[发明专利]一种大规格2195铝锂合金旋压壳体热处理变形控制工装及方法

说明书

本发明提供了一种大规格2195铝锂合金旋压壳体热处理变形控制工装及方法，针对大规格2195铝锂合金旋压壳体的结构特点和其材料特性，设计了热处理变形控制工装，采用了圆台底座+多层支撑圆环+限位顶块的结构设计，保证了热处理变形控制工装与壳体在热处理过程中良好的轮廓特征匹配关系，利用“内撑外限”的方式，实现了2195铝锂合金旋压壳体热处理过程的整体尺寸变化控制。另外，匹配合理的淬火温度、淬火转移时间等热处理工艺参数，在达到淬火效果的条件下，实现整体淬火应力分布控制，避免壳体轮廓型面塌陷变形，降低口部椭圆变形程度，提高了热处理后旋压壳体的尺寸精度，保证了内外型面加工余量满足后续加工需要。

技术领域

本发明涉及一种大规格2195铝锂合金旋压壳体热处理变形控制方法，属于先进材料技术领域，所述的大规格是指旋压壳体的内径不小于Φ3000mm、旋压壳体的高度不小于H1000mm、旋压壳体的壁厚δ20～30mm，所述的旋压壳体是指通过旋压成形工艺制备的壳体。

背景技术

随着航天型号发展，新一代运载火箭需要进一步提高结构效率与运载能力，这就对箭体结构，尤其是结构重量占比较大的贮箱结构，提出了迫切的减重要求。采用2195铝锂合金替代常规的2A14、2219等铝合金，通过结构优化设计可使贮箱结构减重10％以上，同时采用先进的整体旋压精密成形工艺实现贮箱箱底壳体的制造，不仅减少了焊缝，提高了结构可靠性和性能，而且还规避了瓜瓣拼焊所引起焊接部位增重，进一步降低贮箱结构重量，是未来航天运载火箭贮箱制造重要的发展方向。

经过旋压成形后的大规格2195铝锂合金壳体件内径不小于Φ3000mm、高度不小于H1000mm、壁厚δ20～30mm。为了使其达到设计要求的力学性能，需要采用固溶处理—淬火—时效处理的T6热处理工艺制度进行组织性能调控。经过固溶淬火后，构件内部存在较大应力，淬火工艺参数对构件应力分布和变形控制起到关键作用。同时，大直径薄壁椭球形半球壳体的结构特征加剧了应力分布不均匀性和变形控制难度，最终容易出现圆周方向椭圆变形和轮廓型面的塌陷变形，直接导致内型面或外型面加工余量不足，无法加工出合格的贮箱箱底。

综上，需要提出一种大规格2195铝锂合金旋压壳体热处理变形控制方法，对Φ3000mm级大规格2195铝锂合金旋压壳体热处理过程进行整体控制，减少其热处理变形，保证加工余量满足后续加工要求。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种大规格2195铝锂合金旋压壳体热处理变形控制工装及方法，针对大规格2195铝锂合金旋压壳体的结构特点和其材料特性，设计了热处理变形控制工装，采用了圆台底座+多层支撑圆环+限位顶块的结构设计，保证了热处理变形控制工装与壳体在热处理过程中良好的轮廓特征匹配关系，利用“内撑外限”的方式，实现了2195铝锂合金旋压壳体热处理过程的整体尺寸变化控制。另外，通过对坯料结构尺寸和工装结构精确设计、同时匹配合理的淬火温度、淬火转移时间等热处理工艺参数，在达到淬火效果的条件下，实现整体淬火应力分布控制，避免壳体轮廓型面塌陷变形，降低口部椭圆变形程度，提高了热处理后旋压壳体的尺寸精度，保证了内外型面加工余量满足后续加工需要。本发明操作过程简单，具有较强的可操作性和实用性，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种大规格2195铝锂合金旋压壳体热处理变形控制工装，包括圆台底座、N层中间支撑环、顶部支撑环、中心支撑杆和限位顶块；

所述圆台底座为带加强筋的环状凸台结构，分为上下两段，上段为内径3100～3150mm、外径3290～3310mm、高度60～100mm的圆环，下段为内径3100～3150mm、外径3500～3550mm、高度50～80mm的圆环；加强筋分布于圆台底座中间区域；

所述N层中间支撑环均为中间带加强筋的圆环结构，外表面根据壳体内壁轮廓设置为斜面，N组中间支撑环为水平放置，其中一层中间支撑环的底面距离圆台底座下段部分上端面的距离为400～450mm；加强筋分布于圆台底座中间区域；