CN111790765B - 铝合金制零件的制造方法和制造设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的铝合金制零件的制造方法在对于热处理型铝合金挤压材实施塑性加工而制造铝合金制构件时，与含有固溶处理或回归处理的方法相比，以更低成本，防止塑性加工时的裂纹的发生。制造设备包括：对热处理型铝合金进行热挤压加工的挤压机装置(11)；配置在挤压机装置(11)的输出侧，将挤压材(17)切断为规定长度而从挤压机装置(11)切离的切断装置(13)；并设于挤压机装置(11)的搬送装置(14)以及塑性加工装置(15)。搬送装置(14)将被切断装置(13)而切断成规定长度的挤压材(17a)搬送至塑性加工装置(15)，塑性加工装置(15)对被搬送装置(14)搬送来的挤压材(17a)实施塑性加工而成形为铝合金制零件。

Description

铝合金制零件的制造方法和制造设备
技术领域
本发明涉及对热处理型铝合金挤压材实施塑性加工而制造铝合金制零件的方法，以及适于实施该方法的制造设备。
背景技术
近年来，随着汽车的碰撞安全和行人保护相关的标准强化，要求碰撞保护构件(保险杠加强件等)和车身骨架等的汽车零件的高强度化。另一方面，为了运动性能提高和燃油效率提高，要求汽车零件的轻量化。因此，作为这些汽车零件的原材，出于兼备高强度化和轻量化的目的，而使用热处理型铝合金的挤压材，从确保设计自由度和削减零件件数的观点出发，有实施弯曲和压溃等的塑性加工的情况。
参照图2的示意图，按工序顺序说明现有的铝合金制构件(例如设想为保险杠加强件)的制造方法和制造设备的一例。
(1)热挤压
将加热到可进行挤压加工的温度的铝合金的坯料2，收纳在挤压机装置1的挤压筒3内，使挤压杆4前进，通过压模5向前方挤出。作为汽车用的铝合金制零件(碰撞保护构件和车身骨架等)的材料，多使用6000系或7000系的热处理型铝合金。
(2)冷却
从挤压机装置1被挤出的挤压材6在工作台7上移动，这时由冷却装置8(风扇空冷或水冷装置)对挤压材6进行冷却淬火。挤压材6的冷却，在挤出之后(距压模5的出口0.5～1.5m的附近)随即开始。热处理型铝合金，一般合金成分多，越为高强度，淬火敏感性越高，因此需要急速冷却。
被冷却后的挤压材6被存放在工作台7上。另外，也有将挤压材6从工作台7移至其他保管场所的情况。
(3)拉伸
挤压材6的长度一般为30～50m，为长条状。挤压材6在切断前由矫直机(未图示)进行拉伸矫直。
(4)切断
将长条的挤压材6送至固定式的切断机(只显示作为切断工具的圆锯9)，切断成规定长度(与1个铝合金制零件相对应的长度)。被切断的挤压材汇集成批量单位而搬送至塑性加工装置(含压弯机和压溃机)。
(5)弯曲加工
如果是保险杠加强件的情况，多对两端部进行弯曲加工。在进行拉弯加工时，能够省略所述拉伸。
(6)软化热处理
对于挤压材赋予端部的压溃等大的塑性应变时，为了防止加工时的裂纹，根据需要，进行固溶化热处理和回归处理(参照专利文献1)，取消通过自然时效进行的硬化。
(7)压溃加工
为了设计上的必要性和防止与其他零件发生干扰，对挤压材的长度方向的一部分区域实施压溃加工，改变同区域的截面形状。也有取代进行软化热处理，在压溃加工中进行温压加工或热压加工的情况。
(8)人工时效处理
对塑性加工后的挤压材(铝合金制零件)实施人工时效处理，使材料强度提高。在重视强度提高时，适宜选择T5处理(通常的时效处理)，在重视避免应力腐蚀开裂时，适宜选择T7处理(过时效处理)。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本专利第5671422号公报
作为铝合金制零件(碰撞保护构件和车身骨架等)的原材，一般使用6000系和7000系铝合金挤压材。这些热处理型铝合金，随着挤压后的时间经过，自然时效也一起进行，强度增加而延伸率降低。在现有的制造工序中，挤压出30～50m左右的长条的挤压材后，存放在工作台上或其他的保管场所，经过适当期间后，将所述挤压材切断成规定长度(与1个铝合金制零件相对应的长度)，将被切断的挤压材汇集成批量单位而送至塑性加工装置，实施塑性加工。因此，对挤压材进行弯曲、压溃、剪断(冲孔等)、冲缘加工、型锻以及其他的压力成形等的塑性加工时，存在如下的问题：自然时效进行而材料的延伸率降低，在实施伴有大幅变形的塑性加工后，挤压材会发生断裂和裂纹。另外还存在如下的问题：由于自然时效的进行的差异引起的材料屈服强度的增量差异，导致回弹量发生偏差，尺寸精度恶化。铝合金越是高强度材料，这些问题越容易发生。
为了解决上述问题，需要在对于挤压材实施塑性加工之前，取消通过自然时效进行的硬化，使挤压材的屈服强度降低，使延伸率增加。取消通过自然时效进行的挤压材的硬化时，考虑进行前述的固溶处理或回归处理，但在这些方法中，需要在即将塑性加工之前对挤压材进行再加热和冷却，产生因热处理设备的投资和工时追加造成的成本增加的问题。
如果是淬火敏感性高的铝合金的情况，为了确保人工时效处理中充分的硬化量，则需要在挤压后进行急冷。但是，例如是具有中空截面并在内部具有1个以上的内加强筋的挤压材时，则没有被从外周直接冷却的内加强筋的温度降低缓慢而淬火不充分，有人工时效处理后得不到规定强度的问题。另外，也有因冷却时的截面的温度分布的不均匀引起的热收缩差，导致冷却后的挤压材的变形变大的问题。
发明内容
本发明的目的在于，在对热处理型铝合金挤压材实施塑性加工制造铝合金制构件时，与包含固溶处理或回归处理的方法相比，以更低成本，防止塑性加工时的裂纹的发生。
本发明的另一目的在于，在所述热处理型铝合金挤压材具有中空截面并在内部具有1个以上的内加强筋时，抑制冷却后的挤压材的变形，并且使内加强筋在人工时效处理后的强度提高。
本发明的铝合金制零件的制造方法，其特征在于，通过挤压机装置对热处理型铝合金进行热挤压加工，对从压模挤出并移动到前方的挤压材进行冷却，并且切断为规定长度，将切断后的挤压材朝向塑性加工装置搬送，在挤压材的屈服强度因自然时效而增加而超过120MPa之前实施塑性加工，接着对挤压材实施人工时效处理。
在上述制造方法中，从压模挤出后的挤压材，在向前方移动中通过自然空冷或强制冷却(风扇空冷、水冷)而被冷却。在挤压材具有中空截面并在截面内具有1个以上的内加强筋时，优选从前方向着从压模挤出并移动到前方的挤压材的截面内部插入喷嘴，从所述喷嘴喷射制冷剂，从内面侧也对挤压材进行冷却。
本发明的铝合金制零件的制造设备，是适用于实施上述制造方法的设备，其特征在于，包括：挤压机装置，其对热处理型铝合金进行热挤压加工；切断装置，其配置于所述挤压机装置的输出侧，将挤压材切断成规定长度而将其从所述挤压机装置切离；并设于所述挤压机装置的搬送装置和塑性加工装置，所述切断装置具备以与所述挤压材的挤压速度相同的速度向前方移动的切断工具，所述搬送装置将被所述切断装置切断为规定长度的挤压材搬送至所述塑性加工装置，所述塑性加工装置对被所述搬送装置搬送来的挤压材实施塑性加工而成形为铝合金制零件。
在上述制造设备中，优选在所述挤压机的输出侧配置冷却装置。该冷却装置对被从压模挤出而移动的挤压材实施强制冷却(风扇空冷、水冷)。在挤压材有中空截面并在截面内具有1个以上的内加强筋时，优选为所述冷却装置包含喷射制冷剂的喷嘴。所述喷嘴可以沿着挤压方向进退，能够从前方插入到挤压材的截面内部，从内面侧冷却挤压材。
发明效果
在本发明的铝合金制零件的制造方法中，被从挤压机挤出而向前方移动的挤压材，不会存放在工作台上或其他的保管场所，而是当时就会将其切断成规定长度搬送至塑性加工装置，在自然时效进行之前(屈服强度没超过120MPa时)实施塑性加工。因此，即使在塑性加工前不进行固溶处理或回归处理，也能够在维持低屈服强度和高延伸率的状态下进行各种塑性加工，塑性加工时难以发生裂纹。根据该制造方法，不需要进行固溶处理或回归处理，另外，由于塑性加工时的屈服强度低，所以回弹量小，能够以低成本制造高精度的铝合金制零件。另外，由于能够降低伴随挤压加工的残余应力，因此，即使是高强度的7000系铝合金制构件，也能够提高耐应力腐蚀开裂性。
被从压模挤出后的热处理型铝合金挤压材，通过自然空冷或强制冷却(风扇空冷、水冷)被淬火。在挤压材有中空截面并在截面内有内加强筋时，作为冷却手段，通过并用喷射制冷剂的喷嘴，由此不仅从截面的外侧冷却挤压材，也从内侧进行冷却，从而能够缩小冷却过程中的截面整体的温差。其结果是，因冷却时的热收缩引起的挤压材的变形得到抑制，截面内的温度历程差异变小，时效处理后的材料特性在截面内均匀化。另外，通过并用所述喷嘴，挤压材的冷却速度变大，即使是淬火敏感性高的例如高强度的7000系铝合金，也可以淬火，能够期待时效处理后的强度提高量的增加。
附图说明
图1是说明本发明的铝合金制零件的制造方法和制造设备的一例的示意图。
图2是说明现有的铝合金制零件的制造方法和制造设备的一例的示意图。
【符号说明】
11 挤压机装置
12 冷却装置
13 切断装置
14 搬送装置
15 塑性加工装置
16 工作台
17，17a 挤压材
18 冷却用喷嘴
21 切断工具(圆锯)
22 夹具构件
具体实施方式
以下，参照图1的示意图说明本发明的铝合金制零件的制造方法和制造设备的一例。
图1所示的制造设备具备：挤压机装置11；配置在挤压机装置11的输出侧的冷却装置12和切断装置13；并设于挤压机装置11的搬送装置14和塑性加工装置15。
挤压机装置11相对于现有例没有改变，对热处理型铝合金进行热挤压加工。作为热处理型铝合金，可列举JIS(Japanese Industrial Standards)所规定或AA(AluminumAssociation)所登记的2000系、6000系、7000系铝合金。
冷却装置12包括风扇空冷装置或水冷装置中的至少一个，对被从挤压机装置11的压模挤出而在工作台16上向前方移动的挤压材17进行强制冷却，并淬火。另外，该冷却装置12含有喷射制冷剂(例如，空气或冷却液)的喷嘴18。喷嘴18被支承机构19支承，可以沿着挤压方向进退，后端(图1中为右端)连接于未图示的制冷剂供给机构。还有，热处理型铝合金的淬火敏感性低，挤压材17仅通过自然空冷就能够充分淬火时，不需要设置冷却装置12。另外，挤压材1 7仅通过风扇空冷装置或水冷装置就能够充分淬火时，不需要设置喷嘴18。
冷却装置12在挤压材17仅通过自然空冷不能淬火时使用。另外，喷嘴18在热处理型铝合金的淬火敏感性高时，根据需要与所述风扇空冷装置或水冷装置一起使用，特别是挤压材17具有中空截面，在其截面内具有1个以上的内加强筋时适于使用。喷嘴18从前方侧插入到被从挤压机装置11的压模挤出而向前方移动的挤压材17的所述中空截面内，从喷射口将制冷剂喷射到中空截面内，从内侧冷却挤压材17，冷却结束后，从中空截面内拔出。为了从中空截面的内侧均等地冷却挤压材17，也能够一边喷射制冷剂，一边使喷嘴18沿中空截面的内外进出。
在冷却装置12中，通过并用所述风扇空冷装置或水冷装置和喷嘴18，从挤压材17的内外双方进行冷却，能够减小冷却过程中挤压材17的截面整体的温差和温度历程差异。其结果是，因冷却时的热收缩引起的挤压材17的变形得到抑制，并且时效处理后的材料特性在截面内均匀化。另外，挤压材17的冷却速度变大，即使是淬火敏感性高的例如高强度的7000系铝合金，也可以进行包括内加强筋在内的截面整体的淬火。此外，由于可以实现与现有相比高的冷却速度，因此可控制的冷却速度的范围扩大，在人工时效处理中析出物的尺寸和分布的控制范围扩展，由此能够期待时效处理后的材料强度的提高和耐应力腐蚀开裂性的提高。
切断装置13具备切断工具21(此例中为圆锯)和一对夹具构件22、22。另外，切断装置13具备：使切断工具21运转(旋转)的驱动机构(驱动电机)；使夹具构件22、22运转的驱动机构；使切断工具21和夹具构件22、22沿着挤压方向朝向前方或后方移动的进退机构(各机构均未图示)等。切断工具21，夹具构件22、22及所述各机构，例如设置于工作台16的上部。
切断工具21，例如也可以是链锯等其他的工具。夹具构件22、22配置在切断工具21的前后方向的接近位置，把持被从压模挤出并向前方移动的挤压材17的切断位置的前后位置(把持位置)，将挤压材17相对于切断工具21进行定位。切断工具21和把持挤压材17的夹具构件22、22，以与挤压机装置11的挤压速度(挤压材17的移动速度)相同的速度向前方移动，在此过程中切断工具21运转而切断挤压材17。所述切断位置设定在切断后的挤压材17(作为17a)的长度达到规定长度(与1个铝合金制零件相对应的长度)的位置。该规定长度与最终得到的铝合金制零件的沿挤压方向的长度相同，或考虑到拉伸的把持量等而设定得稍大。
夹具构件22、22以在刚完成挤压后的位置(距挤压机11的压模出口向前方0.5～1.5m的附近)把持挤压材17的方式设定。因此，在夹具构件22、22把持住挤压材17的时刻，所述切断位置和把持位置为高温状态的可能性高。为了防止因高温而软化的挤压材17在切断时发生变形，优选夹具构件22、22或切断工具21中的至少一个，含有冷却挤压材17的所述切断位置和把持位置的冷却机构(空冷或水冷)。
还有，由冷却装置12进行的挤压材17的冷却，与由切断装置13进行的挤压材17的切断并列进行。但是，由冷却装置12进行的冷却和由切断装置13进行的切断的开始和结束的时刻无需一致。
在切断装置13中，一对夹具构件22、22，和使夹具构件22、22运转的驱动机构以及使夹具构件22、22沿着挤压方向朝着前方或后方移动的进退机构，能够根据需要，作为切断和冷却后的挤压材17a的矫直机发挥功能。以夹具构件22、22把持挤压材17a的两端，通过扩大夹具构件22、22的间隔，从而能够对切断后的挤压材17a进行拉伸矫直。
还有，替代使切断装置13作为矫直机发挥功能，也能够根据需要，将专用的矫直机23配置在切断装置13的附近，对切断后的挤压材17a进行拉伸矫直。另外，在后述的塑性加工装置15中进行拉弯时，因为在拉弯的过程中对挤压材17a进行拉伸矫直，所以不需要利用夹具构件22、22或矫直机23进行事前的拉伸矫直。
如上述，通过将刚完成挤压后的挤压材17切断为规定长度，并且并列进行冷却和切断，由此不需要现有的这种巨大的工作台7(参照图2)。图1所示的工作台16的前后方向长度为10m以下就足够了。另外，切断后的挤压材17a一般为短条(最大也在5m以下)，因此即使包含搬送装置14和塑性加工装置15，也能够减小制造设备的占地面积。
搬送装置14把持被切断后的挤压材17a，朝向塑性加工装置15搬送。如前述，因为挤压材17a一般为短条，所以如图1所示，例如能够使用具备夹钳的机械臂，从这一点出发，也能够减小制造设备的占地面积。
塑性加工装置15，对于挤压材17a，以冷态实施弯曲、压溃、剪断(例如冲孔)、冲缘加工、型锻和其他的压力成形等中的一种以上的塑性加工。对应铝合金制零件的种类(对挤压材17a应该实施的塑性加工的种类)，在塑性加工装置15中配置所需要的压力装置等。铝合金制零件例如是保险杠加强件，对挤压材17a的两端部实施弯曲加工，接着对纵长方向的一部分实施压溃加工时，在塑性加工装置15中，包括压弯机和压溃机。
由热处理型铝合金构成的挤压材17(17a)，从刚完成冷却后自然时效开始，随着时间经过，屈服强度逐渐增加，但使塑性加工在挤压材17a的屈服强度(0.2％屈服强度)增加而超过120MPa之前完成。根据图1所示的制造方法和制造设备，被从挤压机装置11挤出而向前方移动的挤压材17，不存放于工作台上或其他的保管场所，而是当时就切断成规定长度，由搬送装置14搬送至塑性加工装置15。因此，对于挤压材17a，能够在冷却后以短时间(屈服强度没有超过120MPa之前)实施塑性加工。因此，不用像现有那样进行在塑性加工之前进行的固溶处理或回归处理等的再加热处理。
自然时效几乎未进行的挤压材17a，塑性加工时的屈服强度小，延伸率也大，由此，即使是实施严苛的塑性加工(例如压溃)时，也可抑制断裂和裂纹的发生，另外，回弹量小，能够制造高精度的铝合金制零件。此外，由于塑性加工时的屈服强度小，从而能够减小由塑性加工而附加于挤压材17a(铝合金制零件)的残余应力，使耐应力腐蚀开裂性提高。塑性加工时的120MPa的屈服强度，是以上的效果发生作为基准的数值(参照专利文献1)。
还有，在上述塑性加工中，为了更确实地防止断裂和裂纹，也能够使用装备有加热装置的挤压模具，例如在150～300℃的温度范围进行温压加工或热压加工。这时，通过控制挤压材17的挤压温度，和从刚完成挤压后进行切断、搬送时的挤压材17(17a)的温度降低，能够将塑性加工时的挤压材17a的温度维持在上述温度范围，从而能够省略挤压材17a的再加热。该温压加工或热压加工也在该压力加工温度下的挤压材17a的屈服强度不超过120MPa之前进行。
塑性加工后，对挤压材17a实施人工时效处理而成为铝合金制零件。该人工时效处理能够使用加热炉以批量单位进行，与现有材同样，在重视强度提高时适宜选择T5处理(通常的时效处理)，在重视应力腐蚀开裂的避免时适宜选择T7处理(过时效处理)。该加热炉可以作为图1所示的制造设备的一部分而设置于同一场地，另外，也可以设置于其他恰当的场所。
作为本发明的铝合金性零件的原材即铝合金挤压材没有限定，但能够适宜采用应力腐蚀开裂的问题易发生的高强度的7000系铝合金挤压材。作为7000系铝合金优选的组成，例如能够列举如下组成：含有Zn：3～8质量％、Mg：0.4～2.5质量％、Cu：0.05～2.0质量％、Ti：0.005～0.2质量％，还含有Mn：0.01～0.5质量％、Cr：0.01～0.3质量％、Zr：0.01～0.3质量％中的一种以上，余量为Al和杂质。
另外，作为6000系铝合金的优选组成，例如能够列举如下组成：含有Mg：0.35～1.1质量％、Si：0.2～1.3质量％、Ti：0.005～0.2质量％、Cu：0.15～0.7质量％，以及Zr：0.06～0.2质量％、Mn：0.05～0.5质量％、Cr：0.05～0.15质量％中的任意一种或两种以上，余量为Al和不可避免的杂质。
另外，作为2000系铝合金的优选组成，例如能够列举如下组成：含有Si：1.3质量％以下、Fe：1.5质量％以下、Cu：1.5～6.8质量％、Mn：1.2质量％以下、Mg：1.8质量％以下、Cr：0.10质量％以下、Zn：0.50质量％以下、Ti：0.20质量％以下，余量：Al和不可避免的杂质。
本发明适用于轿车、小型汽车、卡车等的碰撞保护构件(吸能构件)用以及车身骨架用的铝合金制零件的制造。作为碰撞保护构件用零件，可列举例如保险杠加强件、车门防撞杆、冲撞盒(保险杠托架)、托架一体型保险杠加强件、行人腿部保护零件、防尾追钻底护栏等。作为车身骨架用零件，例如可列举前和后侧梁、散热器支架、前上构件、车顶纵梁、前和后窗眉、踏板、地板横梁等。
另外，本发明也能够用于摩托车和自行车的车身骨架用零件，以及其他的铝合金制零件的制造。

Claims (13)

1.一种铝合金制零件的制造方法，其特征在于，通过挤压机装置对热处理型铝合金进行热挤压加工，对从压模被挤出而向前方移动的挤压材进行冷却并切断为规定长度，将切断后的挤压材朝向塑性加工装置搬送，在塑性加工前不进行固溶处理或回归处理的再加热处理，从刚完成冷却后自然时效开始，随着时间经过挤压材的屈服强度增加而超过120MPa之前以冷态实施塑性加工，接着对挤压材实施时效处理。
2.根据权利要求1所述的铝合金制零件的制造方法，其特征在于，对从压模被挤出而向前方移动的挤压材进行空冷或水冷而淬火。
3.根据权利要求1所述的铝合金制零件的制造方法，其特征在于，挤压材具有中空截面时，将喷嘴从前方插入到从压模被挤出而向前方移动的挤压材的截面内部，从所述喷嘴喷射制冷剂而进行冷却。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的铝合金制零件的制造方法，其特征在于，切断时夹住切断位置的前后，对挤压材的切断位置及该切断位置的前后进行冷却。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的铝合金制零件的制造方法，其特征在于，将挤压材切断为规定长度后，并在实施塑性加工之前，在冷态下对所述挤压材进行拉伸矫直。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的铝合金制零件的制造方法，其特征在于，在所述塑性加工中，使用装备有加热装置的挤压模具，在150～300℃的温度范围进行温压加工或热压加工。
7.一种铝合金制零件的制造设备，其特征在于，包括：挤压机装置，其对热处理型铝合金进行热挤压加工；切断装置，其配置在所述挤压机装置的输出侧，将挤压材切断成规定长度并从所述挤压机装置切离；在所述挤压机装置的输出侧配置的冷却装置，还包括搬送装置及塑性加工装置，
所述切断装置具备以与所述挤压材的挤压速度相同的速度向前方移动的切断工具，所述搬送装置将被所述切断装置切断成规定长度的挤压材搬送至所述塑性加工装置，所述塑性加工装置，在塑性加工前不进行固溶处理或回归处理的再加热处理，从由所述冷却装置进行的冷却刚完成后自然时效开始，随着时间经过挤压材的屈服强度增加而超过120MPa之前对被所述搬送装置搬送来的挤压材以冷态实施塑性加工而成形为铝合金制零件。
8.根据权利要求7所述的铝合金制零件的制造设备，其特征在于，所述冷却装置具备喷射制冷剂的喷嘴，所述喷嘴能够沿着所述挤压材的挤压方向进退。
9.根据权利要求7或8所述的铝合金制零件的制造设备，其特征在于，所述切断装置具备一对夹具构件，所述一对夹具构件配置在所述切断工具的紧前方侧和紧后方侧，把持挤压材并与所述切断工具同步向前方移动。
10.根据权利要求9所述的铝合金制零件的制造设备，其特征在于，所述切断工具和一对夹具构件中的至少一方，具备用于冷却挤压材的冷却机构。
11.根据权利要求9所述的铝合金制零件的制造设备，其特征在于，所述切断装置具有将被切断的挤压材进行拉伸矫直的矫直机的功能，由所述一对夹具构件把持所述挤压材的前后端，扩大所述一对夹具构件的间隔而对所述挤压材进行拉伸矫直。
12.根据权利要求7或8所述的铝合金制零件的制造设备，其特征在于，在所述挤压机装置的输出侧并设有矫直机，所述矫直机对于被切断的挤压材进行拉伸矫直。
13.根据权利要求7或8所述的铝合金制零件的制造设备，其特征在于，在所述塑性加工中，使用装备有加热装置的挤压模具，在150～300℃的温度范围进行温压加工或热压加工。
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