CN108284299B - 一种铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法，铝合金复杂构件为薄壁深腔结构，方法包括：步骤一、根据所述铝合金复杂构件的结构特征，将其划分为一个横向连接部以及相对于所述横向连接部非对称分布的两个侧部，将其中一个侧部和所述横向连接部作为一个整体，作为第一基体，而将另一个侧部作为第二基体；步骤二、采用热挤压成型方法制造第一基体；步骤三、采用电弧增材成型方法在所述第一基体之上制造所述第二基体，成型过程中以所述横向连接部作为基础进行电弧增材；步骤四、对步骤三加工得到的构件进行热处理。本发明实现了对铝合金复杂构件的高效、高性能及高精度制造，提高了加工效率，同时极大提高了产品质量性能。
Description
技术领域
本发明属于精密成形加工领域，涉及到一种铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法，它适用于对铝合金复杂构件的高效率、高性能及高精度制造。
背景技术
随着轻量化结构的广泛应用，铝合金复杂结构被广泛采用，且对零件的高性能、高承载、高精度提出了更苛刻的要求，单一的制造技术越来越不能满足高端制造领域日益发展的需求。如采用铸造工艺，存在超重及内部质量差等问题；采用钣焊工艺，存在焊缝多、焊接性能低、质量稳定性差等问题；而采用单一热挤压成形技术无法整体制造铝合金复杂结构，单一的电弧增材技术制造效率低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可提高产品性能和加工效率的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法。
本发明的技术方案为：
一种铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法，所述铝合金复杂构件为薄壁深腔结构，所述方法包括：
步骤一、根据所述铝合金复杂构件的结构特征，将所述铝合金复杂构件划分为一个横向连接部以及相对于所述横向连接部非对称分布的两个侧部，将其中一个侧部和所述横向连接部作为一个整体，作为第一基体，而将另一个侧部作为第二基体；
步骤二、采用热挤压成型方法制造第一基体；
步骤三、采用电弧增材成型方法在所述第一基体之上制造所述第二基体，成型过程中以所述横向连接部作为基础进行电弧增材；
步骤四、对所述步骤三加工得到的构件进行热处理。
优选的是，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法中，所述步骤三中，电弧增材成型速度为4-18mm/s，成形电流设定在50-150A。
优选的是，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法中，所述步骤二中，采用热挤压成型方法制造第一基体，其具体过程包括：
步骤(1)计算所述第一基体的侧壁和所述横向连接部的工艺余量，设计热挤压成型模具，根据所述第一基体的体积和尺寸设计热挤压坯料尺寸；
步骤(2)将所述热挤压成型模具加热至一定温度，将所述热挤压坯料加热至一定温度并保温一段时间，再将所述热挤压坯料置于所述热挤压成型模具中，进行热挤压成型。
优选的是，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法中，所述步骤(2)中，将所述热挤压成型模具置于挤压设备中加热至320-490℃，将所述热挤压坯料置于加热炉中加热至410-480℃并保温1-2h。
优选的是，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法中，所述步骤(2)中，热挤压成型速度为2-6mm/s。
优选的是，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法中，所述步骤四中，热处理温度为200-350℃，保温时间为30-60min；热处理结束后进行冷却。
优选的是，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法，还包括：步骤五、对所述步骤四加工得到的构件进行精加工。
本发明所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法的有益效果为：
相对采用铸造方法，本发明提高了产品内部质量性能；相对采用钣焊方法，本发明解决了多道焊缝质量稳定性差以及零件变形问题；相对采用单一热挤压方法，本发明实现了整体精密成形铝合金复杂结构；相对采用单一电弧增材方法，本发明提高了制造效率。总之，本发明实现了对铝合金复杂构件的高效、高性能及高精度制造，提高了加工效率，同时极大提高了产品质量性能。
附图说明
图1为本发明所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法的工艺流程图；
图2(a)为本发明所述的一个实施例中铝合金复杂构件的结构示意图，图2(b)本发明所述的一个实施例中铝合金复杂构件的翻转一定角度后的结构示意图；
图3为本发明所述的一个实施例中复合制造区域划分示意图；
图4为本发明所述的一个实施例中第一基体的设计图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
请查阅图1，本发明提供了一种铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法，所述铝合金复杂构件为薄壁深腔结构(见图2(a)和图2(b))，所述方法包括：
步骤一、根据所述铝合金复杂构件的结构特征，将所述铝合金复杂构件划分为一个横向连接部1以及相对于所述横向连接部1非对称分布的两个侧部2,3，将其中一个侧部2和所述横向连接部1作为一个整体，作为第一基体4，而将另一个侧部3作为第二基体(见图3)；
步骤二、采用热挤压成型方法制造第一基体4；
步骤三、采用电弧增材成型方法在所述第一基体4之上制造所述第二基体，成型过程中以所述横向连接部作为基础进行电弧增材；
步骤四、对所述步骤三加工得到的构件进行热处理。
本发明根据铝合金复杂构件的结构特征，将其划分为一横向连接部1以及相对于横向连接部1非对称分布的两个侧部2,3，再将其中一个侧部2和横向连接部1作为一个整体，并定义为第一基体4，而将另一个侧部3作为第二基体；针对第一基体采用热挤压成型方法进行制造，再以横向连接部作为基础，在第一基体之上，采用电弧增材制造第二基体，最终对半成品构件进行热处理。其中，在制造第二基体的过程中，电弧增材是横向连接部的另一侧开始逐渐加工形成整个第二基体的，从而使得第二基体与第一基体之间的连接界面5具有良好的连接强度，保持第一基体和第二基体高性能地连接。
本发明采用热挤压成型方法加工结构相对简单的一部分，而采用电弧增材加工结构相对复杂的另一部分，可以提高了加工效率，也解决了单独采用热挤压成型方法无法加工复杂构件的问题。本发明实现了铝合金复杂构件的高效、高性能及高精度制造，提高了复杂产品的质量性能。
本发明有效地保证铝合金复杂构件的加工成形，解决了该类结构精密制造的技术难题。相对单独采用铸造方法，本发明提高了产品内部质量性能；相对单独采用钣焊方法，本发明解决了多道焊缝质量稳定性差以及无法控制零件变形的问题。
在一个实施例中，两个侧部2,3分别具有腔体，两个侧部分布在横向连接部1的两侧，两个腔体连通。
优选地，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法中，所述步骤三中，电弧增材成型速度为4-18mm/s，成形电流设定在50-150A。
采用上述工艺参数在第一基体之上，以横向连接部的另一侧作为基础加工第二基体，可以保证加工出具有高性能的连接界面，从而提高复杂产品的质量性能。
优选地，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法中，所述步骤二中，采用热挤压成型方法制造第一基体4，其具体过程包括：
步骤(1)计算所述第一基体4的侧壁和所述横向连接部1的工艺余量，设计热挤压成型模具，根据所述第一基体的体积和尺寸设计热挤压坯料尺寸；
步骤(2)将所述热挤压成型模具加热至一定温度，将所述热挤压坯料加热至一定温度并保温一段时间，再将所述热挤压坯料置于所述热挤压成型模具中，进行热挤压成型。
其中，在进行热挤压坯料尺寸的设计时，在其底部位置增厚20-50mm，环向位置进行补强设计。
优选地，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法中，所述步骤(2)中，将所述热挤压成型模具置于挤压设备中加热至320-490℃，将所述热挤压坯料置于加热炉中加热至410-480℃并保温1-2h。
热挤压成型模具置于挤压设备中加热，同时预先对热挤压坯料进行加热，以使在正式热挤压阶段热挤压坯料表现出良好的可加工性，同时减少产品的内部缺陷，改善产品的质量性能。
优选地，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法中，所述步骤(2)中，热挤压成型速度为2-6mm/s。
在优选的热挤压成型速度下进行加工，以减少产品的内部缺陷，改善产品的质量性能。
优选地，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法中，所述步骤四中，热处理温度为200-350℃，保温时间为30-60min；热处理结束后进行冷却。
将电弧增材后的构件放入热处理炉内，在上述条件下进行热处理，以释放材料内部的应力，使材料的力学性能更加稳定。热处理结束后采用空冷或随炉冷却方式，最终获得满足性能要求的零件。
优选地，所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法，还包括：步骤五、对所述步骤四加工得到的构件进行精加工。将热处理后的构件按照产品图纸要求进行精加工，使得零件形状尺寸精度控制在0.2-2mm范围内。
以下提供实施例，以进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
以薄壁双侧非对称深腔结构零件为例，其形状尺寸如图2(a)和图2(b)所示，材料为5A06，截面尺寸约为450×550mm，长度约600mm，基本壁厚约3mm。
按如下步骤进行制造：
第一步复合制造总体方案设计：根据薄壁双侧非对称深腔结构零件特征(见图2(a)和图2(b))，制定采用电弧增材与热挤压复合制造方法的总体方案，分别划分出两个侧部2,3以及横向连接部1(见图3)。
第二步热挤压基体设计：根据总体方案，计算得到热挤压基体(即第一基体4)(见图4)在腹板(对应于横向连接部1)以及侧壁的工艺余量，对热挤压基体成形模具进行设计，根据产品体积及尺寸设计热挤压坯料尺寸，第一基体4底部进行了增厚20mm设计，环向位置进行了补强设计。
第三步热挤压基体成形：根据图4所示的5A06热挤压零件设计热挤压成形模具，完成模具制造后，将模具放入挤压设备中并加热至490℃，将5A06坯料分别放入加热炉加热到480℃后，保温约1小时，再将坯料放入模具内，在成形速度为6mm/s内实施坯料热挤压成形，获得满足尺寸精度及性能要求的热挤压基体；
第四步电弧增材：对于电弧增材部位，成形速度设定在18mm/s，成形电流设定在150A范围内进行电弧增材成形，获得连接界面最优工艺参数，实现电弧增材制造材料与挤压成形件界面高性能连接。
第五步热处理：将电弧增材后的零件放入热处理炉内，在350℃保温，保温时间为30min，保温后取出零件，并进行空冷或随炉冷却方式，最终获得满足性能要求的零件。
第六步精加工：将热处理后的零件按照产品图纸要求进行精加工，使得零件形状尺寸精度控制在2mm范围内。
零件的性能：挤压基体(第一基体)部位抗拉强度305MPa，延伸率10％，电弧增材部位(第二基体)抗拉强度295MPa，延伸率10％，第一基体和第二基体之间的连接界面部位抗拉强度285MPa，延伸率10％。
实施例二
以薄壁双侧非对称深腔结构零件为例，其形状尺寸如图2(a)和图2(b)所示，材料为5A06，截面尺寸约为450×550mm，长度约600mm，基本壁厚约3mm。
按如下步骤进行制造：
第一步复合制造总体方案设计：根据薄壁双侧非对称深腔结构零件特征(见图2(a)和图2(b))，制定采用电弧增材与热挤压复合制造方法的总体方案，分别划分出两个侧部2,3以及横向连接部1(见图3)。
第二步热挤压基体设计：根据总体方案，计算得到热挤压基体(即第一基体4)(见图4)在腹板(对应于横向连接部)以及侧壁的工艺余量，对热挤压基体成形模具进行设计，根据产品体积及尺寸设计热挤压坯料尺寸，第一基体底部进行了增厚50mm设计，环向位置进行了补强设计。
第三步热挤压基体成形：根据图4所示的5A06热挤压零件设计热挤压成形模具，完成模具制造后，将模具放入挤压设备中并加热至320℃，将5A06坯料分别放入加热炉加热到410℃后，保温2小时，再将坯料放入模具内，在成形速度为2mm/s内实施坯料热挤压成形，获得满足尺寸精度及性能要求的热挤压基体；
第四步电弧增材：对于电弧增材部位，成形速度设定在4mm/s，成形电流设定在50A范围内进行电弧增材成形，获得连接界面最优工艺参数，实现电弧增材制造材料与挤压成形件界面高性能连接。
第五步热处理：将电弧增材后的零件放入热处理炉内，在200℃保温，保温时间为60min，保温后取出零件，并进行空冷或随炉冷却方式，最终获得满足性能要求的零件。
第六步精加工：将热处理后的零件按照产品图纸要求进行精加工，使得零件形状尺寸精度控制在0.3mm范围内。
零件的性能：挤压基体(第一基体)部位抗拉强度375MPa，延伸率25％，电弧增材部位(第二基体)抗拉强度365MPa，延伸率25％，第一基体和第二基体之间的连接界面部位抗拉强度355MPa，延伸率20％。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (2)
1.一种铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法，其特征在于，所述铝合金复杂构件为薄壁深腔结构，所述方法包括：
步骤一、根据所述铝合金复杂构件的结构特征，将所述铝合金复杂构件划分为一个横向连接部以及相对于所述横向连接部非对称分布的两个侧部，将其中一个侧部和所述横向连接部作为一个整体，作为第一基体，而将另一个侧部作为第二基体；
步骤二、采用热挤压成型方法制造第一基体；
步骤三、采用电弧增材成型方法在所述第一基体之上制造所述第二基体，成型过程中以所述横向连接部作为基础进行电弧增材；
步骤四、对所述步骤三加工得到的构件进行热处理；
所述步骤二中，采用热挤压成型方法制造第一基体，其具体过程包括：
步骤(1)计算所述第一基体的侧壁和所述横向连接部的工艺余量，设计热挤压成型模具，根据所述第一基体的体积和尺寸设计热挤压坯料尺寸；
步骤(2)将所述热挤压成型模具加热至一定温度，将所述热挤压坯料加热至一定温度并保温一段时间，再将所述热挤压坯料置于所述热挤压成型模具中，进行热挤压成型；所述步骤(2)中，将所述热挤压成型模具置于挤压设备中加热至320-490℃，将所述热挤压坯料置于加热炉中加热至410-480℃并保温1-2h；所述步骤(2)中，热挤压成型速度为2-6mm/s；
所述步骤三中，电弧增材成型速度为4-18mm/s，成形电流设定在50-150A；
所述步骤四中，热处理温度为200-350℃，保温时间为30-60min；热处理结束后进行冷却。
2.如权利要求1所述的铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法，其特征在于，还包括：步骤五、对所述步骤四加工得到的构件进行精加工。
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