CN104190777B - 一种基于热压罐的无时效强化铝合金整体壁板一次成形方法 - Google Patents

一种基于热压罐的无时效强化铝合金整体壁板一次成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于热压罐的无时效强化铝合金整体壁板的一次成形方法，首先将铝合金板坯置固定于成形模具上，真空封闭并置入热压罐内；然后将热压罐内温度升高到铝合金完全退火温度，罐内压力增加到构件贴模所需压力，使大曲率部位材料达到屈服极限而发生塑性变形；接着，适当降低温度和压力，使构件保持贴模状态并发生蠕变；最后，卸除热压罐内的气压与温度，板坯回弹后得到所需构件形面。本发明方法通过局部塑性变形和蠕变的方式释放大量内应力，减小了成形工件的残余应力，并可消除因工件局部内应力差异引起的性能不均匀问题；不仅减少生产周期，还可明显降低最终回弹量，且工装简单，仅需一套凹模即可实现，大幅度节约模具成本。

Description

一种基于热压罐的无时效强化铝合金整体壁板一次成形方法
技术领域
本发明属于有色金属材料加工工程技术领域，涉及一种铝合金整体壁板的一次成形方法，适用于制造具有大曲率外形或复杂的变曲率形面的无时效强化铝合金壁板类构件。
背景技术
相对于用蒙皮和纵向、横向加强零件靠铆接、胶接或点焊装配而成的传统铝合金壁板，整体壁板具有材料分配合理、自重轻、结构效率高、表面光滑、气动外形和密封性能好等优点。而实际的整体壁板构件，如机翼壁板、飞机舱门壁板、容器壁板等结构中往往具有复杂的变曲率形面或局部大曲率外形，这使得整体壁板制造过程比较复杂、困难，削弱了整体壁板在生产成本与周期方面的优势。因此，找到一种有效的铝合金整体壁板一次成形方法具有重要的意义。
无时效强化铝合金是指经过时效处理后无明显强化效应的铝合金，例如3xxx系、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金等。因其良好的塑性、抗腐蚀性及焊接性，在航空航天、武器装备、交通运输等形状较复杂的壁板结构中得到广泛应用。该类合金通过加工硬化获得强度，通常在退火状态使用。传统的成形路线中，冷变形后再退火容易引发再结晶而严重降低工件性能，此外，成形后的工件内部存在较大残余应力，需额外增加消除残余应力的工序，增加了生产成本和周期。可见，减少成形与热处理工序、降低残余应力是无时效强化铝合金整体壁板制造中必须解决的难题，也是整体壁板突破应用瓶颈的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于具有大曲率外形或复杂的变曲率形面的无时效强化铝合金整体壁板类构件的一次成形方法，能够在保证成形的同时获得均匀的材料性能，并有效地降低成形件的残余应力。
本发明技术方案为：一种无时效强化铝合金整体壁板的一次成形方法，分为塑性变形和蠕变退火两个阶段，包括以下步骤：（1）首先将铝合金板坯置于成形模具上并固定好，包覆真空膜，使模具和板坯处于真空封闭的环境下，放入热压罐内；（2）然后将热压罐内温度升高到铝合金完全退火温度，罐内压力增加到构件贴模所需压力，使大曲率部位材料达到屈服极限而发生塑性变形，保持一段时间；（3）接着，降低温度至铝合金稳定化退火温度范围，降低压力到蠕变所需压力，使构件保持贴模状态并发生蠕变；（4）最后，卸除热压罐内的气压与温度，板坯回弹后得到所需构件形面。
本发明所述完全退火温度，按现有技术定义是指，铝合金内部组织发生完全重结晶的温度。不同铝合金的完全退火温度可通过实验确定，一般为300℃~450℃。
本发明所述稳定化退火温度范围，按现有技术定义是指消除内应力并调整合金强度与延性的温度，一般为150℃~400℃。
步骤（2）所述贴模所需压力为3～20Bar，保温时间为1～3h。步骤（3）蠕变所需压力为1～5Bar,保温时间为3～24h。
所述板坯总厚度为1~60mm，板坯类型为无筋结构或带筋结构。
本发明所用成形模具的形面为大曲率范围形面或者包括大曲率范围、小曲率范围和中间曲率范围三种形面。
三种形面是根据成形模具的半径与板材厚度的比值R/t来划分：在0<R/t<kEt/σst范围归为大曲率范围，在R/t>kEp/σsp范围归为小曲率范围，在kEt/σst<R/t<kEp/σsp范围归为中间曲率范围；其中，k为与材料及板坯总厚度相关的常数，范围为0.3~0.8；Et为拉伸弹性模量，Ep为压缩弹性模量，σst为材料拉伸屈服强度，σsp为材料压缩屈服强度。在数值上kEt/σst>30，kEp/σsp<450，可据此进行初步判断。
大曲率范围内的构件部位，材料成形主要依靠塑性变形，模具半径范围为0.9R*~R*，其中R*为目标半径。小曲率范围内，材料成形依靠蠕变成形，模具半径范围为0.2R*~0.6R*。中间曲率范围，模具半径范围为0.6R*~0.9R*。
本发明的方法，能够在最高工作压力不小于10Bar，使用温度范围可满足150℃~450℃，且有足够容量的热压罐内实施。
本发明在结构设计中有以下考虑：对于复杂的变曲率形面构件，首先在大曲率部位发生塑性变形，从而释放了该部位的内应力，为第二步蠕变成形阶段提供了较均匀的内应力状态，形成近似的等蠕变量成形，可消除内应力引起的性能差异，提高构件整体性能均匀性。对于简单的大曲率形面构件，采用这种塑变与蠕变同时进行的方式，可以明显降低回弹量，提高成形精度。
本发明优点在于：①采用塑性变形与蠕变成形结合的一次成形方法，不仅减少生产周期，还可明显降低最终回弹量，这对于减小大型模具体积、降低生产成本具有重要意义；②该工艺方法在实施过程中通过塑变和蠕变的方式释放大量内应力，可使成形工件的残余应力有效控制在50MPa以内，远小于传统塑性加工成形工件，并可消除因工件局部内应力差异引起的性能不均匀问题；③操作简便，工装简单，仅需一套凹模即可实现，节约了成本，具有实际工业生产应用价值。
附图说明
图1为本发明工艺步骤示意图。
图2为本发明的成形工装示意图。
具体实施方式
本发明所指铝合金可采用不同的方法制备所需材料和/或部件。所用初始铝合金板坯可以为O态、热轧态、或冷轧态等。本发明蠕变成形模具采用中国专利ZL201110209737.0：一种金属蠕变成形模具。
本发明的实施实例使用ATOS光栅扫描仪对壁板外缘曲面进行检测。室温拉伸实验按照国标GB/T228-2002制成标准拉伸试样，拉伸实验在CSS-44100万能材料力学拉伸机上进行，拉伸速度为2mm/min。残余应力测试采用钻孔应变释放法，按照CB3395-1992测量板材的残余应力。各实施例中沿成形壁板弯曲方向等距离均分为5段，在每段割取试样进行力学性能测试与残余应力测试。
本发明中回弹的定义参考文献“HoKC,LinJ,DeanTA.Modellingofspringbackincreepformingthickaluminumsheets.InternationalJournalofPlasticity,2004,20(4–5):733-751.”。按下式计算：η=(d max /d 0 )×100%，式中d max 为成形件回弹后与模具的最大垂直距离，为d 0 模具相应位置距板坯初始平面的距离。
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
壁板材料为5A06铝合金热轧板，板坯长度为800mm，宽度为200mm，厚度为10mm。目标形面沿所述壁板长度方向弯曲半径为800mm~15000mm连续分布，呈流线形。模具形面包括大曲率范围：R/t=80～90，小曲率范围：R/t=130～1500，中间曲率范围：R/t=90～130。
首先将板坯置于成形模具上并固定好，然后贴真空膜，使模具和板坯处于真空封闭的环境下，再放入热压罐内。将热压罐内温度升高到350℃，罐内压力增加到5Bar，使板坯与模具贴合，此时在大曲率部位材料达到屈服极限而发生塑性变形。保持2h后，罐内压力降至2Bar，温度降至240℃，使构件刚好保持贴模状态进入蠕变退火阶段，保温保压16h。最后，卸除热压罐内的气压并降低温度到室温，板坯回弹后得到所需的变曲率整体壁板。
实施例2
壁板材料为5052铝合金冷轧板，板坯长度为1800mm，宽度为900mm，厚度为8mm。目标形面沿所述壁板长度方向为长短半轴分别为378mm、126mm的椭圆形，宽向平直无弯曲。模具形面包括大曲率范围：R/t=0～172，小曲率范围：R/t>260，中间曲率范围：R/t=172～260。
首先将板坯置于成形模具上并固定好，然后贴真空膜，使模具和板坯处于真空封闭的环境下，再放入热压罐内。将热压罐内温度升高到345℃，罐内压力增加到4Bar，使板坯与模具贴合，此时在大曲率部位材料达到屈服极限而发生塑性变形。保持2h后，罐内压力降至2Bar，温度降至220℃，使构件刚好保持贴模状态进入蠕变退火阶段，保温保压16h。最后，卸除热压罐内的气压并降低温度到室温，板坯回弹后得到所需椭圆面整体壁板。
实施例3
壁板材料为5083铝合金O态板，板坯长度为1000mm，宽度为580mm。腹板厚度为3mm，腹板一侧设有高15mm、厚4mm的筋条。筋条为矩形截面且呈网格分布，共9个单格，每个单格尺寸均为300mm×160mm。目标形面沿所述壁板宽度方向为单曲率弯曲半径800mm，R/t=44.4，属于大曲率范围。
首先将板坯置于成形模具上并固定好，然后贴真空膜，使模具和板坯处于真空封闭的环境下，再放入热压罐内。将热压罐内温度升高到400℃，罐内压力增加到5Bar，使板坯与模具贴合，此时在大曲率部位材料达到屈服极限而发生塑性变形。保持2h后，罐内压力降至3Bar，温度降至300℃，使构件刚好保持贴模状态进入蠕变退火阶段，保温保压10h。最后，卸除热压罐内的气压并降低温度，板坯回弹后得到所需大曲率带筋整体壁板。
表1本发明实施例壁板成形后材料的室温力学性能、回弹量及残余应力

Claims (7)

1.一种基于热压罐的无时效强化铝合金整体壁板一次成形方法，成形模具的形面为大曲率范围形面或者包括大曲率范围、小曲率范围和中间曲率范围三种形面，该方法包括以下步骤：
（1）将铝合金板坯固定在成形模具上，真空封闭并置入热压罐内；
（2）将热压罐内温度升高到铝合金完全退火温度，罐内压力增加到构件贴模所需压力，使大曲率范围内的材料达到屈服极限而发生塑性变形；
（3）降低温度至铝合金稳定化退火温度范围，降低压力到蠕变所需压力，使构件保持贴模状态并发生蠕变；
（4）卸除热压罐内的气压与温度，板坯回弹后得到所需构件形面；
所述成形模具按半径与板材厚度的比值R/t分为：0<R/t<kEt/σst为大曲率范围，在R/t>kEp/σsp为小曲率范围，kEt/σst<R/t<kEp/σsp为中间曲率范围；其中，k为与材料及板坯总厚度相关的常数，范围为0.3~0.8；Et为拉伸弹性模量，Ep为压缩弹性模量，σst为材料拉伸屈服强度，σsp为材料压缩屈服强度。
2.根据权利要求1所述的无时效强化铝合金整体壁板一次成形方法，其特征在于步骤（2）贴模所需压力为3～20Bar，保温时间为1～3h。
3.根据权利要求1或2所述的无时效强化铝合金整体壁板一次成形方法，其特征在于步骤（3）稳定化退火温度范围为150℃~400℃，蠕变所需压力为1～5Bar,保温时间为3～24h。
4.根据权利要求1或2所述的无时效强化铝合金整体壁板一次成形方法，其特征在于板坯总厚度为1~60mm，板坯类型为无筋结构或带筋结构。
5.根据权利要求4所述的无时效强化铝合金整体壁板一次成形方法，其特征在于所述的大曲率范围内的构件部位，材料成形主要依靠塑性变形，模具半径范围为0.9R*~R*，其中R*为目标半径。
6.根据权利要求4所述的无时效强化铝合金整体壁板一次成形方法，其特征在于所述的小曲率范围内，材料成形依靠蠕变成形，模具半径范围为0.2R*~0.6R*，其中R*为目标半径。
7.根据权利要求4所述的无时效强化铝合金整体壁板一次成形方法，其特征在于所述的中间曲率范围，模具半径范围为0.6R*~0.9R*，其中R*为目标半径。
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