CN110722043A - 一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置及方法，其中，成形装置包括深冷箱、控制柜、液氮罐、电磁阀组、凸模、凹模、温度探测器和压边装置，凸模、凹模、温度探测器和压边装置设置在深冷箱内，液氮罐与深冷箱连接的管路上设置有电磁阀组，电磁阀组、温度探测器均与控制柜电气连接，压边装置设置为可将板坯压在凸模和凹模之间，深冷箱上设置有箱门。本发明的冷却装置可实现成形过程中温度在0到负180℃范围内的任一温度保持不变，为成形过程提供超低温能场，从而使得铝锂合金薄板的成形能力大幅提升，变形更加均匀，减小了成形过程中的减薄和局部起皱，避免成形过程中构件破裂。

Description

一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置及方法

技术领域

本发明属于板材成形技术领域，具体为一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置及方法。

背景技术

薄壁件制造作为航空制造的六项关键技术之一，一直是航空结构件研究的重点和难点。飞机薄壁构件占整机结构重量50％以上，需要承受复杂载荷作用，并且需要满足可靠性高、寿命长的服役性能要求。对战机而言，性能优异的轻质薄壁件大量运用，能促使飞机巡航距离和挂弹数量进一步提升，提高战机的作战能力，同时民航飞机的减重以克计算的技术指标也对其薄壁件的成形制造提出了极高要求。随着航空大飞机的发展，对于薄壁构件的要求更为严苛、结构变得更为复杂，其薄壁、变曲率与缺陷敏感的特征更为突出，对构件设计和制造提出了极其苛刻要求。其中复杂曲面类薄壁构件整体化、高精度、高性能制造成为如今我国在薄壁件制造领域面临的一大难题，限制了我国航空制造技术的发展。

铝锂合金相比于传统铝合金有更低的密度，更高的比刚度、比强度和抗疲劳性能，同时还具备良好的耐腐蚀和高/低温性能，用其代替常规的高强铝合金可使结构质量减轻10-20％，刚度提高15-20％，被认为是航空薄壁件最理想的制造材料。因此，铝锂合金复杂曲面薄壁构件高精度、高性能制造对于减轻结构重量、提高飞机载重量和航程、提升航空技术水平具有重要意义。但是，铝锂合金薄壁件在成形与热处理过程形成的多尺度微结构，包括晶粒、亚晶组织与残余结晶相及多元析出相，其形态与大小难以控制。此外，增加材料强度和减小密度的主合金元素Li在成形过程易动态析出形成共格δ′相，产生共面滑移导致不均匀变形与局部应力集中。这些原因导致铝锂合金复杂曲面构件在传统成形过程中易起皱、开裂、尺寸精度差且变形控制难，成形困难。

超低温变形是当前备受关注的材料塑性变形新方法，与常规(室温)冷变形相比，超低温变形温度极低，原子处于低能量状态，溶质元素扩散率低，可增大材料加工硬化能力，抑制动态析出，提升材料/构件成形性与变形均匀性；此外，在低温状态下基体变形抗力增大，同时极大程度抑制了合金动态回复，可增大晶内位错密度，为后续强化相的均匀弥散析出提供驱动力。

发明内容

本发明目的在于提供一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置及方法，从而解决上述问题。

为实现上述目的，本发明首先公开了一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，包括深冷箱、控制柜、液氮罐、电磁阀组、凸模、凹模、温度探测器和压边装置，所述凸模、凹模、温度探测器和压边装置设置在所述深冷箱内，所述液氮罐与所述深冷箱连接的管路上设置有电磁阀组，所述电磁阀组、温度探测器均与所述控制柜电气连接，所述压边装置设置为可将板坯压在所述凸模和凹模之间，所述深冷箱上设置有箱门。

进一步的，还包括安装在压机上工作平台上的上模板及安装在所说压机下工作平台上的下模板，所述压边装置包括压边圈、弹簧和卸料螺钉，所述卸料螺钉的下端与所述下模板连接，上端与所述上模板滑接，所述弹簧套接在所述卸料螺钉上且限位于所述上模板和下模板之间。

进一步的，所述卸料螺钉的下端螺纹连接有一调节螺母，所述卸料螺钉位于所述调节螺母上方套接有一垫片，所述弹簧的下端靠接在所述垫片上。

进一步的，所述深冷箱包括安装在压机上工作平台的上深冷箱和安装在所述压机下工作平台的下深冷箱，所述上深冷箱包覆在所述上模板外且设置为可沿着所述下深冷箱内滑动。

进一步的，所述上深冷箱和下深冷箱的壁面上布设有喷头，所述喷头与所述电磁阀组连接，所述喷头从上到下形成分别朝向上模板、板坯和凹模的三层布局。

进一步的，还包括两组对角设置的导向机构，所述导向机构包括导套和导柱，所述导套插接在所述上模板的导向孔内，所述导柱安装在所述下模板上，且所述导柱与所述导套滑接。

进一步的，还包括可焊接在所述板坯侧面的热电偶，所述热电偶与所述控制柜电气连接。

进一步的，所述上模板和凸模之间、所述下模板和凹模之间均设置有定位销。

然后，本发明公开了一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形方法，包括上述方案所述的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，包括如下步骤：

S1，将上模板、下模板固定于压机的上下工作平台，将上深冷箱、下深冷箱安装在压机上，调试冷却装置；

S2，将板坯侧面焊上热电偶，然后在凹模上划线并将板坯放置在指定位置；

S3，用测力扳手旋动调节螺母，调节弹簧的预紧力至预定值；

S4，关闭箱门，开始冷却，电磁阀组控制液氮罐将液氮经管路压入各喷头处，冷却至温度探测器测得箱内温度和热电偶测得板坯温度均到达预定值后保温一段时间；

S5，启动压机，压机上工作平台带动上模板及凸模下压，压边圈先接触板坯，随着上模板继续下压，弹簧被压缩，使得压边圈给板坯开始施加压边力，继续下压时凸模接触板坯开始拉深，同时弹簧不断被压缩，压边力不断变化，压机继续下压直至板坯拉深至预定尺寸；

S6，关闭喷头，压机复位，打开箱门，取出工件。

进一步的，在所述步骤S2中，在凹模和板坯上涂抹超低温润滑脂。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的冷却装置可实现成形过程中温度在0到负180℃范围内的任一温度保持不变，为成形过程提供超低温能场，从而使得铝锂合金薄板的成形能力大幅提升，变形更加均匀，减小了成形过程中的减薄和局部起皱，避免成形过程中构件破裂。深冷箱可跟随压机一起运动，减少与外界的热交换，保证在成形过程中模具与外界隔热。冷却方式采用液氮喷淋，比传统压缩制冷的方式制冷速度更快，制冷温度范围更大，同时液氮作为低温剂绿色环保，方便获取，且能形成一定的低温润滑层。冷却装置通过管路上的压力表和流量计实时检测、记录喷头处的压力和流量，并反馈给相应的控制系统，可根据程序实时控制电磁阀组改变管路压力和液氮流量，还可显示箱体内和板坯温度以及液氮使用情况，通过喷淋流量、压力以及板坯温度情况可以有效控制降温速度和成形过程中的温度。

本发明采用可调变压边力的分块压边结构，而并非是常用的恒压边力整体压边结构。这样的压边结构能有效的控制成形过程金属的流动，使各方向流动更加均匀，从而减小减薄率，提高成形性能和成形质量。本发明采用弹簧施加压边力，同时设有调节螺母用以改变弹簧预紧力从而调整压边力，这种结构使得压边力设置范围较大、成形过程中压边力持续增加以防止局部起皱、结构简单、便于操作。并且本发明可直接装配在普通单动液压机上使用，无需对压机进行改装，使用方便，成本低。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例公开的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置的轴测示意图；

图2是本发明优选实施例公开的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形模具的轴测示意图；

图3是本发明优选实施例公开的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形模具的俯视示意图；

图4是本发明优选实施例公开的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形模具的主视示意图；

图5是2060铝锂合金W态试样在293K与77K下拉伸实验测得的应力应变曲线图。

图例说明：

1、上模板；2、凸模；3、下模板；4、凹模；5、板坯；6、压边圈；6-1、第一压边圈部；6-2、第二压边圈部；6-3、第三压边圈部；7、调节螺母；8、弹簧；8-1、第一弹簧；8-2、第二弹簧；8-3、第三弹簧；9、卸料螺钉；10、导向机构；10-1、导套；10-2、导柱；11、吊耳；12、上深冷箱；13、下深冷箱；14、喷头；15、温度探测器；16、控制柜；17、显示器；18、液氮罐；19、电磁阀组；20、管路；21、垫片；22、下定位销；23、上定位销；24、上内六角螺钉；25、下内六角螺钉。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1-5所示，本发明公开了一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，包括上模板1、下模板3、凸模2、凹模4、导向机构10、吊耳11、分块可调变压边力的压边圈结构和冷却装置。其中，上模板1、下模板3通过T型槽用螺栓分别连接在压机(未示出)的上、下工作平面上，凸模2通过上定位销23和上内六角螺钉24安装在上模板1上，凹模4通过下定位销22和下内六角螺钉25与下模板3定位，其中，上定位销23和下定位销22起到精确定位的作用。同时，下模板3上安装有用于吊装的吊耳11，凸模2和凹模4采用在超低温环境下工作可靠的耐低温的模具钢。

在本实施例中，分块可调变压边力的压边圈结构包括：压边圈6、调节螺母7、垫片21、弹簧8和卸料螺钉9。尺寸规格各不相同的圆柱螺旋形状弹簧(第一弹簧8-1、第二弹簧8-2和第三弹簧8-3)分别连接在上模板1的凹槽与不同部位的压边圈(第一压边圈部6-1、第二压边圈部6-2、第三压边圈部6-3)之间，在行程相同的条件下可以对不同区域提供不同的压边力。调节螺母7上设置有套接在卸料螺钉9上的垫片21，垫片21与弹簧8底端接触，调节螺母7通过螺纹连接在卸料螺钉9上，从而将弹簧8限位。卸料螺钉9上端放置于上模板1的限位孔内，下端通过螺纹连接在压边圈6上，通过旋动调节螺母7改变弹簧8预紧力大小，从而改变该区域压边力大小。

调节螺母7与弹簧8底端接触，通过螺纹连接在卸料螺钉9上，将弹簧8限位。卸料螺钉9上端放置于上模板1的限位孔内，下端通过螺纹连接在压边圈6上，旋动调节螺母7可以改变弹簧8的预紧力至预设值从而调节该区域的压边力。具体的，弹簧8采用耐低温的弹簧钢，从而可以保证弹簧8在超低温环境下可持续可靠工作。

本实施例中，导向机构10由导柱10-2和导套10-1组成，导套10-1通过过盈配合连接于下模板3和上模板1的导向孔内。导柱10-2采用对角布设的方式，从而保证凸模2和凹模4的对中性。具体的，导柱10-2和导套10-1之间设置低温润滑剂，保证导向机构10在超低温环境下的正常工作。

本实施例中，冷却系统包括：上深冷箱12、下深冷箱13、喷头14、温度探测器15控制柜16、显示器17、液氮罐18、电磁阀组19和可耐低温的管路20。下深冷箱13固定于压机的下工作平台上，上深冷箱12与压机上工作平台连接，可跟随压机上工作平台与下深冷箱13相对滑动，以防止压机工作时上、下深冷箱13出现间隙导致内部热量散失，上深冷箱12、下深冷箱13采用不锈钢包裹隔热材料，减轻整体重量并且能有效隔热，下深冷箱13设有箱门，方便取放板坯5。喷头14由上深冷箱12、下深冷箱13凹槽中伸出，保证压机工作过程中喷头14与上深冷箱12不干涉，喷头14分三排，分别正对上模板1、板坯5和凹模4进行降温，由埋在上深冷箱12和下深冷箱13中的管路20相连。电磁阀组19控制液氮罐18(为自增压式)将液氮经管路20压入各喷头14处，管路20连接有压力表和流量计，便于实时检测和记录喷头14的压力和流量，并反馈给相应的控制系统(在控制柜16内)，可根据程序实时改变管路20压力和液氮流量。板坯5侧面焊热电偶，显示器17接收温度探测器15和热电偶信号，显示箱体内和板坯5温度以及液氮使用情况，通过喷淋流量、压力以及板坯5温度情况可以有效控制降温速度和成形过程中的温度。

然后，本发明公开了一种上述铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置的方法(成形方法)，包括以下步骤：

S1，将上模板1、下模板3通过T型槽和螺栓固定于压机的上下工作平台，将上深冷箱12、下深冷箱13安装在压机上，调试冷却装置。

S2，将板坯5侧面焊上热电偶，以测量其温度变化，在凹模4和板坯5上涂抹超低温润滑脂，然后在凹模4上划线并将板坯5放置在指定位置。

S3，用测力扳手旋动调节螺母7，调节弹簧8的预紧力至预定值。

S4，关闭箱门，开始冷却，电磁阀组19控制液氮罐18将液氮经管路20压入各喷头14处，管路20上压力表和流量计记录喷头14的压力和流量并反馈给控制系统，可根据程序实时改变液氮喷淋的压力和流量以控制冷却速度，冷却至温度探测器15测得箱内温度和热电偶测得板坯5温度均到达预定值后保温一段时间。

S5，启动压机，压机的上工作平台带动上模板1及凸模2下压，压边圈6先接触板坯5，随着上模板1继续下压，弹簧8被压缩，使得压边圈6给板坯5开始施加压边力，继续下压时凸模2接触板坯5开始拉深，同时弹簧8不断被压缩，压边力不断变化，压机继续下压直至板坯拉深至预定尺寸，成形结束。

S6，关闭喷头14，压机复位，打开箱门，取出工件。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，其特征在于，包括深冷箱、控制柜(16)、液氮罐(18)、电磁阀组(19)、凸模(2)、凹模(4)、温度探测器(15)和压边装置，所述凸模(2)、凹模(4)、温度探测器(15)和压边装置设置在所述深冷箱内，所述液氮罐(18)与所述深冷箱连接的管路(20)上设置有电磁阀组(19)，所述电磁阀组(19)、温度探测器(15)均与所述控制柜(16)电气连接，所述压边装置设置为可将板坯(5)压在所述凸模(2)和凹模(4)之间，所述深冷箱上设置有箱门。

2.根据权利要求1所述的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，其特征在于，还包括安装在压机上工作平台上的上模板(1)及安装在所说压机下工作平台上的下模板(3)，所述压边装置包括压边圈(6)、弹簧(8)和卸料螺钉(9)，所述卸料螺钉(9)的下端与所述下模板(3)连接，上端与所述上模板(1)滑接，所述弹簧(8)套接在所述卸料螺钉(9)上且限位于所述上模板(1)和下模板(3)之间。

3.根据权利要求2所述的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，其特征在于，所述卸料螺钉(9)的下端螺纹连接有一调节螺母(7)，所述卸料螺钉(9)位于所述调节螺母(7)上方套接有一垫片(21)，所述弹簧(8)的下端靠接在所述垫片(21)上。

4.根据权利要求2-3任一所述的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，其特征在于，所述深冷箱包括安装在压机上工作平台的上深冷箱(12)和安装在所述压机下工作平台的下深冷箱(13)，所述上深冷箱(12)包覆在所述上模板(1)外且设置为可沿着所述下深冷箱(13)内滑动。

5.根据权利要求4所述的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，其特征在于，所述上深冷箱(12)和下深冷箱(13)的壁面上布设有喷头(14)，所述喷头(14)与所述电磁阀组(19)连接，所述喷头(14)从上到下形成分别朝向上模板(1)、板坯(5)和凹模(4)的三层布局。

6.根据权利要求4所述的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，其特征在于，还包括两组对角设置的导向机构(10)，所述导向机构(10)包括导套(10-1)和导柱(10-2)，所述导套(10-1)插接在所述上模板(1)的导向孔内，所述导柱(10-2)安装在所述下模板(3)上，且所述导柱(10-2)与所述导套(10-1)滑接。

7.根据权利要求4所述的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，其特征在于，还包括可焊接在所述板坯(5)侧面的热电偶，所述热电偶与所述控制柜(16)电气连接。

8.根据权利要求4所述的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，其特征在于，所述上模板(1)和凸模(2)之间、所述下模板(3)和凹模(4)之间均设置有定位销。

9.一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形方法，包括上述权利要求1-8任一所述的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1，将上模板(1)、下模板(3)固定于压机的上下工作平台，将上深冷箱(12)、下深冷箱(13)安装在压机上，调试冷却装置；

S2，将板坯(5)侧面焊上热电偶，然后在凹模(4)上划线并将板坯(5)放置在指定位置；

S3，用测力扳手旋动调节螺母(7)，调节弹簧(8)的预紧力至预定值；

S4，关闭箱门，开始冷却，电磁阀组(19)控制液氮罐(18)将液氮经管路(20)压入各喷头(14)处，冷却至温度探测器(15)测得箱内温度和热电偶测得板坯(5)温度均到达预定值后保温一段时间；

S5，启动压机，压机上工作平台带动上模板(1)及凸模(2)下压，压边圈(6)先接触板坯(5)，随着上模板(1)继续下压，弹簧(8)被压缩，使得压边圈(6)给板坯(5)开始施加压边力，继续下压时凸模(2)接触板坯(5)开始拉深，同时弹簧(8)不断被压缩，压边力不断变化，压机继续下压直至板坯(5)拉深至预定尺寸；

S6，关闭喷头(14)，压机复位，打开箱门，取出工件。

10.根据权利要求9所述的铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在凹模(4)和板坯(5)上涂抹超低温润滑脂。

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