一种高强铝合金板材的热成形方法
【专利摘要】一种高强铝合金板材的热成形方法，其主要是：在下料筒内装入绝热粒状介质；加热铝合金板材至高于共晶体熔点10℃～20℃的温度；加热模具上、下圧边圈，与铝合金板材加热温度保持一致，然后将加热的高温板材迅速移至已加热的模具上、下圧边圈中，迅速合模保持温度，并由压边滑块施加压边力；通过背压压头给绝热粒状介质加载；冷却凸模压下，与软凹模绝热粒状介质共同作用，成形完成后，迅速夹持工件移至20℃～60℃水中进行淬火处理。本发明利用绝热粒状介质的特性将铝合金板材热处理与软凹模柔性成形技术相结合，通过冷却凸模、绝热粒状介质和高温压边圈的协同作用实现板材差温成形过程，可有效提高板材的成形性能，具有成形质量高、实现方便、设备要求低等特点。
【专利说明】
一种高强铝合金板材的热成形方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种铝合金板材构件的成形方法。【背景技术】
[0002]节能减排是目前工业发展的主导方向之一。为实现这一目标，采用轻质合金材料代替传统碳钢合金材料以实现构件轻量化是一种有效的手段。铝合金是应用最为广泛的轻质合金材料之一，本身所具有的低密度、高强度、高硬度等优质性能使其已成轻质构件的首选材料。铝合金薄壳构件的比强度值超过许多合金钢，再加上其优良的导电性、导热性和抗蚀性，在机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面的应用需求非常多。但是，铝合金板材在室温条件下变形能力差，其延伸率大都小于10%?15%，这大大地限制了铝合金板材的广泛应用。目前，铝合金板材的塑性加工多采用温热成形的方法。因为在中等温度区间 200°C?600°C范围内铝合金的成形性能可以得到显著的提高。尽管如此，中等温度范围内铝合金板材的成形性能远不如钢铁板材，想要得到成形质量高的薄壳构件仍有一定难度。 因此，在温热成形的基础上通过其他特殊的成形方法进一步提高铝合金板材的成形性能是加工手段应该解决的问题。
[0003]板材软模成形技术在铝合金板材温热成形中有着诸多应用和研究，最具代表性、 应用最为成熟的是液压成形和气胀成形。软模成形可以克服常规工艺的不足，具有模具结构简单、成形零件质量性能高等优点，属于柔性生产技术，可加工形面复杂零件。但是，高温高压下液压成形和气胀成形所需要的设备成本高、工艺路径复杂，这大大限制了它们在工业生产中的广泛应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种成型设备成本低、工艺路线简单的一种高强铝合金板材的热成形方法。本发明主要是利用绝热粒状介质的流动传压和绝热性能，将铝合金板材热处理与软凹模柔性成形技术相结合，通过冷却凸模、绝热粒状介质和高温压边圈的协同作用实现板材差温成形过程，本方法还可以在成形过程中完成材料的热处理过程。
[0005]本发明的方法具体如下:
[0006](1)在下料筒内装入绝热粒状介质;所述绝热粒状介质为非金属散粒物料，由石棉粉、膨胀珍珠岩产品按体积比例1:1配制而成。散粒体平均直径为〇.2mm?0.4mm，具有良好流动性能，导热系数不大于〇.15W/(m ? K)，可在0°C至700°C范围内保持稳定的强度和硬度， 机械性能和化学性能稳定。
[0007](2)在加热炉内，加热铝合金板材至高于共晶体熔点10°C?20°C的温度，并保温 30min完成固溶处理，使过剩相充分溶解到固溶体中；
[0008](3)加热模具上、下圧边圈，与铝合金板材加热温度保持一致，并控制其温度恒定， 然后将步骤(2)加热的高温板材迅速移至已加热的模具上、下圧边圈中，迅速合模保持温度，并由压边滑块施加压边力；
[0009](4)通过背压压头给绝热粒状介质加载，在绝热粒状介质的压力作用下，板材向凸模方向自由胀形，形成背压“穹顶”，由于加载迅速且绝热粒状介质的导热系数很低，使得板材依然保持高温；
[0010](5)冷却凸模压下，与软凹模绝热粒状介质共同作用，迫使板坯与冷却凸模型面逐步贴合，并形成反向拉深作用。贴合后的板材在冷却凸模的冷却系统作用下温度迅速降低至60°C左右，实现定型作用并提高强度，同时完成成形区域局部淬火过程。加载过程中，冷却凸模通循环冷却液保持温度恒定；
[0011](6)板材的法兰区域在加热的上、下圧边圈中保持高温，高温条件下变形抗力较低且塑性好，有利于提高板材的拉深极限；
[0012](7)成形完成后，背压压头退回，绝热粒状介质内压卸载。然后，冷却凸模退回，压边圈开启。迅速夹持工件移至20?60°C水中进行淬火处理，以保持板材零件金相组织的一致性。
[0013]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0014](I)以绝热粒状介质为传压介质完美地将软模成形和差温成形结合了起来。绝热性能够阻止模具加热部分通过传压介质向冷却凸模传热，简单有效地使贴模板材和未贴模板材形成两个温度区;流动性能够实现软模成形，可提高成形性能、成形复杂形面的零件；
[0015](2)高温板坯与冷却凸模贴合后迅速冷却定型，使得板坯强度和硬度大幅提高，极大的增强了小特征区域的承载能力，能够有效的抑制板坯破裂失稳和回弹;对于可热处理强化的铝合金，还可完成局部淬火过程，实现成形过程与热处理的同步完成。
[0016](3)成形过程中，未贴模板材能够保持板坯的加热温度。利用高强铝合金板材在高温条件下延伸率提高和强度降低的材料特性，从而提高板材的成形性能；
[0017](4)成形过程中，绝热粒状介质内压作用将成形板坯紧紧压靠于冷却凸模型面，绝热粒状介质和冷却凸模形成的法向压力和摩擦作用能够有效的抑制成形板坯的减薄和变形，进一步提高了板坯的抗破裂能力和贴模性，成形质量高；
[0018](5)绝热粒状介质耐高温高压、易于密封、流动性好、压力建立简便等特殊性能使该工艺具有成形温度区间更宽、无需特殊密封装置、设备要求低、可采用通用压力设备，实现方便。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的工装及工作过程示意图。
[0020]图中:1、冷却凸模，2、压边滑块，3、上隔热板，4、上模压边圈，5、铝合金板材，6、电阻加热装置，7、绝热粒状介质，8、下料筒，9、背压压头，10、底座，11、下隔热板，12、下模圧边圈，13、上料筒
【具体实施方式】
[0021 ]在图1所示的高强铝合金板材的热成形方法工装及工作过程示意图中，下面设在环形底座上的环形下料筒，顶面设有环形下隔热板，在环形下隔热板上设有环形下模压边圈，该下模压边圈外环面设有若干径向槽孔，在径向槽孔内设有电阻加热装置，所述底座、下料筒、下隔热板及下模压边圈的中心通孔内尺寸相同，在这些部件的中心通孔内设有外尺寸与该中心通孔内尺寸对应的背压压头，在背压压头上面置有绝热粒状介质，其与底座、 料筒、下隔热板及下模压边圈及背压压头组成下模。与下模对应的上模，其有一个与下模压边圈结构相同且相对的上模压边圈，该上模压边圈上面设有环形上隔热板，在上隔热板上面设有上料筒，在上料筒上面设有环形压边滑块。在上模中心通孔内设内有循环冷却液的冷却凸模。在冷却凸模和绝热粒状介质及上、下模压边圈之间设有铝合金板材。
[0022]实施例1:
[0023]背压压头9移至设定位置，下料筒8装入绝热粒状介质7,该绝热粒状介质是由石棉粉、膨胀珍珠岩产品按体积比例1:1配制而成，散粒体平均直径为〇.2mm?0.4mm，具有良好流动性能，导热系数不大于〇.15W/(m ? K)，可在0°C至700°C范围内保持稳定的强度和硬度， 机械性能和化学性能稳定。在加热炉中将AA7075铝合金板材5加热至480°C，保温30min;模具上、下圧边圈4和12用设置的电阻加热装置6加热至480°C并利用闭环温控系统保持温度恒定，圧边圈与模具其他部分用上、下隔热板3和11隔开;将加热的高温板材迅速移至已加热的模具上、下压边圈中，迅速合模保持温度并由压边滑块2施加压边力N;冷却凸模1下移至距板料5_处，背压压头9施加压力至板料与冷却凸1模相接触，背压压头9和冷却凸模1接下来共同加载，迫使板坯与冷却凸模型面逐步贴合，并形成反向拉深作用，贴合后的板材在冷却凸模的冷却系统作用下温度迅速降低至60 °C左右。成形完成后，背压压头退回，绝热粒状介质内压卸载，冷却凸模退回，压边圈开启，迅速夹持工件移至20°C水中进行淬火处。整个加载过程中，冷却凸模通循环冷却液保持温度60 °C左右，板材的法兰区域在加热的上、下圧边圈中保持高温。[〇〇24] 实施例2:
[0025]背压压头9移至设定位置，下料筒8装入绝热粒状介质7,该绝热粒状介质是由石棉粉、膨胀珍珠岩产品按体积比例1:1配制而成，散粒体平均直径为〇.2mm?0.4mm，具有良好流动性能，导热系数不大于〇.15W/(m ? K)，可在0°C至700°C范围内保持稳定的强度和硬度， 机械性能和化学性能稳定。在加热炉中将AA6061铝合金板材5加热至560°C，保温30min;模具上、下圧边圈4和12用设置的电阻加热装置6加热至560°C并利用闭环温控系统保持温度恒定，圧边圈与模具其他部分用上、下隔热板3和11隔开;将加热的高温板材迅速移至已加热的模具上、下压边圈中，迅速合模保持温度并由压边滑块2施加压边力N;冷却凸模1下移至距板料l〇mm处，背压压头9施加压力至板料与冷却凸1模相接触，背压压头9和冷却凸模1 接下来共同加载，迫使板坯与冷却凸模型面逐步贴合，并形成反向拉深作用，贴合后的板材在冷却凸模的冷却系统作用下温度迅速降低至60°C左右。成型完成后，背压压头退回，绝热粒状介质内压卸载，冷却凸模退回，压边圈开启，迅速夹持工件移至60°C水中进行淬火处。 整个加载过程中，冷却凸模通循环冷却液保持温度60°C左右，板材的法兰区域在加热的上、 下圧边圈中保持高温。
【主权项】
1.一种高强铝合金板材的热成形方法，其特征在于: (1)在下料筒内装入绝热粒状介质； (2)在加热炉内，加热铝合金板材至高于共晶体熔点10°C?200C的温度，并保温30min完成固溶处理，使过剩相充分溶解到固溶体中； (3)加热模具上、下圧边圈，与铝合金板材加热温度保持一致，并控制其温度恒定，然后将步骤(2)加热的高温板材迅速移至已加热的模具上、下圧边圈中，迅速合模保持温度，并由压边滑块施加压边力； (4)通过背压压头给绝热粒状介质加载，在绝热粒状介质的压力作用下，板材向凸模方向自由胀形，形成背压“穹顶”； (5)冷却凸模压下，与软凹模绝热粒状介质共同作用，迫使板坯与冷却凸模型面逐步贴合，并形成反向拉深作用，贴合后的板材在冷却凸模的冷却系统作用下温度迅速降低至60°C左右，加载过程中，冷却凸模通循环冷却液保持温度恒定； (6)板材的法兰区域在加热的上、下圧边圈中保持高温； (7)成形完成后，背压压头退回，绝热粒状介质内压卸载，然后，冷却凸模退回，压边圈开启，迅速夹持工件移至20°C?60°C水中进行淬火处理。2.根据权利要求1所述高强铝合金板材的热成形方法，其特征在于:所述绝热粒状介质为非金属散粒物料，由石棉粉、膨胀珍珠岩产品按体积比例1:1配制而成。散粒体平均直径为0.2mm?0.4mm，具有良好流动性能，导热系数不大于0.15W/(m.K)，在0°C至700°C范围内保持稳定的强度和硬度，机械性能和化学性能稳定。3.权利要求1所述高强铝合金板材的热成形方法的工装，其特征在于:下面设在环形底座上的环形下料筒，顶面设有环形下隔热板，在环形下隔热板上设有环形下模压边圈，该下模压边圈外环面设有若干径向槽孔，在径向槽孔内设有电阻加热装置，所述底座、下料筒、下隔热板及下模压边圈的中心通孔内尺寸相同，在这些部件的中心通孔内设有外尺寸与该中心通孔内尺寸对应的背压压头，在背压压头上面置有绝热粒状介质，其与底座、料筒、下隔热板及下模压边圈及背压压头组成下模；与下模对应的上模，其有一个与下模压边圈结构相同且相对的上模压边圈，该上模压边圈上面设有环形上隔热板，在上隔热板上面设有上料筒，在上料筒上面设有环形压边滑块，在上模中心通孔内设内有循环冷却液的冷却凸模，在冷却凸模和绝热粒状介质及上、下模压边圈之间设有铝合金板材。
【文档编号】B21D22/20GK106040817SQ201610390044
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】董国疆, 赵长财, 杨卓云
【申请人】燕山大学