CN114346611B - 一种多向含筋铝合金板的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种多向含筋铝合金板的制造方法，包括如下步骤：步骤A、根据所需筋条在铝合金板上的分布情况对映设计制造上模具和下模具；步骤B、将铝合金板加热至再结晶温度进行保温一定时间后，放置在上模具和下模具之间配合夹紧；步骤C、将已经配合夹紧的铝合金板、上模具和下模具放置在轧辊中间进行轧制，得到含筋铝合金板；步骤D、通过堆焊或增材制造的方式提升筋条的高度，得到铝合金板厚度与筋条高度之比为1：5～15的含筋铝合金板；步骤E、对提升了筋条高度的含筋铝合金板进行蠕变时效成形处理。

Description

一种多向含筋铝合金板的制造方法

技术领域

本发明属于航空航天含筋薄壁构件制造技术领域，具体涉及一种多向含筋铝合金板的制造方法。

背景技术

大型高筋薄壁圆筒构件是航空航天装备的重要组成部分和关键承力结构，约占机体/箭体结构重量的40％以上。大型高筋薄壁圆筒构件的成形常常使用蠕变时效成形技术，其优势是能够使构件同时实现成形和强度提高，因此广泛应用于航空航天大型薄壁构件制造。蠕变时效成形所使用的高筋薄壁铝合金板，主要采用先弯后铣的高筋壁板减材制造工艺，受滚弯和机铣工艺制约，制造周期长成本高、并随着筋条高度增加，产生的切削料也会大量增加，材料利用率约小于10％。而壁板挤压成形，效率相对较低，且随着筋条高度与蒙皮厚度比的增大，高筋薄蒙皮成形过程中开裂或产生缺陷的几率也会随着提升，难以突破大高厚比铝合金板的制造。

专利文献CN202110347598.1公开了一种“界面互锁/筋加强”叠层装甲铝合金及其制备方法，使用面板预制坯料和背板预制坯料，制造“几”字结构的筋板，但当需要制造“T”型高筋板时，随着筋条高度的增加，由于只能使用一个预制坯料的情况下，需要的挤压机压力也越来越大，进而增加了设备成本；且由于先挤压再进行轧制，当筋板的筋高较高、蒙皮较薄时，带筋板挤压过程中极易出现裂纹和缺陷。

因此，需要设计一种新的多向含筋铝合金板的制造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多向含筋铝合金板的制造方法，以解决背景技术中提出的目前大型高筋薄壁圆筒构件的制造所采用的先弯后铣的高筋壁板减材制造工艺存在制造周期长成本高、并随着筋条高度增加，产生的切削料也会大量增加，材料利用率约小于10％的问题；而壁板挤压成形，效率相对较低，且随着筋条高度与蒙皮厚度比的增大，高筋薄蒙皮成形过程中开裂或产生缺陷的几率也会随着提升，难以突破大高厚比铝合金板的制造的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多向含筋铝合金板的制造方法，包括如下步骤：

步骤A、根据所需筋条在铝合金板上的分布情况对映设计制造上模具和下模具；

步骤B、将铝合金板加热至再结晶温度进行保温一定时间后，放置在上模具和下模具之间配合夹紧；

步骤C、将已经配合夹紧的铝合金板、上模具和下模具放置在轧辊中间进行轧制，得到含筋铝合金板；

步骤D、通过堆焊或增材制造的方式提升筋条的高度，得到铝合金板厚度与筋条高度之比为1：5～15的含筋铝合金板；

步骤E、对提升了筋条高度的含筋铝合金板进行蠕变时效成形处理。

在一种具体的实施方式中，所述多向含筋铝合金板的制造方法还包括完成步骤C之后进行的步骤C1、对含筋铝合金板进行校形以及淬火。

在一种具体的实施方式中，校形是将含筋铝合金板通过矫直机构矫直完成，淬火的方式为水冷2～5分钟。

在一种具体的实施方式中，所述多向含筋铝合金板的制造方法还包括完成步骤C之后进行的步骤C2、对含筋铝合金板的筋条末端不平整处铣削磨平。

在一种具体的实施方式中，所述步骤E中，蠕变时效成形处理时，是将含筋铝合金板放置在对应的蠕变模具上，时效温度设置为120～200℃，时效时间设置为5～15h，蠕变时效成形处理时的施加压力为0.5～2MPa。

在一种具体的实施方式中，所述步骤A中，上模具和下模具所用材料为调质处理后的是高强度模具钢。

在一种具体的实施方式中，高强度模具钢的成分按质量百分比计为：

Cu:0.32～0.45％，Mn:0.2～0.5％，Si≤0.8～1.2％，Cr:4.75～5.5％，Ni≤0.3％，Mo:1.1～1.75％，V:0.8～1.2％，余量为Fe。

在一种具体的实施方式中，所述步骤B中，铝合金板加热至再结晶温度的保温时间为1～1.5h。

在一种具体的实施方式中，所述步骤C中，轧制过程为：将已经配合夹紧的铝合金板、上模具和下模具放置在轧辊中间，每次通过轧辊时对配合夹紧的铝合金板、上模具和下模具的组合的上下表面之间的距离压缩0.5～2mm，通过2～6次轧辊的轧制，得到含筋铝合金板。

在一种具体的实施方式中，所述步骤D中，堆焊的方式为TIG填丝堆焊，所用焊丝的成分按质量百分比计为：

Cu:5.8～6.8％，Mn:0.2～0.4％，Fe≤0.3％，Ti:0.1～0.2％，V:0.05～0.15％，Zn≤0.1％，Zr:0.1～0.25％，Si≤0.2％，Mg≤0.02％，余量为Al；

所用的铝合金板的成分按质量百分比计为：

Cu:5.8～6.8％，Mg≤0.02％，Mn:0.2～0.4％，Fe≤0.3％，Si≤0.2％，Zn≤0.1％，Zr:0.1～0.25％，余量为Al。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过将铝合金板筋条形状映射到钢模，将钢模叠放在加热后的铝合金板材上，将钢模及铝合金板通过轧机，通过轧制即可在铝合金板上压印出多个方向的较低高度的筋条，通过矫直机构完成含筋铝合金板矫直后，再对筋条进行堆焊或增材制造，使筋高达到目标高度。最后对得到的高筋薄壁板进行蠕变时效成形技术，完成用于航天航空领域的多向含筋铝合金板的形性一体化成形。

相较于常规的“先弯后铣”的薄壁构件，切削过程中会产生大量切削料，本发明能充分利用材料，采用堆焊或增材制造的方式增加筋高，进而能做到近净成形制造，减少了材料的浪费。

相较于常规的“先弯后铣”的薄壁构件，本发明先滚压制筋，相当于对铝合金板进行轧制，对板材引入大变形，提高板材中间位错密度，从而可以提升接下来蠕变时效成形工艺的蠕变量，减少构件后续蠕变工艺过程中卸载之后的回弹，因此在设计蠕变成形模具过程中，能减少蠕变成形模具的曲率半径，降低蠕变成形过程中屈曲的几率。

相较于挤压成形，当筋条越高时，挤压过程中，筋条与蒙皮相交处出现裂纹风险也就越大。本发明先滚压制筋过程中，滚压出来的筋高较低，能有效避免了因筋高过高易产生裂纹的风险。

相较于挤压成形，针对不同筋高需要设计不同挤压模具，同时当筋高增加时，所需的挤压力也需要增加，对挤压设备要求更高，生产效率较低，设备装配成本也较高。本发明先滚压制筋，滚压出来的筋高可以为同一较低高度，针对不同目标筋高，在后续的堆焊或增材制造中可增高至目标筋高，生产效率较高而所需的轧制力较低，对轧制设备要求更低。

相较于常规的“先弯后铣”和挤压成形高筋薄壁板易屈曲的问题，本发明采用堆焊或增材制造，能使筋条组织晶粒显著细化，从而能提升接下来蠕变时效成形工艺的蠕变量，减少构件后续蠕变工艺过程中卸载之后的回弹，因此在设计蠕变成形模具过程中，能减少蠕变成形模具的曲率半径，降低蠕变成形过程中屈曲的几率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请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是本发明一种实施例的上模具的结构示意图；

图2是本发明一种实施例的下模具的结构示意图；

图3是本发明一种实施例的上模具、下模具和铝合金板配合夹紧的示意图；

图4是本发明一种实施例的上模具、下模具和铝合金板配合夹紧后进入轧辊的示意图；

图5是本发明中矫直完成后的含筋铝合金板的结构示意图；

图6是本发明中含筋铝合金板提升筋条高度的示意图；

图7是本发明中提升了筋条高度的含筋铝合金板放置在蠕变模具的示意图；

图8是本发明中蠕变时效成形处理过程中加温加载的示意图；

图9是本发明中蠕变时效成形处理结束的示意图。

其中，1、上模具；2、下模具；3、铝合金板；4、轧辊；5、蠕变模具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种多向含筋铝合金板的制造方法，包括如下步骤：

步骤A、根据所需筋条在铝合金板上的分布情况对映设计制造上模具和下模具；

步骤B、将铝合金板加热至再结晶温度进行保温一定时间后，放置在上模具和下模具之间配合夹紧；

步骤C、将已经配合夹紧的铝合金板、上模具和下模具放置在轧辊中间进行轧制，得到含筋铝合金板；

步骤D、通过堆焊或增材制造的方式提升筋条的高度，得到铝合金板厚度与筋条高度之比为1：5～15的含筋铝合金板；

步骤E、对提升了筋条高度的含筋铝合金板进行蠕变时效成形处理。

所述多向含筋铝合金板的制造方法还包括完成步骤C之后进行的步骤C1、对含筋铝合金板进行校形以及淬火。

校形是将含筋铝合金板通过矫直机构矫直完成，淬火的方式为水冷2～5分钟。

所述多向含筋铝合金板的制造方法还包括完成步骤C之后进行的步骤C2、对含筋铝合金板的筋条末端不平整处铣削磨平。

所述步骤E中，蠕变时效成形处理时，是将含筋铝合金板放置在对应的蠕变模具上，时效温度设置为120～200℃，时效时间设置为5～15h，蠕变时效成形处理时的施加压力为0.5～2MPa。

所述步骤A中，上模具和下模具所用材料为调质处理后的是高强度模具钢。

高强度模具钢的成分按质量百分比计为：

Cu:0.32～0.45％，Mn:0.2～0.5％，Si≤0.8～1.2％，Cr:4.75～5.5％，Ni≤0.3％，Mo:1.1～1.75％，V:0.8～1.2％，余量为Fe。高强度模具钢也能选择H13模具钢。

所述步骤B中，铝合金板加热至再结晶温度的保温时间为1～1.5h。

所述步骤C中，轧制过程为：将已经配合夹紧的铝合金板、上模具和下模具放置在轧辊中间，每次通过轧辊时对配合夹紧的铝合金板、上模具和下模具的组合的上下表面之间的距离压缩0.5～2mm，通过2～6次轧辊的轧制，得到含筋铝合金板。

所述步骤D中，堆焊的方式为TIG填丝堆焊，所用焊丝的成分按质量百分比计为：

Cu:5.8～6.8％，Mn:0.2～0.4％，Fe≤0.3％，Ti:0.1～0.2％，V:0.05～0.15％，Zn≤0.1％，Zr:0.1～0.25％，Si≤0.2％，Mg≤0.02％，余量为Al；

所用的铝合金板的成分按质量百分比计为：

Cu:5.8～6.8％，Mg≤0.02％，Mn:0.2～0.4％，Fe≤0.3％，Si≤0.2％，Zn≤0.1％，Zr:0.1～0.25％，余量为Al。铝合金板也能选择牌号为2219的铝合金板。

步骤D中选择在滚压制筋后的筋条上堆焊或增材制造的方式增筋至目标高度，而不是直接选择在一块没有任何筋条的铝合金板上直接堆焊增筋至目标高度的原因包括：1、滚压制筋速度快，效率比堆焊制筋要高，滚压制筋形成的筋高越高，则堆焊增筋高度越小，因此提高了整体的效率，但滚压制筋越高出现裂纹的风险越大，而具体最佳高度与铝合金板材质厚度大小、筋条类型分布有关；2、堆焊制筋如果直接以薄铝合金板为基板直接增筋，由于铝合金板较薄，高温产生的热影响区，会影响铝合金板与堆焊筋条相接处的性能。在滚压制筋后的筋条上堆焊制筋，相当于变相增加了堆焊基板的厚度，即铝合金板厚度+已滚压筋条的高度，从而减少了焊接热带来的热影响区的影响。

步骤D中是在滚压制筋+堆焊或增材制造长筋之后进行蠕变时效成形，而不是选择滚压制筋之后蠕变时效成形再进行堆焊或增材制造长筋的原因是：如果筋条高度较低，当蠕变时效成形模具曲率较大时，带筋板容易发生屈曲，筋高较高的带筋板能减少带筋板蠕变时效成形过程中屈曲的几率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多向含筋铝合金板的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、根据所需筋条在铝合金板上的分布情况对映设计制造上模具和下模具；

步骤B、将铝合金板加热至再结晶温度进行保温一定时间后，放置在上模具和下模具之间配合夹紧；

步骤C、将已经配合夹紧的铝合金板、上模具和下模具放置在轧辊中间进行轧制，得到含筋铝合金板；所述步骤C中，轧制过程为：将已经配合夹紧的铝合金板、上模具和下模具放置在轧辊中间，每次通过轧辊时对配合夹紧的铝合金板、上模具和下模具的组合的上下表面之间的距离压缩0.5～2mm，通过2～6次轧辊的轧制，得到含筋铝合金板；

步骤D、通过堆焊或增材制造的方式提升筋条的高度，得到铝合金板厚度与筋条高度之比为1：5～15的含筋铝合金板；所述步骤D中，堆焊的方式为TIG填丝堆焊；

步骤E、对提升了筋条高度的含筋铝合金板进行蠕变时效成形处理。

2.根据权利要求1所述的多向含筋铝合金板的制造方法，其特征在于，所述多向含筋铝合金板的制造方法还包括完成步骤C之后进行的步骤C1、对含筋铝合金板进行校形以及淬火。

3.根据权利要求2所述的多向含筋铝合金板的制造方法，其特征在于，校形是将含筋铝合金板通过矫直机构矫直完成，淬火的方式为水冷2～5分钟。

4.根据权利要求1所述的多向含筋铝合金板的制造方法，其特征在于，所述多向含筋铝合金板的制造方法还包括完成步骤C之后进行的步骤C2、对含筋铝合金板的筋条末端不平整处铣削磨平。

5.根据权利要求1所述的多向含筋铝合金板的制造方法，其特征在于，所述步骤E中，蠕变时效成形处理时，是将含筋铝合金板放置在对应的蠕变模具上，时效温度设置为120～200℃，时效时间设置为5～15h，蠕变时效成形处理时的施加压力为0.5～2MPa。

6.根据权利要求1所述的多向含筋铝合金板的制造方法，其特征在于，所述步骤A中，上模具和下模具所用材料为调质处理后的是高强度模具钢。

7.根据权利要求6所述的多向含筋铝合金板的制造方法，其特征在于，高强度模具钢的成分按质量百分比计为：

Cu:0.32～0.45％，Mn:0.2～0.5％，Si≤0.8～1.2％，Cr:4.75～5.5％，Ni≤0.3％，Mo:1.1～1.75％，V:0.8～1.2％，余量为Fe。

8.根据权利要求1所述的多向含筋铝合金板的制造方法，其特征在于，所述步骤B中，铝合金板加热至再结晶温度的保温时间为1～1.5h。

9.根据权利要求1所述的多向含筋铝合金板的制造方法，其特征在于，所用焊丝的成分按质量百分比计为：

Cu:5.8～6.8％，Mn:0.2～0.4％，Fe≤0.3％，Ti:0.1～0.2％，V:0.05～0.15％，Zn≤0.1％，Zr:0.1～0.25％，Si≤0.2％，Mg≤0.02％，余量为Al；

所用的铝合金板的成分按质量百分比计为：

Cu:5.8～6.8％，Mg≤0.02％，Mn:0.2～0.4％，Fe≤0.3％，Si≤0.2％，Zn≤0.1％，Zr:0.1～0.25％，余量为Al。