CN111940583A - 一种铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，基于超低温梯度分布调控成形性和流动应力原理，将铝合金板材成形出深腔薄壁曲面件，将铝合金板材放在凹模上，闭合压边圈使铝合金板材的法兰区被压紧；向凹模座的型腔内填充超低温介质，使铝合金板材的凹模区冷却至设定低温，形成凹模区的温度低于法兰区的温度的超低温梯度；向压边圈上施加设定压边力，同时控制凸模向下运动，成形出深腔薄壁曲面件；控制凸模向上运动，打开压边圈，取出成形好的深腔薄壁曲面件。本发明通过超低温介质将凹模区铝合金板材冷却至超低温，使其在超低温下发生变形，成形性能显著提高，避免了铝合金深腔薄壁曲面件传统拉深成形过程悬空和圆角区易开裂的难题。

Description

一种铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法
技术领域
本发明涉及金属板件加工工艺的技术领域，特别是涉及一种铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法。
背景技术
铝合金因具有高比强度和良好的抗腐蚀性能，被广泛应用于航天航空领域的主体结构材料，在运载火箭结构质量占比约80％，在某些飞机结构质量占比也达到60％以上。为满足新一代运载火箭、飞机和新能源汽车等运载装备大幅提升的高可靠、长寿命、轻量化要求，迫切需求高强铝合金整体结构代替传统的多块分体拼焊结构，出现了一类高强铝合金深腔薄壁曲面件，例如：火箭燃料贮箱铝锂合金箱底、飞机发动机唇口和新能源汽车曲面覆盖件等。
目前，拉深是常用的深腔薄壁曲面件成形的制造技术，已在航空、航天、汽车行业得到广泛应用，但主要用于具有良好室温塑性的低碳钢、不锈钢等材料。对于深度较小(深度与当量直径之比小于0.5)的铝合金薄壁曲面件，拉深成形也得到广泛应用，如汽车发罩、引擎盖等。然而，对于深度较大的铝合金薄壁曲面件，由于铝合金塑性差、加工硬化能力小等问题限制，拉深成形时极易在过渡圆角和悬空区产生开裂缺陷，无法顺利完成成形，需要多道次拉深和中间退火等复杂工艺才能成形，而又存在成品率低、成品质量差的问题。为提高铝合金成形性能，热拉深被发展起来成形深腔薄壁曲面件，深径比达到1.2。但是，加热条件下材料软化容易导致悬空区(传力区)集中变形，造成变形不均甚至开裂；更为苛刻的是热拉深组织性能不易控制，需要通过成形后热处理(固溶淬火+时效)来提高构件强度，成形后再淬火会导致深腔件严重变形且难以校形，同时还存在表面擦伤、加热工艺复杂等系列问题。
这类新型铝合金深腔薄壁曲面件不仅深度大，还与高强铝合金材料难变形相互耦合，使得此类深腔薄壁曲面件常温拉深成形极易开裂，热拉深变形不均且组织性能损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，使铝合金板坯成形性能和应变硬化指数大幅提高，深腔薄壁曲面件成形质量提高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，基于超低温梯度分布调控成形性和流动应力原理，将铝合金板材成形出深腔薄壁曲面件，具体包括以下步骤：
步骤一，将铝合金板材放在凹模上，闭合压边圈使铝合金板材的法兰区被压紧；
步骤二，向凹模座的型腔内填充超低温介质，使铝合金板材的凹模区冷却至设定低温，形成所述凹模区的温度低于所述法兰区的温度的超低温梯度；
步骤三，向所述压边圈上施加设定压边力，同时控制凸模向下运动，成形出深腔薄壁曲面件；
步骤四，控制所述凸模向上运动，打开压边圈，取出成形好的所述深腔薄壁曲面件。
优选的，实施所述步骤一之前，将所述凸模的型面区域预先冷却至所述设定温度。
优选的，所述凸模内设置有用于容纳所述超低温介质的空腔，所述空腔通过低温填充器与所述超低温介质的低温容器形成循环回路。
优选的，实施所述步骤一之前，将所述压边圈和所述凹模冷却至-180℃～25℃的冷却温度，所述压边圈和凹模内设置有用于循环超低温介质的循环通路，所述压边圈和所述凹模冷通过所述循环通路实现冷却降温。
优选的，所述步骤二中，在所述铝合金板材的上侧和下侧同时填充所述超低温介质，使所述凹模区快速均匀冷却至设定温度。
优选的，所述步骤二中的设定低温为-160℃～-270℃。
优选的，所述铝合金板材为轧制板材，热处理状态为退火态、淬火态或时效态，所述铝合金板材的壁厚为0.1～20mm。
优选的，所述铝合金板材为Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg-Cu合金或Al-Li合金。
优选的，所述超低温介质为液氩、液氮或液氦中的一种或两种。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明通过超低温介质将凹模区内铝合金板材冷却至超低温，使铝合金板材在超低温条件下发生变形，成形性能显著提高，避免了铝合金深腔薄壁曲面件传统拉深成形过程过渡圆角和悬空区易开裂的难题；
(2)本发明通过超低温梯度的温度分布，提高了凹模区板材的变形抗力和应变硬化指数，使法兰区易变形而利于流动，悬空区不易集中变形而利于传力，有利于实现板材各区域协调变形，提高均匀变形程度，降低壁厚减薄程度；
(3)本发明根据变形需要的温度梯度冷却铝合金板材，不需将模具整体冷却，可以大幅降低模具热消耗；
(4)在超低温情况下铝合金板材变形时，材料的多系滑移、回复/再结晶被抑制，不仅可以解决热拉深会造成组织性能损失的问题，还利于促进组织性能提高。
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为本发明铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法的结构示意图一；
图2为本发明铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法的结构示意图二；
图3为本发明铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法的坯料板示意图；
图4为本发明实施例二成形的深腔薄壁曲面件结构示意图；
图5为本发明实施例三的结构示意图；
图6为本发明实施例四的结构示意图；
图7为本发明实施例四成形的深腔薄壁曲面件结构示意图；
其中：1-凹模座，2-隔热板，3-凹模，4-压边圈，5-铝合金板材，6-凸模，7-超低温介质，8-循环通路，9-低温填充器，10-低温容器，11-深腔薄壁曲面件，12-空腔。
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付出创造性劳动的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铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，以解决现有技术存在的问题，使铝合金板坯成形性能和应变硬化指数大幅提高，深腔薄壁曲面件成形质量提高。
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。
实施例一
如图1至图7所示：本实施例提供了一种铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，基于铝合金板材5通过超低温梯度分布调控成形性和流动应力，成形出深腔薄壁曲面件，具体包括以下步骤：
步骤一，将铝合金板材5放在凹模3上，闭合压边圈4使铝合金板材5的法兰区被压紧；实施步骤一之前，将凸模6的型面区域预先冷却至设定温度，凸模6内也可以设置有用于容纳超低温介质7的空腔12，空腔12通过低温填充器9与超低温介质7的低温容器10形成循环回路；步骤一之前，也可将压边圈4和凹模3冷却至-180℃～25℃的冷却温度，压边圈4和凹模3内设置有用于循环超低温介质7的循环通路8，压边圈4和凹模3冷通过循环通路8实现冷却降温。将自然放置的铝合金板材5放至凹模3上内进行预冷，会在铝合金板材5表面形成冰冻润滑层，可显著降低法兰区板材流动的摩擦阻力，提高壁厚均匀性。
步骤二，向凹模座1的型腔内填充超低温介质7，使铝合金板材5的凹模区冷却至设定低温，设定低温为-160℃～-270℃，形成凹模区的温度低于法兰区的温度的超低温梯度。其中，凹模3与凹模座1之间设置有隔热板2，防止温度散失；可以在铝合金板材5的上侧和下侧同时填充超低温介质7，使凹模区快速均匀冷却至设定温度。
步骤三，向压边圈4上施加设定压边力，同时控制凸模6向下运动，成形出深腔薄壁曲面件11。
步骤四，控制凸模6向上运动，打开压边圈4，取出成形好的深腔薄壁曲面件11。
其中，铝合金板材5为轧制板材，热处理状态为退火态、淬火态或时效态，铝合金板材5的壁厚为0.1～20mm。铝合金板材5为Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg-Cu合金或Al-Li合金。超低温介质7为液氩、液氮或液氦。
实施例二
如图1至图4所示：本实施例中的板材5为固溶态2219铝合金板材，其厚度为4mm；深腔薄壁曲面件11直径为400mm、拉深深度为400mm，底部为椭球面，轴长比为1.6；凹模区内板材通过液氮直接冷却、法兰区板材通过凹模区板材间接传热冷却；凸模通过液氮冷却，亦可间接冷却凹模区板材。具体步骤如下：
第一步：向凸模6内空腔里通入液氮，将其型面区域温度冷却至-180℃以下。
第二步：将进行除污处理后的室温板材5放至凹模3上，闭合压边圈4，压住铝合金板材5。
第三步：通过低温填充器9向铝合金板材5的下侧充填超低温介质7，使凹模区的板材冷却至-180℃以下，形成凹模区温度低、法兰区板材温度高的梯度温度场，温度梯度大于160℃。
第四步：压边圈4上施加设定压边力，凸模6下行，使铝合金板材5按给定的压边力和拉深位移等工艺条件成形出深腔薄壁曲面件11。
第五步：将超低温介质7回收至低温容器10中，退回凸模6、压边圈4，取出深腔薄壁曲面件11，完成深腔薄壁曲面件11的超低温梯度拉深成形。之后，将深腔薄壁曲面件11进行人工时效处理。
本实施例中深腔薄壁曲面件11底部型面还可以为平底、球面或锥面。本实施例中液氮可以用液氩或液氦替代。
实施例三
如图5所示：本实施例中的板材5为退火态5A06铝合金板材，其厚度为6mm；深腔薄壁曲面件11直径为600mm、拉深深度为800mm，底部为椭球面，轴长比为1.4；凹模区内板材通过液氮直接冷却、法兰区板材通过液氩预冷模具间接冷却。具体步骤如下：
第一步：用液氩作为超低温介质7同时将凹模3和压边圈4冷却至-120℃以下的温度；凹模3和压边圈4设置有用于循环超低温介质7的循环通路8，模具通过循环通路8冷却降温。液氩通过低温填充器向凹模3和压边圈4填充超低温介质。
第二步：将进行除污处理后的室温板材5放至凹模3上，闭合压边圈4，压住铝合金板材5，使法兰区板材的温度冷却至-40℃以下的温度。
第三步：通过低温填充器9向板材下腔充填液氮作为超低温介质7，使凹模区内铝合金板材5冷却至-180℃以下，形成凹模区温度低、法兰区板材温度高的梯度温度场，温度梯度大于60℃。还可以在凸模6内设置有用于容纳超低温介质7的空腔12，空腔12通过低温填充器9与超低温介质7的低温容器10形成循环回路，加速凹模区板材的降温，使之降至更低温度，还可以对凸模型面区域进行隔热处理，防止温度通过凸模升温。本实施中使用了液氩和液氮两种超低温介质7，用以满足不同的低温需求。
第四步：压边圈4上施加设定压边力，凸模6下行，使铝合金板材5按给定的压边力和拉深位移等工艺条件成形出深腔薄壁曲面件11。
第五步：将超低温介质7回收至低温容器10中，退回凸模6、压边圈4，开模取出深腔薄壁曲面件11，完成深腔薄壁曲面件11的超低温梯度拉深成形。成形后的深腔薄壁曲面件11也如图4所示。
本实施例中深腔薄壁曲面件11底部型面还可以为平底、球面或锥面。
实施例四
如图6至图7所示：本实施例中的板材5为固溶态2195铝锂合金板材，其厚度8mm；深腔薄壁曲面件11为椭球型面，开口直径为2250mm、轴长比为1.4；凹模区内板材通过上腔和下腔通入液氮直接冷却、法兰区板材通过凹模区板材传热间接冷却；凸模进行隔热处理，减少对凹模区板材温度的影响。具体步骤如下：
第一步：将进行除污处理后的室温板材5放至凹模3上，闭合压边圈4，压住铝合金板材5。
第二步：通过低温填充器9向板材上腔和下腔均充填超低温介质7，使凹模区内铝合金板材5冷却至-180℃以下，形成凹模区温度低、法兰区板材温度高的梯度温度场，温度梯度大于150℃。还可以对凸模6进行隔热处理，减少对凹模区板材温度的影响。
第三步：压边圈4上施加设定压边力，凸模6下行，使铝合金板材5按给定的压边力和拉深位移等工艺条件成形出深腔曲面件11。
第四步：将超低温介质7回收至低温容器10中，退回凸模6、压边圈4，开模取出深腔曲面件11，完成深腔曲面件11的超低温梯度拉深成形。之后，将深腔曲面件11进行人工时效处理。
本实施例中深腔薄壁曲面件尺寸较大，深腔薄壁曲面件11椭球型面轴长比为1.0～1.8。本实施例中液氮可以用液氩或液氦替代。
以上实施例通过超低温介质7将凹模区内的铝合金板材5冷却至超低温使铝合金板材5在超低温条件下发生变形，成形性能显著提高，避免了铝合金深腔薄壁曲面件11传统拉深成形过程悬空和圆角区易开裂的难题；通过形成法兰区温度相对高、凹模区温度相对低的梯度温度场，提高了凹模区内材料变形抗力和应变硬化指数，使法兰区板材易变形而利于流动、凹模区板材不易集中变形而利于传力，提高均匀变形程度，降低壁厚减薄程度；根据变形需要梯度冷却板坯，不需将模具整体冷却，大幅降低模具热消耗；变形过程中超低温条件下回复/再结晶被抑制，解决了热成形会造成组织性能损失的问题；采用固溶态板材直接成形，深腔薄壁曲面件11后续不再需要固溶热处理，避免淬火导致的严重形状畸变。
本说明书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 (9)

1.一种铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，其特征在于，基于超低温梯度分布调控成形性和流动应力原理，将铝合金板材成形出深腔薄壁曲面件，具体包括以下步骤：
步骤一，将铝合金板材放在凹模上，闭合压边圈使铝合金板材的法兰区被压紧；
步骤二，向凹模座的型腔内填充超低温介质，使铝合金板材的凹模区冷却至设定低温，形成所述凹模区的温度低于所述法兰区的温度的超低温梯度；
步骤三，向所述压边圈上施加设定压边力，同时控制凸模向下运动，成形出深腔薄壁曲面件；
步骤四，控制所述凸模向上运动，打开压边圈，取出成形好的所述深腔薄壁曲面件。
2.根据权利要求1所述的铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，其特征在于：实施所述步骤一之前，将所述凸模的型面区域预先冷却至所述设定温度。
3.根据权利要求3所述的铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，其特征在于：所述凸模内设置有用于容纳所述超低温介质的空腔，所述空腔通过低温填充器与所述超低温介质的低温容器形成循环回路。
4.根据权利要求1所述的铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，其特征在于：实施所述步骤一之前，将所述压边圈和所述凹模冷却至-180℃～25℃的冷却温度，所述压边圈和凹模内设置有用于循环超低温介质的循环通路，所述压边圈和所述凹模冷通过所述循环通路实现冷却降温。
5.根据权利要求1所述的铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，其特征在于：所述步骤二中，在所述铝合金板材的上侧和下侧同时填充所述超低温介质，使所述凹模区快速均匀冷却至设定温度。
6.根据权利要求1所述的铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，其特征在于：所述步骤二中的设定低温为-160℃～-270℃。
7.根据权利要求1所述的铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，其特征在于：所述铝合金板材为轧制板材，热处理状态为退火态、淬火态或时效态，所述铝合金板材的壁厚为0.1～20mm。
8.根据权利要求1所述的铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，其特征在于：所述铝合金板材为Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg-Cu合金或Al-Li合金。
9.根据权利要求1所述的铝合金薄壁曲面件超低温拉深成形方法，其特征在于：所述超低温介质为液氩、液氮或液氦中的一种或两种。
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