CN105107917B - 一种提高力学性能的贮箱半球壳体成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种贮箱半球壳体成形方法。针对可热处理强化的铝合金半球壳体的成形制造,采用铝合金平板直接整体热旋压成预成形毛坯,再进行淬火处理,然后在室温下进行旋压终成形,终成形芯模比预成形芯模直径小2~4mm,通过设置合理的旋压间隙值,变形量约5%~10%,旋压后进行时效处理,最终状态可达到T87态,壳体的屈服强度和抗拉强度较原工艺方法(旋压后直接淬火时效)的T62态提高10~20%。只需要两套不同直径的模具,旋压后的工件贴模良好,成形后的半球壳体强度高,发挥了2219等可热处理强化铝合金的最佳性能状态,充分体现出可热处理强化铝合金比一般的不可热处理强化铝合金强度高的优势。

Description

一种提高力学性能的贮箱半球壳体成形方法
技术领域
本发明涉及一种提高力学性能的贮箱半球壳体成形方法,属于贮箱制造技术领域。
背景技术
目前国内的2219等可热处理强化铝合金贮箱半球壳体成形方法分为瓜瓣成形和采用板材整体旋压或冲压成毛坯。前者中的瓜瓣成形主要是利用厚板预拉伸后淬火,再进行终成形拉伸和时效,最终状态为T87态,强度较高,但其贮箱壳体需要保留纵向焊缝,而且较厚的板材拉伸需要较大吨位设备,需要工序、模具较多,拉伸完的毛坯壁厚不均匀且不易控制。后者整体旋压成形后再进行淬火时效热处理和机加工,消除了纵向焊缝,而且由于旋压是点接触,单位压力高,对于高强度难变形的材料旋压所需总变形力较小,设备吨位大大降低。旋压后的材料晶粒细小并具有纤维状特征,强度和硬度提高,相对于拉伸或冲压,旋压还可以大大简化工艺和模具,旋压完的毛坯壁厚均匀,容易控制。但按目前的工艺,旋压后再进行淬火时效热处理以提高力学性能,其贮箱壳体最终状态为T62态,强度要低于2219等可热处理强化铝合金的最佳性能状态(T87态),因此没有发挥出2219等可热处理强化铝合金的高强度的优势,降低了设计要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种提高力学性能的贮箱半球壳体成形方法,将可热处理强化铝合金平板整体成形为贮箱半球壳体,大幅提高其力学性能。
本发明目的通过如下技术方案予以实现:
提供一种提高力学性能的贮箱半球壳体成形方法,其特征在于:包括如下步骤:
1)加热预成形旋压芯模(1),将所述预成形旋压芯模(1)加热至温度100~200℃;将铝合金圆板(2)固定在预成形旋压芯模(1)上,铝合金圆板(2)中心与预成形旋压芯模(1)半球体的平顶端端面中心对齐;
所述预成形旋压芯模(1)包括具有平顶的半球体及与半球体同轴连接的圆柱体,半球体具有平顶端和连接端,所述平顶端的端面与连接端的端面平行,两个端面的半径比为:0.3~0.5;半球体的直径比贮箱半球壳体内径小1~2mm;圆柱体的一端与所述连接端端面相接,二者端面半径相同;
2)加热旋压铝合金圆板(2)至与预成形旋压芯模(1)的外形匹配,得到预成形工件(4);
3)将预成形工件(4)进行淬火处理;
4)将步骤3)得到的预成形工件(4)固定在终成形旋压芯模(5)上,预成形工件(4)中心与终成形旋压芯模(5)半球体的小端端面中心对齐;
终成形旋压芯模(5)包括具有平顶的半球体及与半球体同轴连接的圆柱体,半球体具有平顶端和连接端,所述平顶端的端面与连接端的端面平行,两个端面的半径比为:0.3~0.5;终成形旋压芯模(5)半球体的直径比预成形旋压芯模(1)半球体直径小2~4mm;终成形旋压芯模(5)圆柱体的一端与所述连接端端面相接,二者端面半径相同;
5)在室温下旋压预成形工件(4)至与终成形旋压芯模(5)匹配,获得终成形旋压件(6);
6)将步骤5)得到的终成形旋压件(6)进行时效热处理,然后机械加工成贮箱半球壳体。
进一步地,预成形旋压芯模及终成形旋压芯模的圆柱体高度大于200mm,半球壳体的半球段连接柱面段,该柱面段的高度小于100mm。
进一步地,预成形旋压芯模(1)及终成形旋压芯模(5)半球体平顶端端面中心设有10~20mm的孔,铝合金圆板(2)厚度为8~20mm,圆板中心设有10~20mm的孔。
进一步地,铝合金圆板(2)固定在预成形旋压芯模(1)上的方式为:将铝合金圆板(2)用钢销(7)固定在预成形旋压芯模(1)半球体平顶端端面中心,用尾顶(3)将铝合金圆板(2)的中心及预成形旋压芯模(1)的半球体平顶端端面中心顶紧;预成形工件(4)固定在终成形旋压芯模(5)上的方式为:将预成形工件(4)固定在终成形旋压芯模(5)的半球体平顶端端面中心上,用尾顶(3)将预成形工件(4)的中心及终成形旋压芯模(5)的半球体平顶端端面中心顶紧;所述钢销的直径比预成形旋压芯模(1)及终成形旋压芯模(5)中心孔和圆板中心孔的孔径小0.10~0.20mm。
进一步地,加热旋压过程中旋轮工作圆角半径Rρ=12~20mm。
进一步地,步骤2)中预成形旋压的加热温度为280~350℃。
进一步地,终成形旋压芯模半球体的直径要比贮箱壳体零件直径小4~6mm。
进一步地,步骤2)中加热旋压时,加热旋压后的壁厚t1=t0sinα,其中t0为铝合金圆板(2)壁厚,α为预成形芯模(1)半锥角;加热旋压时的旋压间隙在壁厚t1的基础上负偏离10~20%设置,以应对旋压设备、预成形旋压芯模(1)与铝合金圆板(2)的弹性变形。
进一步地,步骤5)中室温下旋压时,旋压后的壁厚其中t1为预成形工件(4)壁厚,α1为预成形件工件(4)半锥角,α2为终成形旋压芯模(5)半锥角。
进一步地,室温下旋压时,终成形旋压芯模(5)半锥角α2在90~30°范围内时,旋压间隙在壁厚t2的基础上负偏离10~20%设置;终成形旋压芯模(5)半锥角α2在30~0°范围内时,旋压间隙在壁厚t2负偏离5~10%设置。
进一步地,室温下旋压时,旋轮工作圆角半径Rρ=9~16mm。
进一步地,室温下旋压时,旋压经过1~3道次强旋至毛坯完全贴模,总减薄率:5~10%,芯模转速:20~50r/min;强旋时旋轮进给比:f=1~2mm/r。
进一步地,将得到的终成形旋压件(6)进行时效热处理具体为:将得到的终成形旋压件(6)的开口端固定圆盘形时效工装上进行时效。
进一步地,预成形旋压芯模(1)为中空结构,一体成型;终成形旋压芯模(5)为中空结构,一体成型。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
(1)本发明工艺简单,只需要两套不同直径的模具,即可将铝合金平板直接整体旋压成形为贮箱半球壳体毛坯,通过设置合理的旋压间隙值,变形量约5%~10%,旋压后进行时效处理,最终状态可达到T87态,壳体的屈服强度和抗拉强度较原工艺方法的T62态能提高10~20%。旋压后的工件贴模良好,成形后的半球内型面与样板单边间隙小于0.2mm,壁厚尺寸易于控制,壁厚差小于0.1mm。成形后的半球壳体强度高,发挥了2219等可热处理强化铝合金的最佳性能状态,充分体现出可热处理强化铝合金比一般的不可热处理强化铝合金强度高的优势。
(2)本发明实现了贮箱半球壳体的整体成形的同时提高了力学性能,既避免了瓜瓣成形的纵向焊缝,又克服了现有工艺方法T62态力学性能不高的劣势。
(3)本发明可发挥出2219等可热处理强化铝合金的最佳性能状态,充分体现出可热处理强化铝合金比一般的不可热处理强化铝合金强度高的优势,壳体的屈服强度和抗拉强度较旋压成形的不可热处理强化铝合金贮箱壳体分别高出15%和10%以上,为贮箱壳体进一步减重提供有力支持。
(4)本发明采用两次旋压变形与热处理相结合,从而获得形变热处理的强化效果。两次旋压芯模结构都较为简单,并始终利用芯模和坯料的中心孔定位,有利于提高工件的尺寸精度。终成形旋压芯模半球体的直径比预成形旋压芯模半球体直径小2~4mm,可使预成形工件在淬火变形后既能较轻松地装入终成形旋压芯模,终成形旋压有一定的变形量,又能保证终成形旋压后有良好的贴模性,而且终成形旋压结束后有一定的加工余量。
(5)本发明工艺简单,易于实现,具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明的旋压过程中第一步骤的示意图;
图2为本发明第二步骤中旋压过程的示意图;
图3为本发明第二步骤旋压后获得预成形工件的结构示意图;
图4为本发明的旋压过程中第四步骤的示意图;
图5为本发明的旋压过程中第五步骤的示意图。
具体实施方式
一种提高力学性能的贮箱半球壳体成形方法,包括如下步骤:
步骤(一)、用氧-乙炔喷枪加热芯模,加热预成形旋压芯模1温度至100~200℃;参见图1,将下料车圆的铝合金圆板2用钢销固定在旋压芯模1的小端平面上,并用尾顶3顶紧。预成形旋压芯模1内部为空心,预成形旋压芯模1包括具有平顶的半球体及与半球体同轴连接的圆柱体,平顶的半球体为半球体去除顶部结构,具有平顶端和连接端,所述平顶端的端面与连接端的端面平行,两个端面的半径比为:0.3~0.5;半球体的直径比贮箱半球壳体内径小1~2mm;圆柱体的一端与所述连接端端面相接,二者端面半径相同;半球体的平顶端为预成形旋压芯模1的小端,圆柱体的另一端为预成形旋压芯模1的大端。
根据旋压正弦律公式和旋压设备、预成形旋压芯模1与被旋材料的弹性变形设置加热强旋部分旋压间隙,旋压正弦律公式为旋压后的厚度t1=t0sinα,其中t0为铝合金圆板2壁厚,α为预成形芯模1半锥角。强旋部分间隙统一按照负偏离10~20%设置。
步骤(二)、加热铝合金圆板2至280~350℃,开始按照设定程序进行旋压,参见图2和图3取半球体上半部分作为第二步骤说明,具体为:芯模1和铝合金圆板2一起转动,转速为20~50r/min,芯模1和板坯2上都涂抹MoS2润滑,旋轮按照设定曲线进行纵向进给,旋压道次经多次实验确定为热强旋+热普旋(一道次强旋至球面半锥角30°+多道次普旋成形),即第一道次是从尾顶3边缘处强旋,旋至球面半锥角30°时强旋结束,再经4~8道次普旋至板坯完全贴模,道次减薄率:30~45%,在机床能力允许的情况下,在开始强旋的道次中采用小的进给比,而在普旋的道次中采用大的进给比,既有利于快速收径,也可以避免过多材料向切向流动导致的材料过分减薄,强旋时旋轮进给比:f=1~2mm/r,普旋时旋轮进给比:f=2~4mm/r。旋压过程中应一直保持连续加热,保证工件温度在280~350℃。
步骤(三)、预成形工件4可在盐浴炉或空气炉中按照有关标准规范进行固溶淬火,工件4固定在一定的淬火工装上,利用工装可防止工件在淬火时变形过大。
步骤(四)、如果该铝合金有停放效应,可在规定时间内马上安排冷旋压终成形;如没有停放效应,可不受淬火和旋压终成形之间的时间限制。终成形芯模5直径要比最终贮箱壳体零件直径小4~6mm,比预成形旋压芯模1直径小2~4mm。芯模5也采用半球体加圆柱体的结构,芯模5内部为空心。终成形旋压芯模5包括具有平顶的半球体及与半球体同轴连接的圆柱体,半球体具有平顶端和连接端,所述平顶端的端面与连接端的端面平行,两个端面的半径比为:0.3~0.5;终成形旋压芯模5圆柱体的一端与所述连接端端面相接,二者端面半径相同;终成形旋压芯模5的半球体的平顶端为终成形旋压芯模5的小端,终成形旋压芯模5的圆柱体的另一端为终成形旋压芯模5的大端。
预成形工件4装载在终成形芯模5上,继续用中心孔定位,用钢销7连接。参见图4取半球体上半部分图示作为第四步骤示意图。
步骤(五)、芯模5和预成形工件4上都涂抹润滑油。根据二次剪旋正弦律公式和旋压设备、终成形旋压芯模1与被旋材料的弹性变形设置室温旋压间隙,二次剪旋正弦律公式为旋压后的厚度其中t1为预成形工件4壁厚,α1为预成形工件4半锥角,α2为终成形旋压芯模5半锥角。其中,半锥角α2在90~30°范围内间隙可按照负偏离(实际厚度小于理论厚度)10~20%设置,半锥角α2在30~0°范围内间隙按照负偏离5~10%设置。旋轮工作圆角半径Rρ=9~16mm,采用双旋轮同步旋压。经过1~3道次强旋至毛坯完全贴模。道次减薄率:5~10%。芯模转速:20~50r/min;强旋时旋轮进给比:f=1~2mm/r。参见图5取半球体上半部分图示作为第五步骤示意图。
步骤(六)、终成形旋压件6固定在一定的时效工装上,然后按照有关标准规范进行人工时效,利用时效工装可校圆终成形旋压件6口部。时效结束后,再按照要求将终成形旋压件6机械加工成薄壁贮箱半球壳体。
以下给出一个具体的实施例,本实施例中贮箱半球壳体为2219铝合金,半球内径为Ф341.5~Ф342.5mm,壁厚为以下为成形的具体过程:
步骤(一)、用氧-乙炔喷枪加热预成形旋压芯模1,加热旋压芯模1到100~200℃;
步骤(二)、将2219铝合金退火态的圆板2用钢销7固定在预成形旋压芯模1上,并用尾顶3顶紧;圆板2的厚度为12mm,旋压芯模1的型面为半球体+圆柱体,直径为Ф341.0mm,内部为空心且小端带有Ф150mm的平底,平底中心钻Ф16mm的中心孔。根据旋压正弦律公式和旋压设备、预成形旋压芯模1与被旋材料的弹性变形设置加热强旋部分旋压间隙,旋压正弦律公式为旋压后的厚度t1=t0sinα,其中t0为铝合金圆板2壁厚,α为预成形芯模1半锥角。强旋部分间隙统一按照负偏离10~20%设置。
步骤(三)、加热铝合金圆板2至300℃,开始按照设定程序进行旋压,转速为50r/min,芯模1和板坯2上都涂抹MoS2润滑,旋压第一道次是从尾顶边缘处强旋,旋至球面半锥角30°时强旋结束,再经6~8道次普旋至板坯完全贴模,道次减薄率:30%,强旋时旋轮进给比:f=1mm/r,普旋时旋轮进给比:f=4mm/r。
步骤(四)、预成形工件4安装在一定的淬火处理工装上,放入热处理炉中进行固溶处理,在535±5℃保温60min,处理完毕后,迅速将工装和工件吊出沉入淬火介质中,淬火转移时间不超过20s,淬火后介质温度不得超过40℃。
步骤(五)、终成形芯模5直径为Ф337.5mm,芯模5型面也采用半球体+圆柱体设计,内部为空心且小端带有Ф150mm的平底,平底中心钻Ф16mm的中心孔,预成形工件4装载在终成形芯模5上,继续用中心孔定位,用钢销7连接。芯模5和预成形工件4上都涂抹润滑油。根据二次剪旋正弦律公式和旋压设备、终成形旋压芯模1与被旋材料的弹性变形设置室温旋压间隙,二次剪旋正弦律公式为旋压后的厚度其中t1为预成形工件4壁厚,α1为预成形工件4半锥角,α2为终成形旋压芯模5半锥角。其中,半锥角α2在90~30°范围内间隙可按照负偏离10~20%设置,半锥角α2在30~0°范围内间隙按照负偏离5~10%设置。旋轮工作圆角半径Rρ=9~16mm,采用双旋轮同步旋压。在室温下,经过1~3道次强旋至毛坯完全贴模。总减薄率:5~10%。芯模转速:20~50r/min;强旋时旋轮进给比:f=1~2mm/r。
步骤(六)、终成形的工件6安装在时效工装上,放入热处理炉中进行时效处理,在165±5℃保温18h,空冷。时效结束后,再按照要求将工件机械加工成薄壁贮箱半球壳体。时效处理为进行终成形的工件6开口端圆度的校准,将得到的终成形旋压件固定圆盘形时效工装上校准大端圆形开口圆度。
本实施例中贮箱半球壳体抗拉强度在430~470MPa,屈服强度在310~360MPa,较原工艺方法的T62态提高10~20%。
本实施例中由于2219铝合金几乎没有自然时效效应,所以淬火和时效之间的旋压终成形时间对2219铝合金的力学性能几乎没有影响,因此可成批量生产。
本方法工艺简单,只需要两套不同直径的模具,旋压后的工件贴模良好,成形后的半球内型面与样板单边间隙小于0.2mm,壁厚尺寸易于控制,壁厚差小于0.1mm。成形后的半球壳体强度高,壳体的屈服强度和抗拉强度较原工艺方法的T62态能提高10~20%,发挥了2219等可热处理强化铝合金的最佳性能状态,充分体现出可热处理强化铝合金比一般的不可热处理强化铝合金强度高的优势,壳体的屈服强度和抗拉强度较旋压成形的不可热处理强化铝合金贮箱壳体分别高出15%和10%以上,可为贮箱壳体进一步减重提供有力支持。
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。

Claims (9)

1.一种提高力学性能的贮箱半球壳体成形方法,其特征在于:包括如下步骤:
1)加热预成形旋压芯模(1),将所述预成形旋压芯模(1)加热至温度100~200℃;将铝合金圆板(2)固定在预成形旋压芯模(1)上,铝合金圆板(2)中心与预成形旋压芯模(1)半球体的平顶端端面中心对齐;
所述预成形旋压芯模(1)包括具有平顶的半球体及与半球体同轴连接的圆柱体,半球体具有平顶端和连接端,所述平顶端的端面与连接端的端面平行,两个端面的半径比为:0.3~0.5;半球体的直径比贮箱半球壳体内径小1~2mm;圆柱体的一端与所述连接端端面相接,二者端面半径相同;
2)加热旋压铝合金圆板(2)至与预成形旋压芯模(1)的外形匹配,得到预成形工件(4);
3)将预成形工件(4)进行淬火处理;
4)将步骤3)得到的预成形工件(4)固定在终成形旋压芯模(5)上,预成形工件(4)中心与终成形旋压芯模(5)半球体的小端端面中心对齐;
终成形旋压芯模(5)包括具有平顶的半球体及与半球体同轴连接的圆柱体,半球体具有平顶端和连接端,所述平顶端的端面与连接端的端面平行;终成形旋压芯模(5)平顶端的端面的半径与预成形旋压芯模(1)平顶端的端面的半径相同;终成形旋压芯模(5)半球体的直径比预成形旋压芯模(1)半球体直径小2~4mm;终成形旋压芯模(5)圆柱体的一端与所述连接端端面相接,二者端面半径相同;
5)在室温下旋压预成形工件(4)至与终成形旋压芯模(5)匹配,获得终成形旋压件(6);
6)将步骤5)得到的终成形旋压件(6)进行时效热处理,然后机械加工成贮箱半球壳体;
步骤2)中加热旋压时,加热旋压后的壁厚t1=t0sinα,其中t0为铝合金圆板(2)壁厚,α为预成形芯模(1)半锥角;加热旋压时的旋压间隙在壁厚t1的基础上负偏离20%设置,以应对旋压设备、预成形旋压芯模(1)与铝合金圆板(2)的弹性变形;
预成形旋压芯模(1)及终成形旋压芯模(5)半球体平顶端端面中心设有10~20mm的孔,铝合金圆板(2)厚度为8~20mm,圆板中心设有10~20mm的孔;
铝合金圆板(2)固定在预成形旋压芯模(1)上的方式为:将铝合金圆板(2)用钢销(7)固定在预成形旋压芯模(1)半球体平顶端端面中心,用尾顶(3)将铝合金圆板(2)的中心及预成形旋压芯模(1)的半球体平顶端端面中心顶紧;预成形工件(4)固定在终成形旋压芯模(5)上的方式为:将预成形工件(4)固定在终成形旋压芯模(5)的半球体平顶端端面中心上,用尾顶(3)将预成形工件(4)的中心及终成形旋压芯模(5)的半球体平顶端端面中心顶紧;所述钢销的直径比预成形旋压芯模(1)及终成形旋压芯模(5)中心孔和圆板中心孔的孔径小0.10~0.20mm;
步骤5)中室温下旋压时,旋压后的壁厚其中t1为预成形工件(4)壁厚,α1为预成形工件(4)半锥角,α2为终成形旋压芯模(5)半锥角;
室温下旋压时,终成形旋压芯模(5)半锥角α2在90~30°范围内时,旋压间隙在壁厚t2的基础上负偏离10~20%设置;终成形旋压芯模(5)半锥角α2在30~0°范围内时,旋压间隙在壁厚t2负偏离5~10%设置。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:预成形旋压芯模(1)及终成形旋压芯模(5)的圆柱体高度大于200mm,半球壳体的半球段连接柱面段,该柱面段的高度小于100mm。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤2)中加热旋压过程中旋轮工作圆角半径Rρ=12~20mm。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤2)中加热旋压的加热温度为280~350℃。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:终成形旋压芯模(5)半球体的直径要比贮箱壳体零件直径小4~6mm。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:室温下旋压时,旋轮工作圆角半径Rρ=9~16mm。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:室温下旋压时,旋压经过1~3道次强旋至毛坯完全贴模,总减薄率:5~10%,芯模转速:20~50r/min;强旋时旋轮进给比:f=1~2mm/r。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:将得到的终成形旋压件(6)进行时效热处理具体为:将得到的终成形旋压件(6)的开口端固定圆盘形时效工装上进行时效。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:预成形旋压芯模(1)为中空结构,一体成型;终成形旋压芯模(5)为中空结构,一体成型。
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