专利名称：一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法
技术领域：
本发明涉及航天器中高精度薄壁铝合金零件的消除应力处理方法，特别是涉及一 种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法。
背景技术：
航天器结构上有大量的高精度薄壁铝合金零件，例如对接环、星敏支架、太敏支 架等零件。因其尺寸较大、薄壁、加工量大等特点，加工过程中易产生较大应力。在机械加 工过程中，由于刀具挤压、卡具装卡等因素，造成零件表面造成拉应力或压应力。在长期放 置或使用过程中应力逐步释放，零件发生失稳变形，加工变形问题成为制约高精度薄壁铝 合金的关键问题之一。高精度薄壁铝合金零件多采用低温消除应力或时效处理消除应力，其消除应力温 度是影响消除应力效果的主要因素。消除时效温度低，力学性能性能基本无变化，消除应力 效果不明显；消除应力温度高，消除应力效果相对较好，但强度和伸长率均不同程度降低， 影响材料的使用性能。因此，传统的铝合金消除应力方法不能满足一些高精度薄壁件产品 的加工要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高精度薄壁铝合金零件的 尺寸稳定化处理方法，该方法采用冷热交变的方法，使得薄壁铝合金零件在持续冷热交变 下产生压应力或拉应力，与机械加工应力相抵消，降低零件的应力状态，有效解决了高精度 薄壁铝合金零件加工过程中残余应力大、易变形等问题，提高了薄壁铝合金零件加工的可 靠性和产品质量。本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法，包括如下步骤步骤(一)、对待处理的薄壁铝合金零件进行表面清洁，保证薄壁铝合金零件表面 无污渍；步骤(二)、采用加热设备对表面清洁后的薄壁铝合金零件进行正温处理，首先设 置加热设备的处理温度和保温时间，保证正温处理温度为110°c 190°c，在加热设备升温 到正温处理温度后，将薄壁铝合金零件水平放入加热设备，重新升温，待温度达到正温处理 温度后，保温池 4h，将零件取出快速冷却；步骤(三)、对薄壁铝合金零件进行负温处理，将负温处理设备降温到负温处理温 度后，将冷却后的薄壁铝合金零件放置在负温处理设备中，当负温处理设备恢复至负温处 理温度后，保温Ih 池，将零件快速取出，装入正温处理用的加热设备，所述负温处理温度 为-60°C -196 °C ；步骤(四)、采用加热设备再次对薄壁铝合金零件进行正温处理，提前设置加热设 备的处理温度和保温时间，保证正温处理温度为110°C 190°C，在加热设备升温到正温处理温度后，将负温处理后快速取出的薄壁铝合金零件水平放入加热设备，重新升温，待温度 达到正温处理温度后，保温浊 4h，将零件冷却。在上述高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法中，还包括如下步骤(五)步骤(五)、重复步骤(三)和步骤(四)，对薄壁铝合金零件进行第二次尺寸稳 定化处理，继续重复步骤(三)和步骤(四)，对薄壁铝合金零件进行第三次尺寸稳定化处 理，依次类推，对薄壁铝合金零件进行第η次尺寸稳定化处理，其中η为正整数。在上述高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法中，薄壁铝合金零件加工量 大、残余应力小时，对零件进行1 2次尺寸稳定化处理；薄壁铝合金零件加工量大、残余应 力大时，对薄壁铝合金零件进行2 3次尺寸稳定化处理。在上述高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法中，步骤(四)中若正温处 理完成后的薄壁铝合金零件不再进行后续尺寸稳定化处理，则对零件的冷却采用随加热设 备进行冷却的方式，若正温处理完成后的薄壁铝合金零件继续进行后续尺寸稳定化处理， 则对零件的冷却采用取出后快速冷却的方式。在上述高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法中，步骤(二)和步骤(四) 中的加热设备具有鼓风对流装置，以保证加热设备的温度均勻性，且加热设备的温度均勻 性为士5°C，控温精度为士 1°C ；加热设备可以为高低温循环箱或鼓风干燥箱。在上述高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法中，步骤(二)中将薄壁铝 合金零件放入加热设备之前，首先将待处理薄壁铝合金零件固定在工装上，使得在采用加 热设备进行加热时零件不发生变形。在上述高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法中，步骤(三)中负温处理 设备的温度均勻性为士5°C，负温处理设备为液氮槽或冷热交变箱。本发明相比现有技术具有如下优点(1)本发明采用冷热交变的方法，使得薄壁铝合金零件在持续冷热交变下产生压 应力或拉应力，与机械加工应力相抵消，降低零件的应力状态，建立不同加工余量条件下的 尺寸稳定化工序安排，设计“正温-负温-正温”循环热处理的技术方案，对消除应力温度、 保温时间及冷却方式等工艺参数进行了严格控制，克服现有技术仅进行正温消除应力方法 导致消除应力不彻底、组织稳定性差等问题，有效解决了高精度薄壁铝合金零件加工过程 中残余应力大、易变形等问题，提高了薄壁铝合金零件加工的可靠性和产品质量；(2)本发明通过大量工艺试验得出在正温处理过程中，控制正温处理的温度为 110°C 190°C，保温时间为2h 4h，上述温度和保温时间的搭配保证了零件材料不发生 组织或热处理状态发生变化，避免了原材料的力学性能降低，保证了产品的使用性能为最 佳；(3)本发明通过大量工艺试验得出在负温处理过程中，控制负温处理的温度 为-60°C _196°C，保温时间为Ih 3h，使得单级消除应力方法的效果为最佳；(4)本发明通过大量工艺试验得出在正温、负温处理过程中，冷却或升温方式对残 余应力、尺寸稳定性的影响较大，确定了正温处理后采用快冷降温、负温处理后快速升温的 方法，提高了消除应力的效果；(5)本发明针对薄壁铝合金的加工余量、尺寸精度、残余应力状态等因素，制定了 薄壁铝合金零件的循环次数，保证了冷热循环处理的效果。
图1为本发明高精度薄壁铝合金零件尺寸稳定化处理工艺流程图；图2为本发明实施例中高精度薄壁铝合金零件示意图；图3为本发明实施例中高精度薄壁铝合金零件正温处理放置示意图。图4为本发明高精度薄壁铝合金零件尺寸稳定化处理的循环1次工艺图；图5为本发明高精度薄壁铝合金零件尺寸稳定化处理的循环2次工艺图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述如图1所示为本发明高精度薄壁铝合金零件的稳定化处理工艺流程图，图中给出 了进行3次尺寸稳定化处理的过程，包括表面清洁、第一次稳定化处理正温处理-负温处 理-正温处理，第二次稳定化处理负温处理-正温处理，第三次稳定化处理负温处理-正 温处理，具体如下(一 )薄壁铝合金零件进行表面清洁，采用纱布蘸取一定量的酒精或汽油擦拭薄 壁铝合金产品，保证零件表面无油污、切削液等污物。(二)开启正温处理设备，正温处理设备可以采用高低温循环设备或鼓风干燥箱 等设备，正温处理设备具有鼓风对流装置，保证其炉温均勻性良好，正温处理设备的炉温均 勻性为士5°C，控温精度为士 1°C，设备具有循环对流装置，保证温度均勻性。设置正温处理温度、保温时间，正温处理温度110°C 190°C、保温时间2h 4h，温 度和时间的选取要确保材料热处理状态和力学性能不发生变化；开启加热电源，设备开始 加热升温。例如2A12铝合金材料的薄壁件，热处理状态为T4(固溶+自然时效)，温度高 于160°C后，自然时效状态所形成的GP区将转变为S'相，温处理温度宜选择为150°C，保温 时间根据零件厚度确定，使得零件完全热透。设备升温到设置温度后，将零件加工面水平放置于正温处理设备的加热平台上， 例如放置在炉底板上，保持零件稳定、受热不发生变形，如图3所示为本发明实施例中高精 度薄壁铝合金零件正温处理放置示意图。重新升温，待显示温度达到设置温度后，保温时间 2h 4h，将零件快速取出进行冷却。零件取出之前要保证负温处理的设备或液氮槽准备完 好。步骤(三)、开启负温处理设备，负温处理温度为_60°C -196°C。负温处理可采 用液氮槽或冷热交变箱，其中采用冷热交变箱时最低温度应低于-70°C，采用液氮槽时装入 液氮，处理温度为-196°C。负温处理设备的均勻性为士5°C，设备的有效温度区间要满足零 件尺寸需求。保温时间为Ih 池，保温时间根据零件的尺寸、重量等因素适当调整。负温处理设备降温到负温处理温度后，快速将从正温处理设备取出的零件放入冷 热交变箱或液氮槽装入液氮之内，采用液氮槽时应保证液氮浸没零件，当负温处理设备恢 复至负温处理温度后，在负温环境下保持Ih 池，将零件迅速取出。步骤(四)、零件取出后再次进行正温处理，正温处理应按照步骤(二)中，升温到 设置温度。具体为提前设置加热设备的处理温度和保温时间，保证正温处理温度为110°c 190°C，在加热设备升温到正温处理温度后，从负温处理设备快速取出薄壁铝合金零件水平放入加热设备的加热平台上，例如放置在炉底板上，保持零件稳定、受热不发生变形，重新 升温，待温度达到正温处理温度后，保温浊 4h，将零件冷却。步骤(五)、综合零件的尺寸、尺寸精度、应力程度等因素，确定尺寸稳定化处理的 次数。第二次尺寸稳定化处理，可在第一次尺寸稳定化处理的基础上增加负温、正温处理， 其中正温处理采用随加热设备冷却的方式；第三次尺寸稳定化处理，可在第二次尺寸稳定 化处理的基础上增加负温、正温处理，其中正温处理采用随加热设备冷却的方式。如图4所示为本发明高精度薄壁铝合金零件尺寸稳定化处理的循环1次工艺图； 图5所示为本发明高精度薄壁铝合金零件尺寸稳定化处理的循环2次工艺图，当零件加工 量大、残余应力相对小时，循环1 2次；零件加工量大、残余应力较大时，循环2 3次。本发明适用于壁厚小于4mm的薄壁铝合金零件的稳定化处理方法。下面列举一个具体的实施例如图2为本实施例的一种高精度薄壁铝合金零件，其材料为2A12铝合金，其壁厚 为3mm，尺寸精度为亚微米级，热处理状态为T4(固溶+自然时效)。完成半精加工后，需要 进行尺寸稳定化处理。根据零件结构和尺寸精度，确定为循环二次，即进行两次尺寸稳定化处理。具体处理过程步骤如下(一 )采用纱布蘸取一定量的酒精或汽油擦拭薄壁铝合金零件，对零件行表面清 洁，保证零件表面无油污、切削液等污物。( 二)开启正温处理设备，设置正温处理温度150°C、保温时间2. 5h ；开启加热电 源，设备开始加热升温。设备升温到设置温度后，将零件加工面水平放置于炉底板上，重新 加热，待显示温度达到设置温度后，保温时间2. 5h，快速取出冷却。零件取出之前负温处理 设备冷热交变箱或液氮槽准备完好。(三)、开启冷热交变箱，冷处理设备温度为-70°C，保温时间为1.证。快速将从正 温处理设备取出的零件放入冷热交变箱，在负温环境下保持1.证，将零件迅速取出放入正 温处理设备进行正温处理。正温处理应按照步骤(二)中，升温到设置温度。(四)、正温处理的步骤同步骤(二)，对零件进行正温处理，处理完成后零件取出 快速冷却。(五)、重复步骤(三)、(四)，对零件进行第二次尺寸稳定化处理，其中最后一次 正温处理后零件采用随加热设备冷却。本发明在正温、负温处理过程中，冷却或升温方式对残余应力、尺寸稳定性的影响 较大，确定了正温处理后采用快冷降温、负温处理后快速升温的方法，提高了消除应力的效以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法，其特征在于包括如下步骤步骤(一)、对待处理的薄壁铝合金零件进行表面清洁，保证薄壁铝合金零件表面无污渍；步骤(二)、采用加热设备对表面清洁后的薄壁铝合金零件进行正温处理，首先设置加 热设备的处理温度和保温时间，保证正温处理温度为110°C 190°C，在加热设备升温到正 温处理温度后，将薄壁铝合金零件水平放入加热设备，重新升温，待温度达到正温处理温度 后，保温 4h，将零件取出快速冷却；步骤(三)、对薄壁铝合金零件进行负温处理，将负温处理设备降温到负温处理温度 后，将冷却后的薄壁铝合金零件放置在负温处理设备中，当负温处理设备恢复至负温处理 温度后，保温Ih 3h，将零件快速取出，装入正温处理用的加热设备，所述负温处理温度 为-60°C -196 °C ；步骤(四)、采用加热设备再次对薄壁铝合金零件进行正温处理，提前设置加热设备的 处理温度和保温时间，保证正温处理温度为110°C 190°C，在加热设备升温到正温处理温 度后，将负温处理后快速取出的薄壁铝合金零件水平放入加热设备，重新升温，待温度达到 正温处理温度后，保温2h 4h，将零件冷却。
2.根据权利要求1所述的一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法，其特征 在于还包括如下步骤(五)步骤(五)、重复步骤(三)和步骤(四)，对薄壁铝合金零件进行第2次尺寸稳定化 处理，继续重复步骤(三)和步骤(四)，对薄壁铝合金零件进行第3次尺寸稳定化处理，依 次类推，对薄壁铝合金零件进行第η次尺寸稳定化处理，其中η为正整数。
3.根据权利要求2所述的一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法，其特征 在于所述薄壁铝合金零件加工量大、残余应力小时，对零件进行1 2次尺寸稳定化处理； 薄壁铝合金零件加工量大、残余应力大时，对薄壁铝合金零件进行2 3次尺寸稳定化处 理。
4.根据权利要求1所述的一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法，其特征 在于所述步骤(四)中若正温处理完成后的薄壁铝合金零件不再进行后续尺寸稳定化处 理，则对零件的冷却采用随加热设备进行冷却的方式，若正温处理完成后的薄壁铝合金零 件继续进行后续尺寸稳定化处理，则对零件的冷却采用取出后快速冷却的方式。
5.根据权利要求1所述的一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法，其特征 在于所述步骤(二)和步骤(四)中的加热设备具有鼓风对流装置，以保证加热设备的温 度均勻性，且加热设备的温度均勻性为士5°C，控温精度为士 1°C。
6.根据权利要求5所述的一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法，其特征 在于所述的加热设备为高低温循环箱或鼓风干燥箱。
7.根据权利要求1所述的一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法，其特征 在于所述步骤(二)中将薄壁铝合金零件放入加热设备之前，首先将待处理薄壁铝合金零 件固定在工装上，使得在采用加热设备进行加热时零件不发生变形。
8.根据权利要求1所述的一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法，其特征 在于所述步骤(三)中负温处理设备的温度均勻性为士5°C，负温处理设备为液氮槽或冷 热交变箱。
全文摘要
本发明涉及一种高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定化处理方法，采用高低循环设备或低温处理设备、鼓风干燥箱等设备，选用一种“正温-负温-正温”的循环热处理方法，并对正负温处理的温度、保温时间等工艺参数进行限定，以提高组织稳定性和降低残余应力，进而实现高精度薄壁铝合金零件的尺寸稳定性要求，本发明通过上述热处理方法，高精度薄壁铝合金零件的显微组织稳定，有效降低高精度薄壁铝合金零件的机械加工残余应力，提高了薄壁铝合金零件热处理的可靠性和质量。
文档编号C22F1/04GK102061433SQ20111002296
公开日2011年5月18日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者于芳, 张立功, 杨鑫, 苗伟 申请人:北京卫星制造厂