一種基于熱壓罐的可時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于熱壓罐的可時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成型方法，首先將鋁合金板坯固定在成形模具上，真空封閉后放入熱壓罐內(nèi)；在熱壓罐內(nèi)部提供鋁合金時(shí)效所需溫度與構(gòu)件貼模所需壓力，使大曲率部位材料達(dá)到屈服極限而發(fā)生塑性變形后保持貼模狀態(tài)進(jìn)入蠕變時(shí)效階段。本發(fā)明通過(guò)局部塑性變形調(diào)整內(nèi)應(yīng)力分布可消除蠕變時(shí)效過(guò)程中因內(nèi)應(yīng)力差異引起的性能不均勻問(wèn)題，采用塑變與蠕變結(jié)合減少生產(chǎn)周期及回彈，可減小模具高度。該工藝方法能夠在最高工作壓力不小于10Bar，使用溫度范圍可滿足100℃～200℃，且有足夠容量的熱壓罐內(nèi)實(shí)施。且操作簡(jiǎn)便，工裝簡(jiǎn)單，僅需一套凹模即可實(shí)現(xiàn)，節(jié)約成本，具有實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。
【專利說(shuō)明】一種基于熱壓罐的可時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有色金屬材料加工工程【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種適用于制造具有大曲率外形或復(fù)雜的變曲率形面的可時(shí)效強(qiáng)化鋁合金壁板類構(gòu)件的基于熱壓罐的可時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002]整體結(jié)構(gòu)壁板因其減輕重量、降低生產(chǎn)成本與裝配工作量等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于航空航天與交通運(yùn)輸?shù)戎圃煨袠I(yè)中。蠕變時(shí)效成形就是針對(duì)這種大型整體壁板而發(fā)展起來(lái)的一種制造方法，其結(jié)合了金屬蠕變和鋁合金時(shí)效強(qiáng)化特性，利用時(shí)效溫度進(jìn)行蠕變變形，具有安全性和可重復(fù)性且能夠?qū)崿F(xiàn)壁板零件的一次成型。蠕變時(shí)效成形因?yàn)槌尚螒?yīng)力低(彈性范圍)，因而殘余應(yīng)力水平低，可減小裂紋產(chǎn)生幾率、改善耐疲勞和抗應(yīng)力腐蝕能力。但這種較低的成形應(yīng)力同時(shí)也限制了這種方法的成形能力，在鋁合金常用的時(shí)效制度下其蠕變量一般低于1%。而實(shí)際的航空航天整體壁板構(gòu)件，如機(jī)翼壁板、飛機(jī)艙門(mén)等整體壁板構(gòu)件中往往具有復(fù)雜的變曲率形面或大曲率外形，這些構(gòu)件很難用蠕變時(shí)效實(shí)現(xiàn)一次成型，削弱了蠕變時(shí)效技術(shù)在生產(chǎn)成本與周期方面的優(yōu)勢(shì)。此外，目前已有不少文獻(xiàn)報(bào)道指出，不同的蠕變應(yīng)力或模具形面會(huì)影響蠕變時(shí)效成形件的材料性能。這導(dǎo)致曲率變化較大的構(gòu)件在蠕變時(shí)效成形后會(huì)出現(xiàn)性能不均勻，影響構(gòu)件的使用壽命?？梢?jiàn)，上述蠕變時(shí)效一次成型在構(gòu)件形面與性能方面的缺點(diǎn)亟需改進(jìn)，否則難以突破整體壁板蠕變成形制造的發(fā)展瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種可用于具有大曲率外形或復(fù)雜的變曲率形面的可時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板類構(gòu)件的一次成型方法，在保證成形的同時(shí)獲得均勻的材料性能，并有效地控制成形件的殘余應(yīng)力在50MPa以內(nèi)。
[0004]本發(fā)明的目的通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn):一種基于熱壓罐的可時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成型方法，包括以下步驟:首先將鋁合金板坯固定在成形模具上，然后真空封閉并置入熱壓罐內(nèi)，成型模具的形面包括大曲率范圍形面、小曲率范圍形面和中間曲率范圍形面中的至少兩種，板坯在置入熱壓罐后，對(duì)板坯施加鋁合金時(shí)效所需溫度與構(gòu)件貼模所需壓力，板坯發(fā)生塑性變形后，保持溫度不變，減小壓力至蠕變時(shí)效所需壓力然后保持直至?xí)r效結(jié)束。
[0005]所述的方法,板還總厚度為I?50mm,板還類型為無(wú)筋結(jié)構(gòu)或帶筋結(jié)構(gòu)。
[0006]所述的方法，成形模具的形面的曲率范圍由模具形面曲率相同部位的半徑R與相應(yīng)位置的板材厚度t的比值R/t確定，0〈R/t〈kEt/ σ st為大曲率范圍，R/t>kEp/ σ sp為小曲率范圍，kEt/ost〈R/t〈kEp/ospS中間曲率范圍，其中，k為與材料及板坯總厚度相關(guān)的常數(shù)，范圍為0.3?0.8，可通過(guò)等厚度的小樣件成形試驗(yàn)確定；Et為拉伸彈性模量，Ep為壓縮彈性模量，σ st為材料固溶態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度，Osp為材料固溶態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度。[0007]所述的方法，所述的大曲率范圍內(nèi)的構(gòu)件部位，材料成形為塑性變形，模具半徑范圍為0.8R*?R%其中R*為目標(biāo)半徑。
[0008]所述的方法，所述的小曲率范圍內(nèi)的構(gòu)件部位，材料成形為蠕變成形，模具半徑范圍為0.2R*?0.5R%其中R*為目標(biāo)半徑。
[0009]所述的方法，所述的小曲率范圍內(nèi)的構(gòu)件部位，材料成形為蠕變和塑性變形共同作用，模具半徑范圍為0.5R*?0.8R%其中R*為目標(biāo)半徑。
[0010]所述的方法，熱壓罐內(nèi)提供的時(shí)效溫度為100?200°C。
[0011]所述的方法，所述的構(gòu)件貼模所需壓力為5?20Bar，保溫時(shí)間為0.5?2h。
[0012]所述的方法，所述的蠕變時(shí)效所需壓力為I?5Bar，保溫時(shí)間為5?30h。
[0013]本發(fā)明在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有以下考慮:對(duì)于復(fù)雜的變曲率形面構(gòu)件，首先在大曲率部位發(fā)生塑性變形，從而釋放了該部位的內(nèi)應(yīng)力。為第二步蠕變成形階段提供了較均勻的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，形成近似的等蠕變量成形，可消除內(nèi)應(yīng)力引起的性能差異，提高構(gòu)件整體性能均勻性。對(duì)于簡(jiǎn)單的大曲率形面構(gòu)件，采用這種塑變與蠕變同時(shí)進(jìn)行的方式，可以明顯降低回彈量，提聞成形精度。
[0014]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于:①首先針對(duì)大曲率部位的局部塑性變形，釋放了構(gòu)件局部較大的內(nèi)應(yīng)力，可消除蠕變時(shí)效過(guò)程中因內(nèi)應(yīng)力差異引起的構(gòu)件性能不均勻問(wèn)題；②采用塑性變形與蠕變時(shí)效成形結(jié)合的一次成形方法，不僅減少生產(chǎn)周期，還可明顯降低最終回彈量，這對(duì)于減小大型模具高度、降低生產(chǎn)成本具有重要意義；③該工藝方法成形工件的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)塑性加工成形工件，且操作簡(jiǎn)便，工裝簡(jiǎn)單，僅需一套凹模即可實(shí)現(xiàn)，節(jié)約成本，具有實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。
[0015]本發(fā)明所指鋁合金可采用不同的方法制備所需材料和(或)部件。蠕變時(shí)效模具采用中國(guó)專利2011110209737.0:一種金屬蠕變成形模具。本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例使用ATOS光柵掃描儀對(duì)壁板外緣曲面進(jìn)行檢測(cè)。室溫拉伸實(shí)驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)GB/T228-2002制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，拉伸實(shí)驗(yàn)在CSS-44100萬(wàn)能材料力學(xué)拉伸機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為2mm/min。殘余應(yīng)力測(cè)試采用鉆孔應(yīng)變釋放法，按照CB3395-1992測(cè)量板材的殘余應(yīng)力。
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為為本發(fā)明工藝步驟示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明的成形工裝示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合實(shí)施例旨在進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0020]各實(shí)施例中沿成形壁板彎曲方向等距離均分為5段，在每段割取試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試與殘余應(yīng)力測(cè)試。本發(fā)明中回彈的定義參考文獻(xiàn)“Ho K C，Lin J, Dean TA.Modelling of springback in creep forming thick aluminum sheets.1nternationalJournal of Plasticity, 2004，20 (4 - 5): 733-751.”。按下式計(jì)算:η = (ClniaxAlci) X 100%，式中dmax為成形件回彈后與模具的最大垂直距離，為Cltl模具相應(yīng)位置距板坯初始平面的距離。室溫拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T228-2002，殘余應(yīng)力測(cè)試采用鉆孔應(yīng)變釋放法，標(biāo)準(zhǔn)采用CB3395-1992。
[0021]實(shí)施例1
[0022]壁板材料為7050鋁合金，板坯長(zhǎng)度為850mm，寬度為240mm，厚度為10mm。目標(biāo)形面沿所述壁板長(zhǎng)度方向彎曲半徑為IOOOmm?15000mm連續(xù)分布，呈流線形，采用T6時(shí)效制度。經(jīng)470°C固溶120min及水淬后，將板坯固定在成形模具上，覆好真空膜形成真空封閉的成形工裝后放入熱壓罐內(nèi)。其中模具形面包括大曲率范圍:R/t=600/10?0.51 X (70.3 X 103/360) /10，小曲率范圍:R/t=0.51 X (73.8 X 103/320)/10 ?15000/10，中間曲率范圍:R/t=0.51 X (70.3X 103/360)/10 ?0.51 X (73.8X 103/320)/10。在熱壓罐提供120°C溫度和4Bar壓力，使板坯與模具貼合，此時(shí)在大曲率部位材料達(dá)到屈服極限而發(fā)生塑性變形。保持Ih后，罐內(nèi)壓力降至2Bar。此后熱壓罐內(nèi)溫度繼續(xù)保持120°C溫度持續(xù)23h進(jìn)行蠕變時(shí)效。最后，卸除熱壓罐內(nèi)的氣壓并降低溫度，板坯回彈后得到所需復(fù)雜變曲率整體壁板。
[0023]實(shí)施例2
[0024]壁板材料為2124招合金,板還長(zhǎng)度為1800mm,寬度為900mm,厚度為8mm。目標(biāo)形面沿所述壁板長(zhǎng)度方向?yàn)殚L(zhǎng)短半軸分別為378mm、126mm的橢圓形，寬向平直無(wú)彎曲，采用T6時(shí)效制度。經(jīng)490°C固溶120min及水淬后，將板坯固定在成形模具上，覆好真空膜形成真空封閉的成形工裝后放入熱壓罐內(nèi)。其中模具形面包括大曲率范圍:R/t=400/8?
0.43 X (72X 103/330)/8，小曲率范圍:R/t=0.43 X (74X 103/300)/8 ?1200/8，中間曲率范圍:R/t=0.43X (72X 103/330)/8 ?0.43X (74X 103/300)/8。在熱壓罐提供 190°C溫度和SBar壓力，使板坯與模具貼合，此時(shí)在橢圓面兩端的大曲率部位材料達(dá)到屈服極限而發(fā)生塑性變形。保持Ih后，罐內(nèi)壓力降至2Bar。此后熱壓罐內(nèi)溫度繼續(xù)保持190°C溫度持續(xù)Ilh進(jìn)行蠕變時(shí)效。最后，卸除熱壓罐內(nèi)的氣壓并降低溫度，板坯回彈后得到所需橢圓面整體壁板。
[0025]實(shí)施例3
[0026]壁板材料為7475鋁合金，板坯長(zhǎng)度為1200mm，寬度為600mm。腹板厚度為2mm，腹板一側(cè)設(shè)有高18mm、厚3mm的筋條。筋條為矩形截面且呈網(wǎng)格分布，共16個(gè)單格，每個(gè)單格尺寸均為300mmX150mm。目標(biāo)形面沿所述壁板寬度方向?yàn)閱吻蕪澢霃?50mm，采用T76時(shí)效制度。經(jīng)470°C固溶90min及水淬后，將板坯固定在成形模具上，覆好真空膜形成真空封閉的成形工裝后放入熱壓罐內(nèi)。其中模具半徑為650mm，屬中間曲率范圍:R/t=0.15X (70X 103/380)/20 ?0.15X (73X 103/310)/20。在熱壓罐提供 120°C溫度和5Bar壓力，使板坯與模具貼合，此時(shí)在板坯發(fā)生部分塑性變形。保持Ih后，將罐內(nèi)壓力降至3Bar。此后熱壓罐內(nèi)溫度繼續(xù)保持120°C溫度5h進(jìn)行蠕變時(shí)效，然后升溫至175°C保持Sh0最后，卸除熱壓罐內(nèi)的氣壓并降低溫度，板坯回彈后得到所需大曲率帶筋整體壁板。
[0027]表I本發(fā)明實(shí)施例壁板成形后材料的室溫力學(xué)性能、回彈量及殘余應(yīng)力
[0028]測(cè)量抗拉強(qiáng)度伸長(zhǎng)率殘余應(yīng)力(MPa>
【權(quán)利要求】
1.一種基于熱壓罐的可時(shí)效強(qiáng)化鋁合金整體壁板一次成型方法，包括以下步驟:首先將鋁合金板坯固定在成形模具上，然后真空封閉并置入熱壓罐內(nèi)，其特征在于，成型模具的形面包括大曲率范圍形面、小曲率范圍形面和中間曲率范圍形面中的至少兩種，板坯在置入熱壓罐后，對(duì)板坯施加鋁合金時(shí)效所需溫度與構(gòu)件貼模所需壓力，板坯發(fā)生塑性變形后，保持溫度不變，減小壓力至蠕變時(shí)效所需壓力然后保持直至?xí)r效結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，板坯總厚度為I?50mm，板坯類型為無(wú)筋結(jié)構(gòu)或帶筋結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，成形模具的形面的曲率范圍由模具形面曲率相同部位的半徑R與相應(yīng)位置的板材厚度t的比值R/t確定，0〈R/t〈kEt/ο st為大曲率范圍，R/t>kEp/ σ sp為小曲率范圍，kEt/ σ st〈R/t〈kEp/ σ sp為中間曲率范圍，其中，k為與材料及板坯總厚度相關(guān)的常數(shù)，范圍為0.3?0.8 ;Et為拉伸彈性模量，Ep為壓縮彈性模量，σ st為材料拉伸屈服強(qiáng)度，Osp為材料壓縮屈服強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述的大曲率范圍內(nèi)的構(gòu)件部位,材料成形為塑性變形，模具半徑范圍為0.SR*?R%其中R*為目標(biāo)半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述的小曲率范圍內(nèi)的構(gòu)件部位,材料成形為蠕變成形，模具半徑范圍為0.2R*?0.5R%其中R*為目標(biāo)半徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述的小曲率范圍內(nèi)的構(gòu)件部位,材料成形為蠕變和塑性變形共同作用，模具半徑范圍為0.5R*?0.8R%其中R*為目標(biāo)半徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，熱壓罐內(nèi)提供的時(shí)效溫度為100?200。。。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的構(gòu)件貼模所需壓力為5?20Bar，保溫時(shí)間為0.5?2h。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的蠕變時(shí)效所需壓力為I?5Bar，保溫時(shí)間為5?30h。
【文檔編號(hào)】B21D26/031GK103691793SQ201310711973
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】鄧運(yùn)來(lái), 吳波, 蔣裕, 張勁, 王洋, 郭曉斌, 李紅萍, 張新明 申請(qǐng)人:中南大學(xué), 中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院