CN107971383B - 一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，如下：①分析铝合金薄壁异形件结构，确定铝合金薄壁异形件坯料形式；②确定铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸；③选择铝合金薄壁异形件坯料厚度；④确定铝合金薄壁异形件坯料细节；⑤选择铝合金薄壁异形件坯料状态。本发明通过铝合金薄壁异形件坯料结构确定，可以实现业态铝合金板材超塑成形，而铝合金薄壁异形件坯料则可采用拼焊、折弯、拉伸等普通常规工艺制备。铝合金薄壁异形件坯料结构确定解决了业态铝合金板材无法超塑成形出形状复杂、变形量较大的铝合金薄壁异形件问题，有效避免原工艺方法制备铝合金薄壁异形件时起皱和开裂等缺陷产生，降低了制造成本，提高了铝合金薄壁异形件生产效率。
Description
技术领域
本发明属于精密钣金加工领域，涉及到一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，它可以使超塑性较差的工业态铝合金板材实现超塑成形，进而获得尺寸精度、型面精度以及表面质量要求较高的铝合金薄壁异形件。
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，铝合金薄壁异形件产品的整体化、轻量化程度越来越高，制造精度要求也越来越高，通常采用工业态板材超塑成形难以制备出铝合金薄壁异形件，仅能采用专门定制的细晶板材才能超塑成形出铝合金薄壁异形件。专门定制的细晶板材不但需要特殊定制，订货周期较长、板材原料成本较高，而且细晶板材材料种类比较单一，国内比较成熟的细晶板材仅有5083铝合金细晶板材等几种牌号，严重阻碍了板材超塑成形技术在铝合金薄壁异形件制备方面的应用。如果能用工业态板材超塑成形出铝合金薄壁异形件，不但能降低铝合金薄壁异形件的制备成本，还能增大超塑成形技术在制备铝合金薄壁异形件方面的应用范围。
发明内容
本发明的技术解决问题：提供实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，通过铝合金薄壁异形件坯料结构确定，可以实现业态铝合金板材超塑成形，而铝合金薄壁异形件坯料则可采用拼焊、折弯、拉伸等普通常规工艺制备。铝合金薄壁异形件坯料结构确定解决了业态铝合金板材无法超塑成形出形状复杂、变形量较大的铝合金薄壁异形件问题，有效避免原工艺方法制备铝合金薄壁异形件时起皱和开裂等缺陷产生，降低了铝合金薄壁异形件制造成本，提高了铝合金薄壁异形件生产效率。
本发明要解决的技术问题通过以下方案实现:一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，步骤如下：
(1)分析要制作得到的铝合金薄壁异形件结构，根据铝合金薄壁异形件结构特点，确定铝合金薄壁异形件坯料的形状；
(2)根据铝合金薄壁异形件外形尺寸和步骤(1)铝合金薄壁异形件坯料的形状，确定铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸；
(3)根据铝合金薄壁异形件外形尺寸以及步骤(2)的铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸，确定铝合金薄壁异形件坯料厚度；
(4)根据步骤(3)的铝合金薄壁异形件坯料厚度，确定铝合金薄壁异形件坯料的几何特征，包括坯料圆角特征；
(5)根据步骤(4)确定几何特征后的铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸，确定铝合金薄壁异形件坯料材料状态，最终得到铝合金薄壁异形件坯料。
步骤(1)所述的铝合金薄壁异形件结构包括三类：第一类，零件(铝合金薄壁异形件)高度H与开口尺寸D之比H/D<0.3，厚度偏差△δ≤10％；第二类，零件高度H与开口尺寸D之比H/D≥0.3，厚度偏差10％≤△δ≤30％；第三类，零件高度H与开口尺寸D之比H/D≥0.3，厚度偏差△δ≤10％。
步骤(1)所述的铝合金薄壁异形件坯料形状，对于第一类铝合金薄壁异形件结构，采用折弯形式的铝合金薄壁异形件坯料。
步骤(1)所述的铝合金薄壁异形件坯料形状，对于第二类铝合金薄壁异形件结构，采用拉伸形式的铝合金薄壁异形件坯料。
步骤(1)所述的铝合金薄壁异形件坯料形状，对于第三类铝合金薄壁异形件结构，采用拼焊形式的铝合金薄壁异形件坯料。
步骤(2)所述的确定铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸后，根据铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件坯料外表面积Sp与根据铝合金薄壁异形件外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件外表面积Sl存在关系：1.05≤Sl/Sp≤1.3。
步骤(3)所述的铝合金薄壁异形件坯料厚度tp与铝合金薄壁异形件厚度tl、根据铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件坯料外表面积Sp、根据铝合金薄壁异形件外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件外表面积Sl存在关系：(Sl/Sp×tl)≤tp≤(1.5Sl/Sp×tl)。
步骤(4)所述的确定铝合金薄壁异形件坯料几何特征中，坯料圆角Rp与铝合金薄壁异形件厚度tl存在关系：Rp≥10×tl；
步骤(5)所述的选择铝合金薄壁异形件坯料状态：对于第一类铝合金薄壁异形件结构，选择变形铝合金H112和O状态。
步骤(5)所述的选择铝合金薄壁异形件坯料状态：对于第二类铝合金薄壁异形件结构，选择变形铝合金O状态。
步骤(5)所述的选择铝合金薄壁异形件坯料状态：对于第三类铝合金薄壁异形件结构，选择变形铝合金H112和O状态。
本发明相对于现有技术的有益效果：
(1)本发明可以使工业态铝合金板材超塑成形出形状复杂的铝合金薄壁异形件；
(2)本发明能够采用工业态铝合金板材超塑成形出变形量较大的铝合金薄壁异形件；
(3)本发明有效避免原工艺方法制备铝合金薄壁异形件时起皱和开裂等缺陷产生；
(4)本发明采用采用工业态板材代替定制细晶板材，降低了铝合金薄壁异形件制造成本；
(5)本发明可以有效提高铝合金薄壁异形件生产效率，拓宽了板材超塑成形技术在铝合金薄壁异形件制备方面的应用。
附图说明
图1为铝合金薄壁异形件及其坯料示意图；
图2为采用折弯形式的铝合金薄壁异形件坯料示意图；
图3为采用拉伸形式的铝合金薄壁异形件坯料示意图；
图4为采用拼焊形式的铝合金薄壁异形件坯料示意图；
图5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。
本发明属于精密钣金加工领域，涉及到一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，它可以使超塑性较差的工业态铝合金板材实现超塑成形，进而获得尺寸精度、型面精度以及表面质量要求较高的铝合金薄壁异形件。该方法如下：①分析铝合金薄壁异形件结构，确定铝合金薄壁异形件坯料形式；②确定铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸；③选择铝合金薄壁异形件坯料厚度；④确定铝合金薄壁异形件坯料细节；⑤选择铝合金薄壁异形件坯料状态。
本发明的优点：通过铝合金薄壁异形件坯料结构确定，可以实现业态铝合金板材超塑成形，而铝合金薄壁异形件坯料则可采用拼焊、折弯、拉伸等普通常规工艺制备。铝合金薄壁异形件坯料结构确定解决了业态铝合金板材无法超塑成形出形状复杂、变形量较大的铝合金薄壁异形件问题，有效避免原工艺方法制备铝合金薄壁异形件时起皱和开裂等缺陷产生，降低了铝合金薄壁异形件制造成本，提高了铝合金薄壁异形件生产效率。
如图5所示，优选的一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，具体步骤如下：
(1)分析要制作得到的铝合金薄壁异形件结构，根据铝合金薄壁异形件结构特点，确定铝合金薄壁异形件坯料的形状；铝合金薄壁异形件顶部有开口，厚度为0.5～5mm。铝合金薄壁异形件结构包括三类：第一类，零件(铝合金薄壁异形件)高度H与开口尺寸D之比H/D<0.3，厚度偏差△δ≤10％；第二类，零件高度H与开口尺寸D之比H/D≥0.3，厚度偏差10％≤△δ≤30％；第三类，零件高度H与开口尺寸D之比H/D≥0.3，厚度偏差△δ≤10％。铝合金薄壁异形件坯料形状，对于第一类铝合金薄壁异形件结构，采用折弯形式的铝合金薄壁异形件坯料；铝合金薄壁异形件坯料形状，对于第二类铝合金薄壁异形件结构，采用拉伸形式的铝合金薄壁异形件坯料；铝合金薄壁异形件坯料形状，对于第三类铝合金薄壁异形件结构，采用拼焊形式的铝合金薄壁异形件坯料。
(2)根据铝合金薄壁异形件外形尺寸(包括开口尺寸和高度)和步骤(1)铝合金薄壁异形件坯料的形状，确定铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸；确定铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸后，根据铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件坯料外表面积Sp与根据铝合金薄壁异形件外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件外表面积Sl存在关系：1.05≤Sl/Sp≤1.3。
(3)根据铝合金薄壁异形件外形尺寸以及步骤(2)的铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸(包括铝合金薄壁异形件外表面积和合金薄壁异形件厚度)，确定铝合金薄壁异形件坯料厚度；铝合金薄壁异形件坯料厚度tp与铝合金薄壁异形件厚度tl、根据铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件坯料外表面积Sp、根据铝合金薄壁异形件外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件外表面积Sl存在关系：(Sl/Sp×tl)≤tp≤(1.5Sl/Sp×tl)。
(4)根据步骤(3)的铝合金薄壁异形件坯料厚度，确定铝合金薄壁异形件坯料的几何特征，包括坯料圆角特征；铝合金薄壁异形件坯料几何特征中，坯料圆角Rp与铝合金薄壁异形件厚度tl存在关系：Rp≥10×tl，如图1中的R80和R1000。如R80和R1000确定为R3，铝合金薄壁异形件坯料的几何外形太尖锐，就是不符合要求的。
(5)根据步骤(4)确定几何特征后的铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸，确定铝合金薄壁异形件坯料材料状态，最终得到铝合金薄壁异形件坯料。材料状态主要有变形铝合金H112和O两种状态。对于第一类铝合金薄壁异形件结构，选择变形铝合金H112和O等状态；对于第二类铝合金薄壁异形件结构，选择变形铝合金O状态；对于第三类铝合金薄壁异形件结构，选择变形铝合金H112和O状态。
具体实施方式按如下工艺步骤进行：
本发明要成形的铝合金薄壁异形件，外表面光滑过渡，不存在尖锐棱角，不存在负角度型面，即整体模具可实现拔模，无需分瓣模具，壁厚优选在0.5mm～10mm。
以某铝合金薄壁异形件为例，其形状尺寸见图1，零件材料为5A06铝合金，优选零件高度H与开口尺寸D之比H/D＝201/600＝0.335，壁厚要求不小于1mm，厚度偏差小于30％，即壁厚要求1～1.3mm。
优选的实施方式按如下工艺步骤进行：
步骤一，分析铝合金薄壁异形件结构，确定铝合金薄壁异形件坯料形式：优选铝合金薄壁异形件零件高度H与开口尺寸D之比H/D＝201/600＝0.335≥0.3，厚度偏差小于30％，结合图2、图3和图4中判断，铝合金薄壁异形件属于第二类铝合金薄壁异形件结构，采用拉伸形式的铝合金薄壁异形件坯料如图3所示。
步骤二，确定铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸：确定出的铝合金薄壁异形件坯料如图1所示，根据铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件坯料单侧表面积优选Sp＝408281mm2与根据铝合金薄壁异形件外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件单侧表面积优选Sl＝465141mm2，优选满足关系：1.05≤(Sl/Sp＝1.14)≤1.3。
步骤三，选择铝合金薄壁异形件坯料厚度：铝合金薄壁异形件坯料厚度tp与铝合金薄壁异形件厚度tl、根据铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件坯料外表面积Sp、根据铝合金薄壁异形件外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件单侧表面积Sl存在优选关系：(Sl/Sp×tl)≤tp≤(1.5Sl/Sp×tl)，即1.14≤tp≤1.71，因此取tp＝1.5mm。
步骤四，确定铝合金薄壁异形件坯料细节：坯料圆角Rp与铝合金薄壁异形件厚度tl存在优选关系：Rp≥10×tl，即Rp≥10，而图1中铝合金薄壁异形件坯料圆角Rp分别为R60、R80、R1000，满足要求。
步骤五，选择铝合金薄壁异形件坯料状态：铝合金薄壁异形件属于第二类铝合金薄壁异形件结构，对于第二类铝合金薄壁异形件结构推荐选择变形铝合金O状态。
采用此方法制备的铝合金薄壁异形件尺寸精度优选为±0.3mm，型面精度±0.5mm，壁厚分布10 +0.3mm，表面粗糙度Ra3.2，比现有方法制造成本降低30％，加工效率提高10％。
本发明还有一种优选方案，在步骤(3)所述的铝合金薄壁异形件坯料厚度优选tp＝1.4mm，可使铝合金薄壁异形件壁厚均匀性提高30％。
本发明还有一种优选方案，在步骤(4)所述铝合金薄壁异形件坯料圆角Rp分别优选为R50、R60、R900，可使铝合金薄壁异形件壁厚均匀性提高20％。
本发明还有一种优选方案，在步骤(5)所述铝合金薄壁异形件属于第二类铝合金薄壁异形件结构，对于第二类铝合金薄壁异形件结构优选变形铝合金O状态，也可选择铝合金H112状态，但需要进行退火处理，退火温度优选300～330℃，保温时间优选60～120min，可以扩大工业态板材超塑成形铝合金薄壁异形件的适用范围。
本发明可以使工业态铝合金板材超塑成形出形状复杂的铝合金薄壁异形件，能够采用工业态铝合金板材超塑成形出变形量较大的铝合金薄壁异形件，有效避免原工艺方法制备铝合金薄壁异形件时起皱和开裂等缺陷产生，采用采用工业态板材代替定制细晶板材，降低了铝合金薄壁异形件制造成本，可以有效提高铝合金薄壁异形件生产效率，拓宽了板材超塑成形技术在铝合金薄壁异形件制备方面的应用。
Claims (8)
1.一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，其特征在于步骤如下：
(1)分析要制作得到的铝合金薄壁异形件结构，根据铝合金薄壁异形件结构特点，确定铝合金薄壁异形件坯料的形状；
(2)根据铝合金薄壁异形件外形尺寸和步骤(1)铝合金薄壁异形件坯料的形状，确定铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸；所述的确定铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸后，根据铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件坯料外表面积Sp与根据铝合金薄壁异形件外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件外表面积Sl存在关系：1.05≤Sl/Sp≤1.3；
(3)根据铝合金薄壁异形件外形尺寸以及步骤(2)的铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸，确定铝合金薄壁异形件坯料厚度；铝合金薄壁异形件坯料厚度tp与铝合金薄壁异形件厚度tl、根据铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件坯料外表面积Sp、根据铝合金薄壁异形件外形尺寸计算的铝合金薄壁异形件外表面积Sl存在关系：(Sl/Sp×tl)≤tp≤(1.5Sl/Sp×tl)；
(4)根据步骤(3)的铝合金薄壁异形件坯料厚度，确定铝合金薄壁异形件坯料的几何特征，包括坯料圆角特征；确定铝合金薄壁异形件坯料几何特征中，坯料圆角Rp与铝合金薄壁异形件厚度tl存在关系：Rp≥10×tl；
(5)根据步骤(4)确定几何特征后的铝合金薄壁异形件坯料外形尺寸，确定铝合金薄壁异形件坯料材料状态，最终得到铝合金薄壁异形件坯料。
2.根据权利要求1所述的一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，其特征在于：步骤(1)所述的铝合金薄壁异形件结构包括三类：第一类，零件，即铝合金薄壁异形件，高度H与开口尺寸D之比H/D<0.3，厚度偏差△δ≤10％；第二类，零件高度H与开口尺寸D之比H/D≥0.3，厚度偏差10％≤△δ≤30％；第三类，零件高度H与开口尺寸D之比H/D≥0.3，厚度偏差△δ≤10％。
3.根据权利要求2所述的一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，其特征在于：铝合金薄壁异形件坯料形状中，对于第一类铝合金薄壁异形件结构，采用折弯形式的铝合金薄壁异形件坯料。
4.根据权利要求2所述的一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，其特征在于：铝合金薄壁异形件坯料形状中，对于第二类铝合金薄壁异形件结构，采用拉伸形式的铝合金薄壁异形件坯料。
5.根据权利要求2所述的一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，其特征在于：铝合金薄壁异形件坯料形状中，对于第三类铝合金薄壁异形件结构，采用拼焊形式的铝合金薄壁异形件坯料。
6.根据权利要求2所述的一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，其特征在于：选择铝合金薄壁异形件坯料状态：对于第一类铝合金薄壁异形件结构，选择变形铝合金H112状态或O状态。
7.根据权利要求2所述的一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，其特征在于：选择铝合金薄壁异形件坯料状态：对于第二类铝合金薄壁异形件结构，选择变形铝合金O状态。
8.根据权利要求2所述的一种实现工业态板材超塑成形的坯料确定方法，其特征在于：选择铝合金薄壁异形件坯料状态：对于第三类铝合金薄壁异形件结构，选择变形铝合金H112状态或O状态。
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