一種基于熱壓罐的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成形方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于熱壓罐的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板的一次成形方法，首先將鋁合金板坯置固定于成形模具上，真空封閉并置入熱壓罐內(nèi)；然后將熱壓罐內(nèi)溫度升高到鋁合金完全退火溫度，罐內(nèi)壓力增加到構(gòu)件貼模所需壓力，使大曲率部位材料達(dá)到屈服極限而發(fā)生塑性變形；接著，適當(dāng)降低溫度和壓力，使構(gòu)件保持貼模狀態(tài)并發(fā)生蠕變；最后，卸除熱壓罐內(nèi)的氣壓與溫度，板坯回彈后得到所需構(gòu)件形面。本發(fā)明方法通過(guò)局部塑性變形和蠕變的方式釋放大量?jī)?nèi)應(yīng)力，減小了成形工件的殘余應(yīng)力，并可消除因工件局部?jī)?nèi)應(yīng)力差異引起的性能不均勻問(wèn)題；不僅減少生產(chǎn)周期，還可明顯降低最終回彈量，且工裝簡(jiǎn)單，僅需一套凹模即可實(shí)現(xiàn)，大幅度節(jié)約模具成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于熱壓罐的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成形方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于有色金屬材料加工工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種鋁合金整體壁板的一次成形方法，適用于制造具有大曲率外形或復(fù)雜的變曲率形面的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金壁板類(lèi)構(gòu)件。

【背景技術(shù)】
[0003]相對(duì)于用蒙皮和縱向、橫向加強(qiáng)零件靠鉚接、膠接或點(diǎn)焊裝配而成的傳統(tǒng)鋁合金壁板，整體壁板具有材料分配合理、自重輕、結(jié)構(gòu)效率高、表面光滑、氣動(dòng)外形和密封性能好等優(yōu)點(diǎn)。而實(shí)際的整體壁板構(gòu)件，如機(jī)翼壁板、飛機(jī)艙門(mén)壁板、容器壁板等結(jié)構(gòu)中往往具有復(fù)雜的變曲率形面或局部大曲率外形，這使得整體壁板制造過(guò)程比較復(fù)雜、困難，削弱了整體壁板在生產(chǎn)成本與周期方面的優(yōu)勢(shì)。因此，找到一種有效的鋁合金整體壁板一次成形方法具有重要的意義。
[0004]無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金是指經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后無(wú)明顯強(qiáng)化效應(yīng)的鋁合金，例如3XXX系、4xxx系招合金、5xxx系招合金等。因其良好的塑性、抗腐蝕性及焊接性，在航空航天、武器裝備、交通運(yùn)輸?shù)刃螤钶^復(fù)雜的壁板結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。該類(lèi)合金通過(guò)加工硬化獲得強(qiáng)度，通常在退火狀態(tài)使用。傳統(tǒng)的成形路線中，冷變形后再退火容易引發(fā)再結(jié)晶而嚴(yán)重降低工件性能，此外，成形后的工件內(nèi)部存在較大殘余應(yīng)力，需額外增加消除殘余應(yīng)力的工序，增加了生產(chǎn)成本和周期?？梢?jiàn)，減少成形與熱處理工序、降低殘余應(yīng)力是無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板制造中必須解決的難題，也是整體壁板突破應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種可用于具有大曲率外形或復(fù)雜的變曲率形面的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板類(lèi)構(gòu)件的一次成形方法，能夠在保證成形的同時(shí)獲得均勻的材料性能，并有效地降低成形件的殘余應(yīng)力。
[0006]本發(fā)明技術(shù)方案為:一種無(wú)時(shí)效強(qiáng)化招合金整體壁板的一次成形方法，分為塑性變形和蠕變退火兩個(gè)階段，包括以下步驟:(1)首先將鋁合金板坯置于成形模具上并固定好，包覆真空膜，使模具和板坯處于真空封閉的環(huán)境下，放入熱壓罐內(nèi)；(2)然后將熱壓罐內(nèi)溫度升高到鋁合金完全退火溫度，罐內(nèi)壓力增加到構(gòu)件貼模所需壓力，使大曲率部位材料達(dá)到屈服極限而發(fā)生塑性變形，保持一段時(shí)間；(3)接著，降低溫度至鋁合金穩(wěn)定化退火溫度范圍，降低壓力到蠕變所需壓力，使構(gòu)件保持貼模狀態(tài)并發(fā)生蠕變；(4)最后，卸除熱壓罐內(nèi)的氣壓與溫度，板坯回彈后得到所需構(gòu)件形面。
[0007]本發(fā)明所述完全退火溫度，按現(xiàn)有技術(shù)定義是指，鋁合金內(nèi)部組織發(fā)生完全重結(jié)晶的溫度。不同鋁合金的完全退火溫度可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，一般為300Π50?。
[0008]本發(fā)明所述穩(wěn)定化退火溫度范圍，按現(xiàn)有技術(shù)定義是指消除內(nèi)應(yīng)力并調(diào)整合金強(qiáng)度與延性的溫度，一般為150°C ?400°C。
[0009]步驟(2)所述貼模所需壓力為3?20Bar，保溫時(shí)間為I?3h。步驟(3)蠕變所需壓力為I?5Bar,保溫時(shí)間為3?24h。
[0010]所述板坯總厚度為f 60mm，板坯類(lèi)型為無(wú)筋結(jié)構(gòu)或帶筋結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明所用成形模具的形面為大曲率范圍形面或者包括大曲率范圍、小曲率范圍和中間曲率范圍三種形面。
[0012]三種形面是根據(jù)成形模具的半徑與板材厚度的比值R/t來(lái)劃分:在0〈R/t〈kEt/ost范圍歸為大曲率范圍，在R/t>kEp/ σ sp范圍歸為小曲率范圍，在kEt/ σ st〈R/t〈kEp/ σ sp范圍歸為中間曲率范圍；其中，k為與材料及板坯總厚度相關(guān)的常數(shù)，范圍為0.3^0.8 ；Et為拉伸彈性模量，Ep為壓縮彈性模量，σ st為材料拉伸屈服強(qiáng)度，Osp為材料壓縮屈服強(qiáng)度。在數(shù)值上kEt/ σ st>30, kEp/ σ sp〈450，可據(jù)此進(jìn)行初步判斷。
[0013]大曲率范圍內(nèi)的構(gòu)件部位，材料成形主要依靠塑性變形，模具半徑范圍為0.9R^R%其中R*為目標(biāo)半徑。小曲率范圍內(nèi)，材料成形依靠蠕變成形，模具半徑范圍為
0.2IT0.6R*.中間曲率范圍，模具半徑范圍為0.6IT0.9R'
[0014]本發(fā)明的方法，能夠在最高工作壓力不小于lOBar，使用溫度范圍可滿足1500C?450°C，且有足夠容量的熱壓罐內(nèi)實(shí)施。
[0015]本發(fā)明在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有以下考慮:對(duì)于復(fù)雜的變曲率形面構(gòu)件，首先在大曲率部位發(fā)生塑性變形，從而釋放了該部位的內(nèi)應(yīng)力，為第二步蠕變成形階段提供了較均勻的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，形成近似的等蠕變量成形，可消除內(nèi)應(yīng)力引起的性能差異，提高構(gòu)件整體性能均勻性。對(duì)于簡(jiǎn)單的大曲率形面構(gòu)件，采用這種塑變與蠕變同時(shí)進(jìn)行的方式，可以明顯降低回彈量，提聞成形精度。
[0016]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于:①采用塑性變形與蠕變成形結(jié)合的一次成形方法，不僅減少生產(chǎn)周期，還可明顯降低最終回彈量，這對(duì)于減小大型模具體積、降低生產(chǎn)成本具有重要意義該工藝方法在實(shí)施過(guò)程中通過(guò)塑變和蠕變的方式釋放大量?jī)?nèi)應(yīng)力，可使成形工件的殘余應(yīng)力有效控制在50MPa以內(nèi)，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)塑性加工成形工件，并可消除因工件局部?jī)?nèi)應(yīng)力差異引起的性能不均勻問(wèn)題操作簡(jiǎn)便，工裝簡(jiǎn)單，僅需一套凹模即可實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了成本，具有實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明工藝步驟示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明的成形工裝示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明所指鋁合金可采用不同的方法制備所需材料和/或部件。所用初始鋁合金板坯可以為O態(tài)、熱軋態(tài)、或冷軋態(tài)等。本發(fā)明蠕變成形模具采用中國(guó)專(zhuān)利ZL201110209737.0:一種金屬蠕變成形模具。
[0020]本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例使用ATOS光柵掃描儀對(duì)壁板外緣曲面進(jìn)行檢測(cè)。室溫拉伸實(shí)驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)GB/T228-2002制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，拉伸實(shí)驗(yàn)在CSS-44100萬(wàn)能材料力學(xué)拉伸機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為2mm/min。殘余應(yīng)力測(cè)試采用鉆孔應(yīng)變釋放法，按照CB3395-1992測(cè)量板材的殘余應(yīng)力。各實(shí)施例中沿成形壁板彎曲方向等距離均分為5段，在每段割取試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試與殘余應(yīng)力測(cè)試。
[0021]本發(fā)明中回彈的定義參考文獻(xiàn)“Ho K C，Lin J, Dean T A.Modelling ofspringback in creep forming thick aluminum sheets.1nternat1nal Journal ofPlasticity, 2004，20 (4 - 5): 733-751.”。按下式計(jì)算:n = (dma/d0) X 100%，式中 dmax 為成形件回彈后與模具的最大垂直距離，為d0模具相應(yīng)位置距板坯初始平面的距離。
[0022]以下結(jié)合實(shí)施例旨在進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0023]實(shí)施例1
壁板材料為5A06招合金熱軋板,板還長(zhǎng)度為800mm,寬度為200mm,厚度為10mm。目標(biāo)形面沿所述壁板長(zhǎng)度方向彎曲半徑為800mnTl5000mm連續(xù)分布，呈流線形。模具形面包括大曲率范圍:R/t=80?90，小曲率范圍:R/t=130?1500，中間曲率范圍:R/t=90?130。
[0024]首先將板坯置于成形模具上并固定好，然后貼真空膜，使模具和板坯處于真空封閉的環(huán)境下，再放入熱壓罐內(nèi)。將熱壓罐內(nèi)溫度升高到350°C，罐內(nèi)壓力增加到5Bar，使板坯與模具貼合，此時(shí)在大曲率部位材料達(dá)到屈服極限而發(fā)生塑性變形。保持2h后，罐內(nèi)壓力降至2Bar，溫度降至240°C，使構(gòu)件剛好保持貼模狀態(tài)進(jìn)入蠕變退火階段，保溫保壓16h。最后，卸除熱壓罐內(nèi)的氣壓并降低溫度到室溫，板坯回彈后得到所需的變曲率整體壁板。
[0025]實(shí)施例2
壁板材料為5052招合金冷軋板,板還長(zhǎng)度為1800mm,寬度為900mm,厚度為8mm。目標(biāo)形面沿所述壁板長(zhǎng)度方向?yàn)殚L(zhǎng)短半軸分別為378mm、126mm的橢圓形，寬向平直無(wú)彎曲。模具形面包括大曲率范圍:R/t=0?172，小曲率范圍:R/t>260，中間曲率范圍:R/t=172?260。
[0026]首先將板坯置于成形模具上并固定好，然后貼真空膜，使模具和板坯處于真空封閉的環(huán)境下，再放入熱壓罐內(nèi)。將熱壓罐內(nèi)溫度升高到345°C，罐內(nèi)壓力增加到4Bar，使板坯與模具貼合，此時(shí)在大曲率部位材料達(dá)到屈服極限而發(fā)生塑性變形。保持2h后，罐內(nèi)壓力降至2Bar，溫度降至220°C，使構(gòu)件剛好保持貼模狀態(tài)進(jìn)入蠕變退火階段，保溫保壓16h。最后，卸除熱壓罐內(nèi)的氣壓并降低溫度到室溫，板坯回彈后得到所需橢圓面整體壁板。
[0027]實(shí)施例3
壁板材料為5083鋁合金O態(tài)板，板坯長(zhǎng)度為1000mm，寬度為580mm。腹板厚度為3mm，腹板一側(cè)設(shè)有高15mm、厚4mm的筋條。筋條為矩形截面且呈網(wǎng)格分布，共9個(gè)單格，每個(gè)單格尺寸均為300mmX 160mm。目標(biāo)形面沿所述壁板寬度方向?yàn)閱吻蕪澢霃?00mm，R/t=44.4,屬于大曲率范圍。
[0028]首先將板坯置于成形模具上并固定好，然后貼真空膜，使模具和板坯處于真空封閉的環(huán)境下，再放入熱壓罐內(nèi)。將熱壓罐內(nèi)溫度升高到400°C，罐內(nèi)壓力增加到5Bar，使板坯與模具貼合，此時(shí)在大曲率部位材料達(dá)到屈服極限而發(fā)生塑性變形。保持2h后，罐內(nèi)壓力降至3Bar，溫度降至300°C，使構(gòu)件剛好保持貼模狀態(tài)進(jìn)入蠕變退火階段，保溫保壓10h。最后，卸除熱壓罐內(nèi)的氣壓并降低溫度，板坯回彈后得到所需大曲率帶筋整體壁板。
[0029]表I本發(fā)明實(shí)施例壁板成形后材料的室溫力學(xué)性能、回彈量及殘余應(yīng)力實(shí)嫌 MS.揀撞強(qiáng)度伸長(zhǎng)率B彈幾^應(yīng)力
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【權(quán)利要求】
1.一種基于熱壓罐的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成形方法，成形模具的形面為大曲率范圍形面或者包括大曲率范圍、小曲率范圍和中間曲率范圍三種形面，該方法包括以下步驟: (1)將鋁合金板坯置固定在成形模具上，真空封閉并置入熱壓罐內(nèi)； (2)將熱壓罐內(nèi)溫度升高到鋁合金完全退火溫度，罐內(nèi)壓力增加到構(gòu)件貼模所需壓力，使大曲率范圍內(nèi)的材料達(dá)到屈服極限而發(fā)生塑性變形； (3)降低溫度至鋁合金穩(wěn)定化退火溫度范圍，降低壓力到蠕變所需壓力，使構(gòu)件保持貼模狀態(tài)并發(fā)生蠕變； (4)卸除熱壓罐內(nèi)的氣壓與溫度，板坯回彈后得到所需構(gòu)件形面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成形方法，其特征在于步驟(2)貼模所需壓力為3?20Bar，保溫時(shí)間為I?3h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成形方法，其特征在于步驟(3)穩(wěn)定化退火溫度范圍為150°C?40(TC，蠕變所需壓力為I?5Bar，保溫時(shí)間為3?24h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成形方法，其特征在于板還總厚度為60mm,板還類(lèi)型為無(wú)筋結(jié)構(gòu)或帶筋結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成形方法，其特征在于成形模具按半徑與板材厚度的比值R/t分為:0〈R/t〈kEt/ σ st為大曲率范圍，在R/t>kEp/σ sp為小曲率范圍，kEt/ σ st〈R/t〈kEp/ σ sp為中間曲率范圍；其中，k為與材料及板坯總厚度相關(guān)的常數(shù)，范圍為0.3^0.8 ；Et為拉伸彈性模量，Ep為壓縮彈性模量，σ st為材料拉伸屈服強(qiáng)度，osp為材料壓縮屈服強(qiáng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成形方法，其特征在于所述的大曲率范圍內(nèi)的構(gòu)件部位，材料成形主要依靠塑性變形，模具半徑范圍為0.9R*^R%其中R*為目標(biāo)半徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成形方法，其特征在于所述的小曲率范圍內(nèi)，材料成形依靠蠕變成形，模具半徑范圍為0.2R^0.6R'
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無(wú)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成形方法，其特征在于所述的中間曲率范圍，模具半徑范圍為0.6R*^0.9R'
【文檔編號(hào)】B21D26/021GK104190777SQ201410497133
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】鄧運(yùn)來(lái), 張勁, 雷郴祁, 周澤鵬, 胡珊珊, 王洋, 郭曉斌, 郭奕文 申請(qǐng)人:中南大學(xué)