CN102248102B - 一种整体成形铝合金等径三通件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种整体成形铝合金等径三通件的方法，采用三通模具实施整体成形铝合金等径三通件。本发明采用多向主动加载成形技术，其加载成形过程为水平凸模先运动，侧凸模稍后运动，三个凸模一起运动至最终成形位置。通过侧凸模提前运动以抑制金属剧烈流向支管型腔的办法，消除现有技术中的缺陷，实现了铝合金等径三通件的整体一次成形，简化了工艺流程。本发明通过协调不同方向模具的加载顺序，主动控制成形过程中的金属流动，避免了空腔、折叠的缺陷。本发明减少了焊接和机加工过程，避免了焊缝腐蚀、切断流线等缺陷，提高了构件的可靠性，同时提高了材料的利用率，具有操作简单、方便，易实施的特点。
Description
技术领域
本发明属于热加工领域，涉及到铝合金的热成形，具体是一种通过三向主动加载整体成形铝合金等径三通件的方法。
背景技术
三通件是一类重要的工业零件，在管道工业、石油化工等领域有着广泛的应用。近年来，这些领域的发展对三通件性能提出了更高、更多的要求，不仅要求三通件能够满足更大的压力要求，而且要求其整体性能良好。目前，此类构件主要的生产方式有三种：一为铸造成形，铸造缺陷的存在使得铸造阀体难以满足高性能要求；二为焊接成形，虽然对此类构件制造有节省材料等优点，但是具有焊接缺陷和焊缝的应力腐蚀等问题；三为锻件的机械加工(工艺流程为：铸锭——棒料轧制——下料——多次塑性成形——机械加工)，目前，该方法是此类构件的主要加工方式，但是材料利用率低，复杂内腔加工困难，后续机加工切断了金属流线，使得构件的流线外露，降低了构件的力学性能和抗腐蚀性能，不能满足应用需求。
中国专利申请CN 1056830A公开了一种通过对管坯充液，利用液压胀形制造三通管的方法，具体是将管坯置入型模内，经合模、锁模、两端模封管、充液、两端模相对运动、放液、两端模回程、主缸回程、顶出缸顶出等步骤，完成整个工艺过程。首先该方法成形三通管是在室温下、通过对管坯充液、利用液体压力使材料发生塑性变形，材料变形抗力比较大，而且由于液体产生的压力有限，所成形三通管的壁厚受限，对于一些相对壁厚(管坯壁厚/管坯外径)较大的管坯该方法无法实现成形；其次该方法所成形三通管的支管是由主管壁厚减薄、材料发生塑性变形向模具支管型腔流动形成的，而材料在室温下的塑性变形能力和主管壁厚减薄有限，这使得所成形三通管的支管壁厚均匀性难控制且高度有限(管坯壁厚易于发生减薄过度而破裂)。中国专利申请CN 101596559A公开了一种三通管的分步模锻工艺，具体是将加热好的棒料放置在成形三通管的锻模内，先锻造出三通管的主管，再锻造出支管，最终形成三通管。采用该方法在第一步锻造成形三通管主管时，在成形后期由于金属剧烈向支管型腔流动，导致金属逐渐脱离成形主管的模具表面，形成空腔；而在第二步锻造成形支管时，坯料受到侧向模具的作用出现反挤压变形模式，部分材料在压应力作用下沿主管的方向流动，从而在空腔处易出现折叠缺陷；同时，在第一步锻造成形主管时，部分材料向支管型腔剧烈流动，从而导致成形主管的模具产生垂直于主管轴线方向的偏载力，降低模具的寿命，甚至在偏载严重时模具发生断裂，以及降低所成形的三通管的主管的同轴度。清华大学采用与专利CN 101596559A相同的工艺方案，对成形过程进行有限元模拟分析(胡忠，王一本等.三通挤压工艺过程的二维弹塑性有限元模拟.塑性工程学报，3(2)(1996)33-40)，研究发现该工艺方案易出现空腔、折叠、水平冲头弯曲等质量问题。
发明内容
为了克服以上现有技术无法满足整体高性能要求、材料利用率低等不足以及避免空腔、折叠等缺陷的产生，本发明提出了一种整体成形铝合金等径三通件的方法。
本发明包括以下步骤：
步骤1，预热坯料及模具：将制备好的坯料加热至430～470℃，将模具预热至350℃～400℃。
步骤2，放置坯料：将加热好的坯料放置到下凹模的主管型腔内，并且使坯料长度方向的中心线与下凹模的支管型腔的轴线重合。
步骤3，放置凸模：将2个水平凸模分别置于下凹模的主管型腔内，并位于坯料的两侧，水平凸模工作段的端面距坯料端面1mm；侧凸模置于下凹模的支管型腔内，并使侧凸模工作段的端面距坯料的轴线之间的距离与拟成形三通件的支管高度L相同。
步骤4，凹模合模：上凹模在多向模锻液压机主滑块的带动下与下凹模合模。
步骤5，加载成形：通过多向模锻液压机加载成形；加载成形中，首先使水平凸模同时相向同速运动，运动距离为(H-h+1)mm，其中，H是成形三通件的主管深度，h是成形三通件的支管深度且0.5H≤h≤H；当运动距离为(H-h+1)mm时，侧凸模开始运动。三个凸模同时运动，运动距离为h，完成三向主动加载过程。侧凸模的运动速度与水平凸模相同。凸模运动速度为(5～15)mm/s。
步骤6，脱模：成形结束后，卸载并退模；侧凸模先退出，再将2个水平凸模同时退出；得到三通件。
步骤7，冷却与热处理：将所成形的三通件空冷至15～25℃，并进行固溶及时效热处理。
本发明采用多向主动加载成形技术，其加载成形过程为水平凸模先运动，侧凸模稍后运动，三个凸模一起运动至最终成形位置。通过侧凸模提前运动以抑制金属剧烈流向支管型腔的办法，消除现有技术中的缺陷，实现了铝合金等径三通件的整体一次成形，简化了工艺流程；由于减少了焊接和机加工过程，避免了焊缝腐蚀、切断流线等缺陷，提高了构件的可靠性，同时提高了材料利用率；通过协调不同方向模具的加载顺序，主动控制成形过程中的金属流动，避免了空腔、折叠等缺陷。
附图说明
图1为上凹模的结构示意图；
图2为下凹模的结构示意图；
图3为下凹模与凸模配合的示意图；
图4为等径三通件的结构示意图；
图5为等径三通件整体成形流程图；
图6为三通件成形过程示意图。
1.上凹模 2.下凹模 3.主管型腔 4.支管型腔 5.水平凸模
6.坯料 7.侧凸模 8.支管 9.主管
具体实施方式
本发明所提出的实施例是一种整体成形铝合金等径三通件的方法。各实施例均采用三通模具实施整体成形铝合金等径三通件。
所述的三通模具由上凹模1、下凹模2、侧凸模7和水平凸模5组成。根据三通件结构的对称性，三通模具中的凹模采用水平分模形式，分别为上凹模1和下凹模2。上凹模1和下凹模2的型腔均为三通件形。在下凹模2的型腔中，用于成形三通件主管9的型腔为主管型腔3，用于成形三通件支管8的型腔为支管型腔4。凹模型腔的直径与所成形三通件的外径相等。凸模由侧凸模7和两个水平凸模5组成。侧凸模7和水平凸模5均为带法兰凸模，即凸模由工作段和法兰组成。工作时，水平凸模5在凹模的主管型腔内沿主管型腔轴线方向运动成形主管9，该水平凸模5工作段的长度与主管9的深度相等，工作段的直径与主管9的内径相等；侧凸模7在凹模的支管型腔内沿支管型腔轴线方向运动成形支管8，该侧凸模7工作段的长度与支管8的深度相等，工作段的直径与支管8的内径相等。
实施例一
本实施例采用三通模具整体成形铝合金等径三通件，所成形的三通件包括支管8和主管9。如附图1所示，L是支管高度，H是主管深度，h是支管深度，且0.5H＜h＜H，D1是主管内径，D2是主管外径，该三通件的支管与主管的内、外径均对应相等。本实施例中，h＝48mm，H＝66mm，L＝70mm，D1＝32mm，D2＝66mm。
本实施例在在40MN多向模锻液压机上成形上述三通件，其具体步骤为：
步骤一：准备坯料。本实施例所选用材料为7075铝合金挤压棒料，首先将棒料车削至直径小于三通件主管外径1mm，即φ65mm，然后根据塑性成形过程中“体积不变”的原则确定出坯料的长度尺寸为140mm，将棒料加工成φ65mm×140mm的圆柱形坯料，缺陷局部打磨；坯料在箱式电阻炉内以2℃/s的速度加热至430℃～470℃并保温30min，模具预热至350～400℃并保温1h。
步骤二：放置坯料。将加热好的坯料6放置到下凹模2的主管型腔3内，并且使坯料6长度方向的中心线与下凹模2的支管型腔4的轴线重合。
步骤三：放置凸模。通过多向模锻液压机将2个水平凸模5分别置于下凹模2的主管型腔内，并位于坯料6的两侧，水平凸模5工作段的端面距坯料6端面1mm；侧凸模7置于下凹模2的支管型腔内，并使侧凸模7的工作段的端面距坯料6的轴线之间的距离与拟成形三通件的支管高度L相同，本实施例中，凸模7工作段的端面与坯料6轴线的距离为70mm。
步骤四：凹模合模。上凹模1在多向模锻液压机主滑块的带动下与下凹模2合模。合模过程中水平凸模5和侧凸模7的位置无偏移。
步骤五：加载成形。通过多向模锻液压机加载成形；加载成形中，首先使两个水平凸模5同时相向同速运动，运动距离为(H-h+1)mm，本实施例中，两个水平凸模5的运动距离为19mm；当运动距离为19mm时，侧凸模7开始运动；三个凸模同时运动，运动距离为h，此实施例中为48mm；完成三向主动加载过程；侧凸模7的运动速度与水平凸模5相同，均为5mm/s；最大成形力约为1500KN。
步骤六：脱模。成形结束后，卸载并退模；侧凸模7先退出，再将2个水平凸模5同时退出；得到三通件。
步骤七：冷却与热处理。将所成形的三通件空冷至15～25℃后热处理，热处理制度为固溶处理+时效，固溶处理制度为：470℃×50min，水淬；时效制度为：120℃×24h+203℃×10min+120℃×24h，空冷。
实施例二
本实施例采用三通模具整体成形铝合金等径三通件，所成形的三通件包括支管8和主管9。如附图1所示，L是支管高度，H是主管深度，h是支管深度，且0.5H＜h＜H，D1是主管内径，D2是主管外径，该三通件的支管与主管的内、外径均对应相等。本实施例中，h＝70mm，H＝96mm，L＝103mm，D1＝30mm，D2＝60mm。
本实施例在在40MN多向模锻液压机上成形上述三通件，其具体步骤为：
步骤一：准备坯料。本实施例所选用材料为7075铝合金挤压棒料，首先将棒料车削至直径小于三通件主管外径(0.5～1)mm，即φ59mm，然后根据塑性成形过程中“体积不变”的原则确定出坯料的长度尺寸为200mm，将棒料加工成φ59mm×200mm的圆柱形坯料，缺陷局部打磨；坯料在箱式电阻炉内以2℃/s的速度加热至430℃～470℃并保温30min，模具预热至350～400℃并保温1h。
步骤二：放置坯料。将加热好的棒料5放置到下凹模2的主管型腔3内，并且使坯料6长度方向的中心线与下凹模2的支管型腔4的轴线重合。
步骤三：放置凸模。通过多向模锻液压机将2个水平凸模5分别置于下凹模2的主管型腔内，并位于坯料6的两侧，水平凸模5工作段的端面距坯料6端面1mm；侧凸模7置于下凹模2的支管型腔内，并使侧凸模7工作段的端面距坯料6的轴线之间的距离与拟成形三通件的支管高度L相同，本实施例中，侧凸模7工作段的端面距坯料6轴线的距离为103mm。
步骤四：凹模合模。上凹模1在多向模锻液压机主滑块的带动下与下凹模2合模；合模过程中水平凸模5和侧凸模7的位置无偏移。
步骤五：加载成形。通过多向模锻液压机加载成形；加载成形中，首先使两个水平凸模5同时相向同速运动，运动距离为(H-h+1)mm，本实施例中，两个水平凸模5的运动距离为27mm；当运动距离为27mm时，侧凸模7开始运动；三个凸模同时运动，运动距离为h，此实施例中为70mm；完成三向主动加载过程；侧凸模7的运动速度与水平凸模5相同，均为15mm/s；最大成形力约为2500KN。
步骤六：脱模。成形结束后，卸载并退模；侧凸模7先退出，再将2个水平凸模5同时退出；得到三通件。
步骤七：冷却与热处理。将所成形的三通件空冷至15～25℃后热处理，热处理制度为固溶处理+时效，固溶处理制度为：470℃×50min，水淬；时效制度为：120℃×24h+203℃×10min+120℃×24h，空冷。
实施例三
本实施例采用三通模具整体成形铝合金等径三通件，所成形的三通件包括支管8和主管9。如附图1所示，L是支管高度，H是主管深度，h是支管深度，且0.5H＜h＜H，D1是主管内径，D2是主管外径，该三通件的支管与主管的内、外径均对应相等。本实施例中，h＝55mm，H＝75mm，L＝80mm，D1＝35mm，D2＝65mm。
本实施例在在40MN多向模锻液压机上成形上述三通件，其具体步骤为：
步骤一：准备坯料。本实施例所选用材料为7075铝合金挤压棒料，首先将棒料车削至直径小于三通件主管外径(0.5～1)mm，即φ64mm，然后根据塑性成形过程中“体积不变”的原则确定出坯料的长度尺寸为160mm，将棒料加工成φ64mm×160mm的圆柱形坯料，缺陷局部打磨；坯料在箱式电阻炉内以2℃/s的速度加热至430℃～470℃并保温30min，模具预热至350～400℃并保温1h。
步骤二：放置坯料。将加热好的棒料5放置到下凹模2的主管型腔3内，并且使坯料6长度方向的中心线与下凹模2的支管型腔4的轴线重合。
步骤三：放置凸模。通过多向模锻液压机将2个水平凸模5分别置于下凹模2的主管型腔内，并位于坯料6的两侧，水平凸模5工作段的端面距坯料6端面1mm；侧凸模7置于下凹模2的支管型腔内，并使侧凸模7工作段的端面距坯料6的轴线之间的距离与拟成形三通件的支管高度L相同，本实施例中，侧凸模7工作段的端面距坯料6轴线的距离为80mm。
步骤四：凹模合模。上凹模1在多向模锻液压机主滑块的带动下与下凹模2合模；合模过程中水平凸模5和侧凸模7的位置无偏移。
步骤五：加载成形。通过多向模锻液压机加载成形；加载成形中，首先使两个水平凸模5同时相向同速运动，运动距离为(H-h+1)mm，本实施例中，两个水平凸模5的运动距离为21mm；当运动距离为21mm时，侧凸模7开始运动；三个凸模同时运动，运动距离为h，此实施例中为55mm；完成三向主动加载过程；侧凸模7的运动速度与水平凸模5相同，均为10mm/s；最大成形力约为2000KN。
步骤六：脱模。成形结束后，卸载并退模；侧凸模7先退出，再将2个水平凸模5同时退出；得到三通件。
步骤七：冷却与热处理。将所成形的三通件空冷至15～25℃后热处理，热处理制度为固溶处理+时效，固溶处理制度为：470℃×50min，水淬；时效制度为：120℃×24h+203℃×10min+120℃×24h，空冷。
Claims (1)
1.一种整体成形铝合金等径三通件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，预热坯料及模具：将制备好的坯料加热至430～470℃，将模具预热至350℃～400℃；
步骤2，放置坯料：将加热好的坯料放置到下凹模的主管型腔内，并且使坯料长度方向的中心线与下凹模的支管型腔的轴线重合；
步骤3，放置凸模：将2个水平凸模分别置于下凹模的主管型腔内，并位于坯料的两侧，水平凸模工作段的端面距坯料端面1mm；侧凸模置于下凹模的支管型腔内，并使侧凸模工作段的端面距坯料的轴线之间的距离与拟成形三通件的支管高度L相同；
步骤4，凹模合模：上凹模在多向模锻液压机主滑块的带动下与下凹模合模；
步骤5，加载成形：通过多向模锻液压机加载成形；加载成形中，首先使水平凸模同时相向同速运动，运动距离为(H-h+1)mm，其中，H是成形三通件主管的深度，h是成形三通件支管的深度且0.5H≤h≤H；当运动距离为(H-h+1)mm时，侧凸模开始运动；三个凸模同时运动，运动距离为h，完成三向主动加载过程；侧凸模的运动速度与水平凸模相同；凸模运动速度为(5～15)mm/s；
步骤6，脱模：成形结束后，卸载并退模；侧凸模先退出，再将2个水平凸模同时退出；得到三通件；
步骤7，冷却与热处理：将所成形的三通件空冷至15～25℃，并进行固溶处理及时效热处理。
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