CN111940582A - 一种轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，包括以下步骤：1)根据薄壁曲面件变形规律设计分区模具，制定凹模分区数量和排列方式；2)将轻质合金板材加热处理或者深冷处理后转移定位到分区凹模；3)凸模下行，逐步与分区凹模接触，使板材从中间区域向两侧逐步贴靠模具，直至成形出所需形状的薄壁曲面件；4)凸模复位，取出曲面件，完成轻质合金薄壁曲面件分区模压成形。通过分区顺序成形，将整体大变形分解为各个分区的小变形，显著降低实时成形区的形状非对称程度，减小回转半径较大端的压应力水平；通过分区顺序成形，改变了板坯各区变形顺序，易开裂区域先成形、易起皱区域后成形，提高薄壁曲面件变形均匀性。

Description

一种轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法

技术领域

本发明涉及金属板材成形技术领域，特别是涉及一种轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法。

背景技术

随着新一代运载装备对轻量化和高可靠要求越来越高，铝合金、钛合金等轻质合金因具有的高比强度、刚度和结构性能，被广泛应用于航空、航天和汽车领域内的主体结构件中。以运载火箭为例，铝合金主体结构使用占比达到80％以上。航空航天构件通常是壁厚薄、尺寸大，制造路线往往采用分瓣成形+组装焊接的方式。例如：运载火箭燃料贮箱箱底，开口尺寸大于2米，甚至达到10米，由多块瓜瓣和顶盖拼焊成箱底；新型战机进气道长度也达到5米以上，由多块薄壳拼焊而成。为满足后续拼焊装配要求，避免强制装配导致的焊接残余应力升高，影响拼焊构件可靠性，分块成形尺寸精度要求也越来越高。

目前，瓜瓣、蒙皮类薄壁曲面件成形方法主要是模压成形和拉形。模压成形是直接通过上模具和下模具压制，具有成形效率高、省料等优点，主要用于成形曲率变化平缓的简单曲面件。对于曲率变化大、壁厚较薄的曲面件，如运载贮箱瓜瓣，由于型面形状非对称、面内曲率半径差异大，模压成形时会在回转半径较大的区域产生较大压应力，导致起皱。并且，轻质合金常温成形回弹大，薄壁曲面件模压成形尺寸精度也较差。尽管通过拉形可以解决瓜瓣、蒙皮类薄壁曲面件模压成形回弹大、易起皱的问题，但是拉形是通过板坯两端夹持后贴靠模具，一方面需要较长过渡段来满足端部夹持和曲面成形，材料利用率不足30％，材料浪费严重；另一方面板坯与模具贴靠存在先后顺序，存在严重的变形不均匀，甚至开裂导致成形不能顺利完成。

现有技术无法解决此类薄壁曲面件模压成形的起皱难题。经过分析，薄壁曲面件模压成形起皱主要是切向压应力超过了临界起皱应力，如何降低切向压应力和提高临界起皱应力成为避免起皱行之有效的解决措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过分区顺序变形，使轻合金板材逐步成形为曲面件，降低了曲面件分区模压成形起皱趋势。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，包括以下步骤：

(1)根据薄壁曲面件变形规律设计分区模具，制定凹模分区数量和排列方式；

(2)将轻质合金板材转移定位到分区凹模；

(3)凸模下行，逐步与分区凹模接触，使板材从中间区域向两侧逐步贴靠模具，直至成形出所需形状的薄壁曲面件；

(4)凸模复位，取出曲面件，完成轻质合金薄壁曲面件分区模压成形。

优选地，所述步骤(1)中，分区凹模数量根据薄壁曲面件模压变形分布规律制定。

优选地，所述步骤(1)中，分区模具排列高度根据薄壁曲面件模压变形分布规律设计。

优选地，所述步骤(2)中，先将轻合金板材进行充分加热，再快速转移到分区模具中，然后步骤(3)中凸模快速下压。

优选地，所述步骤(2)中，先将轻合金板材进行深冷处理，再快速转移到分区模具中，然后步骤(3)中凸模快速下压。

优选地，所述轻质合金板材的形状根据薄壁曲面件模压变形规律设计。

优选地，所述轻质合金板材为轧制板材，壁厚为0.1～20mm。

优选地，所述轻质合金板材的材质为铝合金或高强钢或镁合金或钛合金。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

(1)本发明通过分区顺序成形，将整体大变形分解为各个分区的小变形，显著降低实时成形区的形状非对称程度，减小回转半径较大端的压应力水平，解决传统模压成形起皱的难题。

(2)本发明通过分区顺序成形，改变了板坯各区变形顺序，易开裂区域先成形、易起皱区域后成形，提高薄壁曲面件变形均匀性。

(3)本发明通过模内淬火，使曲面件在模具约束下均匀冷却，不仅能减小回弹、提高零件形状尺寸精度，还能避免成形后再热处理引起曲面件严重形状畸变的难题。

(4)本发明通过深冷处理，提高板坯抗失稳起皱能力，进一步降低了曲面件分区模压成形起皱趋势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为铝合金曲面件分区模压成形示意图一；

图2为模具中间分区贴靠成形示意图；

图3为模具近大端分区贴靠成形示意图；

图4为模具近小端分区贴靠成形示意图；

图5为模具完全贴靠成形示意图；

图6为瓜瓣类曲面件；

图7为铝合金曲面件分区模压成形示意图二；

图8为铝合金曲面件分区模压成形示意图三；

其中，1-上模；2-板材；3-下模小端分区；4-下模近小端分区；5-下模中间分区；6-弹簧；7-下模近大端分区；8-下模大端分区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过分区顺序变形，使轻合金板材逐步成形为曲面件，降低了曲面件分区模压成形起皱趋势。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供一种轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，通过分区顺序变形，使轻合金板材逐步成形为曲面件。具体步骤如下：

步骤一、根据薄壁曲面件变形规律设计分区模具，制定凹模分区数量和排列方式；分区凹模数量根据薄壁曲面件模压变形分布规律制定，降低各个分区的接触面积和变形差异，减小切向压应力，确保每步成形坯料均不起皱，分区数量分为三区、五区或更多区域；分区模具排列高度根据薄壁曲面件模压变形分布规律优化设计，实现各个区域依次分步成形，避免起皱。

步骤二、将轻质合金板材转移定位到分区凹模；

步骤三、凸模下行，逐步与分区凹模接触，使板材从中间区域向两侧逐步贴靠模具，直至成形出所需形状的薄壁曲面件；

步骤四、凸模复位，取出曲面件，完成轻质合金薄壁曲面件分区模压成形。

其中，步骤二前将所述轻合金板材进行充分加热，并快速转移到分区模具中，然后所述步骤三凸模快速下压，实现曲面件模内淬火，提高零件形状尺寸精度；步骤二前还可以将所述轻合金板材进行深冷处理，并快速转移到分区模具中，然后所述步骤三凸模快速下压，使轻合金板材在超低温条件下成形为曲面件，提高板材抗失稳起皱能力。

于本实施例中，轻质合金板材形状根据薄壁曲面件模压变形规律优化设计，提高变形均匀性；板材为轧制板材，壁厚为0.1～20mm；板材可以是铝合金、高强钢、镁合金、钛合金等轻质合金中的任一种。

实施例一

五分区-30-70-50-铝合金-成形淬火一体化

结合图1、图2、图3、图4，图5和图6进行说明，本实施特例提供一种铝合金曲面件分区模压成形方法，该方法通过将整个区域的较大的变形分解为各个分区的小变形，降低各个分区内成形的接触面积和变形差异，降低各个分区的切向压应力，从而减小成形件的起皱。板材2置于上模1和各个分区模具之间，各个分区模具下端安装弹簧6实现抬高，下模近小端分区4抬高高度为30mm，下模中间分区5抬高高度为70mm，下模近大端分区7抬高高度为50mm，下模小端分区3和下模大端分区8不抬高。上模1下压，使板材2的中间区域向下模中间分区5贴模，然后继续下压，依次和下模近大端分区7、下模近小端分区4、下模大端分区8和下模小端分区3贴合模具型面，成形出薄壁曲面件。其中，板材2为固溶态2195铝合金，其厚度为1mm、长度方向为350mm、宽度方向为400mm；下模分区模具型面为椭球面，长半轴长为350mm、短半轴长为200mm。具体步骤如下：

步骤一、根据薄壁曲面件变形规律设计分区模具，制定凹模分区数量和排列方式。此薄壁曲面件尺寸较大，且型面内曲率分布和成形时切向压应力分布差异大，因此选择分区数为5，降低各个分区内成形时的切向压应力分布差异；

步骤二、将固溶态的热的铝合金板材快速转移定位到分区凹模下模小端分区3、下模近小端分区4、下模中间分区5、下模近大端分区7、下模大端分区8上；

步骤三、上模1下行，逐步与各个分区凹模接触，首先使板材的中间区域向下模中间分区5贴模，然后继续下压，依次和下模近大端分区7、下模近小端分区4、下模大端分区8和下模小端分区3贴合模具型面，直至成形出所需形状的薄壁曲面件，同时板材2与模具接触冷却同时淬火；

步骤四、凸模复位，取出曲面件，完成轻质合金薄壁曲面件分区模压成形，然后进行时效处理。

本实施例中模具型面可以用圆锥曲面、双曲率面和复杂异形面替代。

综上，本发明的轻质合金曲面件分区模压成形通过模内淬火，使曲面件在模具约束下均匀冷却，不仅能减小回弹、提高零件形状尺寸精度，还能避免成形后再热处理引起曲面件严重形状畸变的难题。本发明的轻质合金曲面件分区模压成形通过分区顺序成形，将整体大变形分解为各个分区的小变形，显著降低实时成形区的形状非对称程度，减小回转半径较大端的压应力水平，解决传统模压成形起皱的难题。

实施例二

三分区-30-钛合金-成形淬火一体化

结合图7进行说明，本实施特例提供一种钛合金曲面件分区模压成形方法，该方法通过将整个区域的较大的变形分解为各个分区的小变形，降低各个分区内成形的接触面积和变形差异，降低各个分区的切向压应力，从而减小成形件的起皱。板材2置于上模1和各个分区模具之间，下模中间分区5下端安装弹簧6实现抬高，抬高高度为30mm，下模小端分区3和下模大端分区8不抬高。上模1下压，使板材2的中间区域向下模中间分区5贴模，然后继续下压，依次和下模小端分区3与下模大端分区8贴合模具型面，成形出薄壁曲面件。其中，板材2为固溶态的钛合金，其厚度为1mm、长度方向为200mm、宽度方向为240mm；下模分区模具型面为椭球面，长半轴长为200mm、短半轴长为120mm。具体步骤如下：

步骤一、根据薄壁曲面件变形规律设计分区模具，制定凹模分区数量和排列方式。此薄壁曲面件尺寸较小，且型面内曲率分布和成形时切向压应力分布差异大，因此选择分区数为3；

步骤二、将加热后的钛合金板材快速转移定位到分区凹模下模小端分区3、下模中间分区5、下模大端分区8上；

步骤三、上模1下行，逐步与各个分区凹模接触，首先使板材的中间区域向下模中间分区5贴模，然后继续下压，依次和下模小端分区3与下模大端分区8贴合模具型面，直至成形出所需形状的薄壁曲面件，同时板材2与模具接触冷却同时淬火；

步骤四、凸模复位，取出曲面件，完成轻质合金薄壁曲面件分区模压成形，然后进行时效处理。

本实施例中模具型面可以用圆锥曲面、双曲率面和复杂异形面替代。

综上，本发明的轻质合金曲面件分区模压成形通过模内淬火，使曲面件在模具约束下均匀冷却，不仅能减小回弹、提高零件形状尺寸精度，还能避免成形后再热处理引起曲面件严重形状畸变的难题。本发明的轻质合金曲面件分区模压成形通过分区顺序成形，将整体大变形分解为各个分区的小变形，显著降低实时成形区的形状非对称程度，减小回转半径较大端的压应力水平，解决传统模压成形起皱的难题。

实施例三

五分区-30-70-50-高强钢-成形淬火一体化

结合图1、图2、图3、图4，图5和图6进行说明，本实施特例提供一种高强钢曲面件分区模压成形方法，该方法通过将整个区域的较大的变形分解为各个分区的小变形，降低各个分区内成形的接触面积和变形差异，降低各个分区的切向压应力，从而减小成形件的起皱。板材2置于上模1和各个分区模具之间，各个分区模具下端安装弹簧6实现抬高，下模近小端分区4抬高高度为30mm，下模中间分区5抬高高度为70mm，下模近大端分区7抬高高度为50mm，下模小端分区3和下模大端分区8不抬高。上模1下压，使板材2的中间区域向下模中间分区5贴模，然后继续下压，依次和下模近大端分区7、下模近小端分区4、下模大端分区8和下模小端分区3贴合模具型面，成形出薄壁曲面件。其中，板材2为固溶后的高强钢，其厚度为1mm、长度方向为400mm、宽度方向为400mm；下模分区模具型面为椭球面，长半轴长为400mm、短半轴长为250mm。具体步骤如下：

步骤一、根据薄壁曲面件变形规律设计分区模具，制定凹模分区数量和排列方式。此薄壁曲面件尺寸较大，且型面内曲率分布和成形时切向压应力分布差异大，因此选择分区数为5，降低各个分区内成形时的切向压应力分布差异；

步骤二、将奥氏体化加热后的高强钢板材快速转移定位到分区凹模下模小端分区3、下模近小端分区4、下模中间分区5、下模近大端分区7、下模大端分区8上；

步骤三、上模1下行，逐步与各个分区凹模接触，首先使板材2的中间区域向下模中间分区5贴模，然后继续下压，依次和下模近大端分区7、下模近小端分区4、下模大端分区8和下模小端分区3贴合模具型面，直至成形出所需形状的薄壁曲面件，同时板材与模具接触冷却同时淬火；

步骤四、凸模复位，取出曲面件，完成轻质合金薄壁曲面件分区模压成形，然后进行时效处理。

本实施例中模具型面可以用圆锥曲面、双曲率面和复杂异形面替代。

综上，本发明的轻质合金曲面件分区模压成形通过模内淬火，使曲面件在模具约束下均匀冷却，不仅能减小回弹、提高零件形状尺寸精度，还能避免成形后再热处理引起曲面件严重形状畸变的难题。本发明的轻质合金曲面件分区模压成形通过分区顺序成形，将整体大变形分解为各个分区的小变形，显著降低实时成形区的形状非对称程度，减小回转半径较大端的压应力水平，解决传统模压成形起皱的难题。

实施例四

五分区-45-70-45-铝合金-深冷处理-贴模顺序

结合图8进行说明，本实施特例提供一种铝合金曲面件分区模压成形方法，该方法通过将整个区域的较大的变形分解为各个分区的小变形，降低各个分区成形的接触面积和变形差异，降低各个分区成形的切向压应力，从而减小成形件的起皱。板材2置于上模1和各个分区模具之间，各个分区模具下端安装弹簧6实现抬高，下模近小端分区4和下模近大端分区7抬高高度为45mm，下模中间分区5抬高高度为70mm，下模小端分区3和下模大端分区8不抬高。上模1下压，使板材2的中间区域向下模中间分区5贴模，然后继续下压，依次和下模近大端分区7、下模近小端分区4、下模大端分区8和下模小端分区3贴合模具型面，成形出薄壁曲面件。其中，板材2为固溶态2195铝合金，其厚度为1mm、长度方向为400mm、宽度方向为460mm；模具3安装在压力台6上，其型面为椭球面，长半轴长为400mm、短半轴长为300mm。具体步骤如下：

步骤一、根据薄壁曲面件变形规律设计分区模具，制定凹模分区数量和排列方式。此薄壁曲面件尺寸较大，且型面内曲率分布和成形时切向压应力分布差异大，因此选择分区数为5，降低各个分区内成形时的切向压应力分布差异；

步骤二、将固溶态的铝合金板材浸入液氮冷却至-196℃，然后转移定位到分区凹模下模小端分区3、下模近小端分区4、下模中间分区5、下模近大端分区7、下模大端分区8上；

步骤三、上模1下行，逐步与各个分区凹模接触，首先使板材2的中间区域向下模中间分区5贴模，然后继续下压，依次和下模近大端分区7、下模近小端分区4、下模大端分区8和下模小端分区3贴合模具型面，直至成形出所需形状的薄壁曲面件，同时板材2与模具接触传热升温；

步骤四、凸模复位，取出曲面件，完成轻质合金薄壁曲面件分区模压成形，然后进行时效处理。

本实施例中模具型面可以用圆锥曲面、双曲率面和复杂异形面替代。

综上，本发明的轻质合金曲面件分区模压成形通过深冷处理，提高板坯抗失稳起皱能力，进一步降低了曲面件分区模压成形起皱趋势。本发明的轻质合金曲面件分区模压成形通过分区顺序成形，将整体大变形分解为各个分区的小变形，显著降低实时成形区的形状非对称程度，减小回转半径较大端的压应力水平，解决传统模压成形起皱的难题。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据薄壁曲面件变形规律设计分区模具，制定凹模分区数量和排列方式；

(2)将轻质合金板材转移定位到分区凹模；

(3)凸模下行，逐步与分区凹模接触，使板材从中间区域向两侧逐步贴靠模具，直至成形出所需形状的薄壁曲面件；

(4)凸模复位，取出曲面件，完成轻质合金薄壁曲面件分区模压成形。

2.根据权利要求1所述的轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，其特征在于：所述步骤(1)中，分区凹模数量根据薄壁曲面件模压变形分布规律制定。

3.根据权利要求1所述的轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，其特征在于：所述步骤(1)中，分区模具排列高度根据薄壁曲面件模压变形分布规律设计。

4.根据权利要求1所述的轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，其特征在于：所述步骤(2)中，先将轻合金板材进行充分加热，再快速转移到分区模具中，然后步骤(3)中凸模快速下压。

5.根据权利要求1所述的轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，其特征在于：所述步骤(2)中，先将轻合金板材进行深冷处理，再快速转移到分区模具中，然后步骤(3)中凸模快速下压。

6.根据权利要求1所述的轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，其特征在于：所述轻质合金板材的形状根据薄壁曲面件模压变形规律设计。

7.根据权利要求1所述的轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，其特征在于：所述轻质合金板材为轧制板材，壁厚为0.1～20mm。

8.根据权利要求1所述的轻质合金薄壁曲面件分区模压成形方法，其特征在于：所述轻质合金板材的材质为铝合金或高强钢或镁合金或钛合金。

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