CN112588931B - 一种复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，利用合模预成形分配坯料，通过超低温介质加压成形出复杂形状曲面件，将板材放在凹模上，使压边圈压紧板材；驱动凸模下行，使板材预先大面积分配坯料，成形出预制板坯；向腔体内充填超低温介质，使预制板坯在超低温介质的压力作用下与凹模型腔的型面逐渐贴合，成形出复杂形状曲面件；撤去凸模压边圈，取出成形好的复杂形状曲面件。本发明的铝合金板材在超低温条件下发生变形，大幅提高成形极限，通过坯料预先分配和超低温介质加压成形可以避免局部开裂、提高壁厚均匀性，解决了高强铝合金复杂形状曲面件成形开裂的难题。

Description

一种复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法
技术领域
本发明涉及板件成形的技术领域，特别是涉及一种复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法。
背景技术
薄壁曲面件是运载火箭、飞机、高铁和新能源汽车的关键结构，直接影响运载装备的服役性能。此类构件不仅关键，而且量大面广，在飞机和汽车中数量占比达50％以上。为满足新一代装备大幅提升的服役要求，薄壁曲面件形状变得越来越复杂、材料越来越难变形。例如，为减轻重量和提高型面流线，新能源汽车覆盖件大量采用高强铝合金，截面形状则为正负曲率的异形曲面；为满足300km/h以上高速行驶的气动性能，高铁车头需求带小特征棱线覆盖件，在大尺寸空间曲面上具有尖锐小圆角；为满足高可靠和气密性要求，新型飞机舱门和蒙皮类构件多采用高强铝合金的异形曲面构件。这类构件通常都是异形曲面且存在局部小圆角或小特征，小特征圆角半径与壁厚之比甚至接近1.0。
薄壁曲面件通常采用拉深工艺进行成形制造，实际是板材在凸模作用下，产生塑性变形并不断拉入凸模和凹模之间的间隙而形成零件。构件最终形状由凸模或者凸凹模匹配压制决定。对于曲面形状相对简单的构件，通过拉深可以直接成形，比如常规汽车覆盖件、飞机口框等；对于曲面比较复杂或者深度较大的构件，则需要多道次预成形和中间退火等复杂工序才能成形，会导致成品率低、成品质量差的问题；对于具有正负曲率或局部小特征的复杂形状曲面件，由于板材与成形模具先后接触顺序和凸凹模匹配，极易在过渡或局部圆角处开裂，导致成形不能顺利完成；更甚的是，高强铝合金常温成形性还较差(成形形小于10％)，更容易引起开裂缺陷，超过了高强铝合金拉深成形的极限。目前仍无法解决高强铝合金复杂形状曲面件成形开裂的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，使铝合金板材在超低温条件下发生变形，可避免复杂形状曲面件成形开裂的问题，提高壁厚均匀性和成形效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，利用合模预成形分配坯料，通过超低温介质加压成形出复杂形状曲面件，具体步骤如下：
步骤一，将板材放在凹模上，向压边圈上施加压边力使所述压边圈压紧板材；
步骤二，驱动凸模下行，使所述板材在所述凹模和凸模的作用下预先大面积分配坯料，成形出预制板坯，所述凸模与所述凹模的型面不匹配，根据所述板材的拉深的深度调整所述压边圈上的压边力，保障预制板坯与所述凸模之间的腔体保持密封状态；
步骤三，通过增压泵和循环管路向所述预制板坯与所述凸模之间的腔体内充填超低温介质，使所述预制板坯在所述超低温介质的压力作用下与所述凹模的型面逐渐贴合，成形出复杂形状曲面件；
步骤四，回收所述腔体内的超低温介质，驱动所述凸模上行，撤去所述压边圈，取出成形好的复杂形状曲面件。
优选的，所述凸模为圆滑过渡的弧面模具，所述凹模内设置有复杂形状的型面。
优选的，在所述步骤一之前，将所述凸模冷却至低于-160℃的设定温度。
优选的，所述凸模内设置有用于容纳所述超低温介质的溶液腔，所述溶液腔通过循环通路连通放置所述超低温介质的低温容器和所述增压泵。
优选的，所述增压泵的加压压力不超过100MPa。
优选的，所述压边圈的上表面与所述凸模接触处设置有密封元件，所述压边圈在步骤一施加小于5MPa的单位压边力，所述压边圈在步骤二调整后施加大于7MPa的单位压边力。
优选的，不操作所述步骤二的合模预成形步骤，将所述压边圈由中空圈状替换为平板状，直接通过增压泵向所述密闭腔室加压通入作为凸模的所述超低温介质，对所述板材进行预拉深分配坯料，再增大所述密闭腔内超低温介质的压力，使所述板材与所述凹模的型面逐渐贴合，成形出复杂形状曲面件。
优选的，在平板状的所述压边圈中部和所述凹模上分别设置有连通所述超低温介质的循环管路，并保持所述压边圈与所述凹模之间形成密闭腔室。
优选的，所述超低温介质为液氮、液氩或液氦。
优选的，所述板材为壁厚0.1～10mm的轧制铝合金板材，所述板材为Al-Li合金、Al-Cu合金、Al-Mg-Si合金或Al-Zn合金。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的铝合金板材在超低温条件下发生变形，成形性能显著提高，解决了高强铝合金常温成形塑性差、易开裂的难题；通过合模预成形分配坯料、再通过超低温介质加压成形出复杂形状曲面，根据构件形状优化分配坯料，可以避免局部开裂、提高壁厚均匀性；通过使用超低温介质对板材加压，不仅可以实现板材直接冷却，还可以避免凸模与凹模之间复杂的型面匹配，有利于复杂形状曲面件成形。
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为本发明复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法的示意图一；
图2为本发明复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法的示意图二；
图3为本发明复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法的示意图三；
图4为本发明复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法的示意图四；
图5为本发明复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法的示意图五；
其中：1-凹模，2-板材，3-压边圈，4-超低温介质，5-凸模，6-预制板坯，7-复杂形状曲面件，8-密封元件，9-增压泵，10-低温容器，11-循环管路。
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复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，以解决现有技术存在的问题，使铝合金板材在超低温条件下发生变形，可避免复杂形状曲面件成形开裂的问题，提高壁厚均匀性和成形效率。
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1
如图1至图5所示，本实施例提供了一种复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，利用合模预成形分配坯料，通过超低温介质加压成形出复杂形状曲面件7，板材2为壁厚0.1～10mm的轧制铝合金板材，板材2为Al-Li合金、Al-Cu合金、Al-Mg-Si合金或Al-Zn合金。具体步骤如下：
步骤一，将板材2放在凹模1上，向压边圈3上施加压边力使压边圈3压紧板材2；在之前，先将凸模5冷却至低于-160℃的设定温度。
步骤二，驱动凸模5下行，使板材2在凹模1和凸模5的作用下预先大面积分配坯料，成形出预制板坯6，凸模5与凹模1的型面不匹配，凸模5与预制板坯6的边缘相接触，其中，凸模5为圆滑过渡的弧面模具，凹模1内设置有复杂形状的型面。根据板材2的拉深深度调整压边圈3上的压边力，保障预制板坯6与凸模5之间的腔体保持密封状态。压边圈3的上表面与凸模5接触处设置有密封元件8，保障腔体的密封性。压边圈3在步骤一施加小于5MPa的单位压边力，压边圈3在步骤二调整后施加大于7MPa的单位压边力。
步骤三，通过增压泵9和循环管路11向预制板坯6与凸模5之间的腔体内充填超低温介质4，使预制板坯6在超低温介质4的压力作用下与凹模1的型面逐渐贴合，成形出复杂形状曲面件。
步骤四，回收腔体内的超低温介质4，驱动凸模5上行，撤去压边圈3，取出成形好的复杂形状曲面件7。其中，超低温介质4为液氮、液氩或液氦。凸模5内设置有用于容纳超低温介质4的溶液腔，溶液腔通过循环通路连通放置超低温介质4的低温容器10和增压泵9，增压泵9的加压压力不超过100MPa。
不操作步骤二的合模预成形步骤，将压边圈3由中空圈状替换为平板状，直接通过增压泵9向密闭腔室加压通入作为凸模5的超低温介质4，对板材2进行预拉深分配坯料，再增大密闭腔内超低温介质4的压力，使板材2与凹模1的型面逐渐贴合，成形出复杂形状曲面件。在平板状的压边圈3中部和凹模1上分别设置有连通超低温介质4的循环管路11，并保持压边圈3与凹模1之间形成密闭腔室。
实施例2
如图1至图3所示：本实施例中的坯料为固溶态7075的铝合金板材，其厚度为1.5mm、长1200mm、宽800mm；复杂形状曲面件7为盒形件，开口长900mm、宽600mm、最大深度为150mm，底部具有复杂变化的曲率半径并具有局部内凹特征。利用刚模预拉深分配坯料，再通入超低温介质4进行冷却和加压成形，具体步骤如下：
步骤一，将铝合金板材2放在凹模1上，施压压边力闭合压边圈3。
步骤二，在压边圈3上施加设定压边力，凸模5下行至设定深度120mm，使板材2在刚性模具作用下预先大面积分配坯料；调整拉深和压边力，使凸模5外缘法兰压紧装在压边圈3上的密封元件8，压边圈3压紧预制板坯6，保障预制板坯6与凸模5之间的腔体有效密封。
步骤三，用液氮做为超低温介质4充填至预制板坯6与凸模5之间的腔体，使预制板坯6冷却至低于-160度。
步骤四，加大通入超低温介质4的压力至80MPa，使预制板坯6在超低温介质4压力作用下成形出复杂形状曲面。
步骤五，回收腔体内的超低温介质4，退回凸模5和压边圈3，取出成形好的复杂形状曲面件7。
本实施例中超低温介质4还可以用液氩。
本实施例通过合模预成形分配坯料、再通过超低温介质4加压成形出复杂形状曲面，根据构件形状优化分配坯料，可以避免局部开裂、提高壁厚均匀性；超低温介质4不仅用于加压，还用于冷却，铝合金板材在超低温条件下发生变形，成形性能显著提高，避免了高强铝合金复杂形状曲面件7成形开裂的难题。
实施例3
如图1至图3所示：本实施例中的坯料为固溶态2195的铝合金板材，其厚度为1.0mm、直径1200mm；复杂形状曲面件7为深腔多通件，开口直径600mm、侧壁深度575mm，底部为异形曲面、最大深度600mm，侧壁具有4个外凸特征。利用刚模预冷进行最大程度地预拉深分配坯料，再通入超低温介质4进行冷却和加压成形，具体步骤如下：
步骤一，用液氮作为超低温介质4，先将凸模5冷却至低于-180℃的温度，凸模5内设置有用于循环超低温介质4的溶液腔。
步骤二，将铝合金板材2放在凹模1上，施压压边力闭合压边圈3。
步骤三，在压边圈3上施加3MPa的单位压边力，凸模5下行至设定深度575mm，使板材2在低于-160℃条件下拉深成形出直壁筒；增大拉深和压边圈的单位压力至7MPa，使凸模5外缘法兰压紧装在压边圈3上的密封元件8，压边圈3压紧板材2，保障板材2与凸模5之间的腔体有效密封。
步骤四，向板材2与凸模5之间的腔体充填超低温介质4，使板材2冷却至低于-180℃；加大腔体内超低温介质4的压力至60MPa，使板材2在超低温介质4压力作用下成形出侧壁上的外凸特征和底部异形曲面的复杂形状。
步骤五，回收腔体内的超低温介质4，退回凸模5和压边圈3，取出成形好的复杂形状曲面件7。
本实施例通过合模预成形分配坯料、再通过超低温介质4加压成形出复杂形状曲面，根据构件形状优化分配坯料，可以避免局部开裂、提高壁厚均匀性；通过预冷刚模，使板材2在超低温条件下预成形，可显著提高预成形坯料分配程度，提高成形极限；超低温介质4不仅用于加压，还用于冷却，铝合金板材在超低温条件下发生变形，成形性能显著提高，避免了高强铝合金复杂形状曲面件7成形开裂的难题。
实施例4
如图4至图5所示：本实施例中的坯料为固溶态6016铝合金板材，其厚度为1.0mm、直径1000mm；复杂形状曲面件7为异形曲面件，开口直径600mm、最大深度300mm，底部为双峰异形曲面且具有深凹特征。通过超低温介质4冷却板材2，控制压边力以超低温介质4做柔性凸模拉深分配坯料、最后再加大超低温介质4的压力，成形复杂局部特征。
步骤一，将铝合金板材2放在凹模1上，施压压边力闭合压边圈3，压边圈为平板状。
步骤二，用液氮作为超低温介质4充填至板材2与压边圈之间的腔体，将板材2冷却至低于-160℃的温度。
步骤三，在压边圈3上施加压边力，增加板材2与压边圈之间的腔体内超低温介质4的压力至10MPa，使板材2在超低温介质4压力作用下拉深出大面积异形曲面。
步骤四，增加压边力使上腔足够密封，再增大超低温介质4的压力至40MPa，使板材2在超低温介质4压力作用下胀形出局部特征，直至成形出所有形状。
步骤五，回收腔体内的超低温介质4，退回压边圈3，取出成形好的复杂形状曲面件7。
本实施例的铝合金板材始终在超低温条件下发生变形，成形性能显著提高，避免了高强铝合金常温成形塑性差、易开裂的难题；通过超低温介质4预成形分配坯料，有利于提高预成形坯料优化程度，避免刚模分配坯料的限制；根据构件形状优化分配坯料，可以避免局部开裂、提高壁厚均匀性；超低温介质4不仅可以实现板材2直接冷却，还可以加压成形贴靠复杂特征，降低凸模5与凹模1之间复杂的型面或间隙匹配难度，有利于成形复杂形状曲面件7。
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 (7)

1.一种复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，其特征在于：利用合模预成形分配坯料，通过超低温介质加压成形出复杂形状曲面件，具体步骤如下：
步骤一，将板材放在凹模上，向压边圈上施加压边力使所述压边圈压紧板材；
步骤二，驱动凸模下行，使所述板材在所述凹模和凸模的作用下预先大面积分配坯料，成形出预制板坯，所述凸模与所述凹模的型面不匹配，根据所述板材的拉深的深度调整所述压边圈上的压边力，保障预制板坯与所述凸模之间的腔体保持密封状态；所述压边圈的上表面与所述凸模接触处设置有密封元件，所述压边圈在步骤一施加小于5MPa的单位压边力，所述压边圈在步骤二调整后施加大于7MPa的单位压边力；
步骤三，通过增压泵和循环管路向所述预制板坯与所述凸模之间的腔体内充填超低温介质，使所述预制板坯在所述超低温介质的压力作用下与所述凹模的型面逐渐贴合，成形出复杂形状曲面件；
步骤四，回收所述腔体内的超低温介质，驱动所述凸模上行，撤去所述压边圈，取出成形好的复杂形状曲面件。
2.根据权利要求1所述的复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，其特征在于：所述凸模为圆滑过渡的弧面模具，所述凹模内设置有复杂形状的型面。
3.根据权利要求1所述的复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，其特征在于：在所述步骤一之前，将所述凸模冷却至低于-160℃的设定温度。
4.根据权利要求1所述的复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，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溶液腔，所述溶液腔通过循环通路连通放置所述超低温介质的低温容器和所述增压泵。
5.根据权利要求4所述的复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，其特征在于：所述增压泵的加压压力不超过100MPa。
6.根据权利要求1所述的复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，其特征在于：所述超低温介质为液氮、液氩或液氦。
7.根据权利要求1所述的复杂形状曲面件超低温介质压力成形方法，其特征在于：所述板材为壁厚0.1～10mm的轧制铝合金板材，所述板材为Al-Li合金、Al-Cu合金、Al-Mg-Si合金或Al-Zn合金。
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