CN112792153A - 一种铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法，适用于成形轻质多层夹层结构件，不需更改工装，通过设计中间芯板层数和连接点位置，即可实现三层、四层乃至多层板夹层结构件成形，产品主要用于航空航天领域；本发明采用扩散拉伸化铣复合成形方法成形铝合金多层板夹层结构件，与超塑成形/扩散连接方法相比，成形时不需要充入高压气体，安全系数更高，操作更为简单，并且生产周期短，生产成本低。与焊接成形相比，该方法工装更为简单，生产效率更高，并且结构件表面无焊缝，不存在焊接变形，成形质量更高。

Description

一种铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法

技术领域

本发明属于热成形加工领域，涉及到一种铝合金多层板夹层结构焊接与整体成形工装及成形方法。

背景技术

铝合金板材由于密度低，比强度、比刚度高，塑性好易变形，多应用在汽车和航空、航天和领域，而多层夹层结构的存在既可最大限度实现零件的减重，又能起到加强筋的作用保证零件的强度和刚度满足使用要求。

铝合金多层板夹层结构的已有加工方法为超塑成形/扩散连接和焊接成形。超塑成形/扩散连接方法生产周期长，生产成本高，不适用于大批量、零件的成形，此外，成形是在高气压下进行的，对热成形设备提出了更高的要求。焊接成形方法为先成形后焊接，焊接难度大，工装复杂，并且结构件表面质量低，易出现焊接变形。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种铝合金多层板夹层结构整体焊接、成形工装及成形方法，实现铝合金多层板夹层结构件的整体成形；与已有加工方法相比本发明工装简单，可降低成本，提高生产效率，实现大批量生产。

本发明通过如下技术方案予以实现：一种铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法，步骤如下：

1)设计多层板扩散连接工装和拉伸成形工装；

2)准备上、下两层面板以及芯板，通过酸洗去除表面氧化层；

3)将上面板与第一层芯板对齐，确定两者之间的扩散连接位置，即第一扩散连接位置为长条，长条的长度与面板、芯板的长度相等，长条的方向与面板、芯板的长度方向平行，沿着面板、芯板的宽度方向均匀分布；将第二层芯板与第一层芯板对齐，确定两者之间的扩散连接位置，即第二扩散连接位置为长条，长条的长度与面板、芯板的长度相等，长条的方向与面板、芯板的长度方向平行，沿着面板、芯板的宽度方向均匀分布，每一个第二扩散连接位置分布在两两第一连接位置中间；将第三层芯板与第二层芯板对齐，确定两者之间的扩散连接位置，即第二扩散连接位置为长条，长条的长度与面板、芯板的长度相等，长条的方向与面板、芯板的长度方向平行，沿着面板、芯板的宽度方向均匀分布，每一个第三扩散连接位置分布在两两第二连接位置中间，依此类推，将下面板与最后一层芯板对齐，确定两者之间的扩散连接位置，即第N+1扩散连接位置为长条，长条的长度与面板、芯板的长度相等，长条的方向与面板、芯板的长度方向平行，沿着面板、芯板的宽度方向均匀分布，每一个第N+1扩散连接位置分布在两两第N连接位置中间；最后在上、下面板与芯板的非扩散位置涂覆阻焊剂；

4)将上面板、第N层芯板、下面板依次对齐堆叠放置好，置于扩散连接工装的上、下紧固板之间，用紧固螺钉固定，旋紧紧固螺母；

5)将经步骤4)后的夹有面板、芯板的扩散连接工装放入炉中加热到扩散连接温度，保温一定时间后取出，冷却至室温；拧开紧固螺钉，将扩散连接好的面板和芯板从上、下紧固板之间取出；

6)通过耐热胶粘剂实现经步骤5)后上面板与拉伸成形工装上模的连接，下面板与拉伸成形工装下模的连接；将拉伸成形工装放置于热拉伸机上，加热到热拉伸温度后保温一段时间，随后进行拉伸变形；

7)拉伸变形完成后，将经步骤6)拉伸成形工装从热拉伸机里取出，冷却至室温；用解胶剂将耐热胶粘剂溶解，解除上模与上面板、下模与下面板之间的连接；

8)使用铣床铣去上、下面板多余厚度，最终得到铝合金多层板夹层结构件。

在步骤1)中，扩散连接工装包括上紧固板、下紧固板、紧固螺钉和紧固螺母；其中，所述上、下紧固板四角位置设有螺纹孔，所述紧固螺钉设置于所述螺纹孔内。

在步骤1)中，拉伸成形工装包括上模、下模和夹紧螺钉；其中，所述上模和下模可通过夹紧螺钉实现与拉伸机的连接。

在步骤2)中，所述两个上、下面板的厚度相等，各个芯层的厚度相等，上下面板的厚度大于芯板的厚度；并且上、下面板的长度、宽度尺寸与芯板的长度、宽度尺寸相等；其中，芯板的层数根据多层板夹层结构件确定。(例如：三层板夹层结构件芯板的层数为一；四层板夹层结构件芯板的层数为二，依次类推。)

在步骤4)中，上、下面板和芯板作为整体置于上紧固板和下紧固板之间；扩散连接在一起的上、下面板和芯板作为整体置于上紧固板和下紧固板之间。

在步骤6)中，上、下面板和芯板作为整体置于上模和下模之间。

在步骤8)中，使用所述铣床去除所述上、下面板多余厚度，使最终上、下面板的厚度与芯板厚度相同。

所述步骤5)、6)中保温时间具体为10min。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、采用本发明成形铝合金多层板夹层结构件，不需要更改工装和成形方法，通过合理设计芯层个数和扩散连接位置，即可实现各种层数夹层结构件的成形。

2、利用耐热胶粘剂实现上、下面板与拉伸成形工装上下模的连接，并且适当增加上、下面板的厚度，使高温拉伸机施加的拉应力可均匀传递到面板与芯板、芯板与芯板之间的连接点，使零件的变形更为均匀、稳定，提高了零件的尺寸和形位精度。

3、采用本发明成形铝合金多层板夹层结构件，最后利用铣床去除上、下面板多余厚度，能有效保证结构件表面光滑、无变形、起皱等缺陷，表面质量高。

4、采用本发明成形铝合金多层板夹层结构件，与超塑成形/扩散连接技术相比，成形时不需要充入高压气体，安全系数更高，操作更为简单，并且生产周期短，生产成本低。

5、采用本发明成形铝合金多层板夹层结构件，与焊接成形技术相比，工装更为简单，不需要设计加工型腔形状复杂的模具，也不需要焊接工装，节约人力、物力，并且结构件表面无焊缝，不存在焊接变形，成形质量更高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三层板夹层结构扩散连接位置示意图。

图2为本发明实施例提供的三层板夹层结构扩散连接工装装配示意图。

图3为本发明实施例提供的铝合金三层板夹层结构成形过程示意图，其中(a)为成型前，(b)为成型后。

图4为本发明实施例提供的铝合金三层板夹层结构件示意图。

图5为本发明实施例提供的铝合金四层板夹层结构成形过程示意图，其中(a)为成型前，(b)为成型后。

图6为本发明实施例提供的铝合金五层板夹层结构成形过程示意图，其中(a)为成型前，(b)为成型后。

具体实施方式

本发明针对铝合金多层板夹层结构提出了一种整体成形工装，包括扩散连接、拉伸成形工装。本成形方法使得工装非常简单操作方法简单易行。

根据结构件尺寸设计加工出扩散连接工装和拉伸成形工装，以铝合金三层板夹层结构件为例，对成形过程进行具体描述。先将上、下两层厚面板和中间一层薄芯板进行酸洗，其目的在于去除表面的氧化层，为后续的扩散连接做准备。

按照图1所示，在上面板下侧、中间芯板上下两侧、下面板上侧的非扩散连接位置上均匀涂覆一层阻焊剂，阻焊剂的作用是防止变形区域发生扩散连接。完成后如图2所示安装在扩散连接工装的上下紧固板之间，用紧固螺钉固定，稍微旋紧紧固螺母，对面板与芯层之间施加一定的压力，在高压作用下，更利于发生扩散扩散。

之后，将装配有面板与芯板的扩散连接工装放入炉中并加热到扩散连接温度，在高温高压下保持一定时间，面板与芯层之间将发生扩散连接，成为一个整体。扩散连接完成后，将扩散连接工装取出，冷却至室温后，松开螺母，拔出紧固螺钉，将面板和芯板从上、下紧固板之间取出。

如图3(a)所示，通过耐热胶粘剂实现上面板与拉伸成形工装上模连接，下面板与拉伸成形工装下模连接，可保证拉应力均匀传递到面板与芯板之间的连接点，通过夹紧螺钉将拉伸成形工装上下模具固定在热拉伸机上，将面板和芯板加热到热拉伸温度后保温一段时间，随后进行拉伸变形。

拉伸成形完成后，将拉伸成形工装从热拉伸机里取出，并冷却至室温。图3(b)是拉伸成形后的三层板夹层结构件，此时芯板发生变形，呈波纹状，而上下面板的形状、尺寸不变。用解胶剂将耐热胶粘剂溶解，解除上模与上面板、下模与下面板之间的连接，将成形后的结构件从上、下模中取出。

最后使用铣床铣去上、下面板多出芯板的厚度，最终得到铝合金多层板夹层结构件，如图4所示。

本实例提供了一种铝合金三层板夹层结构扩散拉伸化铣复合成形方法。该零件材料为5A06铝合金，芯板的尺寸为200mm×200mm×2mm，为保证连接点的强度，面板进行加厚，尺寸为200mm×200mm×5mm，成形的步骤如下：

1、酸洗：对上、下两层面板和中间一层芯板进行酸洗，去除表面的氧化层。

2、涂覆阻焊剂：按照图1所示，设计扩散连接位置，并在上面板下侧、中间芯板上下两侧、下面板上侧的非扩散连接位置上均匀涂覆一层阻焊剂。

3、装入扩散连接工装：如图2所示将面板与芯板安装在扩散连接工装的上下紧固板之间，用紧固螺钉固定，稍微旋紧紧固螺母，对面板与芯层之间施加一定的压力。

4、扩散连接：将装配有面板与芯板的扩散连接工装放入炉中并加热到扩散连接温度，在高温高压下保持一定时间，面板与芯层之间将发生扩散连接，成为一个整体。扩散连接完成后，将扩散连接工装取出，冷却至室温后，松开螺母，拔出紧固螺钉，将面板和芯板从上、下紧固板之间取出。

5、装模：如图3(a)所示，通过耐热胶粘剂实现上面板与拉伸成形工装上模连接，下面板与拉伸成形工装下模连接。通过夹紧螺钉将拉伸成形工装上下模具固定在热拉伸机上。

6、拉伸成形：将面板和芯板加热到热拉伸温度后保温一段时间，随后进行拉伸变形，图3(b)是拉伸成形后的三层板夹层结构件。

7、脱模取件：用解胶剂将耐热胶粘剂溶解，解除上模与上面板、下模与下面板之间的连接，将成形后的结构件从上、下模中取出。

8、切削、铣余量：分别用铣床将上下面板厚度铣去3mm，至此，加工完成，最终得到的铝合金三层版夹层结构件如图4所示。

通过设计芯板层数和扩散连接位置，可成形铝合金各种层数层数夹层结构件。图5、图6分别给出了铝合金四层板、五层板夹层结构的成形示意图。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法，其特征在于步骤如下：

1)设计多层板扩散连接工装和拉伸成形工装；

2)准备上、下两层面板以及芯板，通过酸洗去除表面氧化层；

3)将上面板与第一层芯板对齐，确定两者之间的扩散连接位置，即第一扩散连接位置为长条，长条的长度与面板、芯板的长度相等，长条的方向与面板、芯板的长度方向平行，沿着面板、芯板的宽度方向均匀分布；将第二层芯板与第一层芯板对齐，确定两者之间的扩散连接位置，即第二扩散连接位置为长条，长条的长度与面板、芯板的长度相等，长条的方向与面板、芯板的长度方向平行，沿着面板、芯板的宽度方向均匀分布，每一个第二扩散连接位置分布在两两第一连接位置中间；将第三层芯板与第二层芯板对齐，确定两者之间的扩散连接位置，即第二扩散连接位置为长条，长条的长度与面板、芯板的长度相等，长条的方向与面板、芯板的长度方向平行，沿着面板、芯板的宽度方向均匀分布，每一个第三扩散连接位置分布在两两第二连接位置中间，依此类推，将下面板与最后一层芯板对齐，确定两者之间的扩散连接位置，即第N+1扩散连接位置为长条，长条的长度与面板、芯板的长度相等，长条的方向与面板、芯板的长度方向平行，沿着面板、芯板的宽度方向均匀分布，每一个第N+1扩散连接位置分布在两两第N连接位置中间；最后在上、下面板与芯板的非扩散位置涂覆阻焊剂；

4)将上面板、第N层芯板、下面板依次对齐堆叠放置好，置于扩散连接工装的上、下紧固板之间，用紧固螺钉固定，旋紧紧固螺母；

5)将经步骤4)后的夹有面板、芯板的扩散连接工装放入炉中加热到扩散连接温度，保温一定时间后取出，冷却至室温；拧开紧固螺钉，将扩散连接好的面板和芯板从上、下紧固板之间取出；

6)通过耐热胶粘剂实现经步骤5)后上面板与拉伸成形工装上模的连接，下面板与拉伸成形工装下模的连接；将拉伸成形工装放置于热拉伸机上，加热到热拉伸温度后保温一段时间，随后进行拉伸变形；

7)拉伸变形完成后，将经步骤6)拉伸成形工装从热拉伸机里取出，冷却至室温；用解胶剂将耐热胶粘剂溶解，解除上模与上面板、下模与下面板之间的连接；

8)使用铣床铣去上、下面板多余厚度，最终得到铝合金多层板夹层结构件。

2.根据权利要求1所述的铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法，其特征在于：在步骤1)中，扩散连接工装包括上紧固板、下紧固板、紧固螺钉和紧固螺母；其中，所述上、下紧固板四角位置设有螺纹孔，所述紧固螺钉设置于所述螺纹孔内。

3.根据权利要求1所述的铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法，其特征在于：在步骤1)中，拉伸成形工装包括上模、下模和夹紧螺钉；其中，所述上模和下模可通过夹紧螺钉实现与拉伸机的连接。

4.根据权利要求1所述的铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法，其特征在于：在步骤2)中，所述两个上、下面板的厚度相等，各个芯层的厚度相等，上下面板的厚度大于芯板的厚度；并且上、下面板的长度、宽度尺寸与芯板的长度、宽度尺寸相等；其中，芯板的层数根据多层板夹层结构件确定。

5.根据权利要求2所述的铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法，其特征在于：在步骤4)中，上、下面板和芯板作为整体置于上紧固板和下紧固板之间；扩散连接在一起的上、下面板和芯板作为整体置于上紧固板和下紧固板之间。

6.根据权利要求3所述的铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法，其特征在于：在步骤6)中，上、下面板和芯板作为整体置于上模和下模之间。

7.根据权利要求1所述的铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法，其特征在于：在步骤8)中，使用所述铣床去除所述上、下面板多余厚度，使最终上、下面板的厚度与芯板厚度相同。

8.根据权利要求1所述的铝合金多层板扩散拉伸化铣复合成形方法，其特征在于：所述步骤5)、6)中保温时间具体为10min。

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