CN118080719A - 一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法及实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法及实验装置，涉及金属构件成形制造领域，利用胀形将等截面筒体成形为变截面筒体，坯料选用挤压无缝管坯，将无缝管坯两端焊接封头，在感应线圈中进行固溶处理。固溶处理完成后，转移至模具中进行胀形。调节热气胀成形温度及充气加压速率，控制筒体变形的应变速率，精确控制变截面结构特征筒体成形过程，同时保证热成形性能及成形筒体壁厚均匀性，改善成形精度；可精确控制筒体成形模内淬火及时效阶段的模具温度变化，调控成形全流程微观组织演化行为，保证成形筒体强度及性能需求，该方法将挤压型材热成形和热处理结合在一个工艺中，实现筒状零件的高性能整体精密成形，保证零件性能和尺寸精度。
Description
技术领域
本发明涉及金属构件成形制造领域，尤其是涉及一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法及实验装置。
背景技术
轻合金薄壁连续变截面结构是航空航天领域高端装备的重要结构，如二元矢量发动机进气道、战术导弹舱体及运载火箭发动机喷嘴等，其设计和制造可以满足航空航天领域对于轻量化、高强度、高可靠性和复杂形状的要求，有效提高航空航天装备的结构效率和服役性能。
目前该类构件传统成形方法为板坯冲压后铆接成形，采用冷冲压的方式成形出变曲率结构件，修正边缘后利用铆钉或铆柱在构件上形成永久性的机械锁紧，进而获得所需尺寸形状零件的一种成形工艺。然而工艺需要进行两个独立的工艺步骤，即冷冲压成形和铆接，相对于整体成形来说，工艺更为复杂，需要额外的工艺控制和操作步骤。在冷冲压过程中，由于铝合金或镁合金室温下的杨氏模量低，易导致成形段出现严重回弹和较低的几何精度，如果零件的设计不合理或者工艺控制不当，容易在铆接部位出现接触不良，导致零件的质量问题。相比于整体成形，铆接部位的接头性能和连接方式无法达到整体成形的强度水平，难以满足航空航天领域高端装备对于构件高可靠性及整体化发展需求。
若采用缩口工艺，将等截面管坯进行挤压成形出壁连续变截面结构，但其变形区域的各方向的应力状态压应力，其中切向压应力的数值最大。压应力使直径缩小，使得无缝管坯的厚度和高度增加，所以切向方向应变为压应变。径向方向和厚度方向的应变为拉应变。变形区域由于收到较大切向压应力的作用下产生失稳而起皱。综上所述，现有成形方法无法满足航空航天领域铝合金或镁合金多腔连续变截面结构的成形要求。
因此，需要一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法及实验装置，来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法及实验装置，将挤压型材热成形和热处理结合在一个工艺中，实现筒状零件的高性能整体精密成形，在同时保证零件性能和尺寸精度的前提下，大幅提高生产效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法，包括以下步骤：
S1：根据薄壁连续变截面封闭筒体的最小截面，进行无缝管坯挤压预制，预制出等截面无缝管坯；
S2：无缝管坯两端焊接端面，令其成为封闭筒体，并且在一端焊接充气接头；
S3：利用感应线圈将封闭筒体升温至固溶温度TSHT；
S4：利用模具加热与控温系统将热气胀成形模具加热至成形温度Ta，将加热后的封闭筒体迅速转移至模具，快速合模并保压，调节成形气压控制系统，向封闭筒体以相应加压速率充气加压至成形所需气体压力，加压过程薄壁封闭筒体成形与模内淬火同步进行；
S5：通过模具控温控压技术，使成型后的筒体在恒定模具温度和气体压力下进行模内时效与蠕变矫形处理，消除筒体内的残余应力，降低筒体回弹，保证成型后的筒体强度与尺寸精度。
优选的，在步骤S3中，模具分区控温，模具温度Ta，当筒体坯料为可热处理强化铝合金时，为铝合金时效温度；筒体坯料为不可热处理强化铝合金或镁合金时Ta为合金固溶温度TSHT。
优选的，在步骤S4中，筒体的成形温度区间为300-500℃，合模压力范围为50-800t。
优选的，在步骤S5中，封闭筒体中通入的高压气体为空气、氮气或氩气中的一种，加压速率为0.05～5MPa/s，气体压力p为0.1～20MPa。
优选的，在步骤S1中，管坯采用挤压无缝管坯，无缝管坯的两端焊接密闭封板，无缝管坯的材质设置为铝合金或镁合金。
一种薄壁连续变截面封闭筒体制造实验装置，包括封闭筒体坯料、环境加热炉、变截面筒体热气胀成形模具、气压控制系统、模具加热和控温系统。
优选的，封闭筒体坯料的两端焊接密闭封板，密闭封板的外侧围绕设置有感应线圈，密闭封板的一侧设置有转移推杆，远离转移推杆的一侧设置有变截面筒体热气胀成形模具，变截面筒体热气胀成形模具的小端型腔与挤压管坯尺寸相同，变截面筒体热气胀成形模具的大端型腔与变截面筒体热气胀成形模具的边缘设置有圆滑过渡段，变截面筒体热气胀成形模具的顶板由上到下设置有水冷板、隔热板和控温元件，隔热板与控温软件之间设置有位移传感器；变截面筒体热气胀成形模具的底板由上到下设置有热电偶、控温元件、隔热板和水冷板，变截面筒体热气胀成形模具的顶板与底板之间设置有封板；
优选的，封板远离封闭筒体的一侧与气体通路连接，气体通路与气压控制系统连接，气压控制系统包括高压气源和气压控制柜，气压控制柜的输入端与高压气源连接，气压控制柜的输出端与封闭筒体的封头之间设有气体通路，根据位移传感器反馈封闭筒体的变形量信息，调节气体加压速率和成形压力控制封闭筒体成形过程的应力加载。
因此，本发明采用上述一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法及实验装置，具备以下有益效果：
(1)本发明成形效率高，将铝合金或镁合金筒体热气胀成形、模内淬火及模内时效结合在一个工艺中，可实现变截面筒体控形控性一体化，大幅提高成形性和生产效率。
(2)本发明成形精度高，采用铝合金或镁合金等薄壁封闭筒体，可通过调节热气胀成形过程的温度和压力加载，精确控制变截面结构特征筒体成形过程，在气胀成形过程中，筒体受到拉应力，避免起皱失稳。提高局部特征轮廓贴膜度，改善壁厚均匀性；筒体在后续模内时效过程同步进行蠕变矫形，有效降低回弹，改善成形精度。
(3)本发明组织性能可控，可调节铝合金或镁合金筒体固溶温度，获得各元素均匀分布的过饱和固溶体；可调节模具温度，控制模内淬火及时效过程温度变化，促使合金中的溶质元素析出并形成弥散分布的析出相，从而提高成型后的筒体的的强度和耐腐蚀性能。
(4)本发明无起皱缺陷，根据薄壁连续变截面封闭筒体的最小截面，进行无缝管坯挤压预制。再将等截面管坯两端焊接挡板形成封闭筒体，利用胀形获得变截面复杂特征。在气胀成形过程中，筒体变形区受到拉应力，避免失稳起皱。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法的流程图；
图2是本发明实施例中合金薄壁连续变截面封闭筒体热气胀变形工艺参数图；
图3是本发明实施例轻合金薄壁连续变截面封闭筒体热气胀变形装置结构图；
图4是本发明实施例中轻合金薄壁连续变截面结构零件示意图；
图5是本发明实施例中合金薄壁连续变截面封闭筒体热气胀变形原理示意图；
附图标记
1、封闭筒体坯料；2、密闭封板；3、感应线圈；4、水冷板；5、隔热板；6、控温元件；7、位移传感器；8、气压控制系统；9、热电偶、10、转移推杆；11、封板。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
如图1所示，本发明提供了一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法，包括以下步骤：
S1：根据薄壁连续变截面封闭筒体的最小截面，进行无缝管坯挤压预制，预制出等截面管坯；在步骤S1中，管坯采用挤压无缝管坯，无缝管坯的两端焊接密闭封板，无缝管坯的材质设置为铝合金或镁合金。
S2：无缝管坯两端焊接端面，令其成为封闭筒体，并且在一端焊接充气接头；
S3：利用感应线圈将封闭筒体升温至固溶温度TSHT；在步骤S3中，模具分区控温，控温区间为25～550℃。
S4：利用模具加热与控温系统将热气胀成形模具加热至成形温度Ta，将加热后的封闭筒体迅速转移至模具，快速合模并保压，调节成形气压控制系统，向封闭筒体以相应加压速率充气加压至成形所需气体压力，加压过程薄壁封闭筒体成形与模内淬火同步进行；在步骤S4中，封闭筒体的成形温度区间为300-500℃，合模压力范围为50-800t。
S5：通过模具控温控压技术，使成型后的筒体在恒定模具温度和气体压力下进行模内时效与蠕变矫形处理，消除成形后的筒体内的残余应力，降低封闭筒体的回弹，保证成形件强度与尺寸精度。在步骤S5中，封闭筒体中通入的高压气体为空气、氮气或氩气中的一种，加压速率为0.05～5MPa/s，气体压力p为0.1～20MPa。
S6：通过模具控温控压技术，使成型后的筒体在恒定模具温度和气体压力下进行模内时效与蠕变矫形处理，消除成形后筒体内的残余应力，降低封闭筒体的回弹，保证成形件强度与尺寸精度。
一种薄壁连续变截面封闭筒体制造实验装置，包括封闭筒体坯料1、环境加热炉、变截面筒体热气胀成形模具、气压控制系统8、模具加热和控温系统；
封闭筒体坯料1的两端焊接密闭封板2，密闭封板2的外侧围绕设置有感应线圈3，感应线圈3用于轻合金封闭筒体成形前的固溶处理，在使用前通过高精度温度记录仪进行温度标定和筒体坯料升温时间记录，固溶处理完成后利用转移工装快速将高温筒体转移至热气胀成形模具。密闭封板2的一侧设置有转移推杆10，远离转移推杆10的一侧设置有变截面筒体热气胀成形模具，变截面筒体热气胀成形模具的小端型腔与挤压管坯尺寸相同，变截面筒体热气胀成形模具的大端型腔与变截面筒体热气胀成形模具的边缘设置有圆滑过渡段，变截面筒体热气胀成形模具的顶板由上到下设置有水冷板4、隔热板5和控温元件6，隔热板5与控温软件6之间设置有位移传感器7；变截面筒体热气胀成形模具的底板由上到下设置有热电偶9、控温元件6、隔热板5和水冷板4。变截面筒体热气胀成形模具的顶板与底板之间设置有封板11；
封板11远离封闭筒体坯料1的一侧与气体通路连接，气体通路与气压控制系统8连接，气压控制系统8包括高压气源和气压控制柜，气压控制柜的输入端与高压气源连接，气压控制柜的输出端与封闭筒体的封头之间设有气体通路，根据位移传感器反馈封闭筒体的变形量信息，调节气体加压速率和成形压力控制封闭筒体成形过程的应力加载；
变截面筒体热气胀成形模具中插入控温元件6，对热气胀、模内淬火及模内时效阶段进行模具控温。根据零件变形场对控温元件6进行区位设置，并与温控箱及热电偶9组成连接整体，通过热电偶9所反馈的温度信息，对成形全流程模具温度进行调节和维持。
实施例一
如图1-图2所示，其中图2线路一应用于可热处理强化铝合金，线路二应用于不可热处理强化铝合金与镁合金。图中Δt1为固溶处理，Δt2为转移与成形，Δt3为模内时效处理，Δt4为开模取件。本实施例提供了一种轻合金多腔连续变截面结构均匀应力调控热气胀变形方法，以6111铝合金为例，包括：
步骤101：根据多腔连续变截面结构的最小截面Smin反求出6111铝合金管材挤压形状，获得挤压无缝管坯。
步骤102：在无缝管坯两端焊接密闭封板，并在一侧加工有气体通路，可通过连接气压控制系统。
步骤103：利用感应线圈将封闭筒体加热至固溶温度550℃，固溶处理时间为20min。
步骤104：利用模具加热与控温系统将热气胀成形模具加热至温度120℃并保温一段时间使其温度均匀，然后将固溶处理后的铝合金封闭筒体迅速转移至模具，快速合模并保压。调节成形气压控制系统，向铝合金封闭筒体以加压速率0.5MPa/s充气加压至气体压力p，其中t为壁厚，r为零件最小圆角，σ为6111材料流动应力。并通过位移传感器检测并记录筒体成形贴模过程，加压成形过程铝合金封闭筒体成形与模内淬火同步进行。
步骤105：待筒体完全贴合模具后，通过模具控温控压技术，使成型后的筒体在恒定模具温度120℃和压力P下进行模内时效与蠕变矫形处理，消除成形后筒体内的残余应力，降低筒体回弹，保证成形件强度与尺寸精度。时效10小时后，开模取件。取出零件后空冷即可。
实施例二
如图3-图5所示，图4中A1为变截面筒体大端面，A2为变截面筒体大端面。以5083铝合金为例，包括：
步骤201：根据多腔连续变截面结构的最小截面Smin反求出5083铝合金管材挤压形状。获得挤压无缝管坯。
步骤202：在无缝管坯两端焊接密闭封板，并在一侧加工有气体通路，可通过连接气压控制系统。
步骤203：利用感应线圈将筒体加热至成形温度425℃，并保温一段时间使其温度均匀。
步骤204：利用模具加热与控温系统将热气胀成形模具与气体加热至温度425℃并保温一段时间使其温度均匀，然后将加热处理后的铝合金封闭筒体迅速转移至模具，快速合模并保压。调节成形气压控制系统，向铝合金封闭筒体以加压速率0.5MPa/s充气加压至气体压力p，其中t为壁厚，r为零件最小圆角，σ为5083材料流动应力。并通过位移传感器检测并记录筒体成形贴模过程。
步骤205：待筒体完全贴合模具后，开模取件，取出零件后空冷即可。
实施例三
以AZ31镁合金为例，包括：
步骤301：根据薄壁连续变截面结构的最小截面Smin反求出AZ31镁合金管材挤压形状。获得挤压无缝管坯。
步骤302：在管坯两端焊接密闭封板，并在一侧加工有气体通路，可通过连接气压控制系统。
步骤303利用感应线圈将筒体加热至成形温度215℃，并保温一段时间使其温度均匀。
步骤304：利用模具加热与控温系统将热气胀成形模具与气体加热至温度215℃并保温一段时间使其温度均匀，然后将加热处理后的铝合金封闭筒体迅速转移至模具，快速合模并保压。调节成形气压控制系统，向铝合金封闭筒体以加压速率0.5MPa/s充气加压至气体压力p，其中t为壁厚，r为零件最小圆角，σ为AZ31材料流动应力。并通过位移传感器检测并记录筒体成形贴模过程。
步骤305：待筒体完全贴合模具后，开模取件，取出零件后空冷即可。
因此，本发明采用上述一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法及实验装置，将轻合金筒体热气胀成形、模内淬火及模内时效结合在一个工艺中，实现轻合金变截面筒体控形控性一体化，大幅提高生产效率。通过调节热气胀成形温度及充气加压速率，控制封闭筒体变形的应变速率，精确控制变截面结构特征件成形过程，同时保证成形性能及壁厚均匀性，改善成形精度。可调节模具温度，精确控制模内淬火及时效过程温度变化，调控成形过程微观组织演化，消除成型后的筒体残余内应力，保证成型后的筒体强度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据薄壁连续变截面封闭筒体的最小截面，进行无缝管坯挤压预制，预制出等截面管坯；
S2：无缝管坯两端焊接端面，令无缝管坯成为封闭筒体，并且在封闭筒体一端焊接充气接头；
S3：利用感应线圈将封闭筒体升温至固溶温度TSHT；
S4：利用模具加热与控温系统将热气胀成形模具加热至成形温度Ta，将加热后的封闭筒体迅速转移至模具，快速合模并保压，调节成形气压控制系统，向封闭筒体以相应加压速率充气加压至成形所需气体压力，加压过程薄壁封闭筒体成形与模内淬火同步进行；
S5：通过模具控温控压技术，使成型后的筒体在恒定模具温度和气体压力下进行模内时效与蠕变矫形处理，消除筒体的残余应力，降低筒体回弹，保证成型后的筒体强度与尺寸精度。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法，其特征在于：在步骤S3中，模具分区控温，模具温度Ta，当筒体坯料为可热处理强化铝合金时，为铝合金时效温度；筒体坯料为不可热处理强化铝合金或镁合金时Ta为合金固溶温度TSHT。
3.根据权利要求1所述的一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法，其特征在于：在步骤S4中，封闭筒体的成形温度区间为200-500℃，合模压力范围为50-800t。
4.根据权利要求1所述的一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法，其特征在于：在步骤S5中，封闭筒体中通入的高压气体为空气、氮气或氩气中的一种，加压速率为0.05～5MPa/s，气体压力p为0.1～20MPa。
5.根据权利要求1所述的一种薄壁连续变截面封闭筒体制造方法，其特征在于：在步骤S1中，管坯采用挤压无缝管坯，无缝管坯的两端焊接密闭封板，无缝管坯的材质设置为铝合金或镁合金。
6.一种薄壁连续变截面封闭筒体制造实验装置，其特征在于：包括封闭筒体、环境加热炉、变截面筒体热气胀成形模具、气压控制系统、模具加热和控温系统。
7.根据权利6所述的一种薄壁连续变截面封闭筒体制造实验装置，其特征在于：封闭筒体的两端焊接密闭封板，密闭封板的外侧围绕设置有感应线圈，密闭封板的一侧设置有转移推杆，远离转移推杆的一侧设置有变截面筒体热气胀成形模具，变截面筒体热气胀成形模具的小端型腔与挤压管坯尺寸相同，变截面筒体热气胀成形模具的大端型腔与变截面筒体热气胀成形模具的边缘设置有圆滑过渡段，变截面筒体热气胀成形模具的顶板由上到下设置有水冷板、隔热板和控温元件，隔热板与控温软件之间设置有位移传感器；变截面筒体热气胀成形模具的底板由上到下设置有热电偶、控温元件、隔热板和水冷板，变截面筒体热气胀成形模具的顶板与底板之间设置有封板。
8.根据权利7所述的一种薄壁连续变截面封闭筒体制造实验装置，其特征在于：封板远离封闭筒体坯料的一侧与气体通路连接，气体通路与气压控制系统连接，气压控制系统包括高压气源和气压控制柜，气压控制柜的输入端与高压气源连接，气压控制柜的输出端与封闭筒体的封头之间设有气体通路，根据位移传感器反馈封闭筒体的变形量信息，调节气体加压速率和成形压力控制封闭筒体成形过程的应力加载。
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