CN105344790B - 铝合金薄壁球形封头整体成形方法 - Google Patents

铝合金薄壁球形封头整体成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铝合金薄壁球形封头整体成形方法，包括：步骤一，计算并选取板材；步骤二，设计预成形坯料；步骤三，设计制作预成形模具并进行冷拉伸预成形；步骤四，设计制作超塑成形模具并进行超塑成形；步骤五，切除余量后进行表面处理。本发明的优点：采用冷拉伸预成形+超塑成形组合工艺成形铝合金薄壁球形封头，解决了此类零件在常规的冲压、机械加工中尺寸精度和型面精度难以控制的问题，改善了零件的表面质量，避免了分体制造后焊接变形控制难题；先采用冷拉伸预成形，可以有效控制壁厚局部减薄，起到明显减重效果；后采用超塑成形，可以有效避免回弹、起皱和开裂等缺陷的产生，保证了零件尺寸精度、型面精度以及表面质量要求。

Description

铝合金薄壁球形封头整体成形方法
技术领域
本发明属于精密钣金加工领域，涉及一种铝合金薄壁球形封头整体成形方法，它适用于成形尺寸精度、型面精度以及表面质量要求较高的铝合金薄壁球形封头。
背景技术
铝合金因具有优异的使用性能，在航空航天、轨道交通、武器装备等领域应用十分广泛。在航空航天领域，铝合金薄壁球形封头类零部件产品的整体化、轻量化程度越来越高，制造精度要求也越来越高。在板料成形领域，铝合金球形封头常用制造方法主要有分瓣成形和整体成形两种。分瓣成形是用冷冲压方法制备出多个球瓣，而后进行拼焊，最后进行校形。分瓣成形不但拼焊过程繁琐、变形难以控制，而且焊后校形较难，尺寸精度难以达到要求，表面质量差，成形周期长。整体成形主要有爆炸成形和旋压成形，此两种成形方法成品率不高，易出现开裂等缺陷，成形后表面质量粗糙，后续需要大量机械加工，加工成本高，制备周期长。
发明内容
本发明的技术方案是提供一种铝合金薄壁球形封头整体成形方法，它能克服现有技术加工的零件整体性差、外形精度控制困难或成本较高的缺点，能有效地保证铝合金薄壁球形封头的精密成形。成形出的铝合金薄壁球形零件质量稳定，整体性好，减重效果明显，尺寸精度、型面精度以及表面质量较高，并且成形周期较短，加工成本较低。
本发明的铝合金薄壁球形封头整体成形方法，其特征在于：包括：步骤一，计算并选取板材：根据零件尺寸，计算出零件球面外表面面积和圆端截面积，通过等体积法计算出所需板材厚度，选取厚度相近的标准规格板材，并增加一定工艺余量；步骤二，设计预成形坯料：按照预成形坯料外表面积小于最终零件外表面积方式设计预成形坯料尺寸，并留有工艺余量；步骤三，设计制作预成形模具并进行冷拉伸预成形：预成形模具根据预成形坯料尺寸进行设计，拉伸深度具有一定调节空间，将步骤一选取板材放入制成的预成形模具中进行冷拉伸，冷拉伸时注意润滑以及表面保护，避免拉裂缺陷，法兰部位可允许轻微起皱；步骤四，设计制作超塑成形模具并进行超塑成形：设计制作超塑成形模具时，要按照零件尺寸进行适当放大而制作，将步骤三制成预成形坯料放入制成的超塑成形模具内后进行加温，对预成形坯料进行加热，到达超塑成形温度后，将其夹合于超塑成形模具的上模和下模之间，形成密闭腔，通过塑成形模具上的通气孔连通密闭腔与外界的气源，按照设定的时间压力加载曲线向超塑成形模具通氩气加压成形；步骤五，切除余量后进行表面处理：采用数控车或者数控铣方式去除余量，而后采用碱洗、酸洗进行表面清洁。
优选步骤一所述的所需板材厚度＝零件球面外表面面积×零件厚度/圆端截面积，增加工艺余量为单边大于100mm。
优选所述预成形模具包括预成形上模和预成形下模，所述预成形上模是带有直径与所述零件的远端截面的直径相同的通孔的板型模具，所述预成形下模具有与所述预成形上模通孔配合的带圆头的圆柱台，所述圆柱台与所述预成形坯料的形状相同，其高度比带有加工余量的所述预成形坯料大出0～30mm。
优选所述超塑成形模具包括带有零件形状和大小凹腔的下模和作为盖板的上模。
优选所述超塑成形模具的上模为带有通气孔的平板状盖板，所述步骤四的氩气直接从所述上模的通气孔送进所述密闭腔进行加压成形。
优选所述超塑成形模具的上模为带有预成形坯料形状和大小的凸头的盖板，在所述凸头的根部，具有一圈预减薄槽，在所述上模具有开口位于所述预减薄槽处的通气孔，所述下模也具有通气孔，所述步骤四的氩气首先从下模的通气孔输入密闭腔，在15min之内将气体压力加载至1.2MPa后，再从所述上模的通气孔输入氩气，在20min之内将气体压力加载至1MPa。
优选当将步骤三制成的所述预成形坯料放入配置在所述上模和下模之间时，所述预成形坯料外表面与所述凹腔之间的最小间隙在5mm以上。
优选步骤四所述的超塑模具尺寸适当放大量为4‰～6‰，超塑成形温度为480～520℃。
本发明的有益效果：
1)所成形的铝合金薄壁球形封头，整体性好，零件尺寸精度、型面精度以及表面质量较高；
2)采用冷拉伸预成形，可以有效控制壁厚局部减薄，起到明显减重效果；
3)采用超塑成形可以实现零件的近净成形，能有效减少后续加工量，提高效率，降低成本；另外，可有效避免回弹、起皱和开裂等缺陷的产生，避免了分瓣拼焊后的校形问题。
附图说明
图1(1)、(2)为铝合金薄壁球形封头尺寸图；
图2为板材进行预成形前示意图；
图3为板材进行预成形后示意图；
图4为预成形坯料进行超塑成形示意图；
图5为预成形坯料超塑成形改进措施示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的最佳实施例作进一步详细说明。
以某铝合金薄壁球形封头为例，其形状尺寸见图1，零件材料为5A06铝合金，圆端截面直径约为643.6mm，球面外壁半径为337mm，球冠高度237mm，即球形封头是在离半径为337mm的球的球心100mm处截取的球形形状，本实施例的球壁厚为1mm，要求壁厚不小于1mm。
具体实施方式按如下工艺步骤进行：
第一步计算并选取板材：板材厚度＝零件球面外表面面积×零件厚度/圆端截面积，根据零件尺寸，计算出零件球面外表面面积＝2πRH＝2π×337×237＝501831mm2，球冠圆端截面积＝π2＝π×321.82＝325163mm2。通过等体积法计算出所需板材厚度＝501831×1/325163＝1.54mm，选取厚度相近的标准规格板材δ＝1.5mm，并增加150mm的单边工艺余量。
第二步设计预成形坯料：设计的预成形坯料外表面积小于最终零件外表面积，按照当将预成形坯料放入如图4所示的超塑成形下模5中时，预成形坯料外表面与用于成型零件球面外表面的超塑成形下模5的最小间隙为5mm的程度进行计算。
第三步制作预成形模具并进行冷拉伸预成形：预成形模具根据预成形坯料进行制作，如图2和3所示，预成形模具包括预成形上模4和预成形下模1，预成形上模4是带有直径与所述零件的远端截面的直径相同的通孔的板型模，预成形下模1具有与预成形上模1通孔配合的带圆头的圆柱台，圆柱台与预成形坯料6的形状相同，其高度比带有加工余量的预成形坯料6大出10mm的可调空间，该可调空间可以选择0～30mm，以方便调整预成形坯料尺寸。将板材3置于压边2和预成形上模4之间，压边2和预成形上模4向下移动使板材3贴合预成形下模1，得到预成形坯料6。冷拉伸时表面涂覆润滑油，增加的150mm单边工艺余量部位可允许1.5mm以下高度的轻微起皱，避免拉裂缺陷。工艺余量可以选择大于100mm。
第四步设计制作超塑成形模具并进行超塑成形：设计超塑成形模具时，要按照零件尺寸进行放大4‰～6‰，如图4所示。超塑成形模具的上模7为带有通气孔的平板状盖板，上模7上具有通气孔8，下模5带有零件形状大小均相同的凹腔。对预成形坯料6进行加热，到达超塑成形温度480～520℃后，将预成形坯料6置于上模7和下模5之间，压紧合模，通过上通气孔8按照设定的时间压力加载曲线通氩气加压成形，在20min之内将气体压力加载至1MPa。
第五步切除余量后进行表面处理：采用数控车方式去除余量，而后采用碱洗、酸洗进行表面清洁。采用此方法制备的铝合金薄壁球形封头尺寸精度为±0.3mm，型面精度±0.5mm，表面粗糙度Ra3.2，壁厚可控制在
改进措施：对具体实施方式进行优化，使壁厚分布更加均匀，对第四步进行改进，其它步骤相同。第四步设计上模7时，根据预成形坯料6随型设计，如图5所示，上模7为带有预成形坯料形状和大小的凸头的盖板，在所述凸头的根部，具有一圈预减薄槽9，在上模7具有开口位于预减薄槽9处的通气孔8，下模5也具有通气孔10，预成形坯料6外表面与下模5凹腔之间的最小间隙在5mm以上。对预成形坯料6加温到达480～520℃后，将预成形坯料6置于上模7和下模5之间，压紧合模。先通过下模通气孔10按照设定的时间压力加载曲线通氩气加压成形，在15min之内将气体压力加载至1.2MPa，进行法兰附近部位预减薄。再通过上模通气孔8按照设定的时间压力加载曲线通氩气加压成形，在20min之内将气体压力加载至1MPa。通过此改进措施可将壁厚控制在另外，若壁厚分布要求较高，还可定制稍薄非标板材，以使整体壁厚降低。

Claims (8)

1.一种铝合金薄壁球形封头整体成形方法，其特征在于：包括：
步骤一，计算并选取板材：根据零件尺寸，计算出零件球面外表面面积和圆端截面积，通过等体积法计算出所需板材厚度，选取厚度相近的标准规格板材，并增加一定工艺余量；
步骤二，设计预成形坯料：按照预成形坯料外表面积小于最终零件外表面积方式设计预成形坯料尺寸，并留有工艺余量；
步骤三，设计制作预成形模具并进行冷拉伸预成形：预成形模具根据预成形坯料尺寸进行设计，拉伸深度具有一定调节空间，将步骤一选取板材放入制成的预成形模具中进行冷拉伸，冷拉伸时注意润滑以及表面保护，避免拉裂缺陷，法兰部位可允许轻微起皱；
步骤四，设计制作超塑成形模具并进行超塑成形：设计制作超塑成形模具时，要按照零件尺寸进行适当放大而制作，将步骤三制成预成形坯料放入制成的超塑成形模具内后进行加温，对预成形坯料进行加热，到达超塑成形温度后，将其夹合于超塑成形模具的上模和下模之间，形成密闭腔，通过塑成形模具上的通气孔连通密闭腔与外界的气源，按照设定的时间压力加载曲线向超塑成形模具通氩气加压成形；
步骤五，切除余量后进行表面处理：采用数控车或者数控铣方式去除余量，而后采用碱洗、酸洗进行表面清洁。
2.根据权利要求1所述的铝合金薄壁球形封头整体成形方法，其特征在于：步骤一所需板材厚度＝零件球面外表面面积×零件厚度/圆端截面积，增加工艺余量为单边大于100mm。
3.根据权利要求1所述的铝合金薄壁球形封头整体成形方法，其特征在于：所述预成形模具包括预成形上模和预成形下模，所述预成形上模是带有直径与所述零件的远端截面的直径相同的通孔的板型模具，所述预成形下模具有与所述预成形上模通孔配合的带圆头的圆柱台，所述圆柱台与所述预成形坯料的形状相同，其高度比带有加工余量的所述预成形坯料大出0～30mm。
4.根据权利要求1所述的铝合金薄壁球形封头整体成形方法，其特征在于：所述超塑成形模具包括带有零件形状和大小凹腔的下模和作为盖板的上模。
5.根据权利要求4所述的铝合金薄壁球形封头整体成形方法，其特征在于：所述超塑成形模具的上模为带有通气孔的平板状盖板，所述步骤四的氩气直接从所述上模的通气孔送进所述密闭腔进行加压成形。
6.根据权利要求4所述的铝合金薄壁球形封头整体成形方法，其特征在于：所述超塑成形模具的上模为带有预成形坯料形状和大小的凸头的盖板，在所述凸头的根部，具有一圈预减薄槽，在所述上模具有开口位于所述预减薄槽处的通气孔，所述下模也具有通气孔，所述步骤四的氩气首先从下模的通气孔输入密闭腔，在15min之内将气体压力加载至1.2MPa后，再从所述上模的通气孔输入氩气，在20min之内将气体压力加载至1MPa。
7.根据权利要求4所述的铝合金薄壁球形封头整体成形方法，其特征在于：当将步骤三制成的所述预成形坯料放入配置在所述上模和下模之间时，所述预成形坯料外表面与所述凹腔之间的最小间隙在5mm以上。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的铝合金薄壁球形封头整体成形方法，其特征在于：步骤四所述的超塑模具尺寸适当放大量为4‰～6‰，超塑成形温度为480～520℃。
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