CN107866458B - 一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，①分析贴模顺序，确定铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度；②选择润滑剂配比；③选择润滑剂喷射速度。④铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具喷涂润滑剂；⑤铝合金异形薄壁超塑成形筒体喷涂润滑剂；⑥超塑成形为铝合金异形薄壁超塑成形筒体。本发明采用变表面粗糙度铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具、喷涂润滑剂和铝合金异形薄壁超塑成形筒体喷涂润滑剂等方法，改变铝合金异形薄壁超塑成形筒体与铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具间的摩擦系数，实现铝合金异形薄壁超塑成形筒体高温胀形自补料，保证铝合金异形薄壁超塑成形筒体尺寸精度、型面精度以及表面质量要求。

Description

一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法
技术领域
本发明属于精密钣金加工领域，涉及到一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，它适用于加工尺寸精度、型面精度以及表面质量要求较高的铝合金异形薄壁超塑成形筒体。
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，铝合金异形薄壁筒体产品的整体化、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，铝合金异形薄壁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校形，成形周期长，并且容易产生回弹、起皱和开裂等缺陷。铸造成形方法受材料种类限制，铝合金异形薄壁筒体铸造困难，后续仍需要大量机械加工，加工成本高，制备周期长。因超塑成形方法具有小应力、大变形、无回弹等优点，逐步用于铝合金异形薄壁筒体加工，但是超塑成形后铝合金异形薄壁筒体壁厚分布不均匀。
发明内容
本发明的技术解决问题：提供一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，通过改变铝合金异形薄壁超塑成形筒体与铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具间的摩擦系数，进而实现铝合金异形薄壁超塑成形筒体高温胀形自补料，可以使铝合金异形薄壁超塑成形筒体壁厚分布更加均匀，保证铝合金异形薄壁超塑成形筒体尺寸精度、型面精度以及表面质量要求。
本发明要解决的技术问题通过以下方案实现：一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，步骤如下：
(1)根据铝合金异形薄壁超塑成形筒体及其模具分析确定铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料贴模顺序；根据铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料贴模顺序，设定铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度；
(2)确定喷涂在铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料上的润滑剂配比；
(3)确定步骤(2)配比后的润滑剂向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料的喷射速度和润滑剂向铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具的喷射速度；
(4)根据步骤(3)确定的向铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具的喷射速度，向铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具喷涂润滑剂，喷涂前需对铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具进行表面预热处理；
(5)根据步骤(3)确定的向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料的喷射速度，向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料喷涂润滑剂，喷涂前需对铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料进行整体预热处理；
(6)将步骤(5)喷涂润滑剂后的铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料放入步骤(4)喷涂润滑剂的模具内，对模具和坯料进行加热，到设定的温度T1后向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料内吹气，吹气的过程中对模具和坯料持续加热，持续加热的最高温度不超过T1，使铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料超塑成形为铝合金异形薄壁超塑成形筒体。
进一步地，步骤(1)所述的根据铝合金异形薄壁超塑成形筒体和模具分析贴模顺序，具体如下：铝合金异形薄壁超塑成形筒体截面外径小的部位先与模具接触，铝合金异形薄壁超塑成形筒体截面外径大的部位后与模具接触。
进一步地，步骤(1)所述的设定铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度，具体如下：铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具表面先与铝合金异形薄壁超塑成形筒体接触的部位表面粗糙度小些，铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具表面后与铝合金异形薄壁超塑成形筒体接触的部位表面粗糙度大些。
进一步地，步骤(1)所述的铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度Ra0.8～Ra12.5。
进一步地，步骤(2)所述润滑剂配比为固形物39.0～40.0％，石墨 20～22％，灰分小于2％，其余为蒸馏水；90％以上润滑剂的颗粒度小于 1μm。
进一步地，步骤(3)所述润滑剂喷射速度为20～40g/s。
进一步地，步骤(4)所述铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具表面预热温度为100～120℃。
进一步地，步骤(4)所述铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具喷涂润滑剂厚度为0.2～0.4mg/cm2。
进一步地，步骤(5)所述铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料整体预热温度为110～130℃。
进一步地，步骤(5)所述铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料喷涂润滑剂厚度为0.6～0.8mg/cm2。
进一步地，步骤(6)所述设定的温度T1为420～520℃，吹气速度为0.01～0.05MPa/min，吹气最终压力为0.1～2MPa。吹气时，优选气体为氩气和氮气。
进一步地，步骤(6)所述吹气最终优选压力p、铝合金异形薄壁超塑成形筒体截面最小外径d’和铝合金异形薄壁超塑成形筒体厚度t存在关系：p＝α2×t/d’，α＝3～6。
本发明相对于现有技术的有益效果：
(1)本发明所加工的铝合金异形薄壁超塑成形筒体，可实现铝合金异形薄壁超塑成形筒体高温胀形自补料，使铝合金异形薄壁超塑成形筒体壁厚分布更加均匀，铝合金异形薄壁超塑成形筒体壁重量更轻，会使航天飞行器飞行时间延长；
(2)本发明所加工的铝合金异形薄壁超塑成形筒体，整体性好，缩短工艺流程，降低生产成本；
(3)本发明所制造的铝合金异形薄壁超塑成形筒体，零件尺寸精度和型面精度高，可以满足新型号航天飞行器的零部件设计要求；
(4)本发明所加工的铝合金异形薄壁超塑成形筒体，表面质量较高，外表光洁，雷达反射面小，用于航天飞行器不容易被监测雷达发现；
(5)本发明所加工的铝合金异形薄壁超塑成形筒体，可有效避免回弹、起皱和开裂等缺陷的产生，提高铝合金异形薄壁超塑成形筒体合格率，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明铝合金异形薄壁超塑成形筒体成形前示意图；
图2为本发明铝合金异形薄壁超塑成形筒体成形中示意图；
图3为本发明铝合金异形薄壁超塑成形筒体成形后示意图；
图4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。
本发明的一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，它适用于加工尺寸精度、型面精度以及表面质量要求较高的铝合金异形薄壁超塑成形筒体。该方法如下：①分析贴模顺序，确定铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度；②选择润滑剂配比；③选择润滑剂喷射速度。④铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具喷涂润滑剂；⑤铝合金异形薄壁超塑成形筒体喷涂润滑剂；⑥向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料内吹气，使铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料超塑成形为铝合金异形薄壁超塑成形筒体。
本发明采用变表面粗糙度铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具、铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具喷涂润滑剂和铝合金异形薄壁超塑成形筒体喷涂润滑剂等方法，改变铝合金异形薄壁超塑成形筒体与铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具间的摩擦系数，进而实现铝合金异形薄壁超塑成形筒体高温胀形自补料，可以使铝合金异形薄壁超塑成形筒体壁厚分布更加均匀，保证铝合金异形薄壁超塑成形筒体尺寸精度、型面精度以及表面质量要求。
如图4所示，优选的一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，具体如下：
(1)根据铝合金异形薄壁超塑成形筒体及其模具分析铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料贴模顺序；根据铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料贴模顺序，设定铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度；根据铝合金异形薄壁超塑成形筒体和模具分析贴模顺序，具体如下：铝合金异形薄壁超塑成形筒体截面外径d小的部位先与模具接触，铝合金异形薄壁超塑成形筒体截面外径d大的部位后与模具接触。设定铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度，具体如下：铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具表面先与铝合金异形薄壁超塑成形筒体接触的部位表面粗糙度小些，铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具表面后与铝合金异形薄壁超塑成形筒体接触的部位表面粗糙度大些。铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度Ra0.8～Ra12.5。
(2)确定喷涂在铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料上的润滑剂配比；润滑剂配比为固形物39.0～40.0％，石墨20～22％，灰分小于2％，其余为蒸馏水；90％以上润滑剂的颗粒度小于1μm。按上述润滑剂配比将会有优异的润滑性能以及分散性能，在喷涂过程中不易堵塞喷枪。
(3)确定步骤(2)配比后的润滑剂向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料的喷射速度和润滑剂向铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具的喷射速度；润滑剂喷射速度为20～40g/s，并且在模具高温时，采用高速喷射可以驱散模具上的热蒸汽，有利于润滑剂附着。
(4)根据步骤(3)确定的向铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具的喷射速度，向铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具喷涂润滑剂，喷涂前需对铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具进行表面预热处理；铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具表面预热温度为100～120℃。铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具喷涂润滑剂厚度为0.2～0.4mg/cm2。
(5)根据步骤(3)确定的向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料的喷射速度，向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料喷涂润滑剂，喷涂前需对铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料进行整体预热处理。铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料整体预热温度为110～130℃。铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料喷涂润滑剂厚度为0.6～0.8mg/cm2。
(6)将步骤(5)喷涂润滑剂后的铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料放入步骤(4)喷涂润滑剂的模具内，对模具和坯料进行加热，到设定的温度T1后向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料内吹气，吹气的过程中对模具和坯料持续加热，持续加热的最高温度不超过T1，使铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料超塑成形为铝合金异形薄壁超塑成形筒体。设定的温度T1为420～520℃，吹气速度为0.01～0.05MPa/min，吹气最终压力为0.1～2MPa。吹气时，优选气体为氩气和氮气。吹气优选最终压力p、铝合金异形薄壁超塑成形筒体截面外径d’和铝合金异形薄壁超塑成形筒体厚度t存在关系：p＝α2×t/d’，α＝3～6，按优选方案选取的最终压力p 可使铝合金异形薄壁超塑成形筒体成形精度更高，才能满足航天飞行器的严格的尺寸要求。
更优选的实施方式按如下工艺步骤进行：
本发明涉及的铝合金异形薄壁超塑成形筒体和铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具，如图1、图2和图3所示。图1、图2和图3中的铝合金异形薄壁超塑成形筒体2分别是铝合金异形薄壁超塑成形筒体成形前、中和后的形状。铝合金异形薄壁超塑成形筒体2成形后壁厚为2mm，最小外径为100mm，最大外径为200mm。铝合金异形薄壁超塑成形筒体成形前，铝合金异形薄壁超塑成形筒体2在铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具上模1和下模2之间，铝合金异形薄壁超塑成形筒体2的AB、DE 部分和铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具上模1和下模2的最小外径 AB、DE部分接触，最大外径附近BC和CD部分不接触；铝合金异形薄壁超塑成形筒体成形中，如图2所示，铝合金异形薄壁超塑成形筒体2 的BC、CD部分和铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具上模1和下模2的 BC、CD部分逐渐接触，铝合金异形薄壁超塑成形筒体2的AB、DE部分向中部移动；铝合金异形薄壁超塑成形筒体成形后，如图3所示，铝合金异形薄壁超塑成形筒体2的BC、CD部分和铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具上模1和下模2的BC、CD部分完全接触，铝合金异形薄壁超塑成形筒体2的AB、DE部分向中部移动完毕。
具体实施方式按如下工艺步骤进行：
步骤一，分析贴模顺序：铝合金异形薄壁超塑成形筒体2的AB、DE 部分和铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具上模1和下模2的AB、DE部分首先接触，铝合金异形薄壁超塑成形筒体2的BC、CD部分和铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具上模1和下模2的BC、CD部分逐渐接触.因此，铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具上模1和下模2的AB、DE部分表面粗糙度确定为Ra1.6～Ra3.2，铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具上模 1和下模2的BC、CD部分表面粗糙度优选确定为Ra6.3～Ra12.5。
步骤二，选择润滑剂配比优选：固形物40％，石墨20％，灰分小于 2％，90％以上颗粒度小于1μm。
步骤三，选择润滑剂喷射速度：润滑剂喷射速度优选为30g/s。
步骤四，铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具喷涂润滑剂：铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具表面预热温度优选为100～120℃，喷涂润滑剂厚度优选为0.3mg/cm2。
步骤五，铝合金异形薄壁超塑成形筒体喷涂润滑剂：铝合金异形薄壁超塑成形筒体整体预热温度优选为110～130℃，喷涂润滑剂厚度优选为 0.7mg/cm2。
步骤六，步骤五喷涂润滑剂后的铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料放入步骤(4)喷涂润滑剂的模具内，对模具和坯料进行加热，到设定的温度优选400～500℃后向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料内吹气，吹气速度为0.02～0.04MPa/min，吹气的过程中对模具和坯料持续加热，持续加热的最高温度优选不超过400～500℃，使铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料超塑成形为铝合金异形薄壁超塑成形筒体。设定的温度T1优选为 420～520℃，吹气速度优选为0.01～0.05MPa/min，吹气最终压力优选为 0.2～1MPa。
采用此方法制备的铝合金异形薄壁超塑成形筒体尺寸精度优选为±0.3mm，型面精度优选±0.5mm，表面粗糙度优选Ra1.6，壁厚均匀性优选控制在20％以内。
本发明还有一种优选方案，吹气时，优选气体为氩气和氮气。吹气优选最终压力p、铝合金异形薄壁超塑成形筒体截面最小外径d’和铝合金异形薄壁超塑成形筒体厚度t存在优选关系：p＝α2×t/d’，α＝3～6，按优选方案选取的优选最终压力p＝42×2/100＝0.32，符合吹气最终压力为 0.1～2MPa要求。此优选方案可使铝合金异形薄壁超塑成形筒体成形精度更高，才能满足航天飞行器的严格的尺寸要求。
本发明还有一种优选方案，在步骤(1)所述的铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具上模1和下模2的AB、DE部分表面粗糙度优选确定为 Ra0.8，铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具上模1和下模2的BC、CD部分表面粗糙度优选确定为Ra3.2，铝合金异形薄壁超塑成形筒体壁厚均匀性提高10％。
本发明还有一种优选方案，在步骤(3)所述的润滑剂喷射速度优选为40mg/s，可使铝合金异形薄壁超塑成形筒体和铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具喷涂润滑剂效果提高30％。
本发明所加工的铝合金异形薄壁超塑成形筒体，可实现铝合金异形薄壁超塑成形筒体高温胀形自补料，使铝合金异形薄壁超塑成形筒体壁厚分布更加均匀，铝合金异形薄壁超塑成形筒体壁重量更轻，会使航天飞行器飞行时间延长；且本发明所加工的铝合金异形薄壁超塑成形筒体，整体性好，缩短工艺流程，降低生产成本；制造的铝合金异形薄壁超塑成形筒体，零件尺寸精度和型面精度高，可以满足新型号航天飞行器的零部件设计要求；
本发明所加工的铝合金异形薄壁超塑成形筒体，表面质量较高，外表光洁，雷达反射面小，用于航天飞行器不容易被监测雷达发现；所加工的铝合金异形薄壁超塑成形筒体，可有效避免回弹、起皱和开裂等缺陷的产生，提高铝合金异形薄壁超塑成形筒体合格率，降低生产成本。
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 (7)

1.一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据铝合金异形薄壁超塑成形筒体及其模具确定铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料贴模顺序；根据铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料贴模顺序，设定铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度；所述的根据铝合金异形薄壁超塑成形筒体和模具分析贴模顺序，具体如下：铝合金异形薄壁超塑成形筒体截面外径d小的部位先与模具接触，铝合金异形薄壁超塑成形筒体截面外径d大的部位后与模具接触；
所述的设定铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度，具体如下：铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具表面先与筒体接触的部位表面粗糙度小，后与筒体接触的部位表面粗糙度大；
(2)确定喷涂在铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料上的润滑剂配比；所述润滑剂配比为固形物39.0～40.0％，石墨20～22％，灰分小于2％，其余为蒸馏水；90％以上润滑剂的颗粒度小于1μm；
(3)确定步骤(2)配比后的润滑剂向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料的喷射速度和润滑剂向铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具的喷射速度；
(4)根据步骤(3)确定的向铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具的喷射速度，向铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具喷涂润滑剂，喷涂前需对铝合金异形薄壁超塑成形筒体的模具进行表面预热处理；
(5)根据步骤(3)确定的向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料的喷射速度，向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料喷涂润滑剂，喷涂前需对铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料进行整体预热处理；
(6)将步骤(5)喷涂润滑剂后的铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料放入步骤(4)喷涂润滑剂的模具内，对模具和坯料进行加热，到设定的温度T1后向铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料内吹气，吹气的过程中对模具和坯料持续加热，持续加热的最高温度不超过温度T1，使铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料超塑成形为铝合金异形薄壁超塑成形筒体，吹气时，气体为氩气和氮气，吹气最终优选压力p、铝合金异形薄壁超塑成形筒体截面最小外径d’和铝合金异形薄壁超塑成形筒体厚度t存在关系：p＝α2×t/d’，α＝3～6，使铝合金异形薄壁超塑成形筒体成形精度更高，满足航天飞行器的严格的尺寸要求。
2.根据权利要求1所述的一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，其特征在于：步骤(1)所述的铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具各区域表面粗糙度为Ra0.8～Ra12.5。
3.根据权利要求1所述的一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，其特征在于：步骤(3)所述润滑剂喷射速度为20～40g/s。
4.根据权利要求1所述的一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，其特征在于：步骤(4)所述铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具表面预热温度为100～120℃。
5.根据权利要求1所述的一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，其特征在于：步骤(4)所述铝合金异形薄壁超塑成形筒体模具喷涂润滑剂厚度为0.2～0.4mg/cm2。
6.根据权利要求1所述的一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，其特征在于：步骤(5)所述铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料整体预热温度为110～130℃。
7.根据权利要求1所述的一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法，其特征在于：步骤(5)所述铝合金异形薄壁超塑成形筒体坯料喷涂润滑剂厚度为0.6～0.8mg/cm2。
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