CN108723161B - 一种大型铝合金复杂结构件冷-热顺序耦合成形工艺 - Google Patents

一种大型铝合金复杂结构件冷-热顺序耦合成形工艺 Download PDF

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Abstract

一种大型铝合金复杂结构件冷‑热顺序耦合成形工艺是将充液成形技术与热冲压成形技术进行交叉、融合而衍生出的一种新型成形技术，兼具充液成形与热冲压成形的特点。定义为：上下模具合模，通过调节压边力，使得板料压紧在模具之间。板料在液室高压液体的作用下，贴靠模具型面，完成大部分特征的成形。充液成形后，根据材料热塑性特点，利用加热的活动镶块进行热冲压工艺过程，完成局部特征成形，实现不同部位特征的顺序成形，从而获得最终的产品零件。模具一次安装完成，实现两道成形工序过程，减少了转换模具的耗时，保证了产品零件的整体成形精度要求和外观尺寸精度要求。同时，活动镶块安装方便，易于更换，降低了修模时间，提高了生产效率。该顺序成形工艺技术在成形航空航天、汽车等领域的复杂结构合金件方面具有独特的优势，具有广阔的应用前景。

Description

一种大型铝合金复杂结构件冷-热顺序耦合成形工艺
技术领域
本发明属于金属板材塑性成形技术领域，特别是涉及一种大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺。
背景技术
随着航空航天、汽车等领域高精尖技术的不断涌现以及更加复杂的工作环境，对结构件的使用性能、材料性能以及外形结构的要求越来越高，包括结构轻量化、精品化和整体化要求等。因此拥有优良综合性能的轻质合金得到了广泛应用，同时对合金结构件的尺寸特征、表面质量和精度等级也提出一定要求。
对于大型轻质复杂结构合金件，因为其常温下强度高、塑性差等特点，利用传统落压成形工艺很难一次成形，需要进行多道次辅助成形工艺。同时，利用该工艺不仅使零件成形缺陷产生严重，产品合格率低，而且增加了人力、物力的投入。充液成形技术是采用液体等柔性介质作为施力者，代替刚性凸模或者凹模，使板料在高压液体的压力作用下，贴靠模具从而成形的一种柔性成形技术。因为充液成形技术充分利用了液体的“流体润滑”和“摩擦保持”作用效果，不仅可以提高零件的成形极限、表面质量、尺寸精度，减小回弹量，而且液体介质代替刚性凸模或凹模，减少了模具数量的投入，节省了生产成本。
但是，对于零件上的局部复杂小特征(如小圆角和小凹坑等)，在一定的液室压力下很难成形。为了充分成形局部小特征，仅通过加大液室压力的方式，势必会加大设备吨位的累积。同时在较低的液室压力条件下，零件的大部分特征已经成形充分，增大设备吨位对改善零件整体成形质量也没有显著改善。在高温环境中，材料的塑性和延展性会显著提高，通过局部冲压成形即可产生很大的变形量，从而充分填充局部小特征。因此为了减少设备吨位的增加，同时改善材料流动状态，顺应不同部位材料的变形先后顺序，从而实现工艺过程的连续性，提出了一种冷-热顺序耦合成形工艺，即充液成形与热冲压成形相结合的复合成形工艺。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种不用增加多步成形工序，不需增加设备吨位，在一套成形设备上即可完成大型铝合金复杂结构件上所有结构特征的冷-热顺序耦合成形工艺。
为了达到上述目的，本发明提供的一种大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺按顺序包括如下步骤：
1)将成形模具通过T形螺钉与液压机工作台上的梯形槽链接进行固定，通过反复调试液压机保证工作状态稳定。调试完成后，对模具的型面进行清理防止遗留在模具上的固体颗粒等杂质，在成形过程中刮伤零件表面。
2)将板料放置在下模上，通过板料的形状尺寸与下模进行定位。拉延筋设置在下模外侧，控制拉延筋的截面形状从而控制板料的流动情况，密封圈安装在下模的内侧，采用O型密封圈，防止液体泄漏，从而保持液室压力稳定。
3)上模按照设定的运行速度下行，进行合模。上模采用整体式结构，上模同时兼具凸模和压边圈的作用效果，通过调节压边力将板料压紧在上下模之间。合模以后，通过下模中的通油口向下模液室内按照优化的液室加载路径进行加载。高压液体从通油口流出作用在板料的下部，板料在高压液体作用下发生弹塑性变形，贴靠上模，实现复杂结构件大部分特征尺寸的成形以及局部小特征的部分成形。
4)上模的底部型面对应零件局部小特征处有刚性活动镶块，镶块连接顶出缸。活动镶块中安装有加热管或加热丝等加热单元。当复杂结构件大部分特征结构已成形充分，操控加热控制系统(加热炉、温控仪等)实现加热单元的温度调节，从而控制活动镶块的温度。然后顶出缸带动活动镶块向下运动，拉延局部小特征，实现局部特征的热冲压成形，从而实现大型铝合金复杂结构件的整体精确成形。
5)卸载流体压力，顶出缸后退，带动活动镶块复位，上模上行开模，取出零件，加工完成。
本发明提供的一种大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺是将充液成形技术与热冲压成形技术进行交叉、融合而衍生出的一种新型成形技术。该技术是依据航空航天、汽车、国防工业等领域中轻质复杂结构合金件的结构特点，为了改善加工路径、提高产品成形质量，而研发出的一种顺序耦合成形工艺也即是一种复合成形工艺。该工艺兼具充液成形与热冲压成形各自的优点。首先，利用充液成形可以提高坯料成形极限、产品表面质量好、壁厚分布均匀、回弹量小的优势，获得优良的表面质量的轻质复杂结构合金件的大部分特征。然后，利用高温下材料具有优良的塑性及变形流动性的特点，在模具结构上考虑可以加热的局部活动镶块，在成形后期通过加热活动镶块，对坯料进行局部热冲压成形，实现局部难成形小特征(小圆角、小凹坑等)的最终成形。通过不同部位的顺序成形过程，实现产品加工的连续性与整体性，保证了零件的整体性能，提高了产品的使用率。
本发明提供的支撑成形大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺的成形设备，可以充分实现该顺序耦合成形过程。首先，利用充液成形工艺获得复杂结构件上的大部分结构特征，然后加热的活动镶块运动完成热冲压工艺过程，实现局部难变形特征的最终成形，也即是一种不同结构的顺序变形。充液成形过程因为省去了凹模，从而减少了设备的投入，降低了生产成本。热冲压成形局部小特征，省去了因为加大液室压力而增加设备吨位的负担，只需要利用活动的加热镶块即可完成最终成形，从而减少模具的数量以及设备吨位，提高了生产效率。上模中的局部活动镶块形式，提高了模具的加工适应性，便于模具的维修与拆换。
附图说明
图1为本发明提供的大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺原理示意图。
图2为本发明提供的大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺充液成形阶段示意图。
图3为本发明提供的大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺局部热冲压成形阶段示意图。
图中：1-上模，2-O型密封圈，3-拉延筋，4-下模，5-通油口，6-下模液室，7-板料，8-加热单元，9-顶出缸，10-活动镶块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的成形大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺进行详细说明。
如图1—图3所示，本发明提供的成形大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺包括按照顺序进行的下列步骤：
1)将成形模具通过T形螺钉与液压机工作台上的梯形槽链接进行固定，通过反复调试液压机保证工作状态稳定。调试完成后，对模具的型面进行清理防止遗留在模具上的固体颗粒等杂质，在成形过程中刮伤零件表面。
2)将厚度为1mm的铝合金AA6016板料7放置在下模4上，通过板料7的形状尺寸与下模4进行定位。此时下模液室6已充满液体，压力值P为0。拉延筋3设置在下模4外侧，控制拉延筋3的截面形状从而控制板料7的流动情况，O型密封圈2安装在下模4的内侧，防止液体泄漏，从而保持液室压力稳定。
3)上模1按照设定的运行速度下行，进行合模。因为采用主动式充液成形工艺，所以上模1采用整体式结构，上模1同时兼具凸模和压边圈的作用效果，通过调节压边力将板料7压紧在上模1和下模4之间。合模以后，通过下模4中的通油口5向下模液室6内按照优化的液室加载路径进行加载，液室压力的最终值为P。高压液体从通油口4流出作用在板料7的下部，板料7在高压液体作用下发生弹塑性变形，贴靠上模1，实现复杂结构件大部分特征尺寸的成形以及局部小特征的部分成形。
4)上模1的底部型面对应零件局部小特征处有刚性活动镶块10，镶块10连接顶出缸9，通过顶出缸9的往复运动带动活动镶块10实现顶出与复位。活动镶块10中安装有加热管或加热丝等加热单元8。当复杂结构件大部分特征结构已成形充分，操控加热控制系统(加热炉、温控仪等)实现加热单元8的温度调节，从而控制活动镶块10的温度，该温度范围内铝合金具有良好的塑性。然后顶出缸9带动活动镶块10向下运动，拉延局部小特征，实现局部特征的热冲压成形。因为高温环境下，材料的塑性和流动性能得到很大改善，可以使局部小特征成形到位，从而实现大型铝合金复杂结构件的整体精确成形。
5)卸载流体压力，顶出缸9后退，带动活动镶块10复位，上模1上行开模，取出零件，加工完成。

Claims (5)

1.一种成形大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺，其特征在于：所述的成形大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺包括按顺序进行的下列步骤：
1)将成形模具通过T形螺钉与液压机工作台上的梯形槽链接进行固定，通过反复调试液压机保证工作状态稳定，调试完成后，对模具的型面进行清理防止遗留在模具上的固体颗粒杂质，在成形过程中刮伤零件表面；
2)板料(7)放置在下模(4)上，通过板料的形状尺寸与下模进行定位，此时下模液室(6)已充满液体，压力值P为0，拉延筋(3)设置在下模外侧，控制拉延筋(3)的截面形状从而控制板料的流动情况，O型密封圈(2)安装在下模(4)的内侧，防止液体泄漏，从而保持液室压力稳定；
3)上模(1)按照设定的运行速度下行，进行合模，因为采用主动式充液成形工艺，所以上模(1)采用整体式结构，上模(1)同时兼具凸模和压边圈的作用效果，通过调节压边力将板料(7)压紧在上模(1)和下模(4)之间，合模以后，通过下模(4)中的通油口(5)向下模液室(6)内按照优化的液室加载路径进行加载，液室压力的最终值为P，高压液体从通油口(5)流出作用在板料(7)的下部，板料(7)在高压液体作用下发生弹塑性变形，贴靠上模(1)，实现复杂结构件大部分特征尺寸的成形以及局部小特征的部分成形；
4)上模(1)的底部型面对应零件局部小特征处有刚性活动镶块(10)，镶块(10)连接顶出缸(9)，通过顶出缸(9)的往复运动带动活动镶块(10)实现顶出与复位，活动镶块(10)中安装有加热管或加热丝加热单元(8)，当复杂结构件大部分特征结构已成形充分，操控加热控制系统实现加热单元(8)的温度调节，从而控制活动镶块(10)的温度，该温度范围内铝合金具有良好的塑性，然后顶出缸(9)带动活动镶块(10)向下运动，拉延局部小特征，实现局部特征的热冲压成形，因为高温环境下，材料的塑性和流动性能得到很大改善，可以使局部小特征成形到位，从而实现大型铝合金复杂结构件的整体精确成形；
5)卸载流体压力，顶出缸(9)后退，带动活动镶块(10)复位，上模(1)上行开模，取出零件，加工完成。
2.根据权利要求1所述的成形大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺，其特征在于：不仅充分利用了充液成形可以提高坯料成形极限、产品表面质量好、壁厚分布均匀、回弹量小的优势，获得表面质量良好的轻质复杂结构合金件的大部分特征，同时，利用了高温下材料具有优良的塑性及变形流动性的特点，适于成形局部难变形的小特征。
3.根据权利要求1所述的成形大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺，其特征在于：整套模具实现了充液成形与局部热冲压成形两种工序，减少了换装模具的环节，保证了成形过程的连续性与一致性，提高了产品的最终精度要求。
4.根据权利要求1所述的成形大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺，其特征在于：利用高温活动镶块热冲压的方式成形局部难成形结构，这种可换式模具结构，方便后续修模，提高了模具的使用效率，同时，上下模具的局部配合通过调试活动镶块，减少了整体模具的调试时间，降低了研配难度，提高了生产效率。
5.根据权利要求1所述的成形大型铝合金复杂结构件的冷-热顺序耦合成形工艺，其特征在于：利用小的液室压力成形大部分特征结束后，根据材料的热塑性，只需局部活动镶块的热冲压动作，即可完成局部难变形特征的成形，减少了设备吨位，节省了生产成本。
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