CN111745030B - 一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具及方法 - Google Patents

一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具及方法，属于精密钣金加工技术领域，解决了现有技术加工的零件外形精度控制困难、表面质量差等问题。该气胀气淬成形模具包括气胀下模(1)、气胀上模(4)和气淬模具(5)；板料(3)夹于气胀下模(1)和气胀上模(4)之间，气胀下模(1)设置有进气口(2)，气淬模具(5)内装有气淬氮气(6)。本发明能有效地保证铝合金结构件的精密成形。

Description

一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具及方法
技术领域
本发明属于精密钣金加工技术领域，特别涉及一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具及方法。
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，铝合金结构件零部件产品的整体化、轻量化程度越来越高，制造精度要求也越来越高。在铝合金薄壁产品加工领域，铝合金结构件常用制造方法主要有冷成形和铸造成形两种。由于铝合金延伸率不高、回弹较大，冷成形制备的铝合金结构件容易开裂，产生较大回弹，尺寸精度和型面精度难以保证。铸造成形壁厚较厚，内型面难以进行加工，表面质量不高，减重效果较差。现有铝合金热态气胀成形方法，制造可热处理铝合金后，为了保证铝合金结构件强度，必须进行额外淬火时效处理，现有的淬火处理是将铝合金结构件从模具中取出，然后进行二次加热，再进行水淬。进行二次加热以及水淬两者叠加造成铝合金结构件变形程度大，甚至会造成十几毫米的误差，成形精度难以保障，并且增加工序，使工艺流程时间增加。
发明内容
鉴于以上分析，本发明旨在提供一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具及方法，用以解决现有技术加工的零件外形精度控制困难、表面质量差等问题，能有效地保证铝合金结构件的精密成形。成形出的铝合金钣金结构件零件质量稳定，整体性好，减重效果明显(实现同样结构时不会增加重量)，尺寸精度、型面精度以及表面质量较高，并且成形周期较短，加工成本较低。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具，包括气胀下模、气胀上模和气淬模具；
板料夹于气胀下模和气胀上模之间，气胀下模设置有进气口，气淬模具内装有气淬氮气。
进一步的，板料的厚度为t，0.5mm≤t≤6mm。
进一步的，气胀下模、气胀上模、气淬模具的材料为45#钢或不锈钢。
本发明还提供了一种使用强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具的成形方法，包括以下步骤：
步骤一，将板料夹在气胀下模和气胀上模之间；
步骤二，将气胀下模、气胀上模和板料一同加热至成形温度；
步骤三，通过进气口向气胀下模中通入气体，使板料逐渐贴紧气胀上模；
步骤四，将气胀下模与气淬模具交换位置；
步骤五，将板料从气胀上模快速移入气淬模具中进行气淬。
进一步的，步骤一中板料为可热处理强化铝合金。
进一步的，步骤二的成形温度为495℃～505℃。
进一步的，步骤三中通入的气体为氮气或氩气，气体加载速度为0.01～0.1MPa/min。
进一步的，步骤四中将气胀下模与气淬模具交换位置的时间控制在30s内。
进一步的，步骤五中，将板料从气胀上模快速移入气淬模具中的转移时间Ti≤Te/γ×Th，其中，Th为板料的厚度，单位为mm，Te为环境温度，单位为℃，γ为常数40℃·mm/s。
进一步的，步骤三中，板料贴紧气胀上模后，在最大气压0.1MPa～4MPa条件下，保持10min～60min。
与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：
1)可热处理强化铝合金近锥形薄壁件通过热态气胀成形，可使所成形的可热处理强化铝合金近锥形薄壁件，整体性好，零件尺寸精度、型面精度以及表面质量较高。
2)可热处理强化铝合金近锥形薄壁件在热态气胀成形，通过气体进行淬火，使所成形的可热处理强化铝合金近锥形薄壁件的力学性能较高，提升设计空间，在达到相同强度的情况下减轻结构重量。
3)可热处理强化铝合金近锥形薄壁件在热态气胀成形后，立即通过气体进行淬火，通过模具的设计将成形与淬火合并为一个流程，成形与淬火无缝衔接，不增加额外淬火工序，大幅提升可热处理强化铝合金近锥形薄壁件成形效率，也避免了常规工艺中需要额外淬火时效处理，先将铝合金结构件从模具中取出，然后进行二次加热，再进行水淬这一过程中产生的变形，使得本发明的变形程度远远小于现有技术中的二次加热以及水淬两者叠加造成铝合金结构件变形程度(现有技术甚至会造成几毫米的误差)，成形精度得到了有效保障，同时也缩短了可热处理强化铝合金钣金结构件生产周期。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
图1为可热处理强化铝合金近锥形薄壁件示意图；
图2为可热处理强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具示意图；
图3为可热处理强化铝合金近锥形薄壁件气胀成形示意图；
图4为可热处理强化铝合金近锥形薄壁件气淬示意图。
附图标记：
1-气胀下模；2-进气口；3-板料；4-气胀上模；5-气淬模具；6-氮气。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具及方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具，包括气胀下模1、气胀上模4和气淬模具5；板料3夹于气胀下模1和气胀上模4之间，气胀下模1设置有进气口2，进气口2设置在板料3的下方。近锥形薄壁件的近锥形为外表面带有曲面的锥形件,示例性地，如图1中所示。
气淬模具5内装有气淬氮气6。气淬氮气6的温度在20℃～30℃之间，温度过高会造成冷速不够，无法达到气淬效果。要保证气淬模具5内氮气的温度恒定，示例性的，一种方案可以为：气淬模具5具有顶盖，顶盖与气淬模具5之间滑动连接，顶盖能够将一定温度的氮气密封在气淬模具5的腔体内，当气胀下模1与气淬模具5交换位置时，首先将气淬模具放置于气胀上模4的正下方，然后将顶盖迅速抽出，将板料3从气胀上模4快速移入气淬模具5中，随即滑动顶盖将气淬模具5密封。气淬模具5内设置有热电偶，用于监测气淬模具内氮气的温度，示例性的可采用液氮来调节气淬模具5内氮气的温度。板料3的厚度为t，0.5mm≤t≤6mm。示例性的，气胀下模1、气胀上模4、气淬模具5的材料为45#钢或不锈钢。
成形模具还包括将板料3固定在气胀上模4的固定件，当气胀下模1与气淬模具5交换位置后，取下固定件，将板料3从气胀上模4快速移入气淬模具5中。在本发明的一种实施方式中，固定件由两个半圆环组成，两个半圆环可拼凑成一个整圆环，整圆环的形状与气胀上模4底部形状相匹配；两个半圆环分别有一端可滑动的固定在气胀上模4上，整圆环一方面将板料3固定在气胀上模4上，另一方面起到压边圈的作用，配合气胀上模4压紧板料3，防止板料3成形过程中失稳起皱。当完成气胀成形后，将两个半圆环向两侧滑动拉开，即可将板料3取下。
一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具的成形方法，如图2-图4所示，包括以下步骤：
步骤一，将板料3夹在气胀下模1和气胀上模4之间；
步骤二，将气胀下模1、气胀上模4和板料3一同加热至495℃～505℃；温度过低会造成成形效果差，温度过高会引起材料性能下降；
步骤三，通过进气口2向气胀下模1中通入气体，使板料3逐渐贴紧气胀上模4；
步骤四，将气胀下模1与气淬模具5交换位置；
步骤五，将板料3从气胀上模4快速移入气淬模具5中进行气淬。
采用本发明方法制备的可热处理强化铝合金近锥形薄壁件尺寸精度为可达±0.3mm，型面精度可达±0.5mm，表面粗糙度Ra3.2，本发明方法淬火效果好，近锥形薄壁件强度高，在达到相同强度的情况下，相比于现有制备工艺，本发明近锥形薄壁件结构重量减轻10％以上，加工周期缩短30％以上。
本发明可热处理强化铝合金近锥形薄壁件通过热态气胀成形，可使所成形的可热处理强化铝合金近锥形薄壁件，整体性好，零件尺寸精度、型面精度以及表面质量较高。
可热处理强化铝合金近锥形薄壁件在热态气胀成形，通过气体进行淬火，使所成形的可热处理强化铝合金近锥形薄壁件的力学性能较高，提升设计空间，在达到相同强度的情况下减轻结构重量。
可热处理强化铝合金近锥形薄壁件在热态气胀成形，后立即通过气体进行淬火，通过模具的设计将成形与淬火合并为一个流程，成形与淬火无缝衔接，不增加额外淬火工序，大幅提升可热处理强化铝合金近锥形薄壁件成形效率，也避免了常规工艺中需要额外淬火时效处理，先将铝合金结构件从模具中取出，然后进行二次加热，再进行水淬这一过程中产生的变形，使得本发明的变形程度远远小于现有技术中的二次加热以及水淬两者叠加造成铝合金结构件变形程度(现在技术甚至会造成几毫米的误差)，成形精度得到了有效保障，同时也缩短了可热处理强化铝合金钣金结构件生产周期。
优选的，步骤一中板料3为2A12铝合金等可热处理强化铝合金。
优选的，步骤三中通入的气体为氮气或氩气，气体加载速度为0.01～0.1MPa/min。在此范围内可使得零件壁厚均匀，不会局部破裂。为了保证成形效果，优选的，板料3贴紧气胀上模4后，在温度495℃～505℃，最大气压0.1MPa～4MPa条件下，保持10min～60min。
步骤四中，将气胀下模1与气淬模具5交换位置，时间控制在30s内，可减少热量损失，使得淬火前温度不会大幅降低，从而保证较好淬火效果。示例性的，可采用交替梭车实现气胀下模1与气淬模具5位置的快速交换。
步骤五中，将板料3从气胀上模4快速移入装有气淬氮气6的气淬模具5中，转移时间Ti≤Te/γ×Th，其中，Th为板料3的厚度，单位为mm，Te为环境温度(即大气温度)，单位为℃，γ为常数40℃·mm/s。
优选的，在步骤二中，选取加热至温度为498℃～502℃，可进一步提高可热处理强化铝合金近锥形薄壁件结构强度，结构重量减轻12％以上，对航天产品来说至关重要。
优选的，在步骤四中，总时间须控制在30s内，可进一步提高可热处理强化铝合金钣金结构件结构强度，结构重量减轻15％以上，对航天产品来说至关重要。
优选的，在步骤五中，转移时间Ti＝0.5s≤Te/γ×Th＝1s，板料3厚度为Th，Te为环境温度20℃，γ为常数40(℃·mm/s)，Th的单位为mm，Te的单位为℃，可进一步提高可热处理强化铝合金钣金结构件结构强度，提高5％以上，淬火效果越好，提高结构强度越高，结构重量减轻20％以上，对航天产品来说至关重要。
实施例1
可热处理强化铝合金近锥形薄壁件，如图1所示，零件材料为2A12铝合金，外形为厚度2mm的类似盆形的零件，大端直径600mm，小端直径300mm，高度110mm。
本实施方式的可热处理强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具如图2所示，包括气胀下模1、进气口2、板料3、气胀上模4和气淬模具5，气淬模具5内装有气淬氮气6，板料3的厚度为t＝2mm。气胀下模1、气胀上模4、气淬模具5的材料为45#钢。气胀上模4具有与成形薄壁件外型面匹配的内型面，气胀下模1的型腔可为直径与成形薄壁件端面直径匹配的圆柱形腔体，一侧设有气体入口。
本实施方式的可热处理强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形方法，按如下工艺步骤进行：
步骤一：将板料3夹在气胀下模1和气胀上模4之间，板料3的材料为2A12铝合金；
步骤二，将气胀下模4、气胀上模1和板料3一同加热至成形温度，成形温度为500℃；
步骤三，通过气胀下模进气口2向气胀下模1中通入气体，使板料3逐渐贴紧气胀上模4，气体为氮气，气体加载速度为0.05MPa/min；在温度500℃，最大气压1MPa条件下，保持40min。
步骤四，将气胀下模1与气淬模具5交换位置，总时间须控制在30s内；
步骤五，将板料3从气胀上模4快速移入气淬模具5中，转移时间Ti＝1s，板料3厚度为Th，Te为环境温度20℃，γ为常数40(℃·mm/s)，Th的单位为mm，Te的单位为℃。
实施例2
可热处理强化铝合金近锥形薄壁件，如图1所示，零件材料为2A12铝合金，外形为厚度2mm的类似盆形的零件，大端直径600mm，小端直径300mm，高度110mm。
本实施方式的可热处理强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形方法，按如下工艺步骤进行：
步骤一：将板料3夹在气胀下模1和气胀上模4之间，板料3的材料为2A12铝合金；
步骤二，将气胀下模4、气胀上模1和板料3一同加热至成形温度，成形温度为505℃；
步骤三，通过气胀下模进气口2向气胀下模1中通入气体，气体为氮气，气体加载速度为0.1MPa/min，使板料3逐渐贴紧气胀上模4；然后在温度505℃，最大气压2MPa条件下，保持30min；
步骤四，将气胀下模1与气淬模具5交换位置，总时间须控制在30s内；
步骤五，将板料3从气胀上模4快速移入气淬模具5中，转移时间Ti＝0.5s，板料3厚度为Th，Te为环境温度20℃，γ为常数40(℃·mm/s)，Th的单位为mm，Te的单位为℃。
对比例1
采用现有技术，形成与对比例1强度相当的近锥形薄壁件：对铝合金结构件先进行热态气胀成形，然后将铝合金结构件从模具中取出，进行二次加热，再进行水淬。
表1实施例1与对比例1的近锥形薄壁件参数
Figure BDA0002563313900000091
Figure BDA0002563313900000101
由表1可知，相比于现有技术，采用本发明方法制备的可热处理强化铝合金近锥形薄壁件尺寸精度为±0.3mm，型面精度±0.5mm，表面粗糙度Ra3.2，本发明方法淬火效果好，近锥形薄壁件强度高，在达到相同强度的情况下，相比于现有制备工艺，本发明近锥形薄壁件结构重量减轻20％以上，加工周期缩短30％以上。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种强化铝合金近锥形薄壁件的成形方法，其特征在于，采用气胀气淬成形模具进行，包括以下步骤：
步骤一，将板料(3)夹在气胀下模(1)和气胀上模(4)之间；
步骤二，将气胀下模(1)、气胀上模(4)和板料(3)一同加热至成形温度；
步骤三，通过进气口(2)向气胀下模(1)中通入气体，使板料(3)逐渐贴紧气胀上模(4)；
步骤四，将气胀下模(1)与气淬模具(5)交换位置；
步骤五，将板料(3)从气胀上模(4)快速移入气淬模具(5)中进行气淬；
气淬模具(5)内含有液氮，以使气淬模具(5)内氮气的温度恒定；
所述步骤二的成形温度为498℃～502℃；
所述步骤四中，将气胀下模(1)与气淬模具(5)交换位置的时间控制在30s内；
所述步骤五中，将板料(3)从气胀上模(4)快速移入气淬模具(5)中的转移时间Ti≤Te/γ×Th，其中，Th为板料(3)的厚度，单位为mm，Te为环境温度，单位为℃，γ为常数40℃·mm/s；
所述气胀气淬成形模具包括气胀下模(1)、气胀上模(4)和气淬模具(5)；
板料(3)夹于气胀下模(1)和气胀上模(4)之间，所述气胀下模(1)设置有进气口(2)，所述气淬模具(5)内装有气淬氮气(6)；
所述气淬模具(5)具有顶盖，所述顶盖与所述气淬模具(5)滑动连接，所述气淬模具(5)内氮气的温度恒定；
还包括固定件，固定件由两个半圆环组成，两个半圆环可拼凑成一个整圆环，整圆环的形状与所述气胀上模(4)底部形状相匹配；两个半圆环分别有一端可滑动地固定在所述气胀上模(4)上；
成形后的强化铝合金近锥形薄壁件靠近所述气胀上模(4)。
2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述步骤一中板料(3)为可热处理强化铝合金。
3.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述步骤三中通入的气体为氮气或氩气，气体加载速度为0.01～0.1MPa/min。
4.根据权利要求3所述的成形方法，其特征在于，所述步骤三中，板料(3)贴紧气胀上模(4)后在最大气压0.1MPa～4MPa条件下，保持10min～60min。
5.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述板料(3)的厚度为t，0.5mm≤t≤6mm。
6.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述气胀下模(1)、气胀上模(4)、气淬模具(5)的材料为45#钢或不锈钢。
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