铝合金板材模压淬火复合成型方法及其一体化装置与流程

本发明涉及一种金属材料压力加工工艺及其装置，特别是涉及一种金属材料冷模淬火的热成型方法及其装置，应用于板材成型和连续成型技术领域。

背景技术：

为应对能源危机，满足汽车领域迅猛发展需求，零件的先进制造技术如轻量化成为制造加工领域的关注焦点。轻量化的一种途径是利用全新的设计理念，优化设计，简化结构，减轻重量，达到结构轻量化；另一种有效途径则是使用比重小的轻质材料，实现材料轻量化，如高强钢、铝镁合金以及碳纤维在汽车制造行业中得到大量应用。铝合金与传统钢材相比，密度为钢1/3，且比强度高，代替钢材可以轻易实现汽车减重35％以上。目前，汽车上主要应用6000系和7000系铝合金材料，6000系合金的强化相主要为mg2si，具有优良的耐蚀性能，强度和塑性性能较高，综合力学性能好。7000系铝合金的主要合金元素为锌，通过适当的热处理工艺能够获得较高的强度，耐蚀性较好，焊接性能良好，但塑性较低。

6000系、7000系变形铝合金都可以通过固溶+时效t6热处理方法提高其强度。对于此类铝合金零件，常采用先在常温下冲压成型，然后对取出的零件再进行t6固溶及时效热处理。但是，这种冷成型的方法存在两个问题：第一，铝合金板材常温成型性差会导致形状复杂的成型件在冷成型时发生破裂缺陷，因而成型效率低；第二，零件成型后取出进行固溶和时效t6处理过程中，由于零件需固溶加热、淬火冷却，因热应力作用容易发生变形和回弹导致零件的尺寸精度较差。

近年，发展起来一种针对铝合金板材零件冷模淬火的热成型方法，所使用的凸模和凹模都为冷态。将经过预热的板材快速放置到凹凸模之间并在很短时间内完成成型。在零件成型过程中，凹凸模的冷却通道中通入冷却水来实现模具的冷却，进而模压冷却达到板材的临界淬火冷速。由于热态的板材与冷态的凹凸模接触后其温度下降过快，导致板材成型时的温度已低于所要求的热成型温度，且板材上的温度分布非常不均匀，从而引起成型零件局部起皱和破裂等缺陷。所以，该热成型方法仍难以用于铝合金板材成型，尤其是形状复杂的结构件/内板覆盖件。

除此之外，现有专利文献号为201210124230的中国专利“铝合金钣金件冷热复合模成形方法”》，公开了一种铝合金板材的热态成型方法，所使用的凸模和压边圈为冷却状态、凹模为加热状态的冷热复合模成型方法。该方法先将凹模加热，再将铝合金板材放置于凹模上加热，加热至变形温度后合模成型，然后快速分模后零件留在压边圈及凸模上完成其冷却淬火。该方法保证了成型能在较高温度下进行，利于成型复杂形状零件。但成型时存在以下问题：第一，该方法要求成型后铝合金零件必须随凸模与压边圈快速从凹模上分离并留在压边圈及凸模上完成其冷却淬火，在其淬火过程由于零件已经从凸凹模中分离，零件处于自由的未合模状态，无法解决因淬火应力导致的零件回弹问题，导致淬火后零件配合精度较低，不合格率显著上升。第二，该方法需将板材置于凹模上加热至成型温度，在整个成型过程中加热板材与模具占用了绝大部分时间，导致成型效率较低，不适合于工业化连续生产；同时保证零件关键外形精度的凹模被加热至固溶所需的500摄氏度以上，会导致模具精度严重下降，型面精度严重下降，进一步降低零件精度。

综上，现有的铝合金板材的热成型方法成型效率低，易引起局部起皱、破裂和回弹等技术问题，不能适用于铝合金板材的规模化工业生产的需要。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种铝合金板材模压淬火复合成型方法及其一体化装置，采用凹凸模倒置和复合模，能进行高成型精度铝合金板材模压淬火复合成型，适用于制备可热处理的铝合金板材零件，能够满足工业化大批量自动化生产的需要。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种铝合金板材模压淬火复合成型方法，包括以下步骤：

a.成型模具工作状态初始化：在液压机上安装倒装式成型模具，使凸模设置于凹模下方，固定在底座上的凸模在整个成型过程中始终处于静止状态，通过压机底座中的液压垫提供顶出压边力，将平板式压边圈顶出至高于凸模最高点位置处，作为平板式压边圈的工作初始位置，使凹模固定于液压机中梁上，并处于开模位置，使成型模具处于初始化状态；

b.将在步骤a中到达工作初始位置的平板式压边圈加热至500～600℃，使平板式压边圈处于高温热态；

c.在预先设置的凹模和凸模冷却通道中通以10-25℃的冷却水，使在步骤a中初始化的凹模和凸模皆处于低温冷态；

d.在步骤a中成型模具成型的前一道工序设置加热工序，利用加热炉对待成型铝合金板材进行加热处理，将铝合金板材在加热炉中进行固溶热处理至500～600℃，固溶保温时间为30-60分钟；

e.在成型模具进行成型作业时，根据先入先出的原则，将在步骤d中固溶保温好的铝合金板材迅速从加热炉中取出，并传送至处于在步骤a中达到高温热态的平板式压边圈上，利用定位销辅助铝合金板材对中放置，维持铝合金板材在成型之前仍然处于高温状态，确保板材在成型之前仍然在高温状态；

f.在步骤a中初始化的凹模以50-100毫米每秒的速度快速下行，使凹模先与平板式压边圈合模，然后使凹模与平板式压边圈同步下压，直至凹模和凸模完全合模，对铝合金板材进行模压成型，得到铝合金成型件，在合模压力下保持合模5-10秒，完成铝合金成型件在合模状态下的冷却淬火过程，保证铝合金成型件在淬火过程中形状不发生变化；

g.在步骤f中制备的铝合金成型件完成冷却淬火过程后，将凹模上移恢复至开模位置，通过压机底座中的液压垫提供顶出压边力将平板式压边圈顶出至高于凸模最高点的初始位置，使成型后的铝合金成型件与平板式压边圈同步从凸模中脱开，从而取出铝合金成型件；然后快速移入按照节拍已经经过步骤d固溶保温处理好的下一片铝合金板材，继续重复步骤e～步骤g，从而得到后续制备的铝合金成型件，从而连续进行铝合金板材模压淬火复合成型工艺；

h.将在步骤g中制备的铝合金成型件再进行100-200℃下的低温人工时效强化或自然时效强化，最终得到铝合金零件。

作为本发明优选的技术方案，在凹模和凸模冷却通道中通以冷却水，根据不同系列铝合金的不同淬火临界冷速，调节冷却水的流速来调节凹模和凸模的温度。

本发明提供一种铝合金热处理和热成型一体化装置，包括加热炉和热成型装置，依次进行工艺连接形成前后工序设备，加热炉能在成型之前对铝合金板材进行固溶热处理；

热成型装置采用液压机驱动的倒装式成型模具组成，主要由凹模、凸模、平板式压边圈、液压机基座、液压传力杆组成，凹模固定安装于液压机中梁上，经过加热炉固溶热处理后得到的高温热态铝合金板材通过传送装置传送到平板式压边圈上进行定位固定，凹模通过液压驱动进行向下合模和向上开模，对铝合金板材进行压力成型加工，凸模设置于凹模的下方，凸模固定安装在液压机基座上，使凸模在整个成型过程中始终处于静止状态，液压传力杆的传力端通过液压机基座中的液压垫提供顶出压边力，能将平板式压边圈顶出，并能将平板式压边圈顶出至高于凸模最高点位置处，作为平板式压边圈在合模压力成型加工之前进行的初始化位置，凹模的外缘凸台能与平板式压边圈形成夹持机构，对铝合金板材的两端进行夹紧固定，设置加热装置，通过加热装置对平板式压边圈进行加热，控制并调节平板式压边圈的热态温度，还设置冷却系统，通过冷却系统对凹模和凸模进行冷却降温，控制并调节凹模和凸模的冷态温度，在进行合模压力成型加工时，对铝合金板材进行冷却，能使铝合金板材达到淬火临界冷速。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，经过加热炉固溶热处理后得到的高温热态铝合金板材通过传送装置传送到平板式压边圈上时，利用定位销辅助铝合金板材对中放置，定位销设置于平板式压边圈上，通过定位销将铝合金板材的两端分别定位固定于平板式压边圈上，完成定位工序。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，平板式压边圈的加热装置采用加热棒，将一系列加热棒分布设置于平板式压边圈内，通过外部加热装置控制加热棒的温度。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，凹模和凸模的冷却系统皆采用冷却水通道装置，将冷却水通道分布设置于凹模和凸模内，通过控制调节冷却水通道装置中的冷却水的流速来调节凹模和凸模的温度。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，加热炉采用连续辊式炉，将传送装置集成到加热炉中，铝合金板材在连续辊式炉中进行固溶热处理，当完成固溶热处理后，得到的高温热态铝合金板材直接通过辊子传送装置传送到平板式压边圈上。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，驱动液压传力杆的液压装置采用单动式液压机，对液压传力杆进行顶进驱动，凹模向下移动进行合模时，凹模还通过平板式压边圈向液压传力杆传递推力，使液压传力杆进行回退。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，液压传力杆还能依靠自身的重量进行下降回退。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明采用倒装式成型模具，凹模在上，凸模与压边圈在下，通过插入在压边圈的加热棒和控制回路对其加热、凹、凸模通冷却水为冷态的复合模具进行铝合金零件的模压淬火热成型；

2.本发明将固溶热处理后的板材从加热炉快速传送至预热好的压边圈上，避免因板材置于模具上加热至固溶并保温所需的时间，采用流水线作业，大大缩短了成型时间，提高了生产效率；

3.本发明装置的传输装置板材传送后，板材和热态的压边圈接触，可避免热传导率极高的铝材与冷模接触时的快速降温，保证了成型能在高温下进行，利于成型复杂形状零件；

4.本发明装置对成型件冷却淬火时，板材在凸模和凹模的合模约束中，可以避免板材在冷却过程中出现变形和回弹，获得尺寸精度极其良好的零件；

5.本发明工艺仅需对较小尺寸的平板式压边圈进行加热，而零件处在压边圈部分的法兰边通常在后续翻边前需要切除，因此即使有轻微热变形或者淬火速度不足也不会影响零件模腔内的关键型面精度；

6.本发明采用凹凸模倒置、冷热复合模进行铝合金板材模压淬火成型的方法，适用于制备可热处理的铝合金板材零件，能够满足工业化大批量自动化生产的需要。

附图说明

图1为本发明实施例一铝合金热处理和热成型一体化装置在对铝合金板材进行模压淬火复合成型时的合模前的设备结构状态示意图。

图2为本发明实施例一通过传送装置传送铝合金板材和对中定位时的设备结构示意图。

图3为本发明实施例一铝合金热处理和热成型一体化装置在对铝合金板材进行模压淬火复合成型时的合模后的设备结构状态示意图。

图4为本发明实施例一装置在进行模压成型和淬火时的主要设备结构状态示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1～4，一种铝合金热处理和热成型一体化装置，包括加热炉4和热成型装置，依次进行工艺连接形成前后工序设备，加热炉4能在成型之前对铝合金板材1进行固溶热处理；

热成型装置采用液压机驱动的倒装式成型模具组成，主要由凹模6、凸模3、平板式压边圈2、液压机基座10、液压传力杆9组成，凹模6固定安装于液压机中梁上，经过加热炉4固溶热处理后得到的高温热态铝合金板材1通过传送装置传送到平板式压边圈2上进行定位固定，凹模6通过液压驱动进行向下合模和向上开模，对铝合金板材1进行压力成型加工，凸模3设置于凹模6的下方，凸模3固定安装在液压机基座10上，使凸模3在整个成型过程中始终处于静止状态，液压传力杆9的传力端通过液压机基座10中的液压垫提供顶出压边力，能将平板式压边圈2顶出，并能将平板式压边圈2顶出至高于凸模3最高点位置处，作为平板式压边圈2在合模压力成型加工之前进行的初始化位置，凹模6的外缘凸台能与平板式压边圈2形成夹持机构，对铝合金板材1的两端进行夹紧固定，设置加热装置8，通过加热装置8对平板式压边圈2进行加热，控制并调节平板式压边圈2的热态温度，还设置冷却系统7，通过冷却系统7对凹模6和凸模3进行冷却降温，控制并调节凹模6和凸模3的冷态温度，在进行合模压力成型加工时，对铝合金板材1进行冷却，能使铝合金板材1达到淬火临界冷速。

在本实施例中，参见图1和图2，经过加热炉4固溶热处理后得到的高温热态铝合金板材1通过传送装置传送到平板式压边圈2上时，利用定位销5辅助铝合金板材1对中放置，两个定位销5设置于平板式压边圈2上，通过定位销5将铝合金板材1的两端分别定位固定于平板式压边圈2上，将铝合金板材1安装在两个定位销5之间，完成定位工序。本实施例将固溶热处理后的铝合金板材1从加热炉4快速传送至预热好的平板式压边圈2上，避免因铝合金板材1置于模具上加热至固溶并保温所需的时间，采用流水线作业，大大缩短了成型时间，提高了生产效率。

在本实施例中，参见图1～4，平板式压边圈2的加热装置8采用加热棒，将一系列加热棒分布设置于平板式压边圈2内，通过外部加热装置控制加热棒的温度。

平板式压边圈2的加热方法为内置的加热棒进行加热，实现铝合金板材1传送至平板式压边圈2上后的保温作用，避免铝合金板材1因降温过快而影响成型性。凹模6和凸模3的冷却系统7皆采用冷却水通道装置，将冷却水通道分布设置于凹模6和凸模3内，通过控制调节冷却水通道装置中的冷却水的流速来调节凹模6和凸模3的温度，于热成型时起到对铝合金板材1的淬火处理作用。

在本实施例中，参见图1～4，加热炉4采用连续辊式炉，将传送装置集成到加热炉4中，铝合金板材1在连续辊式炉中进行固溶热处理，当完成固溶热处理后，得到的高温热态铝合金板材1直接通过辊子传送装置传送到平板式压边圈2上。

在本实施例中，参见图1～4，驱动液压传力杆9的液压装置采用单动式液压机，对液压传力杆9进行顶进驱动，凹模6向下移动进行合模时，凹模6还通过平板式压边圈2向液压传力杆9传递推力，使液压传力杆9进行回退。

在本实施例中，参见图1～4，利用本实施例铝合金热处理和热成型一体化装置实施铝合金板材模压淬火复合成型方法，包括以下步骤：

a.成型模具工作状态初始化：在液压机上安装倒装式成型模具，使凸模3设置于凹模6下方，固定在液压机基座10上的凸模3在整个成型过程中始终处于静止状态，通过液压机基座10中的液压垫提供顶出压边力，将平板式压边圈2顶出至高于凸模3最高点位置处，作为平板式压边圈2的工作初始位置，使凹模3固定于液压机中梁上，并处于开模位置，使成型模具处于初始化状态；图1为铝合金板材1进行模压淬火复合成型方法中使用的内置加热炉4的多功能高速液压压机合模前示意图；

b.将在步骤a中到达工作初始位置的平板式压边圈2加热至600℃，使平板式压边圈2处于高温热态；

c.在预先设置的凹模6和凸模3冷却通道中通以10℃的冷却水，使在步骤a中初始化的凹模6和凸模3皆处于低温冷态；

d.在步骤a中成型模具成型的前一道工序设置加热工序，利用加热炉4对待成型铝合金板材1进行加热处理，将铝合金板材1在加热炉中进行固溶热处理至500℃，固溶保温时间为60分钟，按要求进行保温；

e.在成型模具进行成型作业时，根据先入先出的原则，将在步骤d中固溶保温好的铝合金板材1迅速从加热炉4中取出，并传送至处于在步骤a中达到高温热态的平板式压边圈2上，利用定位销5辅助铝合金板材1对中放置，维持铝合金板材1在成型之前仍然处于高温状态，确保铝合金板材1在成型之前仍然在高温状态；铝合金板材1传送后，铝合金板材1和热态的平板式压边圈2接触，可避免热传导率极高的铝合金板材1与冷模接触时的快速降温，保证了成型能在高温下进行，利于后续成型复杂形状零件；

f.在步骤a中初始化的凹模6以100毫米每秒的速度快速下行，使凹模6先与平板式压边圈2合模，然后使凹模6与平板式压边圈2同步下压，直至凹模6和凸模3完全合模，对铝合金板材1进行模压成型，得到铝合金成型件，在合模压力下保持合模10秒，完成铝合金成型件在合模状态下的冷却淬火过程，保证铝合金成型件在淬火过程中形状不发生变化；图3为铝合金板材1进行模压淬火复合成型方法中使用的内置加热炉4的多功能高速液压压机合模后示意图；冷却淬火时，铝合金成型件在凹模6和凸模3的合模约束中，能避免铝合金成型件在冷却过程中出现变形和回弹，以便能经过后续工序获得尺寸精度极其良好的零件；

g.在步骤f中制备的铝合金成型件完成冷却淬火过程后，将凹模6上移恢复至开模位置，通过液压机基座10中的液压垫提供顶出压边力将平板式压边圈2顶出至高于凸模3最高点的初始位置，使成型后的铝合金成型件与平板式压边圈2同步从凸模3上脱开，从而取出铝合金成型件；然后快速移入按照节拍已经经过步骤d固溶保温处理好的下一片铝合金板材1，继续重复步骤e～步骤g，从而得到后续制备的铝合金成型件，从而连续进行铝合金板材模压淬火复合成型工艺；

h.将在步骤g中制备的铝合金成型件再进行200℃下的低温人工时效强化，最终得到铝合金零件。成形后，铝合金零件的温度在低于50℃时，未发生起皱、开裂和回弹等缺陷，形状、尺寸稳定。本实施例仅需对较小尺寸的平板式压边圈2进行加热，而本实施例制备的铝合金零件处在平板式压边圈2部分的法兰边在后续翻边前进行切除，因此即使有轻微热变形或者淬火速度不足也不会影响零件模腔内的关键型面精度，能够得到具有优异质量的铝合金零件产品，能够满足工业化大批量自动化生产的需要。

在本实施例中，在凹模6和凸模3冷却通道中通以冷却水，根据本实施例的铝合金的淬火临界冷速，调节冷却水的流速来调节凹模6和凸模3的温度。

本实施例采用铝合金热处理和热成型一体化工艺。热处理工艺包括：对铝合金板材进行固溶处理、热成型同时对铝合金板材进行淬火处理和对铝合金板材进行时效处理。本实施例解决了现有铝合金板材1的热处理和热成型一体化工艺的成型效率低的问题，并解决了压力成型铝合金零件易引起局部起皱、破裂和回弹等技术问题。本实施例采用凹凸模倒置、复合模进行铝合金板材模压淬火成形的方法，适用于制备可热处理的铝合金板材零件。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

液压传力杆9还能依靠自身的重量进行下降回退。本实施例装置的单动液压油缸进行单方向受力工作，作为柱塞的液压传力杆9返回靠本身的重量返回，能够保证液压系统的工作稳定性，减少传力系统的硬干涉的发生，减少液压系统的故障率，提高设备使用寿命，并使铝合金板材模压淬火复合成型工艺的稳定性具有更好的保障。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明铝合金板材模压淬火复合成型方法及其一体化装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。