CN114798886B - 一种铝合金局部大变形蒙皮的成形方法及模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝合金局部大变形蒙皮成形方法及模具，属于金属塑性加工技术领域，解决了现有技术中难以制造复杂异形铝合金局部大变形蒙皮的问题和/或现有制造的铝合金局部大变形蒙皮型面精度低、整体性差等问题。一种铝合金局部大变形蒙皮成形方法，通过将铝合金板局部区域进行搅拌摩擦处理形成搅拌摩擦处理部位，在流体压力作用下进行搅拌摩擦处理部位的局部变形，制造复杂异形铝合金局部大变形蒙皮，制造的铝合金局部大变形蒙皮精度高、整体性好，可以提高铝合金局部变形能力。

Description

一种铝合金局部大变形蒙皮的成形方法及模具

技术领域

本发明属于金属塑性加工技术领域，涉及一种铝合金局部大变形蒙皮的成形方法及模具，它适用铝合金局部大变形蒙皮制造。

背景技术

铝合金以铝为基体添加一定量其他合金化元素的合金，除具有铝的一般特性外，由于添加合金化元素的种类和数量的不同又具有一些合金的具体特性。铝合金的密度为2.7g/cm³，有较高的强度，比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用，在航天、航空、交通运输等领域中有着广泛的应用。铝合金常温塑性不高，一般不超过20％，高温超塑性一般不超过200％，与钛合金超塑成形相比，铝合金超塑成形能力较差，导致难以制造复杂异形铝合金局部大变形蒙皮。

目前，复杂异形铝合金局部大变形蒙皮主要是指非圆弧和平面、不规则曲面，底部最小圆角一般在3倍板材厚度以上的铝合金局部大变形蒙皮。目前其制备方法整体采用细晶铝合金板材，但是该方法工艺成本高，细晶效果不佳；冷成形工艺制造的蒙皮型面精度较低，需要人工校形，导致工艺流程较长；直接超塑气胀成形工艺则会导致产品局部减薄严重。

发明内容

基于上述分析，本发明旨在提供一种铝合金局部大变形蒙皮的成形方法及模具，以解决现有技术难以制造复杂异形铝合金局部大变形蒙皮的问题和/或现有制造的铝合金局部大变形蒙皮型面精度低、整体性差等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种铝合金局部大变形蒙皮成形方法，包括如下步骤：

步骤1：将铝合金板局部区域进行搅拌摩擦处理形成搅拌摩擦处理部位；

步骤2：在流体压力作用下进行搅拌摩擦处理部位的局部变形。

进一步地，上述步骤1中，搅拌摩擦处理的搅拌头旋转速度n为200rad/min～1000rad/min，搅拌摩擦处理速度v为50mm/min～200mm/min。

进一步地，搅拌摩擦处理速度v、搅拌头旋转速度n与铝合金板厚度t，存在关系：

v＝α×n/t；

其中，t单位为mm，n单位为rad/min，v单位为mm/min，α单位为mm²/rad，1＜α＜10。

进一步地，在流体压力作用下进行搅拌摩擦处理部位的局部变形，包括如下步骤：

步骤21：将流体成形上模具和流体成形下模具加热到设定温度；

步骤22：将铝合金板置于流体成形上模具和流体成形下模具之间，并施加压力F将铝合金板压紧；

步骤23：通过流体成形上模具上的流体进口，通入流体，并保持一定的流体压力P和时间；

步骤24：将铝合金板从流体成形上模具和流体成形下模具之间取出，切除工艺余量，清理表面污物，得到铝合金局部大变形蒙皮。

进一步地，步骤21中，所述设定温度T，当流体为液体时，10℃≤T≤40℃，当流体为气体时，350℃≤T≤550℃。

进一步地，步骤21中，流体成形上模具上留有上模具腔体，上模具腔体侧面留有与上模具腔体连通的流体进口，流体成形下模具上留有下模具腔体；流体成形下模具具有顶部圆角r和底部圆角R；所述下模具腔体为凹槽。

进一步地，步骤22中，施加压力F、下模具腔体的凹槽宽a、流体压力P，存在关系：F≥a²×P；其中F单位为N，a单位为mm，P单位为MPa。

进一步地，步骤23中，通过上模具腔体侧面与其连通的流体进口，通入流体，当所述流体为液体时，流体为水或油；当所述流体为气体时，流体为氮气或氩气。

进一步地，步骤23中，流体压力P，流体压力P、铝合金板厚度t和屈服强度R_p，流体成形下模具5的底部圆角R，存在关系：P≥R_p×t/R；其中，P单位为MPa，R_p单位为MPa，t单位为mm，R单位为mm。

本发明还提供了一种铝合金局部大变形蒙皮成形模具，用于实现上述成形方法，包括流体成形上模具和流体成形下模具。所述流体成形上模具上留有上模具腔体，所述上模具腔体侧面留有与上模具腔体连通的流体进口，所述流体成形下模具上留有下模具腔体；所述流体成形下模具的顶部圆角r和底部圆角R，存在关系R≥0.5×t，r≥2×t，其中，t为铝合金板厚度；所述下模具腔体的凹槽宽为a，凹槽深为b，满足：a≥b；所述上模具腔体为方形，长度c，宽度d，所述流体进口宽度e，满足：c＞a，d＞e。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明提供的一种铝合金局部大变形蒙皮的成形方法中，对铝合金局部进行的搅拌摩擦处理，大幅减低处理成本，并结合流体成形，制造的铝合金局部大变形蒙皮精度高、整体性好，可以提高铝合金局部变形能力。

(2)与常规成形工艺相比，本发明可以制造非圆弧和平面、不规则曲面，底部最小圆角一般在3倍板材厚度以上的形状更复杂、变形量更大的铝合金薄壁蒙皮。

(3)与整体采用细晶铝合金板材相比，本发明仅针对铝合金局部进行搅拌摩擦处理，产品成本可由2000元/公斤，降低到1000元/公斤，晶粒尺寸可由几十微米减小到几微米，成本更低、细晶效果更好。

(4)与冷成形工艺相比，本发明制造的铝合金局部大变形蒙皮的型面精度更高，由±1mm提升至±0.3mm、不需要通过人工校形，工艺流程更短。

(5)与直接超塑气胀成形相比，本发明铝合金局部大变形蒙皮的壁厚均匀性可由±20％提升至±10％，壁厚均匀性更好，重量可减少10％，减重效果更明显。

(6)由于是局部搅拌摩擦处理，可以根据使用需求，制造梯度性能的铝合金蒙皮，搅拌摩擦处理部位性能比未经搅拌摩擦处理部位高温延伸可提高1倍以上。

附图说明

图1为铝合金板局部搅拌摩擦处理形成搅拌摩擦处理部位示意图；

图2为铝合金局部大变形蒙皮搅拌摩擦处理/流体成形模具示意图；

图3为铝合金局部大变形蒙皮搅拌摩擦处理/流体成形过程示意图；

图4为铝合金局部大变形蒙皮示意图；

图5为铝合金局部大变形蒙皮搅拌摩擦处理/流体成形过程流程图；

附图标记：1-铝合金板，2-搅拌摩擦处理部位，3-流体成形上模具，4-流体进口，5-流体成形下模具，6-流体成形上模具腔体，7-流体成形下模具腔体，t-铝合金板厚度，r-流体成形下模具顶部圆角，R-流体成形下模具底部圆角，a-下模具腔体凹槽宽，b-下模具腔体凹槽深，c-上模具腔体长度，d-上模具腔体宽度，e-流体进口宽度。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

铝合金常温塑性不高，一般不超过20％，高温超塑性一般不超过200％，与钛合金超塑成形相比，铝合金超塑成形能力较差，导致难以制造复杂异形铝合金局部大变形蒙皮。目前，复杂异形铝合金局部大变形蒙皮主要是指非圆弧和平面、不规则曲面，底部最小圆角一般在3倍板材厚度以上的铝合金局部大变形蒙皮。目前其制备方法整体采用细晶铝合金板材，但是该方法工艺成本高，细晶效果不佳；冷成形工艺制造的蒙皮型面精度较低，需要人工校形，导致工艺流程较长；直接超塑气胀成形工艺则会导致产品局部减薄严重。

本发明提供了一种铝合金局部大变形蒙皮成形方法，通过将铝合金板局部区域进行搅拌摩擦处理形成搅拌摩擦处理部位，在流体压力作用下进行搅拌摩擦处理部位的局部变形，制造复杂异形铝合金局部大变形蒙皮；制造的铝合金局部大变形蒙皮精度高、整体性好，可以提高铝合金局部变形能力。

与现有技术相比，本发明通过将铝合金板局部区域进行搅拌摩擦处理形成搅拌摩擦处理部位，可以细化晶粒，提高蒙皮的高温延伸率，大幅降低成本，并在流体压力作用下进行搅拌摩擦处理部位的局部变形，制造的铝合金局部大变形蒙皮精度高、整体性好，可以提高铝合金局部变形能力。

本发明提供了一种铝合金局部大变形蒙皮的成形方法，包括以下步骤：

步骤1：将铝合金板局部区域进行搅拌摩擦处理形成搅拌摩擦处理部位；

步骤2：在流体压力作用下进行搅拌摩擦处理部位的局部变形。

具体的，上述步骤1中，局部区域的尺寸与铝合金板整体尺寸之间的比例关系由成形区域的大小决定，成形区域大小根据实际制备需求确定，通过搅拌摩擦处理，可以细化晶粒，提高蒙皮的高温延伸率。搅拌摩擦处理部位的长度等于下模具腔体7的凹槽宽a。

其中搅拌摩擦处理速度v、搅拌头旋转速度n与铝合金板1厚度t，存在关系：

v＝α×n/t

其中，α为常规参数，满足1＜α＜10；

t单位为mm，n单位为rad/min，v单位为mm/min，α单位为mm2/rad；

满足此关系，可以提高铝合金板局部区域在搅拌摩擦处理过程中晶粒细化程度，有利于提高蒙皮的高温延伸率。上述步骤1中，搅拌摩擦处理的搅拌头旋转速度n为200rad/min～1000rad/min，搅拌摩擦处理速度v为50mm/min～200mm/min。示例性的，如搅拌摩擦处理的搅拌头旋转速度n为300rad/min，400r/min，500rad/min，600rad/min，700rad/min，800rad/min，900rad/min；处理速度v为80mm/min，100mm/min，150mm/min，180mm/min。

具体的，上述步骤2中，通过流体压力作用进行搅拌摩擦处理部位的局部变形，流体成形过程包括：

步骤21：将流体成形上模具和流体成形下模具加热到设定温度；

步骤22：将铝合金板置于流体成形上模具和流体成形下模具之间，并施加压力F将铝合金板压紧；

步骤23：通过流体成形上模具上的流体进口，通入流体，并保持一定的流体压力P和时间；

步骤24：将铝合金板从流体成形上模具和流体成形下模具之间取出，切除工艺余量，清理表面污物，得到铝合金局部大变形蒙皮。

具体的，上述步骤21中，设定温度由铝合金板材料本身的成形特性决定，在满足材料成形所需的温度范围内，尽可能选择材料延伸率高对应的温度。当流体为液体时，10℃≤T≤40℃，示例性的，如20℃，25℃，30℃，35℃。当流体为气体时，350℃≤T≤550℃，示例性的，如400℃，450℃，500℃。

具体的，上述步骤21中，流体成形上模具3上留有上模具腔体6，所述上模具腔体6侧面留有与上模具腔体连通的流体进口4，流体成形下模具5上留有下模具腔体7；流体成形下模具5具有顶部圆角r和底部圆角R；下模具腔体7为凹槽。

具体的，上述步骤22中，施加压力F、下模具腔体的凹槽宽a、流体压力P，存在关系：F≥a²×P；其中F单位为N，a单位为mm，P单位为MPa，流体成形上模具3起到压紧作用，流体成形下模具5起到成形型面作用，压紧部位的间隙等于铝合金板1的材料厚度，保证零件的成形精度。通过液压机施压于流体成形上模具3之上，将铝合金板压紧。

具体的，上述步骤23中，流体可以是液体也可以是气体，液体通常选择水或油，气体通常选择氮气或氩气。流体加压过程中，升压速率一般不大于0.1MPa/min，同时满足：P≥R_p×t/R，以此保证成形过程中，在流体压力的作用下，零件可以完全贴模。其中，P为流体压力，单位为MPa；R_p为屈服强度，单位为MPa；t为铝合金板厚度，单位为mm。

具体的，上述步骤24中，通过激光切割切除工艺余量，大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。通过先碱洗再酸洗的方式，去除铝合金局部大变形蒙皮表面的油污、金属离子和自然氧化物等表面脏物，使铝合金局部大变形蒙皮获得干净、色泽均匀的表面。

本发明还提供了一种铝合金局部大变形蒙皮成形模具，用于实现上述成形方法，包括流体成形上模具和流体成形下模具。

流体成形上模具和流体成形下模具结构如附图2所示。流体成形上模具3留有上模具腔体6，上模具腔体6侧面留有与上模具腔体6连通的流体进口4，流体成形下模具5留有下模具腔体7。下模具腔体7为凹槽。

具体的，铝合金板厚度t，流体成形下模具5的顶部圆角r和底部圆角R，存在关系R≥0.5×t，r≥2×t，下模具腔体7的凹槽宽a和凹槽深b，存在关系a≥b。上模具腔体6为方形，长度c，宽度d，流体进口4宽度e，存在c＞a，d＞e。满足这样的关系，可以保证成形过程中，成功成形零件而不会在过程中发生破裂。

本发明可以提高铝合金局部变形能力，可以制造出常规工艺无法制造的铝合金复杂大变形蒙皮，且针对铝合金局部进行的搅拌摩擦处理，大幅减低处理成本，并结合流体成形，制造的铝合金局部大变形蒙皮精度高、整体性好。

实施例1

本实施方式的铝合金局部大变形蒙皮成形方法，按如下工艺步骤进行：

步骤1：将铝合金板1局部区域进行搅拌摩擦处理形成搅拌摩擦处理部位2；搅拌摩擦处理的搅拌头旋转速度n为300rad/min，处理速度v为180mm/min。搅拌摩擦处理速度v、搅拌头旋转速度n与铝合金板1厚度t，存在关系v＝α×n/t，α＝1.2，满足1＜α＜10，t单位为mm，n单位为rad/min，v单位为mm/min，α单位为mm²/rad，如图1所示。

步骤2：在流体压力作用下进行搅拌摩擦处理部位的局部变形。

步骤21：流体成形上模具3和流体成形下模具5加热到设定温度，流体为氩气，设定温度T＝450℃。

步骤22：将铝合金板1置于流体成形上模具3和流体成形下模具5之间，并通过液压机施加压力将铝合金板1压紧；施加压力F、流体成形下模具5的凹槽宽a、步骤23中流体压力P＝10MPa，取F＝5000N，满足关系F＝5000≥a²×P＝20²×10＝4000，F单位为N，a单位为mm，P单位为MPa，如图2所示。

步骤23：通过上模具腔体6侧面与其连通的流体进口4，通入流体氩气，并保持一定的流体压力和时间；流体压力P＝10MPa、铝合金板1厚度t＝2mm和屈服强度R_p＝8MPa，流体成形下模具5的底部圆角R＝2mm，存在关系P＝10MPa≥R_p×t/R＝8×2/3＝8MPa，P单位为MPa，R_p单位为MPa，t单位为mm，R单位为mm，如图3所示。

步骤24：将铝合金板1从流体成形上模具3和流体成形下模具5之间取出，通过激光切割切除工艺余量，先碱洗再酸洗清理表面污物，得到铝合金局部大变形蒙皮。

上述成形方法所用的模具包括：流体成形上模具3、流体成形下模具5。流体成形上模具3留有上模具腔体6，上模具腔体6侧面留有与上模具腔体6连通的流体进口4，流体成形下模具5留有下模具腔体7。下模具腔体7为凹槽。选用铝合金板1，在铝合金板1局部区域进行搅拌摩擦处理形成搅拌摩擦处理部位2，铝合金板1通过液压机施压，被夹紧在流体成形上模具3和流体成形下模具5之间，上模具腔体6侧面留有与其连通的流体进口4。选择铝合金板1厚度t＝2mm，流体成形下模具5的顶部圆角r＝4mm和底部圆角R＝2mm，满足关系R≥0.5×t，r≥2×t。下模具腔体7的凹槽宽a＝20mm和凹槽深b＝20mm，满足关系a≥b。流体进口4宽度e＝6mm，上模具腔体6的长度c＝25mm，宽度d＝10mm，满足关系c＞a，d＞e。保证了零件成形过程中不易发生破裂。

采用此方法制备的铝合金局部大变形蒙皮型面精度为±0.3mm，最小外圆角可以小于铝合金板壁厚，壁厚均匀性控制在±10％以内，表面粗糙度Ra3.2，与现有工艺制备的铝合金蒙皮相比，结构重量减轻10％以上，加工周期缩短30％，实施例1具体性能指标详见下表。

实施例2

本实施例中，在步骤1中，选取搅拌摩擦处理的搅拌头旋转速度为330r/min，处理速度为180mm/min，其他加工条件与实施例1相同。

采用该实施例制备的铝合金局部大变形蒙皮相比于现有技术，可进一步提高铝合金局部大变形蒙皮壁厚均匀性至±8％，可使结构重量减轻12％以上，对航天产品来说至关重要。

实施例3

本实施例中，在步骤21中，选取预设温度为500℃，其他加工条件与实施例1相同。

采用该实施例制备的铝合金局部大变形蒙皮，可以进一步提高铝合金局部大变形蒙皮壁厚均匀性，与实施例1相比，壁厚均匀性提高±5％。型面精度为±0.2mm，相较于现有技术可使结构重量减轻10％以上，对航天产品来说至关重要。

实施例4

本实施例中，在步骤23中，通过上模具腔体6侧面与其连通的流体进口4，通入氩气，并保持一定的流体压力P，流体压力P＝12MPa、铝合金板1厚度t＝2mm和屈服强度R_p＝8MPa，流体成形下模具5的底部圆角R＝2mm，存在关系P＝12MPa≥R_p×t/R＝8×2/3＝8MPa，P单位为MPa，R_p单位为MPa，t单位为mm，R单位为mm。其他加工条件与实施例1相同。

采用该实施例制备的铝合金局部大变形蒙皮，与实施例1相比，可以进一步提高铝合金局部大变形蒙皮型面精度至±0.2mm，对航天产品来说至关重要。

实施例5

本实施例中，在步骤22中，将铝合金板1置于流体成形上模具3和流体成形下模具5之间，并通过液压机施加压力将铝合金板1压紧；施加压力F、流体成形下模具5的凹槽宽a、步骤23中流体压力P＝10MPa，取F＝6000N，满足关系F＝6000≥a²×P＝20²×10＝4000，F单位为N，a单位为mm，P单位为MPa。其他加工条件与实施例1相同。

采用该实施例制备的铝合金局部大变形蒙皮，与实施例1相比，可以进一步提高铝合金局部大变形蒙皮型面精度至±0.28mm。

实施例6

本实施例中，在步骤21中：流体成形上模具3和流体成形下模具5加热到设定温度，流体为液压油，设定温度T＝40℃。其他加工条件和实施例1相同。

采用该实施例制备的铝合金局部大变形蒙皮，可以进一步提高铝合金局部大变形蒙皮壁厚均匀性，与实施例1相比，壁厚均匀性提高±8％。

对比例1

选择成形模具，铝合金板1厚度t＝2mm，流体成形下模具5的顶部圆角r＝3mm和底部圆角R＝0.5mm，不满足关系R≥0.5×t，r≥2×t。下模具腔体7的凹槽宽a＝20mm和凹槽深b＝25mm，不满足关系a≥b。制备方法和实施例1相同。上模具腔体6的宽度c＝15mm，不满足c＞a。

采用该对比例制备的铝合金局部大变形蒙皮，与实施例1相比，型面精度为±0.35mm，壁厚均匀性控制在±15％以内，明显弱于实施例1。

对比例与实施例铝合金局部大变形蒙皮性能列表

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种铝合金局部大变形蒙皮成形方法，其特征在于，所述成形方法包括如下步骤：

步骤1：将铝合金板局部区域进行搅拌摩擦处理形成搅拌摩擦处理部位；

步骤2：在流体压力作用下进行搅拌摩擦处理部位的局部变形；

步骤1中，所述搅拌摩擦处理的搅拌摩擦处理速度v、搅拌头旋转速度n与铝合金板厚度t，存在关系：

v=α×n/t；

其中，t单位为mm，n单位为rad/min，v单位为mm/min，α单位为mm²/rad，1＜α＜10；

所述步骤2包括：

步骤21：将流体成形上模具和流体成形下模具加热到设定温度；

步骤22：将铝合金板置于流体成形上模具和流体成形下模具之间，并施加压力F将铝合金板压紧；

步骤23：通过流体成形上模具上的流体进口，通入流体，并保持一定的流体压力P和时间；

步骤24：将铝合金板从流体成形上模具和流体成形下模具之间取出，切除工艺余量，清理表面污物，得到铝合金局部大变形蒙皮；

所述步骤21中，流体成形上模具上留有上模具腔体，所述上模具腔体侧面留有与上模具腔体连通的流体进口，所述流体成形下模具上留有下模具腔体；所述流体成形下模具具有顶部圆角r和底部圆角R；所述下模具腔体为凹槽；

所述步骤22和步骤23中，施加压力F、流体成形下模具腔体的凹槽宽a、流体压力P，存在关系：F≥a²×P；

其中F单位为N，a单位为mm，P单位为MPa。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金局部大变形蒙皮成形方法，其特征在于：所述步骤1中，搅拌摩擦处理的搅拌头旋转速度n为200rad/min~1000rad/min，搅拌摩擦处理速度v为50mm/min~200mm/min。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金局部大变形蒙皮成形方法，其特征在于：所述步骤21中，所述设定温度T，当流体为液体时，10℃≤T≤40℃，当流体为气体时，350℃≤T≤550℃。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金局部大变形蒙皮成形方法，其特征在于：通过所述上模具腔体侧面与上模具腔体连通的所述流体进口，通入流体，当所述流体为液体时，流体为水或油；当所述流体为气体时，流体为氮气或氩气。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金局部大变形蒙皮成形方法，其特征在于：所述步骤23中，流体压力P，铝合金板厚度t和屈服强度R_p，流体成形下模具的底部圆角R，存在关系：

P≥R_p×t/R；

其中，P单位为MPa，R_p单位为MPa，t单位为mm，R单位为mm。

6.一种铝合金局部大变形蒙皮成形模具，用于实现权利要求1-5任一项所述的成形方法，其特征在于，所述成形模具包括：流体成形上模具、流体成形下模具，所述流体成形上模具上留有上模具腔体，所述上模具腔体侧面留有与上模具腔体连通的流体进口，所述流体成形下模具上留有下模具腔体；

所述流体成形下模具的顶部圆角r和底部圆角R，存在关系R≥0.5×t，r≥2×t，其中，t为铝合金板厚度；

所述下模具腔体的凹槽宽为a，凹槽深为b，满足：a≥b；

所述上模具腔体为方形，长度c，宽度d，所述流体进口宽度e，满足：c＞a，d＞e。