×3800×30mm的2219铝合金方形毛坯板材加工为直径φ3700mm，壁厚30mm的圆形板坯，通过压板等工装及机床真空吸附将2219铝合金方形毛坯板材固定于机床工作台上，加工位于板材中心的安装定位孔6xφ80mm及吊装孔φ40mm，并铣削去除板材多余材料至所需大小及厚度；
S2、固溶处理：将加工后的2219铝合金板坯在工业固溶淬火炉中进行固溶处理，板坯置于淬火炉放料框内，并采用专用热处理工装进行固定，设定固溶温度为538±5℃，板坯入炉前先将炉温预热至该设定温度，并在达到设定温度后保温1～2h，使炉内温度充分均匀，待保温完成后快速打开炉门将载有板坯的放料框置于淬火炉内进行加热，当炉内温度重新达到538±5℃后进行保温，保温时间设定为2h；
保温结束后，迅速将载有板坯的放料框转移至冷却水池中进行冷却，冷却水温为40±5℃，冷却时间为15min，且在冷却过程中，放料框在淬火炉送料机构的作用下做上下运动，使板坯冷却均匀；
S3、冷旋：将固溶处理后的2219铝合金板坯安装于大型卧式数控双轮旋压机CZX3500/2CNC(如图1所示)上，通过压板4、螺钉将板坯固定于芯模1上，并由尾顶机构的尾顶5顶紧，保证该板坯在旋压过程中处于稳定状态，旋压采用一次强旋加多次普旋的方式，旋轮2为R80圆弧旋轮(如图2所示)；其中，一次强旋按如图3所示的轨迹进行，即沿垂直方向将零件椭圆母线均分为10段，取A～K共11个点，分别测算A～K点的半锥角及旋压间隙，每段内采用圆弧近似逼近正弦率轨迹，并编写与之对应的数控程序；
启动旋压机，执行编写的数控程序，芯模1带动板坯进行顺时针旋转，转速为20～80r/min，两个旋轮2沿芯模1中心呈对称分布，当旋轮2接触到板坯时，板坯带动旋轮2进行顺时旋转，旋轮2由板坯中心向板坯边缘按设置好的旋压轨迹做水平进给运动，进给速度为16～40mm/min，板坯由内到外逐步发生局部塑性变形至贴紧芯模1，一次强旋完成后，对零件大端旋压余量进行多次普旋至贴紧芯模1，最后获得大端外径为φ3500mm、高度为1200mm、厚度为15～30mm的椭球底零件3，在整个旋压过程中，必须保证板坯稳定且无倾斜；
S4、切割：采用等离子切割去除旋压后椭球底零件大端旋压余量，将椭球底零件固定于切割专用工装上，沿零件外表面所做标记进行切割；
S5、时效处理：采用工业时效炉对切割后的椭球底零件进行时效处理，将椭球底零件固定于专用时效工装上，设定时效温度为150℃，零件入炉前先将炉温预热至该设定温度，并在达到设定温度后保温0.5～1h，使炉内温度充分均匀，待保温结束后迅速将椭球底零件放入炉内，当炉内温度又重新升至150℃时进行保温，保温时间设定为2h，保温结束后，取出空冷；
S6、机加：采用大型立式车床车削加工椭球底零件大端，时效处理后的椭球底零件经专用车削工装固定于车床工作平台上，车削平整零件大端端面。
本实施例方法，将3800×3800×30mm的2219铝合金方形毛坯板材经过下料→固溶处理→冷旋→切割→时效处理→机加的工艺制造成直径为φ3500mm、高度为1200mm、厚度为15～30mm的椭球底零件，相较于现有技术中采用下料→冷旋→校形→冷旋→切割→固溶处理→时效处理→机加的方法，本方法工序更为简单，取消了校形、第二次冷旋两道工序，从而减少了大量的生产费用，使得生产成本显著降低。同时，通过对金属板坯在冷旋前进行固溶处理，大幅减轻了冷旋后零件由于处于复杂应力状态而再进行固溶处理时所导致的型面畸变，使零件成形精度显著提高，本实施例方法得到的椭球底零件晶粒组织明显改善、质量好，服役性能和使用寿命相较于现有技术得到的椭球底零件增加了30％。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种大型薄壁异型曲面构件制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、下料：将金属毛坯板材加工为旋压所需大小及厚度的圆形板坯；
S2、固溶处理：对加工后的金属板坯进行固溶处理；
S3、冷旋：在卧式数控旋压机上，按设置好的旋压轨迹，将金属板坯旋压至所要求的球底零件；
S4、切割：切割去除球底零件大端旋压余量；
S5、时效处理：对球底零件进行时效处理；
S6、机加：车削加工球底零件大端。
2.根据权利要求1所述的大型薄壁异型曲面构件制造方法，其特征在于，所述S1下料步骤中，采用龙门数控铣床将金属方形毛坯板材加工为后续工序冷旋压所需大小及厚度的板坯，将金属方形板材固定于机床工作台上，加工位于板材中心的安装定位孔及吊装孔，并铣削去除板材多余材料至所需大小及厚度。
3.根据权利要求1所述的大型薄壁异型曲面构件制造方法，其特征在于，所述金属毛坯板材的材质为铝合金、铜合金或者铁基合金。
4.根据权利要求1所述的大型薄壁异型曲面构件制造方法，其特征在于，所述S2固溶处理步骤中，将加工后的板坯在工业固溶淬火炉中进行固溶处理，板坯置于淬火炉放料框内并进行固定，设定固溶温度为538±5℃，板坯入炉前先将炉温预热至该设定温度，并在达到设定温度后保温1～2h，使炉内温度充分均匀，待保温完成后快速打开炉门将载有板坯的放料框置于淬火炉内进行加热，当炉内温度重新达到538±5℃后进行保温，保温时间设定为2h；
保温结束后，迅速将载有板坯的放料框转移至冷却水池中进行冷却，冷却水温为40±5℃，冷却时间为15min，且在冷却过程中，放料框在淬火炉送料机构的作用下做上下运动，使板坯冷却均匀。
5.根据权利要求1所述的大型薄壁异型曲面构件制造方法，其特征在于，所述S3冷旋步骤中，将固溶处理后的板坯安装于大型卧式数控双轮旋压机上，通过压盘(4)、螺钉将板坯固定于芯模(1)上，并由旋压机尾顶(5)顶紧，按拟成形的球底零件(3)的外形及尺寸设置旋压轨迹，并编写与之对应的数控程序，所述芯模(1)、旋轮(2)的结构、尺寸同样根据拟成形球底零件(3)的外形及尺寸进行设计并制造；
启动旋压机，执行编写的数控程序，所述芯模(1)带动板坯进行顺时针旋转，转速为30～120r/min，两个旋轮(2)沿芯模(1)中心对称分布，当所述旋轮(2)接触到板坯时，板坯带动旋轮(2)进行顺时旋转；期间，所述旋轮(2)由板坯中心向板坯边缘按设置好的旋压轨迹做水平进给运动，进给速度为10～50mm/min，板坯由内到外逐步发生局部塑性变形至贴紧所述芯模(1)，旋压过程中保证板坯稳定且无倾斜。
6.根据权利要求1或5所述的大型薄壁异型曲面构件制造方法，其特征在于，S3步骤中，所述旋压轨迹为正圆或椭圆；若零件母线为正圆，则直接按圆弧半径设置旋压轨迹；若零件母线为椭圆，则沿垂直方向将零件椭圆母线均分为n段，分别测算各段起末点的半锥角及旋压间隙，在每段内采用圆弧近似逼近正弦率轨迹，以此来设置旋压轨迹，n取5～15。
7.根据权利要求1所述的大型薄壁异型曲面构件制造方法，其特征在于，S1步骤中，所述板坯壁厚为10～30mm，直径为2000～4000mm；所述S3步骤中，得到的球底零件外径为1500～3500mm，壁厚为10～30mm。
8.根据权利要求1至6任一所述的大型薄壁异型曲面构件制造方法，其特征在于，所述S4切割步骤中，采用等离子切割去除旋压后球底零件大端旋压余量，沿球底零件外表面所做标记进行切割。
9.根据权利要求1所述的大型薄壁异型曲面构件制造方法，其特征在于，所述S5时效处理中，采用工业时效炉对切割后的所述球底零件(3)进行时效处理，将所述球底零件(3)固定于专用时效工装上，根据材料设定时效温度，所述球底零件(3)入炉前，先将炉温预热至设定温度后保温0.5～1h，使炉内温度充分均匀，保温结束后迅速将所述球底零件(3)放入炉内，根据材料设定保温时间，当炉内温度重新升至设定时效温度时进行保温，保温结束后，取出空冷。
10.根据权利要求1所述的大型薄壁异型曲面构件制造方法，其特征在于，所述S6机加步骤中，时效处理后的球底零件(3)经专用车削工装固定于车床工作平台上，车削平整所述球底零件(3)大端端面。
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