CN105171356B - 一种高精度大直径超长超薄壳体的加工方法 - Google Patents

一种高精度大直径超长超薄壳体的加工方法 Download PDF

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    • B23P15/00Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass

Abstract

本发明涉及一种高精度大直径超长超薄壳体的加工方法,包括(1)将棒材通过反挤压的方式加工成厚壁壳体;(2)通过机加工获得尺寸符合设计要求的旋压坯料;(3)通过多旋程多道次强力旋压获得大直径超长超薄的铝合金/铝基复合材料壳体直线段部分;(4)对步骤(3)的壳体直线段部分进行退火或固溶处理;(5)酸洗;(6)对壳体端部圆弧部分进行高精度机加工;(7)对壳体整体内外表面抛光,获得高尺寸精度、性能优异的大直径超长超薄铝合金/铝基复合材料壳体。采用本发明方法加工的大直径超长超薄铝合金/铝基复合材料壳体尺寸精度非常高、组织均匀细小、综合性能优异,材料利用率高、工装简单、成形省力。

Description

一种高精度大直径超长超薄壳体的加工方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属加工技术领域,特别涉及一种高精度大直径超长超薄壳体的加工 方法。
背景技术
[0002] 高精度大直径超长超薄铝合金壳体在汽车轻量化领域有着广泛的应用前景。高精 度大直径超长超薄铝合金壳体由于零件结构复杂,尺寸较大、长度较长、壁薄,在变形控制、 壁厚优化、加工精度等方面难度较大。薄壁件与厚壁件的最大区别在于变形的失稳问题,不 能将制备厚壁件的工艺参数套用于薄壁件。采用挤压一拉伸方法制备大直径铝合金薄壁壳 体,因受挤压、拉伸等设备的限制往往比较困难,特别是外径在φ120_ι以上的薄壁壳体。 而只采用挤压法成形的管材,无论尺寸精度还是表面质量都无法满足应用要求。众所周知, 旋压成形方法可以制备大直径超长超薄零件;根据产品特性,采用挤压-旋压方法不仅可以 保证高尺寸精度,还能获得具有超长、超薄特性的铝合金壳体。
发明内容
[0003] 为克服现有技术的不足,本发明提供了以下技术方案:
[0004] —种高精度大直径超长超薄壳体的加工方法,包括如下步骤:
[0005] (1)采用反挤压工艺将铝合金/铝基复合材料棒材挤压成厚壁铝合金/铝基复合材 料壳体;
[0006] (2)采用机加工的方式对壳体的内外表面进行粗车和精车,得到尺寸满足旋压要 求的旋压坯料;
[0007] (3)对步骤(2)所得旋压坯料,采用多旋程多道次强力旋压,获得大直径超长超薄 铝合金/铝基复合材料壳体的直线段部分;
[0008] ⑷对步骤(3)壳体的直线段部分进行成品热处理,处理方式为先进行真空退火或 固溶处理,随后进行时效处理;
[0009] (5)进行酸洗;
[0010] ⑶对酸洗后的壳体的端部圆弧部分进行机加工;
[0011] (7)将铝合金/铝基复合材料壳体整体内外表面抛光,获得高尺寸精度、性能优异 的高精度大直径超长超薄壳体。
[0012] 进一步地,步骤(4)中,退火温度为220 °C〜450 °C,保温1〜3h;固溶处理温度为460 。(:〜540 °C,保温20min〜120min;时效温度为115 °C〜180 °C,保温3〜16h。
[0013] 进一步地,所述铝合金/铝基复合材料棒材包括锻棒、挤压棒、拉拔棒,直径为Φ 200〜1200m。
[0014] 进一步地,步骤(1)中所述反挤压的挤压温度为400〜500°C,挤压比为1〜15,挤压 速度为 〇 · 01mm/s 〜8mm/s〇
[0015] 进一步地,步骤⑴中所述厚壁铝合金/铝基复合材料壳体的壁厚为20〜150mm,直 线段长为200〜1000mm。
[0016] 进一步地,步骤⑵中所述旋压坯料的壁厚为7〜90mm,外径为200〜1250mm。
[0017] 进一步地,所述多旋程多道次强力旋压包括热旋和冷旋。
[0018] 进一步地,所述多旋程多道次强力旋压的道次减薄率为15%〜50%,旋程间最大 减薄率为30%〜80%,进给比为0.2mm/n〜3mm/n。
[0019] 进一步地,多旋程多道次强力旋压为热旋时,热旋温度为300〜600°C。
[0020] 进一步地,所述高精度大直径超长超薄壳体的外径为200〜1250mm,壁厚为0.5〜 30mm,长度为IOOOmm 〜3500mm。
[0021] 加工本发明所述的高精度大直径超长超薄铝合金/铝基复合材料壳体时,存在的 技术难点及采取的相应的技术手段为:
[0022] 1.旋压坯料的可挤压性问题:铝合金挤压成形温度窗口过窄,挤压速度受限,低于 加工温度范围的低端(约为425°C)没有足够的可成形性,可能会发生开裂;高于加工温度范 围的高端(约为550°C),由于热脆性会出现显微组织的破坏。
[0023] 为了解决这一难题,对带底厚壁壳体发挤压过程进行数值模拟,并结合反挤压试 验,研究挤压比、挤压温度等工艺参数对其反挤压成形性的影响,最终优化了管材反挤压工 艺参数。
[0024] 2.旋压精确成形问题:薄壁壳体减薄旋压成形与厚壁件相比,存在的主要问题是 旋压局部加载材料流变与整体约束的矛盾,即高稳定性问题。大直径薄壁壳体壁厚较薄,直 径较大,筒形件直径与其比值很大,即径厚比大,这就造成了工件刚度小、柔性大,金属在旋 压加工中能够提供的约束小,金属向径向、轴向和轴向流动的趋势明显。而当材料未变形区 流动量大于已变形区流动量时,一部分材料轴向流动受限,向径向在旋轮前端堆积,加之超 薄壁件的局部刚度不够,造成了局部失稳,严重时甚至会造成工件破裂。
[0025] 造成旋压工件不稳定的原因主要还有以下两点:
[0026] 1)薄壁壳体在反旋成形中对工件与芯模的间隙非常敏感,由于薄壁壳体在反旋成 形时变形区材料流动相对较少,如果间隙太大,则部分材料向筒形件工件内侧流动,用来填 充间隙,使内径缩径和实际压下量增大,易出现螺旋状鼓形,造成薄壁结构的失稳,如果间 隙太小,则不利于材料的轴向流动。
[0027] 2)薄壁壳体成形时会产生很大的残余应力,如果参数设置不合理,则材料流动不 均、变形不协调极易发生残余应力不均匀的情况,超薄壁件由于结构上的高柔性,再加上薄 壁件为高柔性工件,对残余应力非常敏感,使工件局部尺寸和形状会发生改变,精度丧失。
[0028] 因此,对于大直径薄壁壳体,由于其结构的高柔性,在旋压过程中如果参数设置不 当,极易发生失稳和开裂现象,也说明大直径薄壁壳体的成形条件要求更高,尺寸精度控制 更加困难。
[0029] 为了解决这一难点,对大直径薄壁壳体变薄旋压过程进行有限元模拟,分析旋压 过程中旋轮与工件接触区域的应力应变的分布特点、材料流动特点以及旋压过程中出现的 各种现象和缺陷等,探讨了旋轮进给比、减薄率、工模间隙率等相关参数对材料流动稳定性 的影响机理,确定了最有利于大直径薄壁壳体稳定旋压的参数组合,提出了薄壁壳体旋压 变形失稳调控策略,并结合旋压变形失稳调控策略以及有限元模拟得到的数据进行大径厚 比薄壁错合金壳体的旋压试验,结合变形力学与材料流变理论,揭示了工艺参数、状态参 数、结构参数等对旋压过程中材料流变行为的影响规律,探讨了旋压过程缺陷的形成机理, 结合试验,检验模拟和理论分析的正确性,最终优化了各项参数(减薄率、进给比等)。
[0030] 本发明的有益效果为:
[0031] 本发明的加工方法制备工艺流程短、材料利用率高、成本低、工装结构简单、成形 省力、应用范围广;采用本发明方法得到的高精度大直径超长超薄铝合金壳体,组织均匀且 细小、尺寸精度高、综合性能优异、材料利用率高、工装简单、成形省力。本发明的适用性非 常强,几乎可用于所有大直径超长超薄铝合金壳体的加工,亦可用于塑性较低的大直径超 长超薄铝基复合材料壳体的加工成形。本发明为高性能、高质量、大直径薄壁筒体加工提供 了新途径,加工的壳体可用于轻量化汽车领域及航空、航天等高科技领域和普通民用的各 行各业,应用前景十分广泛,具有一定的经济效益和社会效益。
附图说明
[0032] 图1为本发明加工方法制备的高精度大直径超长超薄铝合金壳体图。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的解释说明。
[0034] 实施例1
[0035] 将直径为400mm的6061铝合金棒材经反挤压成形,挤压温度460 °C,挤压速度5mm/ s,挤压比2〜5,获得壁厚25mm,直线段长200mm的厚壁铝合金壳体。经机加工,获得壳体外径 300mm,壁厚20mm的旋压坯料。
[0036] 采用多旋程多道次强力正向旋压完成后续加工,每次旋程总减薄率80%,第一道 次减薄率30 %,进给比1.3,第二道次减薄率25%,进给比2,第三道次减薄率25 %〜30 %,进 给比1。
[0037] 旋压后卸料,进行中间退火,退火温度为420 °C,保温2.5h。对中间退火后的壳体进 行酸洗,随后对壳体端部圆弧部分进行高精度机加工。成品管材固溶处理温度为540°C,保 温50min,175°C人工时效12h。经精整抛光后的管材外径400mm,壁厚1.5mm,长度2500mm。
[0038] 实施例2
[0039] 将直径为300mm的SiC/Al基复合材料棒材经反挤压成形,挤压温度480 °C,挤压速 度0 . lmm/s,挤压比3.5,获得壁厚20mm,直线段长200mm的厚壁铝基复合材料壳体。经机加 工,获得壳体外径300mm,壁厚15mm的旋压坯料。
[0040] 采用多道次强力正向加热旋压完成后续加工,旋压温度250〜430°C,总减薄率 60%,第一道次减薄率25〜30%,进给比0.8,第二道次减薄率20〜25%,进给比1.6,第三道 次减薄率20%〜30%,进给比1.6,第四道次减薄率20〜30%,进给比0.8。
[0041] 旋压后卸料,成品管材加热530°C进行固溶处理,保温60min,随后160°C人工时效 9h。对成品热处理后的管材进行酸洗,随后对铝合金壳体端部圆弧部分进行高精度机加工。 经精整抛光后的管材外径300mm,壁厚1.5mm,长度2000mm。
[0042] 实施例3
[0043] 将直径为IOOOmm的纯铝棒材经反挤压成形,挤压温度420°C,挤压速度8mm/s,挤压 比10,获得壁厚120mm,直线段长IOOOmm的厚壁铝合金壳体。经机加工,获得壳体外径990mm, 壁厚90mm的旋压坯料。
[0044] 采用多旋程多道次强力正向旋压完成后续加工,每次旋程总减薄率75%,第一道 次减薄率30〜40 %,进给比1.3,第二道次减薄率25〜30 %,进给比2.2,第三道次减薄率 25%〜30%,进给比1.5。
[0045] 旋压后卸料,成品管材固溶处理温度为490°C,保温60min,150 °C人工时效13h。对 成品热处理后的管材进行酸洗,随后对铝壳体端部圆弧部分进行高精度机加工。经精整抛 光后的管材外径990mm,壁厚25mm,长度3000mm。
[0046] 实施例4
[0047] 将直径为500mm的5B02铝合金棒材经反挤压成形,挤压温度475 °C,挤压速度6mm/ s,挤压比8,获得壁厚50mm,直线段长300mm的厚壁铝合金壳体。经机加工,获得壳体外径 400mm,壁厚40mm的旋压还料。
[0048] 采用多旋程多道次强力正向旋压完成后续加工,每次旋程总减薄率80%,第一道 次减薄率25〜30 %,进给比1,第二道次减薄率30〜35%,进给比2,第三道次减薄率25%〜 30%,进给比1.5,第四道次减薄率20 %〜25%,进给比0.8。
[0049] 旋压后卸料,成品管材退火温度415 °C,保温Ih,130 °C人工时效16h。对成品热处理 后的管材进行酸洗,随后对铝合金壳体端部圆弧部分进行高精度机加工。经精整抛光后的 管材外径400mm,壁厚11mm,长度I .SOOmm。

Claims (8)

1. 一种高精度大直径超长超薄壳体的加工方法,其特征在于,包括如下步骤: (1)采用反挤压工艺将铝合金/铝基复合材料棒材挤压成厚壁铝合金/铝基复合材料壳 体; ⑵采用机加工的方式对壳体的内外表面进行粗车和精车,得到旋压坯料; (3)对步骤(2)所得旋压坯料,采用多旋程多道次强力旋压,获得大直径超长超薄铝合 金/铝基复合材料壳体的直线段部分; ⑷对步骤(3)壳体的直线段部分进行成品热处理,处理方式为先进行真空退火或固溶 处理,随后进行时效处理; ⑸进行酸洗; ⑹对酸洗后的壳体的端部圆弧部分进行机加工; (7)将铝合金/铝基复合材料壳体整体内外表面抛光,获得高精度大直径超长超薄壳 体; 步骤⑴所述反挤压的挤压温度为400〜500 °C,挤压比为1〜15,挤压速度为O. Olmm/s 〜8mm/s; 所述多旋程多道次强力旋压的道次减薄率为15%〜50%,旋程间最大减薄率为30%〜 80%,进给比为0.2mm/n〜3mm/n〇
2. 根据权利要求1所述的加工方法,其特征在于,步骤(4)中,退火温度为220°C〜450 °C,保温1〜3h;固溶处理温度为460 °C〜540 °C,保温20min〜120min;时效温度为115 °C〜 180°C,保温 3 〜16h。
3. 根据权利要求1所述的加工方法,其特征在于,所述铝合金/铝基复合材料棒材包括 锻棒、挤压棒、拉拔棒,直径为Φ 200〜1200m。
4. 根据权利要求1所述的加工方法,其特征在于,步骤(1)中所述厚壁铝合金/铝基复合 材料壳体的壁厚为20〜150mm,直线段长为200〜1000mm。
5. 根据权利要求1所述的加工方法,其特征在于,步骤(2)中所述旋压坯料的壁厚为7〜 90mm,外径为200 〜1250mm。
6. 根据权利要求1所述的加工方法,其特征在于,所述多旋程多道次强力旋压包括热旋 和冷旋。
7. 根据权利要求6所述的加工方法,其特征在于,多旋程多道次强力旋压为热旋时,热 旋温度为300〜600 °C。
8. 根据权利要求1所述的加工方法,其特征在于,所述高精度大直径超长超薄壳体的外 径为200〜1250mm,壁厚为0.5〜30mm,长度为IOOOmm〜3500mm。
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