镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，具体是涉及一种镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法。

背景技术

舱体铸件是航空航天装备的主承载构件，舱体铸件多为筒体铸件，为实现最优化减重和刚度设计、快速成形制造，筒体铸件采用具有高强度，耐热性和良好耐腐蚀性的镁稀土合金铸造成型。

对于尺寸大、薄壁、内壁多凸缘且不对称的复杂结构特点的筒体铸件(内凸缘结构薄壁筒形铸件)，筒体铸件壁厚沿圆周分布均不对称，因此，在热处理过程中筒体铸件极易发生较大变形，无法满足后续机械加工的要求。

针对该类镁合金筒体铸件，目前的主要控制方法是在筒体内部加装内撑工装，通过工装提高筒体刚度沿圆周方向的分布均匀性，抑制筒体铸件在热处理过程中产生的变形，减小筒体铸件热处理后的圆度误差，完成热处理后再将内支撑工装去除。但现有方法具有工装结构复杂、不灵活、对材料大量浪费、变形抑制效果不佳的缺点。

发明内容

为有效控制内凸缘结构薄壁筒形铸件在热处理过程中的产生的变形，同时满足圆度、尺寸精度和力学性能的要求，本发明提供一种镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，基于优化设计理论，以最小圆度误差为优化目标，对内支撑工装结构尺寸进行合理设计，获得结构简单、灵活、节省材料、变形抑制效果好的内支撑工装，提升工装对于内凸缘结构薄壁筒形铸件热处理变形的抑制效果。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种镁合金舱体铸件热处理过程的变形控制方法，包括以下步骤：

(1)建立镁合金舱体铸件的几何模型；

(2)确定镁合金舱体铸件的热处理工艺参数，根据热处理工艺参数，建立镁合金舱体铸件热处理工艺过程有限元模型；

(3)在确定的热处理工艺下，通过改变工装的几何参数进行影响分析，得到舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量；

(4)根据舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量，选择抑制舱体铸件变形的最佳参数。

进一步，所述步骤(1)中，采用拉伸方式建立镁合金舱体铸件的几何模型。

进一步，所述步骤(2)中，镁合金舱体铸件的热处理工艺参数包括热处理温度、保温时间、冷却速率和网格划分。

进一步，所述热处理为固溶处理，热处理温度为520-530℃，固溶阶段的保温时间为10-12小时，固溶保温结束后，采用空冷的方式进行冷却至室温，冷却速率为25-35W/(m

进一步，所述步骤(3)中，采用Abaqus软件对工装的几何参数进行有限元分析。

进一步，所述步骤(3)中，选择圆度误差ΔR作为变形抑制效率的考查指标，由公式(1)计算得到

其中，D

进一步，所述步骤(3)中，所述工装的几何参数包括工装截面宽度、工装截面高度、工装加装高度和工装支撑角度，装截面高度范围为10mm-70mm，工装截面宽度取10mm-40mm，工装加装高度取 0mm-300mm，工装加装角度取0°-45°。

进一步，所述步骤(4)，包括以下步骤：

(4.1)使用数学回归的方法分析工装参数对舱体铸件变形的影响，以舱体铸件热处理结束后的圆度误差为目标函数，基于泰勒展开法和有限元数据，以工装几何参数为函数变量，建立舱体铸件圆度误差的多元非线性回归模型，即公式(2)：

v＝a

式中，y为舱体铸件热处理结束并去除工装后的圆度误差，为目标函数，A、B、C、D为工装的设置参数，a

(4.2)根据有限元计算和实验所得数据，求解回归模型的各个系数，得出舱体铸件的圆度误差与工装几何参数之间的多元非线性关系；

(4.3)基于回归模型和各个参数的取值范围，求解回归模型最小值，此时模型中参数的值即为舱体铸件变形抑制工装的最佳参数；

Miny＝a

其中，Min y为目标函数，表示使函数y最小，s.t.为约束条件，即各个参数的取值范围。

进一步，所述步骤(4.2)中，求解的回归模型的各个系数如下： a

与现有技术相比，本发明的优点如下：

基于优化设计理论，以最小圆度误差为优化目标，对内支撑工装结构尺寸进行合理设计，获得结构简单、灵活、节省材料、变形抑制效果好的内支撑工装，提升工装对于内凸缘结构薄壁筒形铸件热处理变形的抑制效果。

附图说明

图1是本发明实施例中内凸缘结构薄壁筒形铸件的结构示意图。

图2是本发明实施例中工装的结构示意图。

图中，1—内凸缘结构薄壁筒形铸件，2—工装。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

(1)建立镁合金舱体铸件的几何模型，具体采用拉伸方式建立镁合金舱体铸件的几何模型；本实施中的镁合金舱体铸件为图1所示的内凸缘结构薄壁筒形铸件1。

(2)确定镁合金舱体铸件的热处理工艺参数，具体包括热处理温度、保温时间、冷却速率、网格划分和材料参数；根据热处理工艺参数，建立镁合金舱体铸件热处理工艺过程有限元模型；网格划分是指在建立有限元模型时将工装进行划分为多个单元格；材料参数是指工装以及镁合金舱体铸件的材料参数；本实施例中，热处理为固溶处理，热处理温度设置为525℃，固溶阶段的保温时间为12小时，固溶保温结束后，采用空冷的方式进行冷却至室温，冷却速率为30W/ (m

(3)在确定的热处理工艺下，通过改变工装的几何参数进行影响分析，得到舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量。

在本实施例中，采用Abaqus软件对工装的几何参数进行有限元分析；选择圆度误差ΔR作为变形抑制效率的考查指标，由公式(1) 计算得到

其中，D

工装的几何参数包括工装截面宽度a、工装截面高度b、工装加装高度h和工装支撑角度θ四个参数，在说明几何参数时，以图1中虚线表示的工装为虚拟参考基准，基准参考工装虚拟安装于内凸缘结构薄壁筒形铸件1的上端面，图1中工装2为实际安装的工装，工装 2为十字形工装，工装截面宽度a是指工装端面的宽度，工装截面高度b是指工装端面的高度，工装加装高度h是指工装2相对于基准参考工装的高度，工装支撑角度θ是指工装2相对于基准参考工装的旋转角度。各参数的不同取值即为参数水平，装截面高度范围为 10mm-70mm，工装截面宽度取10mm-40mm，工装加装高度取 0mm-300mm，工装加装角度取0°-45°，在各设计参数取值范围的基础上，将每个参数均赋予4个不同的取值，即构成了4因素的水平，各因素的具体水平表如表1所示。

表1工装实验水平因素表

通过改变工装的几何参数进行影响分析时，具体采用正交法设计试验样本点，选用四因子四水平正交样本点设计，共16个样本点，每个样本点的圆度误差分析结果如表2所示。

表2正交实验方案设计表：

(4)根据舱体铸件在工装不同几何参数下的热处理过程中的变形量，选择抑制舱体铸件变形的最佳参数。

本实施例中，步骤(4)包括以下步骤：

(4.1)使用数学回归的方法分析工装参数对舱体铸件变形的影响，以舱体铸件热处理结束后的圆度误差为目标函数，基于泰勒展开法和有限元数据，以工装几何参数为函数变量，建立舱体铸件圆度误差的多元非线性回归模型，如公式(2)：

y＝a

式中，y为舱体铸件热处理结束并去除工装后的圆度误差，为目标函数，A、B、C、D为工装的设置参数，a

(4.2)根据有限元计算和实验所得数据，求解回归模型的各个系数，得出舱体铸件的圆度误差与工装几何参数之间的多元非线性关系；本实施例中，求解回归模型的各个系数结果如下：a

(4.3)基于回归模型和各个参数的取值范围，求解回归模型最小值，此时模型中参数的值即为舱体铸件变形抑制工装的最佳参数；

Miny＝a

其中min y为目标函数，表示使函数y最小，s.t.为约束条件，即各个参数的取值范围。

本发明基于优化设计理论，以最小圆度误差为优化目标，对内支撑工装结构尺寸进行合理设计，获得结构简单、灵活、节省材料、变形抑制效果好的内支撑工装，提升工装对于内凸缘结构薄壁筒形铸件热处理变形的抑制效果。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。