CN111482515A - 一种高强铝合金圆筒形深冲件模具及配套挤-拉-淬工艺 - Google Patents

一种高强铝合金圆筒形深冲件模具及配套挤-拉-淬工艺 Download PDF

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Abstract

本发明专利涉及高强铝合金成形技术领域，特指一种高强铝合金圆筒形深冲件模具及配套挤‑拉‑淬工艺。本发明以常规拉深模具为载体，辅以挤料环和冷却块部件，并配合相关的工艺控制，可以实现“挤压供料，减薄拉深和淬火强化”三道工序的同步集成。通过挤压工序可以将挤料环处的高温铝合金坯料源源不断地向凹模模腔内供给，避免了常规拉深模具中采用压边圈时会出现料流供给不足现象；采用淬火工序可以提高制件成形完成区域的强度并固化其形状，使得板料的变形集中在温度较高的成形未完成区域，如此避免了材料局部过度减薄以致破裂现象的出现。

Description

一种高强铝合金圆筒形深冲件模具及配套挤-拉-淬工艺
技术领域
本发明专利涉及高强铝合金成形技术领域，一种新型高强铝合金圆筒形深冲件模具及配套挤-拉-淬工艺，属于材料高温成形领域。
背景技术
为应对能源危机，发展先进制造技术以实现构件轻量化，已成为制造领域的研究热点。除了利用全新理念进行结构优化设计外，采用高比强度材料也是实现构件轻量化的有效方法。高强铝合金具有低密度、高比强度/刚度、易连接、耐腐蚀等优良性能，被广泛应用于航空航天领域。采用高强铝合金来制造航空航天构件可以显著降低飞行器整体载重，有效提高其巡航速度、服役周期等关键性能指标。而圆筒形深冲件作为航空航天领域不可或缺的关键零部件，如导弹外壳、燃料箱体等，在满足使用性能前提下，采用高强铝合金代替原始低强度材料进行制造是进行构件减重的有效途径。
深冲件的典型特征在于拉深比较大，这对成形材料的力学性能以及成形工艺都提出了更高的要求。特别对于屈服强度可达500MPa的7xxx系高强铝合金，难以通过常规薄板冷冲压工艺获得满意的深冲件质量(见图1)，其原因如下：①高强铝合金的常温成形性能较差，深冲工艺下的材料减薄极易导致破裂；②为抑制高强铝合金板料的起皱需要较大的压边力，同时会抑制压边处板料流入模腔，容易造成料流供给不足而出现破裂。为此本发明提出了一种新型模具结构和配套挤-拉-淬工艺，旨在解决上述高强铝合金的成形难题。
发明内容
本发明提出了一种新型高强铝合金圆筒形深冲件模具及配套挤-拉-淬工艺，通过独特的模具结构设计，基于铝合金热冲压技术，将“挤压供料、高温成形和淬火强化”三道工序同步集成；通过“挤压供料”增大高温板料的流动性以消除成形过程中可能出现的料流不足现象；通过“高温成形”提高高强铝合金材料的成形性能以成形复杂形状制件；通过“淬火强化”来提高已成形制件区域的强度并固化形状尺寸，避免制件已成形区域进一步减薄而出现破裂。如此解决了高强铝合金常温成形性能差、高温板料在深冲工艺中流动性不好等缺陷，为高强铝合金深冲件的制造提供了一种有效方法。
本发明的技术方案是：模具结构包括上模板、下模板、凸模、凹模、挤料环、定位块、冷却块、用于定位的销钉以及用于紧固的螺钉。其间具体装配关系为：圆柱形定位块通过2个销钉在上模板进行定位，并通过8个螺钉将定位块紧定在上模板上并位于上模板下方；定位块内加工有矩形截面环槽(见图3)和8个导向孔，用于挤料环的定位和导向；挤料环位于矩形截面环槽内并能在环槽内上下自由移动，挤料环受外加载荷驱使可对其正下方的高温铝合金坯料进行挤压；圆柱形凹模位于定位块的正下方，其表面加工有环形定位槽，用于高温铝合金坯料在凹模上的定位；圆柱形冷却块位于凹模的正下方，其内部加工有U型的冷却管道，管道入口固定水管接头，通过软管与外部供水系统相连接；U型的冷却管道通有冷却水，通过冷却圆柱形冷却块间接对高温铝合金制件进行冷却；凹模和冷却块通过2个销钉定位在下方的下模板上，并通过6个螺钉进行紧固；定位块、凹模和冷却块中心都具有通孔，用于凸模和顶杆的上、下自由移动；凸模和顶杆同时受外在载荷驱使，但凸模上的载荷要大于顶杆上的载荷，如此凸模会对其正下方的高温铝合金坯料进行挤压，进而推动顶杆下行，同时对凹模内的铝合金坯料进行拉延。通过上述结构，可以保证高温铝合金坯料的有效定位，挤料环处材料的不断供给，模腔内材料的有效减薄拉深，已成形区域的材料淬火强化和形状固定。
所述的凸模、凹模、顶杆、挤料环和定位块的材料为热导率小于20W/m·K的硬质陶瓷合金材料。因为铝合金的热导率较高，在空气中降温较快。为保证铝合金坯料在成形过程中处于一个较高的温度(大于300℃)，应该避免成形过程中铝合金材料和模具之间的大量热交换。而当成形区域的模具材料热导率较低时，能有效抑制高温铝合金板料的热量向模具体传导，从而有助于减缓成形过程中铝合金材料的温降速率。此外还要求模具材料具有一定的硬度，避免成形过程中模具表面的磨损和破坏，故选择热导率低、硬度高的硬质陶瓷合金材料，如Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷等。
所述冷却块的材料为热导率大于60W/m·K的硬质合金，如HTCS-150S等。因为当铝合金材料流经冷却块时受到挤压变形，材料和冷却块表面接触紧密，故当冷却块材料具有较高的热导率时，能够和高温铝合金材料之间进行有效的接触传热，从而使高温铝合金材料快速降温(温降速率大于30℃/s)，保证了铝合金材料的不脱溶，为后续时效强化获得高强度性能奠定基础。
所述凹模中心为用于凸模下行的通孔，该通孔呈现上大下小的喇叭口形状。该设计的优势有两个：一是使高温铝合金材料在该部位变形时受拉-压应力状态，有助于材料的厚向减薄且不容易在凸模圆角处出现破裂；二是增大了凹模圆角，使得挤料环处的高温材料能够更容易地向凹模内流动。
所述冷却块的中心为用于凸模和顶杆通过的通孔，该通孔直径和凸模外径相比有一定的差值。该处间隙是为了对流经凹模的高温铝合金材料进行二次减薄成形，使得制件的壁厚满足最终质量要求。该差值取决于最终合格制件的壁厚要求，一般可为0.1～10mm。
所述的挤料环、凸模和顶杆上的载荷非恒定，受具体的工艺要求决定。对于不同的高强铝合金材料、加热固溶工艺、最终的制件形状和性能质量要求，不同的坯料尺寸，所采用的挤压、成形和淬火工艺参数都是不相同的。故挤料环、凸模和顶杆上的载荷都必须根据高温铝合金的成形过程而不断改变，以能够保证挤料环下的铝合金坯料能够连续不断地流经凹模和冷却块为准，进行减薄成形和淬火强化。
对于所述的适用于上述高强铝合金圆筒形深冲件模具的挤-拉-淬工艺，为“挤压供料，减薄拉深和淬火强化”三道工序的同步集成，为了保证挤料环下的铝合金坯料能够连续不断地流经凹模和冷却块，进行减薄成形和淬火强化。具体如下：
首先基于铝合金热冲压技术中的加热工艺，将挤压成圆形砚台状的铝合金坯料在高温炉中加热并保温至完全固溶，然后将高温铝合金坯料(仍保持固态形状)移至凹模表面，并通过凹模表面的环形定位槽进行定位，然后进行“挤-拉-淬工艺”。
(1)挤料环首先加载至一定的载荷F1(t0)并维持，用于限制铝合金坯料在挤料环正下方部分向凹模模腔内流动；因为初期模腔内的料流充足且为充分变形，此时不需要挤料环下方的材料流入模腔，故仅仅是采用挤料环压住坯料。同时凸模尾端按载荷曲线F2(t)加载，推动顶杆(顶杆上载荷F3(t))下行，同时拉延铝合金坯料一开始就处于凹模模腔内的部分进行变形；凸模上的载荷F2(t)要大于顶杆上载荷F3(t)，如此可以先对凸模和顶杆之间的坯料进行挤压；在使坯料厚度挤压到一定标准后，凸模推动顶杆下行，带动模腔内的材料进行拉深。
(2)当凸模下行至冷却块附近时，外部供水系统通过软管和管接头向冷却块内通冷却水；冷却水在管道内流动对冷却块进行降温，将其与高温板料接触区域的温度维持在一个较低的水平，故高温铝合金制件的热量会源源不断地传导给冷却块，从而实现高温铝合金制件的快速冷却；一般要求其冷却速率大于30℃/s，才能保证高温铝合金材料在冷却过程中不脱溶。与此同时，因为冷却块附近的铝合金材料已经完成变形，并通过淬火提高了材料强度并固化了形状，故随着凸模下行，材料的变形会主要集中在凹模区域；为了避免凹模区域料流不足而出现材料过度减薄以致破裂，此时挤料环开始增大其上的载荷按F1(t)进行加载，挤压挤料环正下方的铝合金坯料向模腔内流动，对凹模内进行供料。
(3)当挤料圈下的铝合金材料完全经由凹模、冷却块并流出后，高温铝合金经历了挤料环处的挤压变形、凹模处的拉延变形、冷却块处的挤拉变形和淬火强化；若工艺参数设置合适，则材料成形过程中不会出现破裂，且在挤-拉-淬工艺结束后，所得铝合金制件可以具有满意的形状尺寸和相组织。随后根据铝合金热冲压工艺所述进行时效处理，可以提高铝合金深冲件的强度，最终获得高强度铝合金深冲件。
本发明中所述的高强铝合金圆筒形深冲件模具结构是以常规圆筒形件拉深模具为基础。常规圆筒形件拉深模具结构可见中国专利《拉深机构》(专利号：CN201821416199.6)和《拉深冲孔复合模具》(专利号：CN201611191349.3)，其具备凸模、凹模和压边圈等结构，但不具备本专利所述的挤压圈(用于料流供给)和冷却块(用于制件淬火)。
本发明中所述的挤-拉-淬工艺是以铝合金热冲压技术为基础，可见中国专利《一种提高7075铝合金热冲压成形性的热处理方法》(申请号201710586517.7)和《一种轻量化铝合金车身构件的热冲压成形方法》(申请号201810394967.0)。本发明以所述模具结构为基础，针对铝合金热冲压技术中的“成形+淬火”工序提出了改进，通过“挤压供料，减薄拉深和淬火强化”三道工序的同步集成，配合后续时效处理，可制造高强铝合金圆筒形深冲件。
本发明提出了一种新型高强铝合金圆筒形件深冲模具及配套挤-拉-淬工艺。其基于铝合金热冲压技术，通过独特的模具结构和工艺设计，在铝合金材料成形过程中，将“挤压供料、高温成形和淬火强化”三道工序同步集成；解决了高强铝合金常温成形性能差、高温板料在深冲工艺中流动性不好等缺陷，为高强铝合金深冲件的制造提供了一种有效方法。
附图说明
图1为铝合金拉深件的成形缺陷示意图；
图2为高强铝合金圆筒形件深冲模具的装配图；
图3为定位块的结构示意图；
图4为挤料环的结构示意图；
图5为凹模的结构示意图；
图6为冷却块的结构示意图。
附图中：
1-凸模，2-挤料环，3-上模板，4-1#螺钉，5-定位块，6-凹模，7-冷却块，8-管接头，9-下模板，10-密封塞，11-顶杆，12-2#螺钉，13-销钉，14-圆形砚台状的铝合金坯料
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的一种高强铝合金圆筒形件深冲模具作进一步说明。
如图2所示，该模具的主体部分包括：上模板3，下模板9，凸模1，凹模6，顶杆11，定位块5，冷却块7，挤料环2，以及用于定位的销钉13，用于紧固的1#螺钉4和2#螺钉12，用于密封的密封塞10。具体加工和装配方法如下：
(1)通过销钉13将定位块5(图3所示)在上模板3上定位，并通过1#螺钉4将定位块5固定在上模板3上。
(2)将挤料环2(图4所示)穿过定位块5内的导向孔并通过定位块5内矩形界面环槽进行定位。挤料环2能在定位块5内自由上下移动，且挤料环2在后续成形过程中会连接外部压力加载装置并受其驱动。
(3)采用车削加工法将合金材料加工为图6所示的冷却块7的外在形状，然后通过铣削和钻削加工出其内部的U形冷却管道和管道口的螺纹，其中冷却块下端的冷却管道入口需要用密封塞10进行密封。将管接头8接在冷却块7的进、出水口，并通过软管和外部供水系统相连接。
(4)将凹模6(图5所示)和冷却块7通过销钉13在下模板9上进行定位，然后通过2#螺钉12将凹模6和冷却块7固定在下模板9上。
(5)将凸模1穿过定位块5和上模板3的中心孔并与外部压力加载装置相连接，后续受其驱动；将顶杆11穿过凹模6、冷却块7和下模板9的中心孔并与外部压力加载装置相连接，后续受其驱动；
将整体模具结构装配好并与外在压力加载装置、供水系统进行连接后，可以进行高强铝合金圆筒形深冲件的制造。
一个具体的高强铝合金圆筒形深冲件的挤-拉-淬工艺如下：
(1)将直径50mm、厚5～10mm的圆形砚台状的7075铝合金坯料14在高温炉中以480℃进行加热并保温10分钟，使得铝合金坯料充分固溶，形成饱和固溶体；
(2)将高温铝合金坯料快速移至凹模6表面，并通过凹模表面的环形定位槽进行定位；同时模具合模，定位块5和凹模6接触闭合，将铝合金坯料包裹在模具体内；
(3)在外部压力加载装置驱动下，凸模1按载荷曲线F1(t)＝50+10t(注：F1(t)单位：kN，t的单位：s)进行加载并驱动凸模按5mm/s下行，同时挤料环2按F1(t0)＝30kN进行加载并维持，顶杆11按载荷曲线F3(t)＝20kN进行加载并跟随凸模1下行。
(4)在凸模1下行至冷却块7附近时，冷却块7内通冷却水；同时挤料环2开始增大其上的载荷按F1(t)＝30+10t进行加载。
(5)当凸模1带动顶杆11下行并将模腔内所有的铝合金材料都拉出冷却块7后，成形结束。

Claims (8)

1.一种高强铝合金圆筒形深冲件模具，用于高强铝合金圆筒形件的拉深成形，其特征在于：所述模具包括上模板、下模板、凸模、凹模、挤料环、定位块、冷却块和顶杆；圆柱形定位块通过销钉在上模板定位，并通过螺钉将定位块紧定在上模板上并位于上模板下方；定位块内加工有矩形界面环槽和导向孔，用于挤料环的定位和导向；挤料环位于矩形截面环槽内并能在环槽内上下自由移动，挤料环受外加载荷驱使可对其正下方的高温铝合金坯料进行挤压；圆柱形凹模位于定位块的正下方，其表面具有环形定位槽，用于高温铝合金坯料在模面上的定位；圆柱形冷却块位于凹模的正下方，其内部加工有U型的冷却管道，管道入口固定水管接头，通过软管与外部供水系统相连接；U型的冷却管道通有冷却水，通过冷却圆柱形冷却块间接对高温铝合金制件进行冷却；凹模和冷却块通过销钉定位在下方的下模板上，并通过螺钉进行紧固；凸模位于上模板和定位块的中心通孔内，能够自由上下移动；凸模受外在载荷驱使对高温铝合金坯料处于凸模下方的部分进行拉深；顶料杆处于凸模正下方，同时位于凹模、冷却块和下模板的中心通孔内，能够自由上下移动；顶杆受载荷驱动抵抗凸模的下行，用于挤压凸模和顶杆之间的高温铝合金坯料变形。
2.如权利要求1所述的一种高强铝合金圆筒形深冲件模具，其特征在于：所述的凸模、凹模、顶杆、挤料环和定位块的材料为热导率小于20W/m·K的硬质陶瓷合金材料，用于避免成形过程中铝合金材料的快速降温。
3.如权利要求1所述的一种高强铝合金圆筒形深冲件模具，其特征在于：所述的冷却块为热导率大于60W/m·K的硬质合金材料，用于对流经冷却块的高温铝合金材料快速降温，温降速率大于30℃/s。
4.如权利要求1所述的一种高强铝合金圆筒形深冲件模具，其特征在于：所述凹模中心为用于凸模下行的通孔，该通孔呈现上大下小的喇叭口形状，用于模腔内材料的初步减薄，以及挤料环处的材料能够更容易地流入模腔。
5.如权利要求1所述的一种高强铝合金圆筒形深冲件模具，其特征在于：所述冷却块的中心为用于凸模和顶杆通过的通孔，该通孔直径和凸模1外径的差值决定了最终圆筒形件的壁厚，差值为0.1～10mm。
6.如权利要求1所述的一种高强铝合金圆筒形深冲件模具，其特征在于：所述的挤料环、凸模和顶杆上的载荷非恒定，受具体的工艺要求决定，以能保证挤料环下的铝合金坯料能够连续不断地流经凹模和冷却块为准，进行减薄成形和淬火强化。
7.一种采用如权利要求1所述模具实施高强铝合金深冲件的制造方法，挤-拉-淬工艺，其特征在于：将挤压供料、高温成形和淬火强化三道工序同步集成；通过挤压供料工序增大高温板料的流动性以消除成形过程中可能出现的料流不足现象；通过高温成形工序提高高强铝合金材料的成形性能以成形复杂形状制件；通过淬火强化工序来提高已成形制件区域的强度并固化形状尺寸，避免制件已成形区域进一步减薄而出现破裂，具体步骤如下：
(1)高温加热并保温至完全固溶的铝合金坯料被移至凹模，并通过凹模表面的环形定位槽进行定位；
(2)挤料环首先加载至一定的载荷F1(t0)并维持，用于限制铝合金坯料处于挤料环正下方的部分向凹模内流动，同时凸模尾端按载荷曲线F2(t)加载，推动顶杆下行，同时拉延铝合金坯料处于凹模内的部分进行变形；
(3)当凸模下行至冷却块附近时，冷却块内部管道里通冷却水，用于冷却块的温降，进而对凸模和冷却块之间的制件进行冷却；同时挤料环开始增大其上的载荷按F1(t)进行加载，挤压挤料环正下方的铝合金坯料向凹模内流动；
(4)当挤料圈下的铝合金材料完全经由凹模、冷却块并流出后，成形工艺结束。
8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述的铝合金坯料为圆形砚台状。
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