一种铝合金同步冷却电脉冲热成形工艺及装置的制作方法

本发明属于铝合金板料热处理及冲压成形工艺，特别是涉及一种铝合金同步冷却电脉冲热成形工艺及装置。

背景技术

铝合金与其它金属材料相比，具有的优势有：密度小，接近2.7g/cm³，比强度、比刚度、比模量较高，导热性能、腐蚀性、塑性加工性能以及抗冲击性能良好，在航空、航天、船舶、交通运输等领域广泛应用。

铝合金是飞机上最主要的结构材料，如机身蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架等。在最新民用飞机上铝合金用量占到70％～80％，军用量在40％～60％。在航天领域，铝合金仍是运载火箭、宇宙飞船、空间站等航天器的主体结构材料，也是导弹等武器系统的重要结构材料之一。铝合金用在船舶上可代替钢材，降低构件重量50％以上，在海洋工程装备产业高端金属材料中占有重要地位。铝合金是现代交通运输业最理想的材料，应用在轨道车辆、汽车、装甲车、坦克上占有相当大的比例。应用铝合金可最有效地实现轻量化，可大大降低车身的自重，从而实现节能减排，而且铝合金材料可回收再利用，减少对环境的破坏及资源的浪费。

尽管铝合金有如此多的优势，但是相对于钢在室温成形较差，延伸率低，弹性模量仅为钢板的二分之一左右，所以铝合金成形件回弹现象比较要严重。只有改善铝合金的成形性能，才能制出较为精准的产品。现有的铝合金温、热成形方法，可改善成形过程中的材料的成形性能，但还是存在一些难以解决的问题，比如：热处理后晶粒长大、异常都会影响产品的机械性能，能源消耗过高、生产效率低等诸多问题。铝合金分为两大类：可变形铝合金和铸造铝合金，在实际应用中以可变形铝合金为主。对于可热处理强化铝合金冲压成形零件，进行热处理后，进行时效处理，再进行加工成形，才可满足产品的使用功能要求。试件在进行热处理的过程中，厚度较薄的成形零件会因为热胀冷缩而产生翘曲变形，导致成形零件的最终尺寸、形状精度受到严重影响，部分较为复杂的零件会出现开裂现象。所以，探索出一种既完善成形性能，又可以减少成本，而且可以精准成形、保持高强度的铝合金产品的成形工艺，对于铝合金在生产制造业中的生产应用是举足轻重的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铝合金同步冷却电脉冲热成形工艺及装置，本工艺既可以改善可热处理强化铝合金制件的使用性能，又可以确保冲压制件的精准成形，显著地降低了成形后的翘曲变形，减少了人工敲修工作量，缩短了生产周期，节约了成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铝合金同步冷却电脉冲热成形工艺，包括如下步骤：

步骤1：将铝合金板料放入带有冷却水道的电脉冲辅助成形模具上，用电脉冲将铝合金板料加热到固溶温度并保温；所述电脉冲辅助成形装置包括凸模、凹模、交流电源，所述交流电源的正负极分别连接阳极电刷、阴极电刷，所述阳极电刷、阴极电刷的电刷触头分别接触所述铝合金板料；此时冷却水道不通入冷却水；

步骤2：对保温后的铝合金进行冲压成形并保压，同时冷却水道通入冷却水；

步骤3：对铝合金板料进行时效处理。

优选的，步骤1中，所述铝合金板料加热采用电脉冲加热。

优选的，步骤1中，所述铝合金板料为2xxx系、6xxx系或7xxx系。

优选的，步骤2中，所述交流电源的电流密度的阈值为7.4-11.4a/mm²。

一种铝合金同步冷却电脉冲热成形装置，包括机床、凸模、凹模、铝合金板料、设置于铝合金板料上方的压边圈，机床连接凸模，还包括交流电源，所述交流电源的正负极分别连接阳极电刷、阴极电刷；所述压边圈上设有两个通孔，所述两个通孔分别位于铝合金板料的左右两侧，所述两个通孔内分别安装所述阳极电刷、阴极电刷，所述阳极电刷、阴极电刷的电刷触头分别接触铝合金板料；左右两侧的通孔的侧壁与压边圈的左右两侧的外壁之间分别开设有导线通道，分别用以通过阳极电刷与交流电源、阴极电刷与交流电源之间的导线；所述凸模与机床绝缘，压边圈与铝合金板料绝缘，凹模与铝合金板料绝缘；所述凹模内开设有冷却水道，所述冷却水道内通入冷却水。

有益效果：

(1)本工艺采用电脉冲自体加热，不需要用传统加热设备，像电炉等。节约能源，节省成本，缩短生产周期。

(2)铝合金板料在经过热处理后，同步进行淬火、成形，相对传统工艺减少了工序，同时大大降低了淬火后将制件移入模具的过程中对制件性能的影响。而且在模具上开冷却水通道，使得冷却模具间接地使板料达到淬火温度，该方法方便、有效。

(3)电脉冲辅助成形从宏观上，可以控制铝合金板料在一定温度下进行热成形，使得铝合金板料的塑性变形能力得到了大幅度提高，屈服强度、抗拉强度明显下降，断面收缩率和伸长率明显增大，加工硬化的程度减小，改善表面质量，相对于温、热成形，该工艺节省能耗，节约生产成本；从微观结构分析上，可热处理强化铝合金发生了动态再结晶，提高组织性能，有效地抑制了破裂。所以，将同步冷却与电脉冲辅助成形相结合的工艺方法，不仅可提高铝合金产品的成形性能，而且可以确保产品成形的加工精度，降低人工修整的工作量，缩短了生产周期，降低成本，具有重要的实用价值。

(4)同步冷却电脉冲辅助成形装置的优点：

1)相比将电源用导线直接连接到成形件两端(或者导线焊接到成形件两端)，该方式板料在成形过程中，尽管有压边圈固定板料，但被压部分板料仍会随成形而移动，不能保证导线与板料始终接触、通电良好，然而本装置可有效地解决该问题；

2)在压边圈相应位置开通孔，并在通孔处涂上绝缘层(比如电木粉)，将电刷固定其中。通孔的侧壁与压边圈的外侧壁之间开设导线通道，通过导线通道用导线将电源与电刷进行连接。在确保非通电部分绝缘、安全生产的同时，又可保证在施加压边力时不会影响到电脉冲辅助成形。

3)凹模内开设有冷却水道使得冷却模具间接地使板料达到淬火温度，该方法方便、有效。

附图说明

图1为铝合金同步冷却电脉冲热成形工艺流程图；

图2为铝合金同步冷却电脉冲热成形模具示意图；

图中标号：1、凸模；2、凹模；3、铝合金板料；4、压边圈；5、阳极电刷；6、阴极电刷；7、交流电源；8、冷却水道；9、导线通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图2所示，本发明提供的铝合金同步冷却电脉冲热成形工艺包括如下步骤：

(1)制备可热处理强化铝合金毛坯：应用冲裁、线切割、水切割或者激光切割方法将可热处理的铝合金切割成所需形状的毛坯制件，并对制件边缘进行修整；

(2)热处理并保温：将铝合金板料放入带有冷却水道的电脉冲辅助成形模具上，用电脉冲将铝合金板料加热到固溶温度并保温20-60分钟，此时冷却水道不通冷却水。在初始加热、保温时，铝合金第二相原子融入铝基体，形成过饱和固溶体，从而得到单相金属组织；在后期保温过程中，合金元素逐渐扩散，均匀地扩散到铝基体中，形成均匀的高温过饱和固溶体。

(3)同步冷却电脉冲热成形：对保温后的铝合金进行冲压同时进行电脉冲辅助成形，成形后保压，同时向冷却水道内通入冷却水，冷却凹模，间接冷却板料，相当于淬火处理；

(4)时效处理：可采用自然时效或者人工时效的方法，使得过饱和固溶体中的合金原子在固溶处理后室温状态下析出，生成均匀分布在基体上的细小强化相。

其中步骤(1)中所述的铝合金为2xxx系、6xxx系或7xxx系；电流密度的阈值在7.4-11.4a/mm²之间；保压的时间为5min-10min。

本发明提供的铝合金同步冷却电脉冲热成形工艺方法是一种将可热处理强化铝合金经过电脉冲加热固溶处理后，在通有冷却水、连有电脉冲辅助装置的模具上进行成形，成形后保压一段时间，进行人工/自然时效的一种新工艺成形方法。该工艺将淬火处理和成形同步进行，并应用电脉冲辅助成形。

电脉冲辅助成形主要是纯电致塑性效应和焦耳热效应联合作用的结果，可提高可热处理强化铝合金的塑性。以拉伸为例，电脉冲辅助拉深可在较低温度下就可以拉深，通过微观组织观察，可热处理强化铝合金可在较低温度下发生动态再结晶，有效地解决了破裂问题。对于弯曲成形，电脉冲辅助成形可以减小弯曲力，降低回弹量。相对于室温拉伸，电脉冲辅助成形后的铝合金试件屈服强度、抗拉强度大幅度下降，而断面收缩率、伸长率明显增大，可热处理强化铝合金的变形抗力降低，塑性有较明显的提高。

为得到并保持成形铝合金最佳的成形状态，保压的时间为5min-10min。在制件进行时效的过程中，将试验标记记在制件上。各个工序之间相互协调紧凑。

本发明提供的可热处理强化铝合金同步冷却电脉冲热成形工艺，是将2xxx系、6xxx系、7xxx系铝合金加热到固溶温度，并保温一段时间。同步进行淬火、成形，并应用电脉冲辅助成形，成形后保压一段之间。经过此该工艺处理的铝合金产品成形性能良好，成形精度高。

如图2所示，本发明提供的铝合金同步冷却电脉冲热成形包括机床、凸模1、凹模2、铝合金板料3、设置于铝合金板料3上方的压边圈4，所述压边圈4上设有两个通孔，所述两个通孔分别位于铝合金板料3的左右两侧，所述两个通孔内分别安装阳极电刷5和阴极电刷6，阳极电刷5和阴极电刷6的电刷触头分别接触铝合金板料3的表面，另一端分别与交流电源7的正负极连接。凹模2内开设冷却水道8，在对铝合金板料进行电脉冲热成形的同时，向冷却水道8内通入冷却水，即同步进行淬火和电脉冲辅助成形。冷却水道8的位置接近铝合金板料3，其形状与凹模2上表面的形状相似。

电脉冲辅助成形既要保证铝合金板料3通电，又要使得整套设备处于安全状态下进行生产，使其仅对铝合金板料3通交变电流，所以对于凸模1与机床、压边圈4与铝合金板料3，凹模2与铝合金板料3做好绝缘处理。

凸模1与机床绝缘：在凸模1与机床固定凸模1的部分加上一层电木，连接的螺栓进行绝缘处理(可涂上一层电木粉)或者应用绝缘螺栓。

压边圈4与铝合金板料3绝缘：在铝合金板料3两端压边处上方放上胶片进行绝缘。

凹模2与铝合金板料3绝缘：在铝合金板料3两端压边处上方放上胶片进行绝缘。

压边圈4的特殊处理：在压边圈4合适的部位开对称的两个通孔，周围涂上绝缘材料，并在通孔处安装电刷。在通孔的侧壁至压边圈4的外侧壁开设导线通道9，并在导线通道8的侧壁涂绝缘材料。通过导线通道8可将交流电源7与电刷用导线连接，在确保非通电部分绝缘、安全生产的同时，又可保证施加压边力、成形、保压过程中，电脉冲装置不收到影响，使得同步冷却电脉冲可安全、正常地进行。

电刷的作用：使得两个电刷触头始终与铝合金板料3接触，两个电刷的另一端分别与交流电源7的正负极连接。在给铝合金板料3通电加热、成形过程中，始终保持铝合金板料3有电流通过。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。