CN114472663A - 热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法及装置，属于轻合金钣金件温热成形领域。热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法为：将热膨胀石墨加入刚性介质仓中，并填装在轻合金板坯和柱塞之间的空间内；将轻合金板坯设置在刚性介质仓和刚性模具之间，加热至成形温度，保温，温度稳定后，控制柱塞的移动速度，辅助板坯成形，保温、降温、开模，得到成形后的零件。对应的温热成形装置，包括成形模具和加热装置。该方法采用热膨胀石墨作为传力介质，不仅可传递外界提供的成形压力和温度，且由于热膨胀石墨自身受热膨胀产生的能量，还会对轻合金板坯产生辅助作用的力，从而有助于实现复杂结构轻合金钣金件的高质量成形。
Description
技术领域
本发明属于轻合金钣金件温热成形技术领域，具体涉及一种热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法及装置。
背景技术
近年来，随着能源与环境问题日益突出，轻量化技术在航空、航天、汽车等领域受到高度关注。轻量化技术的实现途径，一方面可以选用密度小的轻合金(如铝合金、镁合金、钛合金等)，另一方面也可以通过结构的优化设计，实现零部件的结构减重。钣金件作为轻量化首选结构，随着结构优化设计水平的不断提高，复杂结构轻合金钣金件在航空、航天、汽车等领域的应用越来越广泛。
然而，大多数轻合金在室温条件下延伸率较低，塑性变形能力较差，成形过程容易产生回弹、起皱、破裂等质量缺陷，很难成形出形状复杂的零件。对于复杂结构轻合金钣金件一般多采用将模具或者坯料(或者二者共同)加热到一定温度的温热成形方法，如刚性模热成形、热流体成形、热气体成形等。然而，刚性模热成形所用模具复杂、生产成本较高；热流体成形由于流体耐热温度较低，多用于镁合金和铝合金的成形；热气体成形需要考虑高温密封问题，同时相比较所提供压力较低。
热膨胀石墨是由天然鳞片石墨经氧化插层所形成的石墨层间化合物，高温环境下可以迅速吸热膨胀，并产生一定的能量，可用于阻燃剂、催化剂，也可用于石墨烯的制备等。目前，如何有效合理利用热膨胀石墨，是其发展的新方向。
发明内容
本发明借助轻合金温热成形条件下良好的成形性能以及热膨胀石墨耐高温性能和一定温度条件下的热膨胀性能，提出了一种热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法及装置。具体为：在轻合金钣金件温热成形过程中，采用热膨胀石墨作为传力介质，不仅可传递外界提供的成形压力和温度，同时由于热膨胀石墨自身受热膨胀产生的能量，还会对轻合金板坯产生辅助作用的力，从而有助于实现复杂结构轻合金钣金件的高质量成形。并且，热膨胀石墨的耐热温度和性能能够满足不同类别轻合金板材温热成形需要。将热膨胀石墨用于复杂结构轻合金结构件温热成形，将会是此类零件高质量成形的新途径。
为了实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明的一种热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法，包括以下步骤：
步骤一：将轻合金板材进行制坯，得到轻合金板坯；
步骤二：
(1)将热膨胀石墨加入刚性介质仓中，并填装在轻合金板坯和柱塞之间的空间内；
(2)将轻合金板坯设置在刚性介质仓和刚性模具之间，并施加压边力；
步骤三：加热至成形温度，保温，直至刚性模具、刚性介质仓和板坯温度分布稳定，且热膨胀石墨开始膨化并稳定导热；
步骤四：控制柱塞进入刚性介质仓的移动速度，使得柱塞压缩热膨胀石墨产生的力以及热膨胀石墨膨化过程产生的力连续施加在板坯上，辅助板坯成形，直至板坯完全贴合刚性模具中，柱塞停止移动；
步骤五：板坯完全贴合刚性模具后保温，得到高精度零件；
步骤六：控制柱塞移出刚性介质仓，降温，开模，得到成形后的零件。
所述的步骤一中，制坯采用的方法为冲压、线切割或激光切割中的一种。
所述的步骤三中，成形温度和保温时间根据轻合金材料的性质所决定。
所述的步骤三中，所述的热膨胀石墨的初始热膨胀温度小于或等于成形温度，在成形温度下，热膨胀石墨的膨胀倍率>1.5倍。
热膨胀石墨的用量根据成形零件尺寸确定，一般小于刚性凹模型腔所对应的体积。
所述的步骤三中，通过温度控制系统设置成形温度，并通过测温传感器测定温度，测温传感器将测定的温度传送到温度控制系统，当测定的温度并没有达到设置的成形温度，温度控制系统控制加热装置进行加热，当测定的温度并达到设置的成形温度，温度控制系统控制加热装置停止加热。
所述的步骤四中，柱塞的移动速度通过驱动机构控制，其移动速度根据轻合金成形温度条件下力学性能确定。
所述的步骤五中，保温时间为10-30s。
本发明提供了一种热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置，包括成形模具和加热装置；
所述的成形模具包括刚性模具、刚性介质仓和柱塞；刚性介质仓内设置有空腔，空腔的一端用于填装热膨胀石墨，空腔的另一端设置有柱塞，刚性模具和刚性介质仓的空腔配合；
所述的加热装置，用于成形模具进行加热。
所述的柱塞还和驱动机构连接。
所述的加热装置选用加热元件或加热炉，加热元件设置在刚性模具和刚性介质仓内部和/或外部，加热元件配合设置有保温装置；
所述的加热炉的加热为将刚性模具和刚性介质仓设置在加热炉炉膛中。
所述的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置还配合设置有温度控制装置，包括测温传感器、温度控制系统，测温传感器用于测定成形温度，测温传感器和温度控制系统连接，温度控制系统和加热装置连接。
所述的测温传感器优选为热电偶，热电偶用于测定成形温度，优选设置在刚性模具和刚性介质仓中，或置于加热炉内部。
本发明的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法及装置，其有益效果：
对轻合金进行温热成形，需要对板坯和成形模具同时加热，这需要一定结构的加热装置，并且对加热装置的保温要求较高。热膨胀石墨耐热性能好，膨胀温度范围广，可以在较高温条件下膨胀，不仅可以满足不同类型轻合金材料的温热成形，热膨胀石墨膨胀过程对板坯成形还会有辅助作用压力，进一步提高轻合金板材成形性能和成形质量。
采用热膨胀石墨替代传统的凸模或凹模，利用热膨胀石墨良好的耐热性能和一定温度条件下的热膨胀性能，可实现不同温度下的膨胀并产生一定能量等性能，不仅可以适应铝合金、镁合金、钛合金等轻合金温热成形所需温度，还可以利用热膨胀石墨膨胀在一定温度下膨胀过程中所产生的能量，提高复杂形状轻合金钣金件的成形性能和成形质量。
附图说明
图1为本发明的实施例1的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置(初始状态)结构示意图；
图2为本发明的实施例1热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置(成形状态)结构示意图；
图3为本发明的实施例2热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置(初始状态)结构示意图；
图4为本发明的实施例2热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置(成形状态)的结构示意图；
图5为本发明的对比例1轻合金钣金件刚性模温热成形装置(初始状态)的结构示意图；
图6为本发明的对比例1轻合金钣金件刚性模温热成形装置(成形状态)的结构示意图；
图7为本发明的对比例2轻合金钣金件固体颗粒温热成形装置(初始状态)的结构示意图；
图8为本发明的对比例2轻合金钣金件固体颗粒温热成形装置(成形状态)的结构示意图；
图1和图2中，1为刚性凹模，2为板坯，3为热膨胀石墨，4为刚性介质仓，5为柱塞，6为加热元件，7为热电偶，8为温度控制系统；
图3和图4中，2为板坯，3为热膨胀石墨，4为刚性介质仓，5为柱塞，9为压边装置，10为刚性凸模，7为热电偶，8为温度控制系统，11为加热炉；
图5和图6中，1为刚性凹模，2为板坯，9为压边装置，10为刚性凸模，7为热电偶，8为温度控制系统，11为加热炉；
图7和图8中，1为刚性凹模，2为板坯，12为固体颗粒，4为刚性介质仓，5为柱塞，6为加热元件，7为热电偶，8为温度控制系统；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
一种热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置，其结构示意图见图1和图2，包括：成形模具、加热装置和温度控制装置。
所述成形模具包括：刚性模具，本实施例为刚性凹模1、刚性介质仓4和柱塞5。
所述成形模具，采用的刚性凹模1，型腔向下，刚性介质仓4在刚性凹模1下方，刚性凹模1型腔与刚性介质仓4相对应，热膨胀石墨3填充在刚性介质仓4内部，柱塞5顶端延伸至刚性介质仓4内热膨胀石墨3下方。
所述加热装置本实施例选用加热元件6，选用的加热元件6，置于刚性凹模1和刚性介质仓4内部或外部，并做好保温；
所述温度控制装置由热电偶7和温度控制系统8组成。热电偶置于刚性凹模1和刚性介质仓4中。温度控制系统8放置于操作台上，与加热装置相连。通过温度控制系统8设置成形温度，热电偶7测量加热过程装置内部的温度，加热元件6将成形模具和板坯2加热至实验所需成形温度。
本实施例中，板坯2的材质为铝合金2024，板坯2的厚度为1mm，板坯2的外圆直径为160mm，成形温度为280-320℃，热膨胀石墨选用起始膨胀温度略低于成形温度，板坯2制成半球形零件外圆直径为100mm，零件的高度为60mm。
一种采用热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法，采用了所述成形装置，包括如下步骤：
步骤一：将轻合金板材通过冲压，制成所需形状尺寸的板坯2；
步骤二：将热膨胀石墨3加入刚性介质仓4中，并填装在轻合金板坯2和柱塞5之间的空间内；将轻合金板坯2设置于刚性介质仓4上方，然后控制刚性凹模1下行，直至刚性凹模1下端面接触板坯2表面，提供足够的压边力，停止下行；
步骤三：通过温度控制系统8设置装置成形温度，并且保温，保证刚性凹模1、刚性介质仓4和板坯2的温度分布趋于稳定，热膨胀石墨3完成膨化过程并稳定导热；
步骤四：控制柱塞5匀速上行，使得热膨胀石墨3膨化过程产生的力和柱塞5压缩热膨胀石墨3产生的力连续施加在板坯2上，辅助板坯2成形，直至板坯2完全贴合刚性凹模1，柱塞5停止上行。保温10-30s，保证成形零件的尺寸精度；
步骤五：控制柱塞5下行，卸载热膨胀石墨3施加在板坯2上的成形力和柱塞5压缩热膨胀石墨3产生的力；
步骤六：通过温度控制系统8降低温度至室温，控制刚性凹模1上移，将板坯2成形后得到的成形后的零件，取出，最后对成形后的零件清理。
实施例2
一种热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置，其结构示意图见图3和图4，包括：成形模具、加热装置和温度控制装置。
所述成形模具包括：在本实施例中为刚性凸模10、压边装置9、刚性介质仓4和柱塞5。
采用刚性凸模10，置于压边装置9型腔内，刚性介质仓4在刚性凸模10和压边装置9上方，压边装置9型腔与刚性介质仓4相对应，热膨胀石墨3填充在刚性介质仓4内部，柱塞5顶端延伸至刚性介质仓内热膨胀石墨3上方。
所述加热装置选用加热炉11。选用的加热炉11，将压边装置9和刚性介质4仓置于炉膛内。
所述温度控制装置由热电偶7和温度控制系统8组成。热电偶7置于在加热炉10内部。温度控制系统8放置于操作台上，与加热炉11相连。通过温度控制系统8设置成形温度，热电偶7测量加热过程装置内部的温度，加热炉11将成形模具和板坯加热至实验所需成形温度。
本实施例中，板坯2的材质为铝合金2024，板坯2的厚度为1mm，板坯2的外圆直径为160mm，成形温度为280-320℃，热膨胀石墨选用起始膨胀温度略低于成形温度，板坯2制成半球形零件外圆直径为100mm，零件的高度为60mm。
一种热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法，采用了所述成形装置，包括如下步骤：
步骤一：将轻合金板材通过线切割方法，制成所需形状的板坯；
步骤二：将轻合金板坯设置于刚性凸模10上方，然后控制刚性介质仓4下行，直至刚性介质仓4下端面接触板坯表面，提供足够的压边力，将板坯2压紧在刚性介质仓4与压边装置9间，停止下行；将热膨胀石墨3加入刚性介质仓4中，并填装在轻合金板坯2和柱塞5之间的空间内；
步骤三：通过温度控制系统8设置装置成形温度，并且保温，保证刚性凸模10、刚性介质仓4和板坯2的温度分布趋于稳定，热膨胀石墨3完成膨化过程并稳定导热；
步骤四：控制柱塞匀速下行，控制刚性凸模上行，使得热膨胀石墨膨化过程产生的力和柱塞5压缩热膨胀石墨3产生的力连续施加在板坯2上，辅助板坯成形，直至板坯完全贴合刚性凸模9，柱塞5停止上行。保温10-30s，保证成形零件的尺寸精度；
步骤五：控制柱塞上行，卸载热膨胀石墨3施加在板坯2上的成形力和柱塞5压缩热膨胀石墨3产生的力；
步骤六：通过温度控制系统8降低温度至室温，控制刚性介质仓4上行，将成形后得到的零件取出，最后对零件进行清理。
对比例1
一种轻合金钣金件刚性模温热成形方法，其结构示意图见图5和图6，包括：成形模具、加热装置和温度控制装置。
所述成形模具包括：刚性凹模1、刚性凸模10、压边装置9；
其中刚性凹模1和压边装置9型腔呈上下相对，刚性凸模10在压边装置9内；
所述加热装置是加热炉11，置于成形装置外，提供实验所需温度；
本实施例中，板坯2的材质为铝合金2024，板坯2的厚度为1mm，板坯2的外圆直径为160mm，成形温度为280-320℃，板坯2制成半球形零件外圆直径为100mm，零件的高度为60mm。
一种轻合金钣金件刚性模温热成形方法，采用了所述的轻合金钣金件刚性模温热成形装置，包括如下步骤：
步骤一：将轻合金板材进行制坯，得到轻合金板坯2；
步骤二：打开加热炉11，将轻合金板坯2置于压边装置9上方，控制刚性凹模1下行，将板坯2压紧在刚性凹模1与压边装置9间；
步骤三：闭合加热炉11，加热装置加热，使得成形装置温度达到实验温度，并保温；
步骤四：控制刚性凸模10上行，直至板坯2完全贴合刚性凹模1，板坯2发生塑性变形；
步骤五：待加热炉11内温度将至室温后，控制刚性凹模1上行，取出由轻合金板坯2所制成的零件；
一种轻合金钣金件刚性模温热成形方法，同实施例1，不同之处在于：成形模具为传统刚性凸模、刚性凹模。刚性凸模上行，使得板坯发生塑性变形，成形为所需零件。成形状态示意图如图6所示。该方法采用传统轻合金刚性模温热成形，往往因对刚性凸模、刚性凹模尺寸及配合要求较高，并且刚性凸模、刚性凹模在实际应用中存在尺寸误差、磨损等问题，导致生产成本高、成形零件精度低。采用热膨胀石墨代替刚性凸模成形零件时，热膨胀石墨作为凸模随板坯变形而改变形状，只保证凹模尺寸精度，生产成本较低；同时，热膨胀石墨膨胀过程对板坯在厚度方向有法向应力作用，可以提高零件的尺寸精度。
对比例2
一种轻合金钣金件固体颗粒温热成形方法，其结构示意图见图7和图8，包括：成形模具、加热装置和温度控制装置。
本对比例中，板坯2的材质为铝合金2024，板坯2的厚度为1mm，板坯2的外圆直径为160mm，成形温度为250℃，板坯2制成半球形零件外圆直径为100mm，零件的高度为60mm。
一种轻合金钣金件固体颗粒温热成形方法，采用所述轻合金钣金件固体颗粒温热成形装置，包括如下步骤：
步骤一：将轻合金板材进行制坯，得到轻合金板坯2；
步骤二：将固体颗粒13加入刚性介质仓4中，并填装在轻合金板坯2和柱塞5之间的空间内；将轻合金板坯2设置于刚性介质仓4上方，然后控制刚性凹模1下行，直至刚性凹模1下端面接触板坯2表面，提供足够的压边力，停止下行；
步骤三：通过温度控制系统8设置装置成形温度，并且保温，保证刚性凹模1、刚性介质仓4、固体颗粒12和板坯2的温度分布趋于稳定；
步骤四：控制柱塞5匀速上行，直至板坯2完全贴合刚性凹模，柱塞5停止上行。保温10-30s，保证成形零件的尺寸精度；
步骤五：控制柱塞5下行，通过温度控制系统8降低温度至室温，控制刚性凹模1上行，将成形后得到的零件取出，最后对零件进行清理。
采用的轻合金钣金件固体颗粒温热成形装置，同实施例1，不同之处在于，采用固体颗粒介质替代热膨胀石墨。固体颗粒材料多为天然细沙、陶瓷颗粒和钢球，固体颗粒依靠模具或压头压制固体颗粒介质流动，使得板坯变形，所需压边力较小，在给定适当压边间隙条件下，坯料外边缘可向刚性凹模型腔方向自由流动。固体颗粒介质可以保持稳定的机械性能，受热膨胀体积基本不变或者变化很小，热膨胀石墨受热膨胀体积变化大，可以使板坯更好地贴合模具，提高成形质量。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
Claims (10)
1.一种热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将轻合金板材进行制坯，得到轻合金板坯；
步骤二：
(1)将热膨胀石墨加入刚性介质仓中，并填装在轻合金板坯和柱塞之间的空间内；
(2)将轻合金板坯设置在刚性介质仓和刚性模具之间，并施加压边力；
步骤三：加热至成形温度，保温，直至刚性模具、刚性介质仓和板坯温度分布稳定，且热膨胀石墨开始膨化并稳定导热；
步骤四：控制柱塞进入刚性介质仓的移动速度，使得柱塞压缩热膨胀石墨产生的力以及热膨胀石墨膨化过程产生的力连续施加在板坯上，辅助板坯成形，直至板坯完全贴合刚性模具中，柱塞停止移动；
步骤五：板坯完全贴合刚性模具后保温，得到高精度零件；
步骤六：控制柱塞移出刚性介质仓，降温，开模，得到成形后的零件。
2.根据权利要求1所述的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法，其特征在于，所述的步骤一中，制坯采用的方法为冲压、线切割或激光切割中的一种。
3.根据权利要求1所述的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法，其特征在于，所述的步骤三中，成形温度和保温时间根据轻合金材料的性质所决定。
4.根据权利要求1所述的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法，其特征在于，所述的步骤三中，所述的热膨胀石墨的初始热膨胀温度小于或等于成形温度，在成形温度下，热膨胀石墨的膨胀倍率>1.5倍；
和/或，热膨胀石墨的用量根据成形零件尺寸确定，一般小于刚性凹模型腔所对应的体积。
5.根据权利要求1所述的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法，其特征在于，所述的步骤三中，通过温度控制系统设置成形温度，并通过测温传感器测定温度，测温传感器将测定的温度传送到温度控制系统，当测定的温度并没有达到设置的成形温度，温度控制系统控制加热装置进行加热，当测定的温度并达到设置的成形温度，温度控制系统控制加热装置停止加热。
6.根据权利要求1所述的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法，其特征在于，所述的步骤四中，柱塞的移动速度通过驱动机构控制，其移动速度根据轻合金成形温度条件下力学性能确定。
7.根据权利要求1所述的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形方法，其特征在于，所述的步骤五中，保温时间为10-30s。
8.一种热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置，其特征在于，包括成形模具和加热装置；
所述的成形模具包括刚性模具、刚性介质仓和柱塞；刚性介质仓内设置有空腔，空腔的一端用于填装热膨胀石墨，空腔的另一端设置有柱塞，刚性模具和刚性介质仓的空腔配合；
所述的加热装置，用于成形模具进行加热。
9.根据权利要求8所述的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置，其特征在于，所述的加热装置选用加热元件或加热炉，加热元件设置在刚性模具和刚性介质仓内部或外部，加热元件配合设置有保温装置；
所述的加热炉的加热为将刚性模具和刚性介质仓设置在加热炉炉膛中。
10.根据权利要求8所述的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置，其特征在于，所述的热膨胀石墨为传力介质进行轻合金钣金件温热成形装置还配合设置有温度控制装置，包括测温传感器、温度控制系统，测温传感器用于测定成形温度，测温传感器和温度控制系统连接，温度控制系统和加热装置连接。
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2022
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