CN105382400A - 一种具有高筋、薄腹板复合结构的轻合金零件整体制造方法 - Google Patents

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潘蕾
陶杰
马福业
王刘安
郭群
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Abstract

本发明公开了一种具有高筋、薄腹板复合结构的轻合金零件整体制造方法，通过下列综合制备步骤加以实现：(a)首先采用模具或隔板将高筋固定；(b)将模具或隔板表面涂覆阻焊剂；(c)使腹板与高筋上表面保持间隙值，间隙值范围为0.5t至1t，t为腹板厚度；(d)在腹板上布满乳化炸药，采用电雷管引爆后将腹板与高筋实现高强度链接，结合强度不低于高筋与腹板强度的最小值；(e)以带有高筋的复合材料为坯，基于高筋与薄腹板之间的高结合强度导致的变形协同特性，对其实施塑性变形；(f)最终制造出具有复杂结构的高筋薄腹板的轻合金零件。

Description

一种具有高筋、薄腹板复合结构的轻合金零件整体制造方法
技术领域
本发明属于轻合金构件先进制造技术领域，特别涉及带有高筋、薄腹板复合结构的零件制坯及后续塑性成形方法。
背景技术
目前，具有高筋、薄腹板结构的轻合金结构件在航空、航天工程领域占有较大的比例，对于提高航空、航天器的整体结构性能及有效减重具有极其重要的实际意义。
但是，现有的技术对于制造具有高筋、薄腹板复合结构的轻合金零件主要存在以下问题：
(1)材料利用率极低。对于具有高筋、薄腹板结构的构件，现有技术多通过常规锻造工艺制坯，而后通过机械加工获得最终产品形状和尺寸。在锻造制坯的过程中，锻件设计要增加成倍重量的材料，以降低锻件的复杂程度，从而降低成形难度，但设计时增加的材料在后续的机械加工中必须去除，最终造成了材料利用率极低而制造成本太高的问题。
(2)现有技术制备的高筋、薄腹板结构零件尺寸小，难以满足日益发展的大型航空器、航天器的实际需求。尽管现有的等温锻精密成形技术、超塑性成形技术、搅拌摩擦焊+塑性成形制造技术及3D打印技术可以实现具有复杂结构零件的先进制造，并且组织和性能有所保证。但由于成形装备的限制，目前对于大尺寸及超大尺寸的带高筋复杂构件制造尚无能为力。
发明内容
现有的制造技术普遍难以兼顾材料利用率以及大尺寸零件制造的问题，本发明针对现有技术的弊端，提出了新的综合制造方法。针对航空、航天工程领域所需的具有高筋、薄腹板结构的轻合金零件，采用新的综合制造方法能够制造高质量的复合坯，采用机械加工及后续塑性成形方法制造大尺寸高筋薄腹板结构件，有效地解决了实际应用中的难题。
本发明的技术方案如下：
具有高筋、薄腹板结构的轻合金零件的综合制造步骤为：首先采用爆炸复合的方法将轻合金高筋与轻合金腹板进行连接，获得具有冶金结合的界面；其次采用大型机加工设备对爆炸复合坯表面实现0-2mm小切削量的加工，获得精密尺寸预成形坯；最后根据实际产品的性能要求，采用冷成形或热成形的方法对预成形坯实施大塑性变形，最终获得具有复杂形状的、且具有高筋、薄腹板结构的复杂轻合金零件。
一种具有高筋、薄腹板复合结构的轻合金零件整体制造方法，通过下列综合制备步骤加以实现：
(a)首先采用模具或隔板将高筋固定；
(b)将模具或隔板表面涂覆阻焊剂；
(c)使腹板与高筋上表面保持间隙值，间隙值范围为0.5t至1t，t为腹板厚度；
(d)在腹板上布满乳化炸药，采用电雷管引爆后将腹板与高筋实现高强度链接，结合强度不低于高筋与腹板强度的最小值；
(e)以带有高筋的复合材料为坯，基于高筋与薄腹板之间的高结合强度导致的变形协同特性，对其实施塑性变形；
(f)最终制造出具有复杂结构的高筋薄腹板的轻合金零件。
所述的制造方法，所述高筋，其高度值与厚度值的比不小于2。
所述的制造方法，步骤e中，所述复合坯最大变形量的范围为：母材强度80％时对应的变形量至母材强度极限时的最大变形量。
所述的制造方法，高筋与面板，其材质为钛及钛合金、镁及镁合金、铝及铝合金以及其它轻合金。
所述的制造方法，高筋与面板既可以为同种材料，也可以为异种材料。
所述的制造方法，所述金属隔板将高筋之间的间隙填满。
所述的制造方法，所述模具上带有能够容纳高筋的凹陷，凹陷形状与最终获得的高筋形状相同，所述凹陷的深度与所述高筋高度相同。
所述的制造方法，步骤e中，爆炸复合坯塑性成形技术包括冷成形、温成形以及热成形技术。
基于现有的材料利用率低以及大尺寸零件制造尚难以进行的问题，本发明提出了新的综合制造方法：首先采用爆炸复合技术制坯，即首先实现高筋与薄腹板的高质量界面结合；其次对复合坯实施小切削量的机械加工，获得高尺寸精度的预成形坯；最后对其实施冷或热塑形变形，获得最终的轻合金零件。
尽管采用爆炸复合技术制备双金属或多层金属复合材料已多见报道，但本发明与常规双金属材料的爆炸复合技术明显不同：(1)常规爆炸复合技术局限于覆板与基板之间的大面积结合，对于高筋与薄腹板的爆炸复合则无任何相关报道；(2)传统爆炸复合技术长期关注于双金属复合板的后续力学性能，但对其后续利用其界面高强度结合导致的优异的成形性能则关注较少，相关研究亦未见相关报道。
另外，其他先进焊接工艺如激光焊、搅拌摩擦焊等虽然可以使高筋与薄腹板之间的结合强度，可接近母材强度的80％。但采用本发明提出的方法，薄腹板与高筋间的结合强度不低于母材，所以相对其他焊接工艺，本发明制备的高筋薄腹板可以承受更大的塑性变形。
本发明还具有以下优点：(1)爆炸复合制坯，减少了传统制造工艺中去除高筋与腹板之间大量材料的方法，大幅提高了材料利用率，降低了制造成本；(2)爆炸复合制坯，可以将大尺寸的加强筋与腹板进行复合，从而可充分利用现有大型的龙门式机加工设备对其进行精密、小切削量加工；(3)爆炸复合制坯可以获得高质量的冶金结合界面，能够满足后续塑性成形过程中大变形量对界面的要求。
本发明提出的综合制造方法，将为航空、航天工程领域所需的具有高筋、薄腹板复合结构的轻合金零件提供一种有效的制造方法，从而满足实际的工程需求。
附图说明
图1为待定位轻合金高筋的碳钢模具的示意图(A为正面视图，B为侧面视图)；
图2为将轻合金高筋置入模具中的示意图(A为正面视图，B为侧面视图)；
图3为将轻合金薄腹板置于高筋之上的示意图；
图4为爆炸复合制备的带有高筋的薄腹板结构复合坯(A为正面视图，B为侧面视图)；
图5为经热成形后的带有高筋的球面零件(A为正面视图，B为侧面视图)；
1模具，2井字形凹陷，3高筋，4间隙物，5腹板；
具体实施方式
下面通过具体的实施例子，详细说明T形截面整体壁板、工字形截面整体壁板、井字形加强筋薄壁构件以及空心类零件综合制造工艺。
实施例1
第一步，将5根截面尺寸为15mm×30mm，长度500mm的TC4钛合金高筋间隔铺于垫板之上，高筋间距离为50mm；
第二步，将碳钢材质的金属隔板(截面尺寸为50mm×30mm，长500mm)表面涂刷阻焊剂后置于高筋之间的间隙内；高筋与金属隔板等高；
第三步，在高筋与碳钢隔板构成的平面的四角位置放置1-2mm厚的金属片；
第四步，将5mm厚、长宽分别为500mm及400mm的钛合金板材即腹板置于间隙物之上，由于钛合金板材尺寸大于钛合金高筋和隔板构成的平面尺寸，所以将钛合金板在宽度方向上，单边伸出50mm；
第五步，在TC4钛合金板材上铺设乳化炸药，用电雷管引爆后，钛合金板材与TC4高筋实现有效连接。碳钢隔板由于表面涂敷了阻焊剂，将避免与钛合金面板连接。爆炸复合过程完成后将自动脱离基板。最终实现TC4面板与TC4高筋的高强度冶金结合；
第六步，采用数控铣床对爆炸复合坯料实施0-1mm的切削加工，获得精整表面；
第七步，采用热压弯工艺对带高筋的钛合金板材在U形模具上实施弯曲变形，最终获得内侧带有高筋的钛合金U形弯曲件。
实施例2
第一步，将3mm厚、长宽分别为500mm及400mm的镁合金板(上腹板)置于混凝土基础之上，在镁合金板材四角布置四块间隙物，间隙物的厚度为1-2mm；
第二步，将5根截面尺寸为10mm×20mm，长为500mm的镁合金高筋间隔铺于镁合金板材之上，高筋间距离为50mm；
第三步，将碳钢材质的金属隔板(截面尺寸为50mm×20mm，长500mm)表面涂刷阻焊剂后置于高筋之间的间隙内，填满间隙；高筋与金属隔板等高；
第四步，在高筋与碳钢隔板构成的平面的四角位置放置1-2mm厚的金属间隙物；
第五步，将第二块3mm厚、长宽分别为500mm及400mm的镁合金板(下腹板)材置于间隙物之上，在宽度方向上，单边伸出50mm；
第六步，在镁合金板材上铺上乳化炸药，用电雷管引爆后，上下两块镁合金板材与高筋实现界面连接。碳钢隔板由于表面涂敷了阻焊剂，将避免与镁合金面板连接。爆炸复合过程完成后将碳钢隔板抽出。最终实现上下两块镁合金面板与中间镁合金高筋的高强度连接；
第七步，采用数控铣床对爆炸复合坯料的上、下腹板实施1mm的切削加工，获得精整表面；
第八步，采用温成形工艺对铣削后的带高筋的镁合金复合板材实施弯曲变形，最终制备出中间具有通道的弯曲件。
实施例3
第一步，以成本较低的直径为500mm的碳钢厚板为坯，对其进行铣削加工，加工出井字形模具(模具如图1所示)，将碳钢模具裸露出的表面全部用黄油阻焊剂涂覆，然后将该模具置于混凝土基础之上；
第二步，在模具的井字形凹陷处，置入待复合的、表面整体涂抹阻焊剂(和腹板接触部位不涂抹阻焊剂)的2124铝合金高筋，其截面尺寸为：10mm×30mm；高筋与井字形凹陷等高；
第三步，在模具四周及高筋的端部放置间隙物，间隙物的高度约为1-2mm；
第四步，将厚度为5mm、直径500mm为的2124铝合金板(腹板)置于间隙物之上，边缘与模具边缘完全重合；
第五步，在铝合金板材上铺上乳化炸药，用电雷管引爆后，铝合金腹板与高筋将实现高强度连接。碳钢模具由于表面全部涂敷了阻焊剂，可以避免碳钢模具与铝合金面板、铝合金高筋焊合。爆炸复合过程完成后将碳钢模具脱出。最终制备出带有井字形高筋、且具有薄腹板结构的复合坯；
第六步，将带有井字形高筋、且具有薄腹板结构的复合坯实施铣削加工，获得精整表面；
第七步，将带有井字形高筋的2124铝合金复合坯置入蠕变成形模具，通过控制气压加载路径(压力为0.5-2MPa)、成形温度(140-190℃)以及成形时间(6-10h)对复合坯实施时效蠕变成形，最终制备出带有高筋的球面形复合结构零件。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有高筋、薄腹板复合结构的轻合金零件整体制造方法，其特征在于，通过下列综合制备步骤加以实现：
(a)首先采用模具或隔板将高筋固定；
(b)将模具或隔板表面涂覆阻焊剂；
(c)使腹板与高筋上表面保持间隙值，间隙值范围为0.5t至1t，t为腹板厚度；
(d)在腹板上布满乳化炸药，采用电雷管引爆后将腹板与高筋实现高强度链接，结合强度不低于高筋与腹板强度的最小值；
(e)以带有高筋的复合材料为坯，基于高筋与薄腹板之间的高结合强度导致的变形协同特性，对其实施塑性变形；
(f)最终制造出具有复杂结构的高筋薄腹板的轻合金零件。
2.根据权利1所述的制造方法，其特征在于，所述高筋，其高度值与厚度值的比不小于2。
3.根据权利1所述的制造方法，其特征在于，步骤e中，所述复合坯最大变形量的范围为：母材强度80％时对应的变形量至母材强度极限时的最大变形量。
4.根据权利1所述的制造方法，其特征在于，高筋与面板，其材质为钛及钛合金、镁及镁合金、铝及铝合金以及其它轻合金。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，高筋与面板既可以为同种材料，也可以为异种材料。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述金属隔板将高筋之间的间隙填满。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述模具上带有能够容纳高筋的凹陷，凹陷形状与最终获得的高筋形状相同，所述凹陷的深度与所述高筋高度相同。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤e中，爆炸复合坯塑性成形技术包括冷成形、温成形以及热成形技术。
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