一种铝合金构件气动柔性电极加热夹持装置及模内淬火成形方法与流程

本发明涉及铝合金热成形技术领域，具体涉及一种铝合金构件气动柔性电极加热夹持装置及淬火成形方法。

背景技术：

铝合金具有密度低、比强度高、比刚度高、等一系列优点，被誉为21世纪航空航天、交通运输等领域具有重要应用价值的材料。对于可热处理强化铝合金，如2xxx系、6xxx系和铝锂合金等，可以通过固溶和时效的热处理方式显著提高强度。

铝合金在室温下较差的成形能力限制了其成形方式，传统铝合金温热成形工艺，通过加热，降低了材料的变形抗力，提高了铝合金的变形能力，虽然有效解决了铝合金材料室温成形易出现开裂等问题，但铝合金温热成形后续的热处理强化过程产生的淬火应力等问题降低了成形零件的尺寸精度，传统铝合金温热成形，虽然能保证材料使用强度，但板材会产生畸变，成形精度无法保证。

对于大尺寸铝合金成形，对于传统温热成形加热方式来说，对于加热设备的尺寸和功率要求较高，使用过程中能源消耗过大，同时大尺寸薄壁铝合金原始坯料传统电阻炉加热完成后转移困难，且板材的温降严重，成形后难以保证尺寸精度。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决目前铝合金温热成形后续的热处理强化过程产生的淬火应力等问题降低了成形零件的尺寸精度，且板材会产生畸变的问题，进而提供一种铝合金构件气动柔性电极加热夹持装置及模内淬火成形方法。

本发明技术方案一是：一种铝合金构件气动柔性电极加热夹持装置，所述的一种铝合金构件气动柔性电极夹持机组包括至少一对加热夹持单元，所述一个加热夹持单元包括支撑组件、夹持组件、连杆组件和气动组件，所述夹持组件和气动组件均安装支撑组件上，所述连杆组件通过气动组件的驱动实现夹持组件的上下移动；

所述支撑组件包括支撑板，所述夹持组件包括导柱固定板、导柱、上滑动连接板、碟簧、下滑动连接板、绝缘板、压板、阻热片、电极板、复位弹簧和校正弹簧；

所述连杆组件包括活动上压板、连接环和连接支座；

所述导柱的底端固定在支撑板的上端面，且导柱由下至上依次穿过电极板、复位弹簧、下滑动连接板和上滑动连接板，导柱的顶端与导柱固定板可拆卸连接，所述复位弹簧的下端与支撑板的上端面接触，所述复位弹簧的上端与下滑动连接板的下端面接触，所述电极板通过螺栓固定在支撑板的上端面，所述阻热片安装在电极板的上端面，且阻热片位于导柱的前端，所述阻热片上方依次设置有压板和绝缘板，且阻热片、绝缘板和压板竖直方向上对应设置，所述压板与绝缘板固定连接，绝缘板固定在下滑动连接板的下端面，

所述上滑动连接板通过多组碟簧和多组校正弹簧与下滑动连接板连接，且所述多组碟簧均匀分布在导柱的前端，多组校正弹簧均匀分布在导柱的后端；

所述活动上压板前部的下端面压在上滑动连接板的上端面，所述活动上压板尾部与气动组件转动连接，所述活动上压板的中前部通过连接环与连接支座转动连接，连接支座通过螺栓固定在电极板中部的上端面上。

技术方案二：一种使用上述装置的局部控制整体加热铝合金构件模内淬火成形方法，所述方法具体包括以下步骤：

一、将铝合金板材放置在铝合金板材放置区(5-5)；

二、将气压缸(4-1)充入高压气体，气压缸内部气压作用下使气缸外伸件(4-2)上升，气缸外伸件(4-2)推动活动上压板(3-1)前端下行，在导柱(2-2)配合作用下，带动上滑动连接板(2-3)向下滑动，作用在碟簧(2-4)以及校正弹簧(2-11)上的压力均匀传递给下滑动连接板(2-5)、绝缘板(2-6)和压板(2-7)，压板(2-7)下行，此时压板(2-7)和电极板(2-9)闭合压紧待加热大尺寸铝合金板材；

三、总集成控制器(5-1)开启集成电源(5-4)，每对加热夹持单元构成电流回路，对铝合金板材放置区(5-5)的铝材进行电加热；

四、加热完成后，冷模具下行，压力合模，板材在固溶温度下成形的同时在模具内完成淬火，保温5min后，压力机上行开模取件；

五、将已成形零件在t2下进行时效处理，t2为室温，保温10小时后得到最终的铝合金零件。

本发明的有益效果是：

一、本发明采用电流自阻加热技术，利用板材自身电阻进行加热，具有高效快捷，节能环保和防止氧化等优点，利用本发明所述的装置和方法，能将铝合金板材在30s内，加热到450℃～550℃；

二、采用电流自阻加热固溶成形-模内淬火技术，材料在固溶状态下进行成形，保证了成形性能，同时在冷模具内淬火限制了淬火应力等问题的出现，保证了零件的尺寸精度和最终的力学性能；

三、采用气动柔性电极夹持工装实现板材的电流加热过程，通过调节输入气压柔性控制气压缸活塞上下移动，实现板材的夹持与松开，使得整个加热过程易于控制，夹持与松开的动作灵敏，便于操作，利用本发明所述的装置和方法，能在1s之内完成所有操作步骤；

四、采用杠杆机构原理将气压缸产生的压力传递给活动上压板，进而将压力放大压紧板材，通过适当增加杠杆后端的压板长度，降低了对气压缸设备的要求；

五、气动柔性电极夹持工装中的碟簧及校正弹簧布置在上下滑动连接板间，碟簧在受到活动上压板给予的压力时，能将压力均匀的施加于上电极板上，从而保证板材各位置受力均匀，保证板材各个位置均匀加热；

六、采用局部加载技术，可以根据板材具体形状尺寸决定气动柔性夹持电极布置数量与位置，动态控制电流夹持系统电流传输通断，适用于各类尺寸板材的加热成形；

七、对于大尺寸板材成形，脉冲电流局部加载加热成形技术可以通过控制不同位置电极电流量来实现板材温度场的均匀分布，降低了对于加热设备的要求，减少了能源消耗。

附图说明

图1是本发明的立体结构图；

图2是本发明主视图(非工作状态)；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的主视图(工作状态)；

图5是本发明中活动上压板的示意图；

图6是本发明中压板的示意图；

图7是本发明中电极板的示意图；

图8是本发明中上活动板的示意图；

图9是本发明中下活动板的示意图；

图10是本发明的工艺过程示意图；

图11是本发明的通电加热过程示意图的实施例；

图12是本发明去导柱固定板的结构示意图；

图13是图2中a部的局部放大图；

图14是模具成形示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：结合图1-14说明本实施方式，本实施方式一种铝合金构件气动柔性电极加热夹持装置，所述的一种铝合金构件气动柔性电极夹持机组包括至少一对加热夹持单元，所述一个加热夹持单元包括支撑组件1、夹持组件2、连杆组件3和气动组件4，所述夹持组件2和气动组件4均安装支撑组件1上，所述连杆组件3通过气动组件4的驱动实现夹持组件2的上下移动；

所述支撑组件1包括支撑板1-1，所述夹持组件2包括导柱固定板2-1、导柱2-2、上滑动连接板2-3、碟簧2-4、下滑动连接板2-5、绝缘板2-6、压板2-7、阻热片2-8、电极板2-9、复位弹簧2-10和校正弹簧2-11；

所述连杆组件3包括活动上压板3-1、连接环3-2和连接支座3-3；

所述导柱2-2的底端固定在支撑板1-1的上端面，且导柱2-2由下至上依次穿过电极板2-9、复位弹簧2-10、下滑动连接板2-5和上滑动连接板2-3，导柱2-2的顶端与导柱固定板2-1可拆卸连接，所述复位弹簧2-10的下端与支撑板1-1的上端面接触，所述复位弹簧2-10的上端与下滑动连接板2-5的下端面接触，所述电极板2-9通过螺栓固定在支撑板1-1的上端面，所述阻热片2-8安装在电极板2-9的上端面，且阻热片2-8位于导柱2-2的前端，所述阻热片2-8上方依次设置有压板2-7和绝缘板2-6，且阻热片2-8、绝缘板2-6和压板2-7竖直方向上对应设置，所述压板2-7与绝缘板2-6固定连接，绝缘板2-6固定在下滑动连接板2-5的下端面，

所述上滑动连接板2-3通过多组碟簧2-4和多组校正弹簧2-11与下滑动连接板2-5连接，且所述多组碟簧2-4均匀分布在导柱2-2的前端，多组校正弹簧2-11均匀分布在导柱2-2的后端；

所述活动上压板3-1前部的下端面压在上滑动连接板2-3的上端面，所述活动上压板3-1尾部与气动组件4转动连接，所述活动上压板3-1的中前部通过连接环3-2与连接支座3-3转动连接，连接支座3-3通过螺栓固定在电极板2-9中部的上端面上。

具体实施方式二：结合图1、图2或图12说明本实施方式，本实施方式所述气动组件4包括气压缸4-1和气缸外伸件4-2，所述气缸外伸件4-2气缸外伸件4-2的底部与气压缸4-1顶部螺纹连接，气缸外伸件4-2的顶部通过销轴与活动上压板3-1尾部转动连接。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2或图4说明本实施方式，本实施方式所述支撑板1-1有三段，第一段为上横板、第二段为竖板和第三段为下横板，整体呈z型布置，其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2或图4说明本实施方式，本实施方式所述支撑组件1还包括第一支撑肋板1-2、第二支撑肋板1-3和固定板1-4，所述支撑板1-1上横板和竖板连接处设有多个第一支撑肋板1-2，所述支撑板1-1下横板与竖板连接处设有多个第二支撑肋板1-3，所述支撑板1-1的下横板与固定板1-4固定连接，其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1-14说明本实施方式，本实施方式所述加热夹持单元有n对，n≥1且n正整数，其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

在实际工作中，n可以取2对、5对、10对或更多对，根据铝合金构件的长度来确定。

具体实施方式六：结合图1-14说明本实施方式，本实施方式所述的一种铝合金构件气动柔性电极加热夹持装置还包括电流加热控制系统5，所述电流加热控制系统5包括总集成控制器5-1、气源5-2和2n个气路转换阀5-3，每个气压缸4-1设有一个气路转换阀5-3，铝合金板材放置区5-5的两侧对称设置有n对加热夹持单元，且所述每对加热夹持单元在工作状态下构成电流回路，总集成控制器5-1控制气路转换阀5-3换向和气源5-2与集成电源5-4的开启和关闭，其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本实施方式中，图12为本发明的一种实施例，当铝合金板材为1500mm-3000mm，加热夹持单元的夹持长度300mm-600mm时，n取5时，对应的加热夹持单元为10个，气路转换阀5-3也为10个且分别设置在每个加热夹持单元的气压缸4-1上，10加热夹持单元对称的布置在铝合金板材放置区5-5的两侧，左侧加热夹持单元为a组，右侧加热夹持单元为b组，a组加热夹持单元分别对应为a1、a2、a3、a4和a5，b组加热夹持单元分别对应为b1、b2、b3、b4和b5，且a1和b1、a2和b2、a3和b3、a4和b4、a5和b5在工作状态下分别构成电流回路并分别由集成电源5-4中对应的5个子电源供电，总集成控制器5-1控制气路转换阀5-3换向和气源5-2与集成电源5-4的开启和关闭。

具体实施方式七：结合图11或图12说明本实施方式，本实施方式所述电流加热控制系统5还包括集成电源5-4，所述集成电源5-4由n个子电源构成，每个子电源分别与一对加热夹持单元连接，且总集成控制器5-1分别控制每个子电源的开启和关闭。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图7说明本实施方式，本实施方式所述电极板2-9的前端侧面设有通孔，且电极板2-9的材质为纯铜。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

本实施方式中，电极板2-9前端开通孔，通气体，实现前端冷却，防止电极板过热氧化影响电流的传输效果，选择紫铜电极，因铜的导电性和导热性较好。

具体实施方式九：结合图1-14说明本实施方式，本实施方式一种铝合金构件成形模内淬火工艺的方法，所述方法具体包括以下步骤：

一、将铝合金板材放置在铝合金板材放置区5-5；

二、将气压缸4-1充入高压气体，气压缸内部气压作用下使气缸外伸件4-2上升，气缸外伸件4-2推动活动上压板3-1前端下行，在导柱2-2配合作用下，带动上滑动连接板2-3向下滑动，作用在碟簧2-4以及校正弹簧2-11上的压力均匀传递给下滑动连接板2-5、绝缘板2-6和压板2-7，压板2-7下行，此时压板2-7和电极板2-9闭合压紧待加热大尺寸铝合金板材；

三、总集成控制器5-1开启集成电源5-4，每对加热夹持单元构成电流回路，对铝合金板材放置区5-5的铝材进行电加热；

四、加热完成后，冷模具下行，压力合模，板材在固溶温度下成形的同时在模具内完成淬火，保温5min后，压力机上行开模取件；

五、将已成形零件在t2下进行时效处理，保温10小时后得到最终的铝锂合金零件。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图8说明本实施方式，本实施方式所述的铝合金构件成形模内淬火工艺的方法，在步骤三中，设定集成电源5-4脉冲直流电源有效电流数值，实现加热夹持单元与铝合金板材放置区5-5内夹持的铝合金板材的电路流通，对放置在铝合金板材放置区5-5的大尺寸铝合金板材进行整体加热，通过红外测温仪对板材加热区位置进行测温，若红外测温仪测量n对加热夹持单元处存在局部温度高于t1或低于t1时，t1为固溶温度，通过总集成控制器5-1控制集成电源5-4对应的子电源的电流量，加热夹持单元处局部温度高于t1时，减少子电源电流量。加热夹持单元处局部温度低于t1时，增加子电源电流量。

当板材温度区间稳定在t1时，进行电流自阻加热固溶过程h(a-b)，h(a-b)为t1恒定的时间，达到t1固溶时间后关闭电源集成器5-4，同时通过总集成控制器5-1控制气路转换阀5-3，转换气动柔性电极夹持工装组5-1中的气缸气路方向，使气缸外伸件4-2下降带动活动上压板3-1前端向上抬起，并在复位弹簧2-10作用下，使压板2-7与阻热片2-8松开夹持。

其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

工作原理

一、将铝合金板材放置在铝合金板材放置区5-5；

二、将气压缸4-1充入高压气体，气压缸内部气压作用下使气缸外伸件4-2上升，气缸外伸件4-2推动活动上压板3-1前端下行，在导柱2-2配合作用下，带动上滑动连接板2-3向下滑动，作用在碟簧2-4以及校正弹簧2-11上的压力均匀传递给下滑动连接板2-5、绝缘板2-6和压板2-7，压板2-7下行，此时压板2-7和电极板2-9闭合压紧待加热大尺寸铝合金板材；

三、总集成控制器5-1开启集成电源5-4，每对加热夹持单元构成电流回路，对铝合金板材放置区5-5的铝材进行电加热；

设定集成电源5-4脉冲直流电源有效电流数值，实现加热夹持单元与铝合金板材放置区5-5内夹持的铝合金板材的电路流通，对放置在铝合金板材放置区5-5的大尺寸铝合金板材进行整体加热，通过红外测温仪对板材加热区位置进行测温，若红外测温仪测量n对加热夹持单元处存在局部温度高于t1或低于t1时，t1为固溶温度，通过总集成控制器5-1控制集成电源5-4对应的子电源的电流量，加热夹持单元处局部温度高于t1时，减少子电源电流量。加热夹持单元处局部温度低于t1时，增加子电源电流量。

当板材温度区间稳定在t1时，进行电流自阻加热固溶过程h(a-b)，h(a-b)为t1恒定的时间，达到t1固溶时间后关闭电源集成器5-4，同时通过总集成控制器5-1控制气路转换阀5-3，转换气动柔性电极夹持工装组5-1中的气缸气路方向，使气缸外伸件4-2下降带动活动上压板3-1前端向上抬起，并在复位弹簧2-10作用下，使压板2-7与阻热片2-8松开夹持。

四、加热完成后，冷模具下行，压力合模，板材在固溶温度下成形的同时在模具内完成淬火，保温5min后，压力机上行开模取件；

五、将已成形零件在t2下进行时效处理，t2为室温，保温10小时后得到最终的铝合金零件。

图10中t1为固溶温度，t1温度范围为450℃-180℃，a-b段进行电流自阻加热固溶过程，a-b段时间为10-30min，t2为时效温度，t2温度范围为120℃-190℃，b-c段为成形过程，c-d段为模内淬火过程，b-d段时间为5s内，t3为室温，温度范围为20℃-30℃，f-g段进行时效性处理。