一种大型铝合金环件的时效整形方法与流程

本发明涉及铝合金加工技术领域，更具体地说，涉及一种大型铝合金环件的时效整形方法。

背景技术：

热处理可强化铝合金通过固溶淬火及时效获得材料所需的组织和性能，铝合金制件在高温固溶后需快速入水淬火，在淬火时因制件冷却不均匀将导致制件产生淬火变形，大型铝合金环件固溶淬火后变形很大，不圆度不满足要求，如何减小环件的变形是后续工序中必须解决的问题。

通常情况下时效热处理时将铝合金环件直接放在料框或料架上进行，环件不需要附加任何工装，环件在时效过程中处于无约束状态，环件的形状尺寸在时效前、时效后基本一致，这种时效方法不能减小环件的不圆度。

综上所述，如何有效地解决大型铝合金环件固溶淬火后变形很大难以满足不圆度要求等问题，是目前本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大型铝合金环件的时效整形方法，该大型铝合金环件的时效整形方法可以有效地解决大型铝合金环件固溶淬火后变形很大难以满足不圆度要求的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大型铝合金环件的时效整形方法，包括：

测量铝合金环件的外圆周长，确定所述外圆周长对应的标准圆外径，由所述标准圆外径计算获得n等分标准圆对应的每段标准弧长，由所述标准弧长将所述铝合金环件整环n等分，并标记等分点，其中，n为大于或等于3的正整数；

在所述铝合金环件的每个所述等分点固定安装卡板，在所述铝合金环件的中心放置定心件，所述定心件相应的n等分，并将各所述卡板分别通过长度可调的拉杆与所述定心件上对应的等分点连接；

调节各所述拉杆的长度使所述铝合金环件在各所述等分点的外径差在预设允许误差范围内；

装炉进行时效处理；

时效保温预设时间后进行炉内缓冷，当所述铝合金环件的温度下降至第一预设温度时出炉；

当所述铝合金环件的温度下降至第二预设温度时，拆除所述卡板，其中，所述第二预设温度低于所述第一预设温度。

优选地，上述时效整形方法中，所述调节各所述拉杆的长度使所述铝合金环件在各所述等分点的外径差在预设允许误差范围内，具体包括：

调节各所述拉杆的长度使所述铝合金环件处于自由状态，测量各所述卡板位置对应的所述铝合金环件的外径；

根据所述卡板位置对应的所述铝合金环件的外径，调节各所述拉杆的长度使所述铝合金环件在各所述等分点的外径差在预设允许误差范围内。

优选地，上述时效整形方法中，所述时效保温预设时间后进行炉内缓冷，当所述铝合金环件的温度下降至第一预设温度时出炉，具体包括：

时效保温预设时间后热处理炉断电，并开启热处理炉门预设宽度的门缝，打开风机；

当炉内温度下降至第三预设温度时，关闭炉门，并保持风机打开；

当所述铝合金环件温度下降至第一预设温度时出炉，其中，所述第三预设温度高于所述第一预设温度。

优选地，上述时效整形方法中，所述第一预设温度的范围为60℃～65℃，所述第三预设温度的范围为110℃～120℃，所述第二预设温度为室温。

优选地，上述时效整形方法中，所述拆除所述卡板之后，还包括：

测量所述铝合金环件的不圆度。

优选地，上述时效整形方法中，所述定心件包括定心圆筒和固定连接于所述定心圆筒内长度相等且呈十字形的圆心板，所述十字形的交叉点为所述定心圆筒的圆心，则所述在所述铝合金环件的中心放置定心件，具体包括：

将所述定心圆筒放置于所述铝合金环件内，调整所述铝合金环件的位置使所述定心圆筒的圆心位于所述铝合金环件的中心。

优选地，上述时效整形方法中，所述卡板呈u形，则所述在所述铝合金环件的每个所述等分点固定安装卡板，具体包括：

在所述铝合金环件的每个所述等分点设置卡板并将所述铝合金环件卡于所述u形的槽内。

优选地，上述时效整形方法中，所述将各所述卡板分别通过长度可调的拉杆与所述定心件上对应的等分点连接，具体包括：

对应各所述卡板分别设置两个长度可调的拉杆，两所述拉杆的一端分别与所述卡板u形的两竖直边连接，另一端分别与所述定心件上对应的等分点上下两端连接。

优选地，上述时效整形方法中，所述拉杆包括固定杆、活动杆和套筒，所述固定杆的一端卡于所述套筒的一端并与所述套筒转动连接，所述固定杆的另一端与所述定心件固定连接，所述套筒的另一端与所述活动杆的一端螺纹连接，所述活动杆的另一端与所述卡板固定连接，则所述调节各所述拉杆的长度，具体包括：

转动各所述拉杆的所述套筒以调节所述活动杆与所述固定杆之间的间距进而调节各所述拉杆的长度。

应用本发明提供的大型铝合金环件的时效整形方法，通过将铝合金环件时效尺寸检测、等分及标识，而后将相应的卡板及拉杆、定心件进行预安装，并通过测量和调节各拉杆的长度并固定使铝合金环件在各等分点的外径差在预设允许误差范围内，此时环件处于受力状态。最后进行装炉、时效处理，铝合金环件在时效长时间加热过程中发生应力松弛。时效完成后在炉内缓冷后出炉，防止出炉快速温降产生新的应力和变形。出炉继续冷却而后撤卸工装，这样铝合金环件完成时效后其内部应力也处于相对较低和稳定的状态，仍然能够保持等直径的形状，从而实现铝合金环件的校圆整形。通过上述工艺，采用时效、整形同步技术，在时效强化环件性能同时实现环件的校圆整形。在10m级等大型铝合金环件生产量少的情况下，只投入极少的工装制备费用，就能实现铝合金环件同步时效及校圆整形，校圆后的尺寸也能够满足10m级等大型铝合金环件零件机加工余量要求，从而节约了10m级等大型铝合金大型蠕变时效炉的巨额装备投入费用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例的时效整形工装的结构示意图。

附图中标记如下：

铝合金环件1，圆心板2，定心圆筒3，拉杆4，套筒5，卡板6。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种大型铝合金环件的时效整形方法，以对大型铝合金环件固溶淬火后变形进行整形，进而满足不圆度要求。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在一个具体实施例中，本发明提供的大型铝合金环件的时效整形方法，包括以下步骤：

s1：测量铝合金环件1的外圆周长，确定外圆周长对应的标准圆外径，由标准圆外径计算获得n等分标准圆对应的每段标准弧长，由标准弧长将铝合金环件1整环n等分，并标记等分点，其中，n为大于3的正整数。

首先，测量大型铝合金环件1的外圆周长，需要说明的是，本申请中提到的大型指10级及以上的铝合金环件1。以下以下述规格的铝合金环件1为例进行说明：铝合金环件1为10m级重型运载火箭所需的特大型铝合金环锻件，材料为2219热处理可强化铝合金，环件采用铸锭锻造制坯后环轧成形，环件外径φ9500mm～φ9620mm，壁厚120mm～160mm，高度600～700mm。

由于铝合金环件1圆度不规则，因而需要测量铝合金环件1整个外圆周长，再计算出铝合金环件1标准外径。例如：测量环件外圆周长为30159mm，则该铝合金环件1对应的标准圆外径为φ9600mm。根据需要将铝合金环件1进行n等分，n为大于或等于3的正整数，如3等分、6等分、9等分等。下述各实施例中均以12等分为例说明，则由标准圆外径计算获得12等分标准圆对应的每段标准弧长为2513.25mm。

根据标准弧长，将铝合金环件1整环12等分，并在等分端面做好等分点标记，具体可以分别用钢印打上位置记号：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12。

s2：在铝合金环件1的每个等分点固定安装卡板6，在铝合金环件1的中心放置定心件，定心件相应的n等分，并将各卡板6分别通过长度可调的拉杆4与定心件上对应的等分点连接。

也就是针对铝合金环件1设置时效整形工装，该工装包括用于与铝合金环件1的n等分点可拆卸固定连接的n个卡板6、用于确定圆心的定心件，定心件也相应的12等分，各卡板6通过长度可调的拉杆4与定心件连接，也就是各拉杆4的一端分别用于与铝合金环件1的不同卡板6连接，另一端分别用于与定心件上对应的不同等分点连接。则在铝合金环件1时效前尺寸检测、12等分及标识完成后，进行时效整形工装的预安装。即在铝合金环件1的中心放置定心件，通过定心件确定整个工装的圆心，如以定心件的中心作为整个工装的圆心。在铝合金环件1的每个等分点安装卡板6，并安装好拉杆4。

s3：调节各拉杆4的长度使铝合金环件1在各等分点的外径差在预设允许误差范围内。

拉杆4安装好后，通过调节调节各拉杆4的长度使铝合金环件1在各等分点的外径差在预设允许误差范围内，并将各连杆分别固定在对应的长度下，从而对铝合金环件1外径形成约束。具体预设允许误差的范围可以根据需要设置，在对应上述规格的铝合金环件1时，则预设允许误差可以为8mm，也就是铝合金环件1在各等分点的外径差在8mm以内。

s4：装炉进行时效处理。

将时效整形工装固定好后，将其与铝合金环件1整体装入热处理炉内进行时效处理，具体时效处理的温度及保温时间等时效处理参数可参考现有技术中常规的时效工艺，此处不作具体限定。

s5：时效保温预设时间后进行炉内缓冷，当铝合金环件1的温度下降至第一预设温度时出炉。

也就是时效保温结束后，将铝合金环件1留在炉内缓慢冷却，当铝合金环件1的温度下降至第一预设温度后再出炉，防止出炉快速温降产生新的应力和变形。具体第一预设温度的范围为60℃～65℃，优选采用60℃。

s6：当铝合金环件1的温度下降至第二预设温度时，拆除卡板6，其中，第二预设温度低于第一预设温度。

铝合金环件1出炉后，当铝合金环件1的温度继续下降至第二预设温度时即可撤除卡板6，这样环件完成时效后其内部应力也处于相对较低和稳定的状态，仍然能够保持等直径的形状，从而实现环件的校圆整形。具体第二预设温度优选为室温。

应用本发明提供的大型铝合金环件1的时效整形方法，通过将铝合金环件1时效尺寸检测、等分及标识，而后将相应的卡板6及拉杆4、定心件进行预安装，并通过测量和调节各拉杆4的长度并固定使铝合金环件1在各等分点的外径差在预设允许误差范围内，此时环件处于受力状态。最后进行装炉、时效处理，铝合金环件1在时效长时间加热过程中发生应力松弛。时效完成后在炉内缓冷后出炉，防止出炉快速温降产生新的应力和变形。出炉继续冷却而后撤卸工装，这样铝合金环件1完成时效后其内部应力也处于相对较低和稳定的状态，仍然能够保持等直径的形状，从而实现铝合金环件1的校圆整形。当然，该等径指不同位置的外径能够保持在允许误差范围内。通过上述工艺，采用时效、整形同步技术，在时效强化环件性能同时实现环件的校圆整形。在10m等大型铝合金环件1生产量少的情况下，只投入极少的工装制备费用，就能实现铝合金环件1同步时效及校圆整形，校圆后的尺寸也能够满足10m等大型铝合金环件1零件机加工余量要求，从而节约了10m等大型铝合金大型蠕变时效炉的巨额装备投入费用。

进一步地，上述步骤s3具体包括：

s31：调节各拉杆4的长度使铝合金环件1处于自由状态，测量各卡板6位置对应的铝合金环件1的外径。

也就是首先在拉杆4处于未受力状态时，通过圆心测量12个卡板6位置铝合金环件1的外径，即未约束状态下的外径。

s32：根据卡板6位置对应的铝合金环件1的外径，调节各拉杆4的长度使。

根据测量结果相应的调节需要调整的拉杆4长度，从而可以更加高效的将各拉杆4的长度调整至铝合金环件1在各等分点的外径差在预设允许误差范围内。调整完成后，将各连杆固定在该对应的长度下，以对铝合金环件1进行约束。

具体的，上述步骤s5具体包括：

s51：时效保温预设时间后热处理炉断电，并开启热处理炉门预设宽度的门缝，打开风机。

也就是时效保温预设时间后，将热处理炉停电，并将热处理炉门开启预设宽度的门缝进行散热，且打开风机以加快空气流动调高散热速率。具体预设宽度的大小可根据需要设置，优选设置为25-35mm，最优选设置为30mm。

s52：当炉内温度下降至第三预设温度时，关闭炉门，并保持风机打开。

随着炉内温度下降，当其下降至第三预设温度时，则关闭炉门，继续打开风机散热，铝合金环件1的温度随炉内温度继续下降。具体第三预设温度的范围优选为为110℃～120℃。

s53：当铝合金环件1温度下降至第一预设温度时出炉，其中，第三预设温度高于第一预设温度。

在炉内缓冷过程中通过上述设置，使得环件完成时效后其内部应力更能够处于相对较低和稳定的状态，进而仍然能够保持等直径的形状。

在上述实施例中，拆除卡板6之后，进一步还包括：

s7：测量铝合金环件1的不圆度。通过在时效整形完成后进行尺寸检测，测量记录铝合金环件1尺寸，以有效跟踪时效整形效果。

在上述各实施例中，定心件包括定心圆筒3和固定连接于定心圆筒3内长度相等且呈十字形的圆心板2，十字形的交叉点为定心圆筒3的圆心，则上述步骤s2中的在铝合金环件1的中心放置定心件，具体包括：

将定心圆筒3放置于铝合金环件1内，调整铝合金环件1的位置使定心圆筒3的圆心位于铝合金环件1的中心。

具体的，可以先将圆心板2焊接在定心圆筒3内，如点焊在定心圆筒3内，以作为整个工装的圆心。将定心圆筒3安放在铝合金环件1的中心区域，优选的将定心圆筒3和铝合金环件1均放于垫块上，垫块的厚度具体为30mm左右。测量铝合金环件1外径，调整铝合金环件1位置，使定心圆筒3完全位于环件中心。通过将定心件设置为定心圆筒3和圆心板2的设置，便于确定工装的圆心，并将其放置于铝合金环件1的中心。

在上述各实施例中，卡板6呈u形，则在铝合金环件1的每个等分点固定安装卡板6，具体包括：

在铝合金环件1的每个等分点设置卡板6并将铝合金环件1卡于u形的槽内。

也就是卡板6包括两竖直边和固定连接于两竖直边一端的水平边，以形成u形结构，具体u形卡板6的宽度也就是两竖直边之间的距离可根据铝合金环件1的宽度相应设置，以使铝合金环件1能够卡阻于u形的槽内。进而，在步骤s2中，在铝合金环件1的每个等分点固定安装卡板6，为将铝合金环件1的每个等分点分别装入卡板6的u形槽内，从而卡板6在拉杆4的拉力作用下能够对铝合金环件1施加约束。卡板6采用上述结构，便于与铝合金环件1的安装。当然，卡板6的形状也并不局限于上述形状，其他能够对铝合金环件1施加约束的结构均可。

进一步地，将各卡板6分别通过长度可调的拉杆4与定心件上对应的等分点连接，具体包括：

对应各卡板6分别设置两个长度可调的拉杆4，两拉杆4的一端分别与卡板6u形的两竖直边连接，另一端分别与定心件上对应的等分点上下两端连接。

也就是在铝合金环件112等分时，则对应设置12个卡板6，24个拉杆4，每两个拉杆4与一个卡板6对应，并分别连接于卡板6的两竖直边的端部，拉杆4的另一端于定心件上对应等分点的上下两端连接，从而使得同一等分点的两拉杆4相平行。进而在铝合金环件1的各等分点分别装入卡板6的u形槽内时，各个等分点对应的拉杆4从铝合金环件1厚度方向的两侧对铝合金环件1进行约束。在该实施例中，调节各拉杆4的长度使铝合金环件1在各等分点的外径差在预设允许误差范围内，具体为：

调节各拉杆4的长度使铝合金环件1在各等分点的外径差在预设允许误差范围内，且同一等分点对应的两根拉杆4长度相等。

在上述各实施例的基础上，拉杆4包括固定杆、活动杆和套筒5，固定杆的一端卡于套筒5的一端并与套筒5转动连接，固定杆的另一端与定心件固定连接，套筒5的另一端与活动杆的一端螺纹连接，活动杆的另一端与卡板6固定连接，则调节各拉杆4的长度，具体包括：

转动各拉杆4的套筒5以调节活动杆与固定杆之间的间距进而调节各拉杆4的长度。

具体的，套筒5的一端可以设置凸缘，固定杆的一段卡接于凸缘内，凸缘阻止固定杆由套筒5内脱出，且套筒5能够相对固定杆转动。进而在转动套筒5时，由于套筒5与活动杆螺纹连接，故套筒5相对活动杆轴向移动，以改变活动杆与固定杆的间距，也就是改变拉杆4的整体长度。该拉杆4结构简单，且便于调节拉杆4的长度。拉杆4的两端具体可以分别与卡板6及定心件螺栓连接，在该实施例中，则将活动杆与卡板6螺栓连接，将固定杆与定心件螺栓连接。

在拉杆4采用上述结构时，则调节拉杆4的长度为转动拉杆4的套筒5。在将各卡板6分别通过拉杆4与定心件上对应的等分点连接时，具体可以先安装活动杆及套筒5，再用螺栓将活动杆与卡板6连接，并用螺栓将固定杆与定心件连接，并使拉杆4整体出于未受力状态。

在一个优选的实施例中，本发明提供的大型铝合金环件1的时效整形方法，包括以下工序：铝合金环件1安装时效工装→时效加热、保温→保温结束后、微开炉门缝降温→炉内温度能够下降至110℃～120℃时，关闭炉门→铝合金环件1温度下降至60℃～65℃时，出炉→铝合金环件1温度下降至室温后，再撤除时效工装。

综上，由于10m级等大型铝合金环件1要实现时效过程中的精确控形，必须开展大型蠕变时效炉设计、制造研究，研发和制造费用预计将达到4000万元以上。本发明在10m级等大型铝合金环件1生产量少的情况下，只投入极少的工装制备费用，就能实现环件同步时效及校圆整形，校圆后的尺寸也能够满足10m级等大型铝合金环件1零件机加工余量要求，铝合金环件1时效后获得所需的组织和性能，同时不圆度可控制在12mm以内。从而节约了10m级等大型铝合金大型蠕变时效炉的巨额装备投入费用。

上述时效整形方法中用到的时效整形工装，具体可以包括用于与铝合金环件1的n等分点可拆卸固定连接的n个卡板6、用于确定圆心的定心件，各卡板6通过长度可调的拉杆4与定心件连接，其中，n为大于3的正整数。卡板6、定心件及连杆的具体结构请参考上述时效整形方法中的相关表述，此处不再赘述。

该时效整形工装，在时效处理时，在铝合金环件1的等分点固定安装卡板6，在铝合金环件1的中心放置定心件，并将各卡板6分别通过长度可调的拉杆4与定心件上对应的等分点连接。通过调节各拉杆4的长度使铝合金环件1在各等分点的外径差在预设允许误差范围内，此时环件处于受力状态。进而在时效过程中，铝合金环件1发生应力松弛，实现同步整形。该工装结构简单，变成加工，显著降低了10m级等大型铝合金环件1固溶淬火后变形整形的成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。