CN211707829U - 铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形装置 - Google Patents

Abstract

铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形装置。本实用新型涉及金属加工技术领域。提出了一种结构精巧、加工效果好、冷却效率高、加工周期短且产品品质高、废品率低的可热处理铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形工艺及装置。所述同步快冷的成形装置包括上模、下模、导柱和冷却组件；所述冷却组件包括冷却液存储罐和冷却管。本实用新型的有益效果为：实现对成形件冷却速度较为精确的控制；保证了坯料的成形质量及其使用性能；保障了冷却过程的安全可靠；保证在成形过程中不会因为孔的变形挤压而影响成形件的成形质量；冷却速度快，生产效率高，且该装置可以根据不同的需求，改变不同的冷却速度和冷却液，进行多样化生产。

Description

铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形装置

技术领域

本实用新型涉及金属加工技术领域，尤其涉及铝合金高筋整体壁板的加工设备及工艺的改进。

背景技术

在航空航天领域中，飞行器的质量越小，就意味着发射费用和飞行费用越低，滑跑距离越小，航程越大，有效载荷越大。因此，发展高强度轻质合金进行减重是国内外航空航天长期密切关注的热点。铝合金因其密度低，质量轻，且具有高比强度、刚度和良好的耐腐蚀性能而被广泛运用于航空航天领域。

铝合金高筋整体壁板是一种壁板蒙皮与加强筋的组合结构，具有轻质、高强、密封性好等结构优点，在现代飞机、运载火箭、空间飞行器等结构中具有重要应用。但是铝合金普遍存在以下几个问题：

一、室温下的塑性比较差，要成形复杂的形状构件比较困难；

二、成形后的构件回弹大，构件形状尺寸精度难以得到保证；

三、成形后进行热处理时，加热或冷却过程中容易受热不均匀而导致零件形状尺寸发生变化。

其中，塑性差和回弹大的问题可以通过加热来解决，尽管通过提高成形温度可以提高塑性和减小回弹，但成形零件仍需要热处理来提高强度，而热处理过程中受热不均匀的问题仍未得到解决。

同时，由于整体壁板具有尺寸大、曲率复杂、壁厚差异大等特点，加强筋、口框、凸台等复杂结构为壁板的精确制造带来巨大难度，迫切需要解决其制造精度、生产效率、成形件力学性能等瓶颈问题。为了解决这些问题，热变形和热处理相复合的新工艺成为研究热点。

现有技术中具有代表性的如下所示：

一是如公告号为CN106978578B的中国实用新型专利所示，公开了一种铝合金板蠕变时效成形方法，成形件置于模具型面上后用透气毡将构件局部覆盖，用机械加载装置加载预定大小的力后使载荷保持不变，密封处理后进行抽真空处理，将机械加载装置卸下之后再将构件与模具放入热压罐内进行真空时效蠕变成形。该实用新型有效缩短了抽真空所需的时间，减少了试验材料的使用，提高了构件的成形精度，但该蠕变时效成形方法操作繁琐，完成成形耗时较长，成形效率较低，且不可避免的存在贴模误差。

二是如公告号为CN207681326U的中国实用新型专利所示，公开了一种钛合金材料的热压成形模具，包括上部凸模和下部凹模，下部凹模上有两根圆柱形定位销，用于实现钛合金钣金零件的快速精确定位，该成形模具的坯料定位精度高，所成形构件的合格率高，节约了成本，但该成形模具无法实现成形构件的热处理工艺，成形后的构件还需要单独进行热处理，因而产品生产效率较低。

三是如公告号为CN106881387B的中国实用新型专利所示，公开了一种铝合金曲面加强筋板的热压成形方法，采用热压成形和充气的组合方式对铝合金曲面加强筋板进行成形，解决了此类零件在常规的冷冲压或机械加工中尺寸精度和型面精度难以控制的问题，改善了零件的表面质量。但是，该方法无法完成厚度很大的铝合金板材的成形，该成形方法中热压成形所需板材厚度较薄， 由于铝合金传热系数较大，板材在转移过程中会有大量热损失，最终会影响铝合金板材的成形质量，且该方法无法完成板材的热处理工艺，生产效率较低。

综上所述，随着我国在航空航天领域的不断发展，各类新型飞行器对大型整体壁板的需求增加，铝合金高筋整体壁板件的成形及热处理工艺受到广泛的重视，迫切地需要一种更加便捷有效的工艺来代替传统的工艺。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题，提出了一种结构精巧、加工效果好、冷却效率高、加工周期短且产品品质高、废品率低，在有效避免热处理过程中出现形状尺寸发生意外变化的问题的同时，可有效保证产品加工精度、产品一致性的可热处理铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形装置。

本实用新型的技术方案为：所述同步快冷的成形装置包括上模、下模、导柱和冷却组件，所述上模通过导柱可升降的连接在下模的上方，所述上模的底面、下模的顶面都呈与整体壁板适配的弧面状，所述上模的底面上还固定连接有若干与整体壁板中凹槽一一对应的的凸模，所述凸模的高度等于纵向筋板的高度、且凸模的侧壁与凹槽的内壁之间留有间隙；

所述冷却组件包括冷却液存储罐和冷却管，所述冷却液存储罐设置于下模的一侧，所述上模内开设有至少一个主通道和若干分通道，所述冷却液存储罐通过冷却管相连通所述主通道，所述分通道的一端连通所述主通道、且另一端处于上模的底面上；所述分通道与凸模一一对应；

所述凸模的顶面的中心开设有进液盲孔、且凸模的侧壁上开设有若干出液孔，若干所述出液孔均与所述进液盲孔连通，所述进液盲孔与分通道连通。

所述冷却组件还包括流量控制阀和若干单向阀，所述流量控制阀串接在冷却管中，所述单向阀与分通道一一对应、且设置于所述分通道中。

所述冷却组件还包括增强组件，所述增强组件包括若干分设于上模两侧的C字形的出液管，所述上模中还开设有若干与出液管一一对应的出液通道，所述出液通道的一端连通所述主通道、且另一端通过堵头封闭，所述出液管的一端穿入所述上模中、且与出液通道连通，所述出液管的另一端处于上模的侧下方、且朝向凸模的侧壁设置。

所述凹槽呈方形，所述凸模呈方形，所述出液孔具有四个，四个所述出液孔分别开设于凸模的四个侧表面上。

所述下模的顶面的前后两侧固定连接有至少两对定位挡块，同一对所述定位挡块对称的设置在下模的前后两侧，所述下模的顶面的左右两侧分别开设有用于容置整体壁板的定位台阶。

所述的一种铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形工艺及装置，步骤1.1）中所述的铝合金为可热处理高强铝合金。

所述的冷却液包括水、油、聚合物溶液、液氮、盐水等。

按以下步骤进行加工：

1）、固溶：

1.1）、在铝合金高筋整体壁板坯料表面喷涂BN粉末；

1.2）、将坯料置于加热炉中进行固溶处理，固溶温度为420~540℃，固溶时间在10~60min；

2）、成形：

2.1）、将固溶后的坯料迅速放置在下模上；

2.2）、驱使上模下行，对固溶后的坯料进行加压，直至坯料底面与下模顶面完全贴合；

2.3）、保持合模状态，并保压；

3）、冷却：打开流量控制阀，使得冷却液自冷却存储罐中流通，并最终自若干出液孔喷出；

4）、取件：冷却完毕后，关闭流量控制阀，停止冷却，并驱使上模上行，取出加工完毕的铝合金高筋整体壁板；完毕。

本实用新型的有益效果为：

一、用本实用新型可以实现铝合金高筋整体壁板的热压成形以及快速冷却，可以通过调节流量控制阀，实现对通入冷却液流量较为精确的控制，从而实现对成形件冷却速度较为精确的控制；

二、通过凸模与铝合金高筋整体壁板坯料的直接贴合，有效解决了坯料在成形弯曲过程中，无筋的悬空区蒙皮受到拉应力，因缺少支撑力而使蒙皮表面凹陷的问题，保证了坯料的成形质量及其使用性能；

三、通过在上模中安装单向阀，保证了冷却液从存储罐到成形腔的单向流动，有效解决了冷却液在凹槽内气化后使得成形腔内压力迅速增大而导致气体进入冷却管的问题，保障了冷却过程的安全可靠；

四、通过在坯料的高筋处开相连通的泄压沟槽，实现成形腔内压力的快速释放，保证成形件的质量和成形过程的安全可靠，且泄压沟槽保证在成形过程中不会因为孔的变形挤压而影响成形件的成形质量；

五、在下模设计有定位挡块，可以有效防止坯料在成形过程中产生滑动；

六、该可热处理铝合金高筋整体壁板同步快冷的成形装置因其成形和冷却是在同一套模具中进行，冷却速度快，生产效率高，且该装置可以根据不同的需求，改变不同的冷却速度和冷却液，进行多样化生产。

附图说明

图1是本案的立体图；

图2是本案中整体壁板的结构示意图，

图3是固溶后坯料的结构示意图，

图4是图3的俯视图；

图5是本案中同步快冷的成形装置的结构示意图，

图6是图5的俯视图，

图7是图6的A-A向剖视图，

图8是本案中同步快冷的成形装置使用状态参考图一，

图9是本案中同步快冷的成形装置使用状态参考图二，

图10是本案中同步快冷的成形装置的优化实施方式示意图；

图中1是整体壁板，11是纵向筋板，12是横向筋板，13是凹槽，14是泄压沟槽；

2是上模，21是凸模，211是进液盲孔，212是出液孔，22是主通道，23是分通道，24是出液通道；

3是下模，31是定位挡块，32是定位台阶；4是导柱；

5是冷却组件，51是冷却液存储罐，52是冷却管，53是流量控制阀，54是单向阀，55是出液管。

具体实施方式

本实用新型如图1-10所示，所述整体壁板1呈弧形、且其顶面上设有若干纵向筋板11和若干横向筋板12，所述纵向筋板11和横向筋板12的高度一致、且交错设置，使得纵向筋板11和横向筋板12之间形成若干方形的凹槽13，所述纵向筋板11和横向筋板12的顶面上均开设有若干泄压沟槽14，所述泄压沟槽14处于所述凹槽13的槽口的四周，使得相邻凹槽13的槽口之间通过泄压沟槽14连通、且最外侧的凹槽的槽口通过泄压沟槽与整体壁板之外连通；

所述同步快冷的成形装置包括上模2、下模3、导柱4和冷却组件5，所述上模2通过导柱4可升降的连接在下模3的上方，所述上模2的底面、下模3的顶面都呈与整体壁板1适配的弧面状，所述上模2的底面上还固定连接有若干与整体壁板1中凹槽13一一对应的的凸模21，所述凸模21的高度等于纵向筋板11的高度、且凸模21的各个侧壁与凹槽13的各个内壁之间留有间隙；使用时可配合液压缸、电动推杆或是曲柄滑块机构等直线驱动装置，以实现上模的往复升降运动；

所述冷却组件5包括冷却液存储罐51和冷却管52，所述冷却液存储罐51设置于下模3的一侧，所述上模2内开设有至少一个主通道22和若干分通道23，所述冷却液存储罐51通过冷却管52相连通所述主通道22，所述分通道23的一端连通与其距离最近的所述主通道22、且另一端处于上模2的底面上；所述分通道与凸模一一对应；

所述凸模21的顶面的中心开设有进液盲孔211、且凸模21的侧壁上开设有若干出液孔212，若干所述出液孔212均与所述进液盲孔211连通，所述进液盲孔211与分通道23连通。这样，在整体壁板需要冷却时，可使得冷却液流经冷却管、主通道、分通道、进液盲孔，并最终自出液孔快速喷出至若干凹槽的内壁上，对其进行高效冷却，而受整体壁板材质影响，冷却液的喷出最终也将实现整体壁板整体的高效冷却。

本案中通过上模以及若干凸模的结构设计，一方面，在对整体壁板进行弯曲的过程中，即上模下行的过程中，可有效压住凹槽的槽底，避免整体壁板成形过程中无筋板的悬空区，即凹槽的槽底出现向上凹陷的问题；另一方面，在冷却过程中，通过冷却液的均匀、快速喷出，可显著提升整体壁板的冷却效率，实现了铝合金高筋整体壁板的快速冷却的目的，有效避免了传统冷却过程中因温度变化不均匀而导致的零件形状尺寸发生变化的问题。最终，使得铝合金高筋整体壁板的产品品质好、一致性高、加工精度高、废品率低。

所述冷却组件5还包括流量控制阀53和若干单向阀54，所述流量控制阀53串接在冷却管52中，所述单向阀54与分通道23一一对应、且设置于所述分通道23中。从而通过流量控制阀和若干单向阀对冷却液的压力、流速以及流向进行有效控制，以有效保证加工效率以及冷却效率。同时，通过在上模中安装单向阀，保证了冷却液从存储罐到成形腔的单向流动，有效解决了冷却液在成形腔内气化后使得凹槽内压力迅速增大而导致气体进入冷却管的问题，保障了冷却过程的安全可靠。

如图10所示，所述冷却组件5还包括增强组件，所述增强组件包括若干分设于上模两侧的C字形的出液管55，所述上模2中还开设有若干与出液管55一一对应的出液通道24，所述出液通道24的一端连通与其距离最近的所述主通道22、且另一端通过堵头封闭，所述出液管55的一端穿入所述上模2中、且与出液通道24连通，所述出液管55的另一端处于上模2的侧下方、且朝向凸模21的侧壁设置。由于处于整体壁板最外侧的筋板的厚度远远大于其内侧的筋板的厚度，因此，本案还设置了若干出液管，从而在对整体壁板的冷却过程中，通过若干出液管有效增强对整体壁板最外侧筋板的冷却效率，使之与其他内侧的筋板保持相同的冷却效率。

最终，使得整体壁板整体的温度变化更为均匀，有效避免了冷却时因温度变化不均匀而导致的零件形状尺寸发生变化的问题，冷却后产品的品质更好、一致性更高。

所述凹槽呈方形，所述凸模呈方形，所述出液孔具有四个，四个所述出液孔分别开设于凸模的四个侧表面上。

所述下模3的顶面的前后两侧固定连接有至少两对定位挡块31，同一对所述定位挡块31对称的设置在下模的前后两侧，所述下模3的顶面的左右两侧分别开设有用于容置整体壁板1的定位台阶32。从而在整体壁板放入后即可实现整体壁板的精准定位，并在上模下行初期，有效避免整体壁板出现或前后或左右的横向偏移，最终确保整体壁板沿正确的预定运动轨迹向下弯曲。

按以下步骤进行加工：

1）、固溶：

1.1）、在铝合金高筋整体壁板坯料表面喷涂BN粉末，以减小后续成形过程中铝合金蒙皮表面的摩擦力；

1.2）、将坯料置于加热炉中进行固溶处理，固溶温度为420~540℃，固溶时间在10~60min；短边（纵向）方向为原始板材轧制方向，材料轧制方向与高筋整体壁板坯料的弯曲方向垂直；

2）、成形：

2.1）、将固溶后的坯料（如图3-4所示）迅速放置在下模上，使得坯料的左右两侧处于一对定位台阶中，而前后两侧则分别抵靠在两对定位挡块上；

2.2）、如图8所示，驱使上模下行，对固溶后的坯料进行加压，直至坯料底面与下模顶面完全贴合；

2.3）、如图9所示，保持合模状态，并保压；

3）、冷却：打开流量控制阀，合理控制冷却液流量大小，使得冷却液自冷却存储罐中流通，并最终自若干出液孔喷出；在此过程中，冷却液遇到高温坯料后气化生成气体了通过铝合金高筋整体壁板件上的泄压沟槽向外排出；

4）、取件：冷却完毕后，关闭流量控制阀，停止冷却，并驱使上模上行，取出加工完毕的铝合金高筋整体壁板；完毕。

Claims (5)

1.铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形装置，其特征在于，所述同步快冷的成形装置包括上模、下模、导柱和冷却组件，所述上模通过导柱可升降的连接在下模的上方，所述上模的底面、下模的顶面都呈与整体壁板适配的弧面状，所述上模的底面上还固定连接有若干与整体壁板中凹槽一一对应的凸模，所述凸模的高度等于纵向筋板的高度、且凸模的侧壁与凹槽的内壁之间留有间隙；

所述冷却组件包括冷却液存储罐和冷却管，所述冷却液存储罐设置于下模的一侧，所述上模内开设有至少一个主通道和若干分通道，所述冷却液存储罐通过冷却管相连通所述主通道，所述分通道的一端连通所述主通道、且另一端处于上模的底面上；所述分通道与凸模一一对应；

所述凸模的顶面的中心开设有进液盲孔、且凸模的侧壁上开设有若干出液孔，若干所述出液孔均与所述进液盲孔连通，所述进液盲孔与分通道连通。

2.根据权利要求1所述的铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形装置，其特征在于，所述冷却组件还包括流量控制阀和若干单向阀，所述流量控制阀串接在冷却管中，所述单向阀与分通道一一对应、且设置于所述分通道中。

3.根据权利要求1所述的铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形装置，其特征在于，所述冷却组件还包括增强组件，所述增强组件包括若干分设于上模两侧的C字形的出液管，所述上模中还开设有若干与出液管一一对应的出液通道，所述出液通道的一端连通所述主通道、且另一端通过堵头封闭，所述出液管的一端穿入所述上模中、且与出液通道连通，所述出液管的另一端处于上模的侧下方、且朝向凸模的侧壁设置。

4.根据权利要求1所述的铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形装置，其特征在于，所述凹槽呈方形，所述凸模呈方形，所述出液孔具有四个，四个所述出液孔分别开设于凸模的四个侧表面上。

5.根据权利要求1所述的铝合金高筋整体壁板同步快冷的热成形装置，其特征在于，所述下模的顶面的前后两侧固定连接有至少两对定位挡块，同一对所述定位挡块对称的设置在下模的前后两侧，所述下模的顶面的左右两侧分别开设有用于容置整体壁板的定位台阶。

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