CN112122465A - 一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，属于加工成型工艺领域，包括以下步骤，S1、坯料准备，零件原材料状态为淬火时效状态，根据零件图，下料过程采用钢板尺及划针在原材料表面划线，根据划线位置，采用标准锯床设备进行下料工序，控制坯料长度尺寸，并用划针在零件底面刻成形区圆角刻线，便于零件成形时能够与模具刻线相对应；S2、自阻加热成形，S3、余量去除，使用数控铣床去除零件余量，保证零件外形尺寸L满足下陷尺寸要求。本发明提高现有成形模具进行下陷结构加工过程中成形一致性，提高表面质量，缩短耗用工时、降低生产成本，提升工作效率。

Description

一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法

技术领域

本发明属于加工成型工艺领域，涉及一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法。

背景技术

在研运载火箭箭体中箱间段、过渡段等组件是铆接而成的半硬壳式结构，此类组件是由桁条、蒙皮以及端框组合而成，大量型材零件构成产品的骨架结构，涉及型材种类百余种，在箭体中主要起结构支撑作用，是主要的承力构件。其中，型材下陷结构仅于端头局部成形，如图1所示。

目前，现役运载火箭桁条零件下陷结构，主要采用冲压成形方法，中间经过淬火处理，并结合多道次手工修整工序。主要加工工艺流程为：退火态成形→淬火→修正矫形→时效。现阶段，此加工工艺流程主要问题如下：

(1)多道次的手工修整存在不确定因素，导致零件成形一致性差；

(2)热处理工序导致零件生产周期长、产品生产成本高；

(3)零件表面存在明显修整痕迹，表面质量差。

发明内容

本发明要解决的问题是在于提供一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，提高现有成形模具进行下陷结构加工过程中成形一致性，提高表面质量，缩短耗用工时、降低生产成本，提升工作效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，包括以下步骤，

S1、坯料准备，零件原材料状态为淬火时效状态，根据零件图，下料过程采用钢板尺及划针在原材料表面划线，根据划线位置，采用标准锯床设备进行下料工序，控制坯料长度尺寸，并用划针在零件底面刻成形区圆角刻线，便于零件成形时能够与模具刻线相对应；

S2、自阻加热成形：

a)清洗：成形前排除模具型面及毛料表面杂物，用干净的豆包布擦拭零件，保证零件表面无油污；

b)上料：根据坯料长度，将下陷结构成形区折弯圆角R处与成形模具圆角刻线处对应，以此位置为基准，调整限位块位置，以便后续零件成形时，能够快速定位；

c)成形零件：根据型材截面面积选择成形工艺参数，成形参数包括加热温度、保温时间、电流密度和原材料截面尺寸，对零件进行自阻加热成形；

S3、余量去除，使用数控铣床去除零件余量，保证零件外形尺寸L满足下陷尺寸要求。

进一步的，在步骤S1中，原材料选用型材牌号为7A09型材，状态为T6态；控制坯料原则如下：因桁条零件均为型材材料，零件下陷成形区沿型材长度方向，因此材料坯料尺寸控制，仅需要增加坯料长度。根据成形区下陷尺寸测算，单端下陷成形区留存300mm 余量能够满足零件成形需求。

进一步的，在步骤S2中，工艺具体试验参数如下：

(1)加热温度：179℃；

(2)保温时间：0s，即不保温；

(3)电流密度：30A/mm2，该参数由原材料截面面积自动转换，无需变更；

(4)原材料截面面积：原材料最大截面面积。

进一步的，在步骤S2中，成形模具包括冲床上滑块、冲床下滑块和成形限位组件；冲床上滑块的下端设有模具上模块，冲床下滑块额上端设有模具下模块，模具上模块和模具下模块对应设置，形成零件空腔，

零件端头可横向移动，传动结构为螺纹结构；

成形模具还包括夹紧组件，夹紧组件对零件的左右两侧进行定位，夹持组件连接电极设置，电极终端与电源相连接。

进一步的，所述夹紧组件包括左侧夹持组件和右侧夹持组件，左侧夹持组件和右侧夹持组件外形一致，所述左侧夹持组件和右侧夹持组件采用气动组件驱动，对零件的左右两侧进行夹紧。

进一步的，成形模具的材质为紫铜，所述电极材质为紫铜。

进一步的，电源提供DC12000A、DC6V的电源输入。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。

1、本发明利用新设计的自阻加热成形工装，采用自阻加热成形加工工艺，实现硬态铝合金型材下陷结构成形，零件表面质量、型面精度和力学性能均满足图纸设计使用要求，提高现有成形模具进行下陷结构加工过程中成形一致性，零件拉形成形后和检验样板完全贴合，无需任何手工修整，自阻加热成形工艺取代了原有热处理工序，大大降低工人劳动强度，提高了产品生产效率；

2、本发明一次冲压成形后，无需进行热处理工序，降低手动修整等不确定因素的干扰，进而杜绝零件因手工修整带来的表面质量差等问题的出现，同时，采用自阻加热成形工艺能够取代热处理环节，进而缩短零件生产周期，降低零件生产成本。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明型材下陷结构示意图；

图2是本发明自阻加热成形原理图；

图3是本发明成形模具结构示意图；

图4是本发明零件加热过程示意图；

图5是实施例1型材截面示意图；

图6是实施例2型材截面示意图。

附图标记：

1、冲床上滑块；2、冲床下滑块；3、成形限位组件；4、左侧夹持组件；5、右侧夹持组件；6、模具上模块；7、模具下模块；8、连接电极；9、成形模具折弯圆角刻线； 10、零件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为相对的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面对本发明的具体实施例做详细说明。

现有铝合金桁条下陷结构加工工艺流程为：下料(锯床)→冲压成形(110T冲床)→淬火→修整矫形→人工时效→去余量(铣床)→修整。存在以下缺点：

(1)桁条零件尺寸较长，淬火后，残余应力释放不均匀，变形严重，因手工校形存在不确定因素，导致零件成形一致性差。

(2)手工校形会显现明显修整痕迹，降低零件表面质量，为后续零件加工工作带来困难，制约型号研制进度需求。

(3)零件淬火后需进行耗时、繁重的手工修整工作，生产效率极其低下，同时热处理设备功率较大，生产成本明显增加。

自阻加热成形工艺主要应用于汽车以及航空制造业，在生产实践中采用自阻加热成形加工的目的主要是改善金属材料的性能，缩短或省略热处理工序以及提高加工性能。

如图2所示，自阻加热成形又称为电流辅助成形技术，是利用电流作用在金属材料上时产生的焦耳热效应、电致塑性效应等一系列优势特点来提高金属的成形性能，达到成形零件的目的，针对铝合金，自阻加热的原理是将金属在变形前加热到200℃以内,此时材料内部组织结构无明显变化，断裂延伸率明显增加，最终实现零件精密成形以及性能提升的目的，在生产实践中，采用自阻加热成形的主要目的是改善金属材料的性能，缩短或忽略热处理工序。

如图1-图4所示，一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，包括以下步骤，

S1、坯料准备，零件原材料状态为淬火时效状态，根据零件图，下料过程采用钢板尺及划针在原材料表面划线，根据划线位置，采用标准锯床设备进行下料工序，控制坯料长度尺寸，并用划针在零件底面刻成形区圆角刻线，便于零件成形时能够与模具刻线相对应；

原材料选用型材牌号为7A09型材，状态为T6态；铝合金淬火时效即铝合金经过高温固溶处理获得过饱和固溶体后，在室温和较高温度下等温一定时间，获得过饱和固溶体中析出的弥散相，最终使合金强度、硬度提升的过程；

控制坯料原则如下：因桁条零件均为型材材料，零件下陷成形区沿型材长度方向。因此材料坯料尺寸控制，仅需要增加坯料长度。根据成形区下陷尺寸测算，单端下陷成形区留存300mm余量能够满足零件成形需求。

S2、自阻加热成形：

a)清洗：成形前排除模具型面及毛料表面杂物，用干净的豆包布擦拭零件，保证零件表面无油污；

b)上料：根据坯料长度，将下陷结构成形区折弯圆角R处与成形模具圆角刻线处对应，以此位置为基准，调整限位块位置，以便后续零件成形时，能够快速定位；

成形模具示意图如图3所示，包括冲床上滑块1、冲床下滑块2和成形限位组件3；成形模具端头为非金属材料，保证零件10成形过程处于绝缘状态，零件10端头可横向移动，传动结构为螺纹结构；还包括夹紧组件，夹紧组件对零件10的左右两侧进行定位，夹紧组件包括左侧夹持组件4和右侧夹持组件5，左侧夹持组件4和右侧夹持组件5外形一致；根据型材规格包络性，左侧夹持组件4和右侧夹持组件5均采用分体式结构，采用气缸带动夹板的结构，此是常规的结构，本申请中不做累述，也可以采用其他的等效结构实现，本申请中不做限定，比如电机丝杠结构带动夹持板运动的结构，零件10加热过程示意图如图4所示，该组件材质为紫铜，零件10加热过程中，仅与左侧夹持组件4 和右侧夹持组件5接触，与成形模具的其他部分处于隔离状态，防止热损耗，加热过程开始后，左侧夹持组件4和右侧夹持组件5两侧采用气动组件夹紧零件10，并对零件10 加热；成形模具还包括模具上模块6、模具下模块7和夹持组件；夹持组件连接电极8 设置，此电极材质为紫铜，电极终端与电源相连接，提供DC12000A、DC6V的电源输入，冲床上滑块1带动模具上模块6向下运动，冲床下滑块2带动模具下模块7运动，模具上模块6和模具下模块7上下对应设置，且二者之间的空间与零件10匹配设置；

在零件10上料的过程中，夹持组件设在整个结构的一侧，方便零件10的夹持和拿放，实现了自动化的上下料动作，提升了工作效率，而且避免了人员直接高温作业，提升了作业的安全性。

c)成形零件：根据型材截面面积选择合适的成形工艺参数，成形参数主要包括：加热温度、保温时间、电流密度、原材料截面尺寸等，对零件进行自阻加热成形，工艺参数根据课题实验论证得出，具体试验参数如下：

(1)加热温度：179℃；

(2)保温时间：0s，即不保温；

(3)电流密度：30A/mm2，该参数由原材料截面面积自动转换，无需变更。

(4)原材料截面面积：原材料最大截面面积。

S3、余量去除：使用数控铣床去除零件余量，保证零件外形尺寸L满足下陷尺寸要求。

实施例1：

本实施例材料选取7A09-T6铝合金，XC141-12型材完成下陷结构成形，即单侧下陷结构，下陷结构尺寸：l＝14mm，H＝4mm，L＝17mm，如图1所示，XC141-12截面面积为106.4，参看图5所示。

步骤如下:

步骤1：因成形单侧下陷，根据坯料原则，毛坯料尺寸余量为300mm，并采用划针在零件成形区刻线；

步骤2：打开成形设备、加热电源及气源；

步骤3：将零件放入夹持组件上，并将零件成形区刻线与模具刻线重合，保证零件成形区位置；

步骤4：设备面板内设置成形参数：

(1)加热温度：179℃；

(2)保温时间：0s，即不保温；

(3)原材料截面面积：106.4mm2。

步骤5：按开始按钮，气动组件启动，夹持组件夹紧零件，测温热电偶工作，测量零件实际温度并将数值传输至设备面板；加热至179℃，气动组件启动，夹持组件松开零件，零件按自由落体状态落入成形模具内，冲床下压，完成零件成形工序。

步骤6：佩戴隔热手套，将零件送工装中卸下；

步骤7：待零件降低至室温后，检测零件下陷尺寸：l＝14mm，H＝4mm，L＝17mm，保证零件成形质量。

实施例二：本实施例材料选取7A09-T6铝合金，XC211-47型材完成下陷结构成形，即双侧下陷结构，下陷结构尺寸：l＝45mm，H＝6mm，L＝40mm，如图1所示，XC141-12截面面积为327.3，参看图6所示。

步骤如下:

步骤1：因成形双侧下陷，根据坯料原则，毛坯料尺寸余量为600mm，采用划针在零件单侧成形区刻线，并以此点为定位基准，划另一侧成形区刻线，保证零件成形区两侧位置准确；

步骤2：打开成形设备、加热电源及气源；

步骤3：将零件放入夹持组件上，并将零件成形区刻线与模具刻线重合，保证零件成形区位置；

步骤4：设备面板内设置成形参数：

(1)加热温度：179℃；

(2)保温时间：0s，即不保温；

(3)原材料截面面积：327.3mm2。

步骤5：按开始按钮，气动组件启动，夹持组件夹紧零件，测温热电偶工作，测量零件实际温度并将数值传输至设备面板；加热至179℃，气动组件启动，夹持组件松开零件，零件按自由落体状态落入成形模具内，冲床下压，完成零件成形工序；

步骤6：佩戴隔热手套，将零件送工装中卸下；

步骤7：待零件降低至室温后，检测零件下陷尺寸：l＝45mm，H＝6mm，L＝40mm，保证零件成形质量；

步骤8：按照步骤3—步骤7，反方向成形零件另一侧下陷结构，完成零件整体成形工序。

下陷桁条产品的质量主要从3个方面进行评定，包括：几何形状，机械性能，表面质量。同时，由于产品生产周期存在生产瓶颈，因此，零件的生产周期以及制造成本也是零件生产需要进行评价的主要内容，正确选择零件的加工工艺，可以使零件满足图纸要求的机械性能；其次，一次冲压成形后，无需进行热处理工序，降低手动修整等不确定因素的干扰，进而杜绝零件因手工修整带来的表面质量差等问题的出现，同时，采用自阻加热成形工艺能够取代热处理环节，进而缩短零件生产周期，降低零件生产成本；另外，由于零件冲压成形后会有一定的回弹，回弹是钣金零件成形后不可避免的现象，当回弹量超过允许容差后，就成为成形缺陷，影响零件的几何精度。回弹一直是影响、制约产品质量的重要因素。而自阻加热成形工艺能够提升硬态铝合金的断裂延伸率，提高零件成形性能，抵消零件成形后的回弹。

技术进步效果如下：

(1)成形工艺的优化

传统成形工艺流程为：M态材料坯料准备→下陷成形→淬火→修整→人工时效(自然时效)→余量去除→交付。

自阻加热成形工艺流程为：淬火时效态材料坯料准备→自阻加热下陷成形→余量去除→交付。

对比分析可知，采用自阻加热成形工艺，减少“淬火→修整→人工时效(自然时效)”工序，消除了热处理工序对零件成形的影响。

(2)生产效率的提升

生产效率测算如下：

单根下陷桁条成形所需时间约为1.5h，桁条“淬火+修整+时效”工序生产、转运以及理化检测时间约为168h/炉次，以一炉次下陷桁条零件20件计算，单根桁条生产效率约为10h/件；采用自阻加热成形工艺，单根桁条成形所需时间保持不变，零件自阻加热成形生产节拍替代“淬火+修整+时效”工序，以2min的生产节拍计算，单根桁条的生产效率约为1.6h/件，生产效率提高5倍以上。

(3)生产成本的降低

以1炉次20件产品计算，用电费用及人工修整费用约为7500元，“淬火+修整+时效”工序使单根桁条零件的生产成本约增加375元；而材料厂家的淬火时效态原材料单价是退火态原材料的1.03倍，以100元/公斤计算，一公斤型材原料价格仅增加3元，以单根桁条2公斤计算，生产成本约增加6元。因此，采用自阻加热成形加工工艺，单根桁条的生产成本可节约370元。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1、坯料准备，零件原材料状态为淬火时效状态，根据零件图，下料过程采用钢板尺及划针在原材料表面划线，根据划线位置，采用标准锯床设备进行下料工序，控制坯料长度尺寸，并用划针在零件底面刻成形区圆角刻线，便于零件成形时能够与模具刻线相对应；

S2、自阻加热成形：

a)清洗：成形前排除模具型面及毛料表面杂物，用干净的豆包布擦拭零件，保证零件表面无油污；

b)上料：根据坯料长度，将下陷结构成形区折弯圆角R处与成形模具圆角刻线处对应，以此位置为基准，调整限位块位置，以便后续零件成形时，能够快速定位；

c)成形零件：根据型材截面面积选择成形工艺参数，成形参数包括加热温度、保温时间、电流密度和原材料截面尺寸，对零件进行自阻加热成形；

S3、余量去除，使用数控铣床去除零件余量，保证零件外形尺寸L满足下陷尺寸要求。

2.根据权利要求1所述的一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，其特征在于：在步骤S1中，原材料选用型材牌号为7A09型材，状态为T6态；控制坯料原则如下：因桁条零件均为型材材料，零件下陷成形区沿型材长度方向，因此材料坯料尺寸控制，仅需要增加坯料长度。根据成形区下陷尺寸测算，单端下陷成形区留存300mm余量能够满足零件成形需求。

3.根据权利要求1所述的一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，其特征在于：在步骤S2中，工艺具体试验参数如下：

(1)加热温度：179℃；

(2)保温时间：0s，即不保温；

(3)电流密度：30A/mm2，该参数由原材料截面面积自动转换，无需变更；

(4)原材料截面面积：原材料最大截面面积。

4.根据权利要求1所述的一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，其特征在于：在步骤S2中，成形模具包括冲床上滑块、冲床下滑块和成形限位组件；冲床上滑块的下端设有模具上模块，冲床下滑块额上端设有模具下模块，模具上模块和模具下模块对应设置，形成零件空腔，

零件端头可横向移动，传动结构为螺纹结构；

成形模具还包括夹紧组件，夹紧组件对零件的左右两侧进行定位，夹持组件连接电极设置，电极终端与电源相连接。

5.根据权利要求4所述的一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，其特征在于：所述夹紧组件包括左侧夹持组件和右侧夹持组件，左侧夹持组件和右侧夹持组件外形一致，所述左侧夹持组件和右侧夹持组件采用气动组件驱动，对零件的左右两侧进行夹紧。

6.根据权利要求4所述的一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，其特征在于：成形模具的材质为紫铜，所述电极材质为紫铜。

7.根据权利要求4所述的一种硬态铝合金型材下陷结构自阻加热成形方法，其特征在于：电源提供DC12000A、DC6V的电源输入。

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