CN112775310B - 铝合金薄壁构件及其高效热冲压成形方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金薄壁构件及其高效热冲压成形方法和应用，利用级进模具效率高、节拍快、集成度高的特点，将快速加热‑预冷和预变形‑冷模终成形工艺步骤集成于一套级进模具内，进行烤漆处理，即采用时效态高强铝合金，通过与加热平板模具接触进行快速换热，通过控制接触压力，短时保压即可到达成形温度区间；通过预冷和预变形产生均匀应变累计位错，同时避开铝合金材料在高温变形阶段出现的高温软化现象，达到变形的目的；最终在室温终成形模具内冲压得到所需零件并进行烤漆处理；该方法大幅缩短铝合金热成形零件的生产周期，适合快节拍连续化的工业生产模式，工艺步骤集成度高，节约了设备成本和时间成本，同时保证了成形零件的力学性能。

Description

铝合金薄壁构件及其高效热冲压成形方法和应用

技术领域

本发明属于金属板材成形加工技术领域，具体涉及一种铝合金薄壁构件及其高效热冲压成形方法和应用。

背景技术

为应对能源危机和环境危机，发展先进制造技术以实现结构轻量化，已成为航空航天和汽车工业领域的研究热点。近几年，具有高比强度、刚度以及良好的耐腐蚀性能的铝合金受到了工业界的关注，但是铝合金在室温条件下塑性较差，冲压零件后续热处理工艺效率低，传统方法无法满足工艺要求。

利用铝合金高温塑性提升的特性，采用等温成形的方法可以成形具有复杂特征的零件，但是后续通常需要固溶-淬火-人工时效等强化处理工序，导致零件产生热畸变且工艺效率较低。有学者在借鉴硼钢热冲压工艺的基础上提出铝合金热冲压(HFQ)技术，通过将热处理过程嵌入成形过程达到高温固溶-冷模成形-保压淬火的目的，可以有效解决开裂和起皱等工艺缺陷问题，在保证强度和尺寸精度的同时达到成形复杂零件的目的，但该工艺受到铝合金热处理制度中固溶时间和时效时间较长的限制，节拍缓慢、不适用于工业化连续生产。

专利文献WO2019205768(A1)公开了一种轻量化铝合金车身构件的热冲压成形方法。主要包括如下步骤：

A)将T6态铝合金坯料置于加热设备中以1-10℃/s的速度加热至比合金的固溶温度低50-300℃，保温10-300s；

B)将坯料在7s内快速转移至水冷模具进行热成形，冲压完成后模内保压淬火，冷速不低于30℃/s；

C)热成形过程促进大量位错的产生，有效提供了强化相析出的空位，强化相能够大量高效地自然析出，从而成形构件无需进行后续的人工时效即可得到T4态的车身零件；

D)结合车身制造工艺流程，总装后需进行短时烤漆处理，成形构件在烤漆过程中强化相会进一步析出，快速达到峰值强度，获得T8态的力学性能。

该专利文献所采用的板料为T6态的铝合金板，且加热速度控制在1-10℃/s，通过高温保温使析出相回溶提高塑性，从而使成形后零件具有T4态强度，再通过烤漆处理得到T8态最终强度。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的首要目的是提供一种铝合金薄壁构件的高效热冲压成形方法。

本发明的第二个目的是提供上述铝合金薄壁构件。

本发明的第三个目的是提供上述铝合金薄壁构件的应用。

为达到上述首要目的，本发明的解决方案是：

一种铝合金薄壁构件的高效热冲压成形方法，利用级进模具效率高、节拍快、集成度高的特点，将快速加热-预冷+预变形-冷模终成形工艺步骤集成于一套级进模具内，最后进行烤漆处理，具体包括如下步骤：

(1)、快速加热：原始时效态铝合金板通过与加热的平板模具接触进行快速换热；

(2)、预冷和预变形：由送料块在1-3s内将铝合金板转移至250-400℃的高温的预变形模具内，将板料温度冷却避开高温软化区间，同时完成板料整体的均匀变形，在高温的预变形模具内保压5-8s；

(3)、冷模终成形：由送料块在1-3s内将铝合金板转移至室温的终成形模具内冲压、冷却得到所需零件，在冷模内保压5-8s；

(4)、烤漆处理：将冷模冲压后的零件进行烤漆，温度为185℃下保温20min。

在本发明的优选实施例中，步骤(1)中，加热的速率为30-200℃/s，加热的温度比铝合金的固溶温度低100-300℃，在预热至比铝合金的固溶温度低100-300℃的平板模具内保压5-8s。

在本发明的优选实施例中，步骤(2)中，高温软化区间为400℃至固溶温度，固溶温度随不同型号的铝合金板而变化。

在本发明的优选实施例中，步骤(2)中，高温的预变形模具采用整体拉伸或分块压制的方法使原始时效态高强铝合金板料整体产生2-8％均匀塑性应变累计位错。高温预变形的方式包括局部定制预变形和均匀预变形。

在本发明的优选实施例中，步骤(3)中，在冷模内冷却的速率大于30℃/s。

在本发明的优选实施例中，步骤(4)中，采用的坯料为时效态高强铝合金，无需进行传统热冲压工艺中高温固溶后续人工时效的热处理过程，在汽车生产工业中所获零件经过烤漆处理可强化得到T6态力学性能。

为达到上述第二个目的，本发明的解决方案是：

铝合金薄壁构件由上述的高效热冲压成形方法得到。

为达到上述第三个目的，本发明的解决方案是：

一种上述的铝合金薄壁构件在汽车结构件或覆盖件中的应用。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

第一、本发明将工艺路线集成于级进模具中，节拍稳定可控，充分发挥工业化连续生产的优势，工艺效率大幅提高，适合车用高强铝合金结构件和覆盖件的大批量生产。

第二、本发明利用高温模具与铝合金板料接触加热的方式提高了换热速度，提升塑性并缩短了保温所需时间，同时避免了时效态铝合金内的强化相过度回溶或异常长大带来的强度损失。

第三、本发明利用级进模具中送料块传送结构实现板料转运时间稳定可控，避免传统热成形工艺中转运过程带来的不稳定的热量损失。

第四、本发明通过高温预变形工艺步骤实现铝合金板料整体的均匀预变形，满足板料内部通过塑性变形而累计位错的要求，为后续烤漆处理过程中强化相的析出提供形核位点，避免了因终成形零件应变场不均匀而出现力学强度不均匀现象。

第五、本发明利用级进模具内各工步冲程时间相同的特点，实现高强铝合金板在室温条件下输入、经过接触快速加热-高温预变形-冷模终成形得到零件后、模内冷却至室温最终输出的目的，整体高温成形步骤封闭在级进模具内部，从而使生产过程连续且安全。

综上，本发明的方法大幅缩短铝合金热成形零件的生产周期，适合快节拍连续化的工业生产模式，工艺步骤整合在级进模具内集成度高，节约了设备成本和时间成本，同时保证了成形零件的力学性能。

附图说明

图1为本发明的整体工艺与温度路线示意图。

图2为本发明的级进模具示意图。

图3为本发明的实施例中快速加热示意图。

图4为本发明的实施例中高温预变形示意图。

图5为本发明的实施例1中板料定制预变形示意图。

图6为本发明的实施例2中板料整体拉伸预变形示意图。

图7为本发明的实施例中冷模终成形示意图。

图8为本发明的实施例中烤漆处理示意图。

附图标记：1-铝合金板、2-平板模具、3-加热棒孔、4-预变形模具、5-冷却水流道、6-终成形模具、7-烤漆处理箱、8-送料块、9-预变形装置。

具体实施方式

本发明提供了一种铝合金薄壁构件及其高效热冲压成形方法和应用。

本发明的整体温度路线如图1所示，实现高强铝合金板在室温条件下输入、最终冷却至室温输出的目的，整体高温成形步骤封闭在级进模具内部，生产过程连续且安全。

其中，如图2所示，级进模具内设有依次排列的平板模具2、预变形模具4和终成形模具6，其中，平板模具2和预变形模具4的中间上表面设有通孔(加热棒孔3)，加热棒孔3等间距分布，根据插入其中的实际加热棒功率和平板模具2尺寸确定具体参数，达到均匀加热平板模具2的目的；送料块8采用弹簧连接至平板模具2的上下两侧，起到脱料的作用；预变形装置9固定在预变性模具4的左右两侧，可对平板施加横向拉力，通过控制位移达到使平板产生均匀塑性变形的目的。终成形模具6内设有冷却水流道5达到用来冷却板料的目的。

如图1所示，本发明的铝合金薄壁构件的高效热冲压成形方法包括如下步骤：

(1)、快速加热：将室温状态的时效态铝合金板1放置在级进模具第一工位上，通过高温加热的平板模具2闭合与铝合金板1接触保压进行快速换热，通过控制接触压力，使加热的速率为30-200℃/s，高温加热的平板模具2的温度比铝合金的固溶温度低100-300℃。

(2)、预冷+预变形：通过送料块8将铝合金板1转移至250-400℃的高温的预变形模具4内，转移时间为1-3s(t1-t2)，可采用整体拉伸或分块压制(局部定制预变形或均匀预变形)的方法使原始时效态高强铝合金板1整体产生2-8％均匀塑性应变累计位错，在高温的预变形模具4内保压5-8s(t2-t3)。

(3)、冷模终成形：通过送料块8在1-3s(t3-t4)内将铝合金板1转移至终成形模具6进行终成形得到所需零件，在冷模内保压5-8s(t4-t5)，冷却速率大于30℃/s。

(4)、烤漆处理：将冷模冲压后的零件进行烤漆，温度为185℃下保温20min。

其中，在步骤(1)中，由于级进模具各工步冲程时间固定，所以设定在平板模具2内保压5-8s(t1)加热至目标温度。通过接触加热得到时效态铝合金板料具有较好的高温成形塑性，同时由于传热过程迅速，避免了内部强化相过度回溶或异常长大带来的强度损失，通过后续塑性变形加工硬化可以提升材料的均匀塑性变形率，从而防止铝合金高温软化而带来的局部过度减薄甚至开裂。

在步骤(2)中，由于在较高温度下铝合金材料具有高温软化特性，塑性变形硬化率较低，板料发生局部变形时无法带动周围材料进一步变形，导致颈缩提前发生，不利于复杂零件的成形。通过预冷可将板料温度冷却至材料硬化率较高区间内，提高材料均匀延伸率。为达到板料整体预变形的目的，可以对板料两端进行整体拉伸，或分两步定制模压得到：先使板料整体产生类w型加强筋折痕，再整体压平；均匀预变形可为后续烤漆处理过程中强化相的析出提供形核位点，从而避免了因终成形零件应变场不均匀而出现力学强度不均匀现象。

在步骤(4)中，通过烤漆处理箱7使总成形零件内进一步析出强化相，由于采用的坯料为时效态高强铝合金，无需进行传统热冲压工艺中高温固溶后续人工时效的热处理过程，经过烤漆处理可强化得到T6态力学性能。

以下结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

如图3、图4、图5、图7和图8所示，本实施例以一种7075-T6铝合金定制预变形为例，对上述提供的工艺路线进行模拟测试，包括快速加热、预冷+预变形、冷模终成形和烤漆处理，具体包括如下步骤：

(1)、快速加热：原始7075-T6铝合金板1通过与高温加热的平板模具2接触进行快速换热，平均加热速率经测试约为80℃/s，加热温度比铝合金的固溶温度低250℃，在平板模具2内保压5s，加热至目标温度。

(2)、预冷+预变形：将高温7075-T6铝合金板1转移至400℃的高温定制的预变形模具4内，转移时间为1s，采用与终成形模具6互补的定制模压方法使原始7075-T6铝合金板1局部产生8％塑性应变累计位错，在高温的预变形模具4内保压5s。

(3)、冷模淬火：将7075-T6铝合金板1转移至室温的终成形模具6内冷却淬火，转移时间为1s，在终成形模具6内保压5s，冷却速率经测试约为40℃/s。

(4)、烤漆处理：将变形7075-T6铝合金板1放入加热设备模拟的烤漆处理箱7的过程，随后测试得到其最终抗拉强度为7075-T6的95％以上，满足零件使用要求。

实施例2：

如图3、图4、图6、图7和图8所示，本实施例以一种7075-T4铝合金均匀预变形为例，对上述提供的工艺路线进行模拟测试，包括快速加热、预冷+预变形、冷模终成形和烤漆处理，具体包括如下步骤：

(1)、快速加热：原始7075-T4铝合金板1通过与高温加热的平板模具2接触进行快速换热，平均加热速率经测试约为80℃/s，加热温度比铝合金的固溶温度低200℃，在平板模具2内保压5s，加热至目标温度。

(2)、预冷+预变形：将高温7075-T4铝合金板1转移至400℃的高温的预变形模具4内，转移时间为1s，采用整体拉伸的方法使原始7075-T4铝合金板1整体产生8％均匀塑性应变累计位错，在高温的预变形模具4内保压5s。

(3)、冷模淬火：将高温7075-T4铝合金板1转移至室温的终成形模具6内冷却淬火，转移时间为1s，在终成形模具6内保压5s，冷却速率经测试约为40℃/s。

(4)、烤漆处理：将变形7075-T4铝合金板1放入加热设备模拟烤漆处理箱7的过程，随后测试得到其最终抗拉强度为7075-T4的90％以上，满足零件使用要求。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铝合金薄壁构件的高效热冲压成形方法，其特征在于：其包括如下步骤：

(1)、快速加热：原始时效态铝合金板通过与加热的平板模具接触进行换热；

(2)、预冷和预变形：由送料块在1-3s内将铝合金板转移至250-400℃的预变形模具内，将铝合金板温度冷却避开高温软化区间，同时完成铝合金板整体的均匀变形，在预变形模具内保压5-8s；

(3)、冷模终成形：由送料块在1-3s内将铝合金板转移至室温的终成形模具内冲压、冷却得到所需零件，在冷模内保压5-8s；

(4)、烤漆处理：将冷模冲压后的零件进行烤漆，温度为185℃下保温20min。

2.根据权利要求1所述的高效热冲压成形方法，其特征在于：步骤(1)中，所述加热的速率为30-200℃/s，所述加热的温度比铝合金的固溶温度低100-300℃，在预热至比铝合金的固溶温度低100-300℃的平板模具内保压5-8s。

3.根据权利要求1所述的高效热冲压成形方法，其特征在于：步骤(2)中，所述高温软化区间为400℃至固溶温度。

4.根据权利要求1所述的高效热冲压成形方法，其特征在于：步骤(2)中，所述预变形模具采用整体拉伸或分块压制的方法使原始时效态高强铝合金板整体产生2-8％均匀塑性应变累计位错。

5.根据权利要求1所述的高效热冲压成形方法，其特征在于：步骤(3)中，在所述冷模内冷却的速率大于30℃/s。

6.一种铝合金薄壁构件，其特征在于：其由权利要求1-5任一项所述的高效热冲压成形方法得到。

7.一种如权利要求6所述的铝合金薄壁构件在汽车结构件或覆盖件中的应用。

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