CN107855398B - 一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法 - Google Patents

一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，①进行铝合金异形筒体坯料设计；②进行铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具设计；③进行铝合金异形筒体超塑成形芯模设计；④进行铝合金异形筒体反向超塑成形；⑤进行铝合金异形筒体正向超塑成形。采用先反向超塑成形再正向超塑成形的方法制备铝合金异形筒体，解决了在常规冷冲压或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；采用铝合金异形筒体反向超塑成形对铝合金异形筒体坯料进行预反变形，再采用铝合金异形筒体正向超塑成形进行终成形，避免单独正向超塑成形铝合金异形筒体壁厚分布不均缺点，保证了零件尺寸精度、型面精度以及表面质量要求。

Description

一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形 方法
技术领域
本发明属于精密钣金加工领域，涉及一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，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异形筒体。
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，铝合金异形筒体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，铝合金异形筒体常用制造方法主要有冷压成形和铸造成形两种。冷压成形不但尺寸精度难以达到要求，型面精度也难以控制，通常后续需要大量的手工校形，成形周期长，并且容易产生回弹、起皱和开裂等缺陷。另外，在冷成形过程中，需要多套模具分瓣成形后进行拼焊，不但模具成本高，而且拼焊破坏了铝合金异形筒体的整体性。铸造成形方法受材料种类限制，铝合金异形筒体类零件铸造困难，后续仍需要大量机械加工，加工成本高，制备周期长。
发明内容
本发明的技术解决问题：提供一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，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异形筒体的精密成形。成形出的铝合金异形筒体零件质量稳定，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。
本发明要解决的技术问题通过以下方案实现：一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，步骤如下：
(1)根据铝合金异形筒体的外形尺寸和厚度，确定铝合金异形筒体坯料的外形尺寸和厚度；
(2)根据铝合金异形筒体的外形尺寸，确定铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具的尺寸；
(3)根据铝合金异形筒体的外形尺寸和步骤(1)铝合金异形筒体坯料的外形尺寸，确定铝合金异形筒体超塑成形芯模的尺寸；
(4)将步骤(1)确定的铝合金异形筒体坯料放入步骤(2)确定的铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具中，将步骤(3)确定的铝合金异形筒体超塑成形芯模，放入铝合金异形筒体坯料中；将铝合金异形筒体坯料、铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具及铝合金异形筒体超塑成形芯模一起加热至超塑成形温度TX后，向铝合金异形筒体坯料与铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具之间通气，对铝合金异形筒体坯料进行预反变形，使铝合金异形筒体坯料逐渐与铝合金异形筒体超塑成形芯模贴合；
(5)步骤(4)完成后，向铝合金异形筒体坯料与铝合金异形筒体超塑成形芯模之间通气，使铝合金异形筒体坯料进行正向超塑成形，即铝合金异形筒体坯料逐渐与铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具贴合。
步骤(1)所述的铝合金异形筒体坯料截面周长Lp＝铝合金异形筒体截面周长L/(1+系数α)，系数α＝0.1～0.3。
步骤(1)所述的铝合金异形筒体坯料厚度δp＝系数β×(1+系数α)×铝合金异形筒体厚度δ，系数β＝1.1～1.3。
步骤(2)所述的铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具的型腔进行适当放大加工，放大量为铝合金异形筒体外形尺寸的3‰～7‰。
步骤(3)所述的铝合金异形筒体超塑成形芯模截面周长Lx＝系数γ×铝合金异形筒体截面周长L，系数γ＝0.7～0.95并且系数γ＞1-系数α。
步骤(4)所述的铝合金异形筒体坯料反向超塑成形温度TX为420～520℃。
步骤(4)所述的铝合金异形筒体坯料反向超塑成形气体加载速率为0.01～0.05MPa/min。
步骤(4)所述的铝合金异形筒体坯料反向超塑成形气体最终压力为0.1～2MPa。
步骤(5)所述的铝合金异形筒体坯料正向超塑成形温度TX为420～520℃。
步骤(4)所述的铝合金异形筒体坯料反向超塑成形气体加载速率为0.01～0.05MPa/min。
步骤(4)所述的铝合金异形筒体坯料反向超塑成形气体加载速率为0.1～2MPa。
本发明相对于现有技术的有益效果：
(1)本发明所成形的铝合金异形筒体，整体性好，与分片拼焊相比，无需修配焊接，效率提高30％以上；
(2)本发明所成形的铝合金异形筒体，零件尺寸精度、型面精度高，无需后续校形，生产周期缩短30％；
(3)本发明所成形的铝合金异形筒体，表面质量较高，外表光洁，与传统铸造方式相比，表面无需补充加工；
(4)本发明采用超塑成形方法，可有效避免回弹、起皱和开裂等缺陷的产生；
(5)本发明采用先反向超塑成形后正向超塑成形，可有效改善单独正向超塑成形壁厚减薄不均匀，铝合金异形筒体壁厚均匀性可提高1.5～2.5倍。
附图说明
图1为铝合金异形筒体示意图；
图2为铝合金异形筒体坯料示意图；
图3为铝合金异形筒体超塑成形前示意图；
图4为铝合金异形筒体反向超塑成形示意图；
图5为铝合金异形筒体正向超塑成形示意图；
图6为本发明的流程图。
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。
正向超塑成形是指在一定温度和一定变形速率下，施加正向气体压力使零件成形的方法，预反变形就是先反向施加气体压力后，再正向施加气体压力。如图6所示，一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，具体步骤如下：
(1)根据铝合金异形筒体的外形尺寸和厚度，确定铝合金异形筒体坯料的外形尺寸和厚度；铝合金异形筒体坯料截面周长Lp＝铝合金异形筒体截面周长L/(1+系数α)，优选系数α＝0.1～0.3；铝合金异形筒体坯料厚度δp＝系数β×(1+系数α)×铝合金异形筒体厚度δ，优选系数β＝1.1～1.3。
(2)根据铝合金异形筒体的外形尺寸，确定铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具的型腔尺寸；按照铝合金异形筒体的外形尺寸，铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具的型腔尺寸进行适当放大加工，放大量为铝合金异形筒体外形尺寸的3‰～7‰。
(3)根据铝合金异形筒体的外形尺寸和步骤(1)铝合金异形筒体坯料的外形尺寸，确定铝合金异形筒体超塑成形芯模的芯模截面周长尺寸；铝合金异形筒体超塑成形芯模截面周长Lx＝系数γ×铝合金异形筒体截面周长L，优选系数γ＝0.7～0.95并且系数γ＞1-系数α，同时，铝合金异形筒体超塑成形芯模截面周长Lx>铝合金异形筒体坯料截面周长Lp。
(4)将步骤(1)确定的铝合金异形筒体坯料放入步骤(2)确定的铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具中，将步骤(3)确定的铝合金异形筒体超塑成形芯模，放入铝合金异形筒体坯料中；将铝合金异形筒体坯料、铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具及铝合金异形筒体超塑成形芯模一起加热至超塑成形温度TX后，向铝合金异形筒体坯料与铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具之间通气，对铝合金异形筒体坯料进行预反变形，使铝合金异形筒体坯料逐渐与铝合金异形筒体超塑成形芯模贴合；铝合金异形筒体坯料反向超塑成形温度TX优选为420～520℃，铝合金异形筒体坯料反向超塑成形气体加载速率优选为0.01～0.05MPa/min，铝合金异形筒体坯料反向超塑成形气体最终压力优选为0.1～2MPa。
(5)步骤(4)完成后，向铝合金异形筒体坯料与铝合金异形筒体超塑成形芯模之间通气，使铝合金异形筒体坯料进行正向超塑成形，即铝合金异形筒体坯料逐渐与铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具贴合。铝合金异形筒体坯料正向超塑成形温度TX优选为420～520℃，铝合金异形筒体坯料正向超塑成形气体加载速率优选为0.01～0.05MPa/min，铝合金异形筒体坯料正向超塑成形气体最终压力优选为0.1～2MPa。
本发明要成形的铝合金异形筒体，为非回转体类零件铝合金异形薄壁件，厚度优选为1～10mm，最大外形尺寸长×宽×高＝(100～1000mm)×(100～1000mm)×(100～2500mm)，最小外圆角大于R3。
具体的优选方案按如下工艺步骤进行：
以某铝合金异形筒体为例，其形状尺寸见图1，零件材料为5A06铝合金，截面形状为曲线与直线构成的异形截面，为非回转体类零件铝合金异形薄壁件，外形尺寸长×宽＝256×200mm，高度500mm，要求厚度优选不小于2mm，最小外圆角优选为R20。
优选的实施方式按如下工艺步骤进行：
步骤一，进行铝合金异形筒体坯料设计：铝合金异形筒体截面周长L＝775.8mm，厚度2mm，选取铝合金异形筒体坯料截面为Φ200mm，厚度3mm，如图2所示；优选铝合金异形筒体坯料截面周长Lp＝系数α×铝合金异形筒体截面周长L，即2×π×100＝775.8/(1+α)，α＝0.235，满足α＝0.1～0.3要求；铝合金异形筒体坯料厚度δp＝系数β×(1+系数α)×铝合金异形筒体厚度δ，即3＝β×(1+0.235)×2，β＝1.215，满足β＝1.1～1.3要求。
步骤二，进行铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具设计：铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具的型腔进行适当放大加工，放大量为铝合金异形筒体外形尺寸的5‰。
步骤三，进行铝合金异形筒体超塑成形芯模设计：铝合金异形筒体超塑成形芯模截面周长Lx＝673.4mm，优选铝合金异形筒体超塑成形芯模截面周长Lx＝系数γ×铝合金异形筒体截面周长L，即673.4＝γ×775.8，γ＝0.868，优选满足γ＝0.7～0.95并且γ＞1-α＝1-0.235＝0.765要求。同时，铝合金异形筒体超塑成形芯模截面周长Lx＝673.4>铝合金异形筒体坯料截面周长Lp＝628.2。
步骤四，进行铝合金异形筒体反向超塑成形：如图3所示，将步骤一设计的铝合金异形筒体坯料2放入步骤二设计的铝合金异形筒体超塑成形上模具1和下模具4中，将步骤三设计的铝合金异形筒体超塑成形芯模3放入铝合金异形筒体坯料中；将铝合金异形筒体坯料2、铝合金异形筒体超塑成形上模具1和下模具4及铝合金异形筒体超塑成形芯模3一起加热至超塑成形温度优选450～500℃后，向铝合金异形筒体坯料与铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具之间通气，气体加载速率优选为0.02～0.04MPa/min，气体最终压力优选为0.5～1MPa，铝合金异形筒体坯料2进行反向超塑成形，铝合金异形筒体坯料2逐渐与铝合金异形筒体超塑成形芯模3贴合，如图4所示；
步骤五，进行铝合金异形筒体正向超塑成形：步骤四完成后，在超塑成形温度优选450～500℃时，向铝合金异形筒体坯料2与铝合金异形筒体超塑成形芯模3之间通气，气体加载速率优选为0.02～0.04MPa/min，气体最终压力优选为0.5～1MPa，铝合金异形筒体坯料2进行正向超塑成形，铝合金异形筒体坯料2逐渐与铝合金异形筒体超塑成形上模具1和下模具4贴合，如图5所示。
采用此方法制备的铝合金异形筒体尺寸精度优选为±0.3mm，型面精度±0.5mm，表面粗糙度优选Ra3.2，铝合金异形筒体壁厚分布优选控制在2.3±0.3mm。
本发明还有一种优选方案，在步骤(4)所述的超塑成形温度控制优选在470～490℃，铝合金异形筒体壁厚分布均匀性比现有方法提高20％。
本发明还有一种优选方案，在步骤(4)所述的气体加载速率控制优选在0.03～0.04MPa/min，铝合金异形筒体壁厚分布均匀性比现有方法提高10％。
本发明还有一种优选方案，在步骤(5)所述的气体加载速率优选控制在0.01～0.04MPa/min，铝合金异形筒体壁厚分布均匀性比现有方法提高10％。
本发明所成形的铝合金异形筒体，整体性好，与分片拼焊相比，无需修配焊接，效率提高30％以上；本发明所成形的铝合金异形筒体，零件尺寸精度、型面精度高，无需后续校形，生产周期缩短30％；
本发明所成形的铝合金异形筒体，表面质量较高，外表光洁，与传统铸造方式相比，表面无需补充加工；采用超塑成形方法，可有效避免回弹、起皱和开裂等缺陷的产生；采用先反向超塑成形后正向超塑成形，可有效改善单独正向超塑成形壁厚减薄不均匀，铝合金异形筒体壁厚均匀性可提高1.5～2.5倍。

Claims (8)

1.一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据铝合金异形筒体的外形尺寸和厚度，确定铝合金异形筒体坯料的外形尺寸和厚度；
(2)根据铝合金异形筒体的外形尺寸，确定铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具的尺寸；
(3)根据铝合金异形筒体的外形尺寸和步骤(1)铝合金异形筒体坯料的外形尺寸，确定铝合金异形筒体超塑成形芯模的尺寸；
(4)将步骤(1)确定的铝合金异形筒体坯料放入步骤(2)确定的铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具中，将步骤(3)确定的铝合金异形筒体超塑成形芯模，放入铝合金异形筒体坯料中；将铝合金异形筒体坯料、铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具及铝合金异形筒体超塑成形芯模一起加热至超塑成形温度TX后，向铝合金异形筒体坯料与铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具之间通气，对铝合金异形筒体坯料进行预反变形，使铝合金异形筒体坯料逐渐与铝合金异形筒体超塑成形芯模贴合；
(5)步骤(4)完成后，向铝合金异形筒体坯料与铝合金异形筒体超塑成形芯模之间通气，使铝合金异形筒体坯料进行正向超塑成形，即铝合金异形筒体坯料逐渐与铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具贴合；
步骤(3)所述的铝合金异形筒体超塑成形芯模截面周长Lx＝系数γ×铝合金异形筒体截面周长L，系数γ＝0.7～0.95并且系数γ＞1-系数α，系数α＝0.1～0.3。
2.根据权利要求1所述的一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，其特征在于：步骤(1)所述的铝合金异形筒体坯料截面周长Lp＝铝合金异形筒体截面周长L/(1+系数α)。
3.根据权利要求1所述的一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，其特征在于：步骤(2)所述的铝合金异形筒体超塑成形上模具和下模具的型腔进行适当放大加工，放大量为铝合金异形筒体外形尺寸的3‰～7‰。
4.根据权利要求1所述的一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，其特征在于：步骤(4)所述的铝合金异形筒体坯料反向超塑成形温度TX为420～520℃。
5.根据权利要求1所述的一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，其特征在于：步骤(4)所述的铝合金异形筒体坯料反向超塑成形气体加载速率为0.01～0.05MPa/min。
6.根据权利要求1所述的一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，其特征在于：步骤(4)所述的铝合金异形筒体坯料反向超塑成形气体最终压力为0.1～2MPa。
7.根据权利要求1所述的一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，其特征在于：步骤(5)所述的铝合金异形筒体坯料正向超塑成形温度TX为420～520℃。
8.根据权利要求4或6所述的一种通过预反变形改善超塑成形异形筒体壁厚分布的成形方法，其特征在于：步骤(4)所述的铝合金异形筒体坯料反向超塑成形气体加载速率为0.01～0.05MPa/min。
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