本申请涉及金属成形，更具体地涉及成形F-回火(F-temper)7xxx系列铝合金。
背景技术：
机动车辆车身面板传统地由低碳钢制成。为了减轻车辆重量，铝合金车身面板已经越来越受欢迎。机动车辆以及航空工业曾主要关注5xxx和6xxx系列铝合金，其分别为铝镁合金和铝-镁-硅合金。5xxx和6xxx系列铝合金可以通过与低碳钢板材一致的方法成形和处理。
T6或T7x回火的7xxx系列的铝锌合金具有与高强度钢以及超高强度钢类似的强度并且能够达到超出400MPa的屈服强度。遗憾的是，T6或T7x回火的7xxx系列的铝锌合金不能够传统地冲压成形，因为合金在室温下几乎不具有可成形性。
技术实现要素：
在至少一个实施例中，提供一种成形F-回火铝合金的方法。该方法可包括：提供F-回火铝合金坯料；加热坯料；提供模具组；将坯料放置在模具组中使得坯料不接触模具组；以及在坯料上闭合模具组以将坯料成形为部件同时淬火该部件。
在至少一个实施例中，提供一种将F-回火铝合金成形为机动车辆车身面板的方法。该方法可包括：加热F-回火7xxx系列铝合金材料至至少它的固相线温度同时冷却模具组至大于等于1℃且小于等于30℃的温度；将材料置于模具组中使得材料与第一模具和第二模具间隔开；以及在材料上闭合模具组以将材料成形为机动车辆面板并同时淬火机动车辆车身面板。
在至少一个实施例中，提供一种用于成形F-回火铝合金的系统。系统可包括模具组、加热装置、转移机构、限位(staging)装置以及驱动器。模具组可具有第一模具和第二模具。加热装置可加热合金至至少它的固相线温度。转移机构可将合金从加热装置转移至模具组。限位装置可将合金限位在第一模具和第二模具之间并使其相对第一模具和第二模具偏置(offset)。驱动器可驱动第一模具和第二模具中的一个或两个以将合金成形为部件并且可以同时淬火部件至低于其固相线温度的温度。
根据本发明一个实施例，F-回火铝合金坯料为7xxx系列铝合金。
根据本发明的一个方面，提供一种将F-回火铝合金成形为机动车辆车身面板的方法，其中方法包括下面步骤：将F-回火7xxx系列铝合金材料加热至至少它的固相线温度，同时冷却具有第一模具和第二模具的模具组至大于等于1℃且小于等于30℃的温度；将材料置于模具组中使得材料与第一模具和第二模具隔开；以及将模具组闭合在所述材料上以将材料成形为机动车辆车身面板并且同时淬火该机动车辆车身面板。
根据本发明一个实施例，方法进一步包含下面步骤：提供限位装置以将材料保持在模具组之间并且与其隔开，以及当模具组闭合时释放材料以与第二模具接合。
根据本发明另一个方面，提供一种成形F-回火铝合金的系统，该系统包含：具有第一模具和第二模具的模具组，模具组可冷却至从1℃到30℃的温度；加热装置，其用于加热合金至至少它的固相线温度；转移机构，其用于将合金从加热装置转移至模具组；与模具组相协调的限位装置，其用于将合金限位在第一模具和第二模具之间并且相对第一模具和第二模具偏置(offset)；以及与模具组相协调的驱动器，其用于将第一模具和第二模具中的一个或者两者朝彼此相对移动，使得模具组将合金成形为部件并同时淬火该部件至低于合金的固相线温度的温度。
根据本发明一个实施例，限位装置设置于模具组上，限位装置具有在第一位置和第二位置之间旋转的指状部件，其中该指状部件在第一位置接触合金并且将合金保持与第一模具和第二模具隔开，且该指状部件在第二位置处释放合金以允许合金与第一模具或者第二模具接合。
根据本发明又一个实施例，模具组进一步包含在模具组中铺设的填充有热传递介质的管道，使得管道和热传递介质与模具组相协调工作以维持模具的控制的温度。
附图说明
图1为用于成形F-回火7xxx系列铝合金的系统的立体图。
图2为具有限位装置的模具的部分立体图。
图3为说明加工F-回火7xxx系列铝合金的方法的流程图。
具体实施方式
根据需要，在此示出了本发明的具体实施例；然而，应该理解，揭示的实施例仅仅是示例，而本发明可以多种和可替代方式实施。附图并不必须按照比例绘制；可以扩大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此揭示的特定结构和功能细节不应解释为限定，而仅仅是用于教导本领域内技术人员以多种方式使用本发明的代表性基础。
参考图1，显示了用于成形坯料12的系统10。系统10可包括加热装置14、转移机构16以及模具组18。在至少一个实施例中，坯料12为F-回火7xxx系列铝合金坯料12。铝合金通过四位数来识别，第一位通常识别主要合金元素。例如，在7xxx系列铝合金中的主要合金元素为锌，而5xxx系列的主要合金元素为镁，6xxx系列的主要合金元素为镁和硅。在系列代号中通过字母“x”代表的额外的数字定义了准确的铝合金。在一个实施例中，可以使用7075铝合金，其组分包括5.1-6.1％的锌、2.1-2.9％的镁、1.2-2.0％的铜以及小于百分之零点五的硅、铁、锰、钛、铬以及其它金属。
可以提供加热装置14用于加热坯料12。加热装置14可以为能够产生足够高的内部温度以将置于加热装置14中的坯料加热至预定温度(例如坯料12的溶解(solution)温度或固相线(solidus)温度的工业熔炉或者烤炉。在至少一个实施例中，加热装置14可不将坯料12加热至超出其液相线(熔融)温度。
7xxx系列铝合金的溶解温度可以为大约460℃至490℃。该溶解温度可以为其中物质变得容易混合的温度。可混合性为材料以所有比例混合、形成均质的溶液的性质。可混合性可以存在于所有相态中：固态、液态以及气态。
固相线温度可以为在相态图表的曲线上的低于其则给定物质完全为固体的位置处的温度。固相线温度量化为物质可开始融化的温度，但是不是物质完全融化的温度。对于一些材料，可能存在固相线和液相线温度之间的相态，其中该物质同时包含固体和液体相态。材料越是接近固相线温度，越多材料会处于固相，而材料越是接近液相线温度，越多材料处于液相。这样，可以将坯料12加热至至少它的固相线温度但是低于它的液相线温度，从而提供了基本上是固态以便于操纵和运输但是因为接近液相或者部分液相而又是更容易成形的坯料12。
转移机构16可配置用于移动和放置坯料12。在至少一个实施例中，转移机构16可以为操纵者，例如机器人。转移机构16可以配置用于快速地将坯料12从加热装置14转移至模具组18以减少坯料12的热散失的机会。例如，系统10和转移机构16可以配置为使得坯料12的温度不会降低至或者低于其临界淬火温度(critical quench temperature)。临界淬火温度为必须开始淬火以达到合适的材料淬火的温度。例如，对于大多数7xxx系列铝合金的临界淬火温度为大约400℃。
可以提供模具组18以将坯料12成形为具有预定形状的部件。在至少一个实施例中，模具组18可包括第一模具20、第二模具22、至少一个驱动器24以及限位装置26。
第一模具20和/或第二模具22可以配置用于将坯料12成形为具有预定形状的部件。驱动器24可以驱动第一模具20和/或第二模具22朝向彼此或者背离彼此运动并提供力以成形坯料12。驱动器24可以是任意合适的类型，例如液压、气动、机械、电力机械或者其组合。模具组18和驱动器24组合还可以被称为压床、冲压机或成形淬火机(quenching press)。
可以提供限位装置26用于将坯料12放置在第一模具20和第二模具22之间并与其相隔开。这样，限位装置26可以阻止坯料12和模具组18之间的热传递，从而帮助维持坯料12处于或高于其临界淬火温度。限位装置26可从转移机构16接收坯料12并且可以在第一模具20和/或第二模具22闭合并且接合坯料12时释放坯料12。此外，系统10可以配置为使得在从加热装置14移除坯料12和模具组18闭合之间从坯料12几乎没有热损失。在至少一个实施例中，坯料12的温度可降低少于10℃；然而，坯料12可经历更大的温度损失，例如高达90℃，其中假设坯料12加热至490℃而临界淬火温度为400℃。
模具组18可包括管道28，其促进第一模具20和/或第二模具22的冷却以及从坯料12成形的部件的淬火。管道28可以为成形进入模具组18的空隙(voids)或通道，或者任意外部连接的管道和通道的组合。管道28可以连接至冷却源并且可以从冷却源接收热传递介质(例如流体)用于将模具组18冷却至期望的温度。热传递介质可以是能够将模具组18冷却至预定温度范围(例如从1℃到30℃)的任何流体介质。可以以阻止模具组18的一个或多个表面上形成冷凝的方式来冷却模具18。在量产设置中，在成形和淬火坯料12之前模具组18的温度可以冷却至预定温度范围以除去在前一部件成形期间可能已经从坯料12传递至模具组18的热量。
将加热的坯料12成形为部件可与淬火该部件同时发生。淬火速率影响了材料的最终回火强度和抗腐蚀性能。在一些实施例中，随着其从400℃到290℃，铝合金的淬火速率可等于或高于150℃/秒。在将部件从模具组18移除之前，部件可进一步冷却至从200℃到25℃的最终温度以在后续处理期间提供尺寸稳定性。
系统10可设计为持续运作，其中通过一个或多个加热装置14连续或并列地加热多个坯料12并随后转移至至少一个模具组18用于成形和淬火。在坯料12的成形和/或同时的部件淬火期间或者之后，至少一个模具组可变得高于30℃，这样可使用多于一个模具组18提供更快速的生产速度。
通过转移机构16、另一转移设备或者通过手动可以从模具组18转移部件。随后继续部件后续处理，其可以包括卷边(flanging)、修剪(trimming)以及自然和/或人工老化以使得铝合金部件提升至较高强度回火(temper)例如T6或T7x。
铝合金可以使用5个基本的回火指代标识，其为F-冷加工、O-退火、H-锻制品(strain hardened)、T-热处理以及W-淬火(在固溶热处理(solution heattreated)和人工或自然老化之间)。回火指代标识后可跟有单一数字或两位数用于进一步的描述。T6回火指代标识的铝合金可以为已经进行固溶热处理以及人工老化的合金，但是在固溶热处理之后没有冷加工(或者在材料性质中不能识别冷加工)。T6可代表材料沿着屈服强度相对时间和温度模型的峰值老化屈服强度的点。T7x回火可指代已经发生了固溶热处理，且超出沿着屈服强度相对时间和温度模型的峰值老化屈服强度(过度老化)将材料人工老化。T7x回火材料与T6回火材料相比可具有较低屈服强度，但是可以这么做以增强腐蚀性能。在一个示例中，成形的T7x回火7xxx系列铝合金部件具有维持在或者高于450Mpa的屈服强度。
参考图2，更为详细地显示了限位装置26的实施例。可以为模具组18提供一个或多个限位装置26。例如，在一个或多个实施例中，可以接近模具的角或者边缘提供限位装置26。可以设置或配置限位装置26以便于不会干扰模具组18的启用和关闭。此外，限位装置26可帮助阻隔或者可以提供有阻止从坯料12到模具的热传递的材料。限位装置26可以包括基座40、支撑件42、指状部件44以及驱动器46。
基座40可以设置在模具组18上并且可以促进限位装置26的安装。
支撑件42可以从基座40延伸并且可以固定安装在基座40上。支撑件42可以包括狭槽50。狭槽50可以配置为接收和容纳指状部件44的旋转。
指状部件44可以可枢转地设置在支撑件42上。例如，在一个或多个实施例中，枢转销可以可旋转地将指状部件44连接至支撑件42。指状部件44可在第一位置和第二位置之间旋转。在第一位置，指状部件44可从支撑件42延伸出并支撑坯料12。指状部件44可相对于支撑件42旋转并朝向或者进入狭槽50至第二位置(例如通过图2中的箭头指示的)以允许坯料12与限位装置26分离并掉落到模具(例如第二模具22)上。
驱动器46可以置于限位装置的附近并且可用于提供指状部件44的位置控制。例如，在一些实施例中，驱动器46可以为连接至枢转销的电动马达，当施加电力时枢转销将指状部件44从第一位置旋转至第二位置，当电力移除时弹簧52可以将指状部件44从第二位置返回至第一位置。可以通过自动控制系统或者通过操作者控制驱动器46。驱动器46还可以为使用电力、液压、气动、磁力或者机械原理或任意组合的伺服机构以提供对指状部件44的位置控制。
参考图3，显示了一种处理或成形F-回火铝合金的方法。可以使用如上所述的系统10执行该方法的核心步骤。在一个实施例中，使用7xxx系列F-回火铝合金，然而，预期其它系列铝合金可使用本方法，在该方法中需要有温度和正时的改变以提供期望的结果。
在100处，方法通过提供F-回火铝合金线圈而开始。F-回火铝合金线圈可以为“冷加工的”铝合金，如前所述，其在线圈的冷卷绕之后没有对产品应用热处理或者应变硬化(strain-hardening)方法。“冷加工的”7xxx铝合金线圈是如今市场上市售可购买的。
在102处，可以润滑线圈以促进坯料成形(blanking)。例如，润滑可以帮助坯料成形，减少坯料边缘处的热产生，并促进坯料的移除。
在104处，线圈可以成形为坯料或者以其它方式切割成多段以提供较小的工件。
在106处，可以将一个或多个坯料转移至加热装置14。
在108处，可以通过加热装置14将一个或多个坯料加热至期望的温度。如前所述可以将坯料加热至至少其溶解或者固相线温度中的一者。加热坯料的步骤的执行可以快至1分钟或者高达45分钟，并且仍然保持商业上可行。
在110处，如前所述，模具组18可以冷却至预定温度。模具组的冷却可以与前面的步骤中的一个或多个同时发生。
在112处，一个或多个坯料12可以转移至模具组18。例如，如前所述，可以通过转移装置16将坯料12转移至限位装置26使得坯料12与模具组18的成形表面隔开。在至少一个实施例中，转移机构16可以在30秒内或更少时间将一个坯料12从加热装置14转移至一个模具组18。
在114处，可以将坯料12置于模具组18中。通过驱动限位装置26从第一位置到第二位置以释放坯料12可以进行坯料的放置。
在116处，可以闭合模具组18以将坯料12成形为部件。模具组18的闭合可以在从限位装置26释放坯料12之后或者与其同时发生。在至少一个实施例中，如前所述，在坯料12冷却超出临界淬火温度之前进行模具组18的闭合。在至少一个实施例中，第一模具20和第二模具22的闭合的速率可以为至少每秒50毫米以提供坯料12的和模具组18的表面的“快速接触”并且允许在淬火期间坯料12和模具组18之间的有效可传导热的传递。
在118处，模具组18可以将坯料12成形为具有预定形状的部件并淬火。如前所述，淬火可以与成形坯料12同时发生。可以进行淬火直至部件的温度降低至预定温度以下。可以使用温度传感器以探测部件的温度或者淬火可以发生预定的时间段。可以通过实验确定预定的淬火时间段。
在120处，模具组18可保持在闭合位置。模具组18可以保持在闭合位置直至完成淬火。在至少一个实施例中，模具组18可维持闭合在部件上大约3至60秒以确保部件淬火并且已经为后续处理做好准备。此外，部件可以冷却至可促进材料抓握(handling)的温度。
在122处，模具组18可打开以便于部件的移除。
在124处，可以从模具组18移除部件。如前所述可以采用手动或者自动材料处理技术将部件移除。在一个或多个实施例中，在部件移除期间可以继续模具组18的冷却。
在126处，在部件上可以执行额外的加工步骤。例如，可以使用任何合适的工艺例如切割或钻孔将多余材料从部件中移除。此外，可以采用额外成形步骤，例如将部件弯折或者卷边以提供模具组18不会提供的构造。由于部件在某时间段之后可变得过脆而不能允许额外的加工，可以在预定时间段内执行这些步骤，例如24小时。
在128处，可以老化部件。部件老化可包含自然老化和/或人工老化以达到高强度回火例如T6或T7x。通过ASM(美国金属学会)或MIL(美国军方标准)标准可以提供多个老化计划。可以与该方法使用的一个老化计划是在室温下自然老化部件24小时，随后在120℃人工老化部件24小时。
上述系统和方法可制造具有与类似几何形状的高强度和超高强度钢所类似的强度和能量吸收特征的高强度铝合金部件。高强度铝部件可比类似几何形状的钢更轻。此外，本申请中的系统和方法提供了以与传统机动车辆金属成形一致的高产量高质量以及低成本生产高强度铝合金部件。因此，根据本发明教导制造的部件可以将钢结构件替代为铝合金结构件而不会牺牲安全性并且同时减轻了整车车重。在车辆应用中，较轻的车辆部件，例如车身结构部件，包括但不限于摇板、车顶纵梁、保险杠结构或者A、B、C柱，可减轻车重并且可使得减少燃料消耗并且节约能量。
尽管上面描述了示例实施例，并不意味着这些实施例描述了发明的所有可能形式。相反，在说明书中使用的用语是描述性而非限制，应该理解，可以做出多个变形而不会背离本发明的实质和范围。此外，可以组合多个实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。