一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法專利榮譽

2021年6月24日，《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》獲得第二十二屆中國專利銀獎。 2100433B

《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》屬于精密鈑金加工領域，涉及到一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法，它適用于成形尺寸精度、型面精度以及表面質(zhì)量要求較高的鋁合金曲面加強筋板。該方法如下：①對鋁合金曲面加強筋板進行平面展開；②根據(jù)加強筋在平面展開圖中的位置在板材上制備出相應加強筋；③設計并加工鋁合金曲面加強筋板熱壓成形模具；④對鋁合金曲面加強筋板進行熱壓成形；⑤對鋁合金曲面加強筋板進行充氣校形。

《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》的采用熱壓成形 充氣校形組合工藝成形鋁合金曲面加強筋板，解決了此類零件在常規(guī)的冷沖壓或機械加工中尺寸精度和型面精度難以控制的問題，改善了零件的表面質(zhì)量，避免了鑄造加工中超重問題；先采用熱壓成形，可以有效避免冷成形工藝中回彈、起皺和開裂等缺陷的產(chǎn)生；后采用充氣校形，保證了零件尺寸精度、型面精度以及表面質(zhì)量要求。

《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》要成形的鋁合金曲面加強筋板，包括曲面鋁合金板以及曲面鋁合金板一面上的加強筋，加強筋縱橫交替且均勻分布，鋁合金板的另一面為光滑曲面。

以某鋁合金曲面加強筋板為優(yōu)選的方案示例，其形狀尺寸見圖1，零件材料為5A06鋁合金，外型面為錐形面，外形尺寸656毫米，小端圓弧R400，大端圓弧R500毫米。最厚部位在邊緣與加強筋，厚度為9毫米，最薄部位在加強筋之間厚度為3毫米。優(yōu)選的加強筋寬度5毫米-10毫米，高度4毫米～6毫米，橫縱各有3條，均勻分布。

具體的優(yōu)選方案按如下工藝步驟進行：

步驟一，進行平面展開：根據(jù)鋁合金曲面加強筋板外形尺寸和加強筋相對位置，設計出熱壓成形所需板材厚度為10毫米～12毫米，根據(jù)弧長464毫米（小圓端弧長）和574毫米（大圓端弧長）相等，板材尺寸為656毫米（下料長度,即大圓端和小圓端的距離）、R2762毫米（R代表弧形幾何形狀，坯料小圓端的半徑是2762毫米）、R3417（R代表弧形幾何形狀，坯料大圓端的半徑是3417毫米），同理設計出加強筋在平面展開圖中的位置，如圖2所示；

步驟二，加強筋的制備：如圖2所示，將板材銑成9毫米，而后根據(jù)加強筋在平面展開圖中的位置在厚板上制備出相應加強筋，并根據(jù)平面展開圖加工出熱壓成形所需板材外形；

步驟三，設計成形模具：設計制作鋁合金曲面加強筋板熱壓成形模具時，要按照鋁合金曲面加強筋板尺寸進行放大加工，放大系數(shù)選取為5‰；

步驟四，板材熱壓成形：將步驟三設計制備的熱壓成形模具加熱至460攝氏度～490攝氏度，把步驟二制備的板材放于熱壓成形模具上模1、下模4之間，如圖3所示。上模1上有通氣孔2與外界的氣源連接。上模1逐漸向下運動，速度為1毫米/秒～5毫米/秒，板材3在熱壓成形模具中逐漸變形，直至上模1和下模4合模完全，即板材3熱壓成形完畢；

步驟五，板材充氣校形：步驟四完成后，板材3與上模1之間形成一個密閉型腔，如圖4所示。通過上模1的通氣孔2將密閉型腔與外界氣源連通，按照設定的時間壓力加載曲線向密閉型腔通氣加壓校形，氣體壓力為0.8兆帕～1.2兆帕，使加強筋之間可能下陷的薄壁部位逐漸恢復。

采用此方法制備的鋁合金曲面加強筋板尺寸精度為±0.3毫米，型面精度±0.5毫米，表面粗糙度Ra3.2以下，比截至2017年3月相關方法制造成本降低10％以上，加工效率提高20％以上。

《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》還有一種優(yōu)選方案，在步驟（1）所述的熱壓成形所需平面板材厚度等于鋁合金曲面加強筋板最大壁厚，鋁合金曲面加強筋板加工效率比2017年3月相關方法提高30％以上。

《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》還有一種優(yōu)選方案，在步驟（4）所述的超塑成形溫度為420～460攝氏度，可使鋁合金曲面加強筋板成形成本比2017年3月相關技術(shù)降低20％以上。

《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》還有一種優(yōu)選方案，在步驟（5）所述加載的氣體壓力為1～3兆帕，可使鋁合金曲面加強筋板成形尺寸精度提高到±0.2毫米以上，使航天飛行器有更優(yōu)異的氣動外形，有利于航天飛行器的姿態(tài)控制。

1.一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法，其特征在于步驟如下：（1）根據(jù)需要成形的鋁合金曲面加強筋板外形尺寸和加強筋位置，確定出熱壓成形所需的平面板材厚度、板材尺寸以及加強筋在平面板材上的位置；所述的熱壓成形所需平面板材厚度不小于鋁合金曲面加強筋板最大壁厚；（2）根據(jù)加強筋在平面板材上的位置，在平面板材上制備出相應加強筋，并根據(jù)需要成形的鋁合金曲面加強筋板的平面展開圖加工出成形所需板材外形；（3）根據(jù)需要成形的鋁合金曲面加強筋板的外形尺寸，制作鋁合金曲面加強筋板熱壓成形模具，然后按照鋁合金曲面加強筋板尺寸對熱壓成形模具的型腔進行適當放大加工；所述對熱壓成形模具的型腔進行適當放大加工，使熱壓成形模具型腔尺寸適當放大量為需要成形的鋁合金曲面加強筋板的外形尺寸的3‰～7‰；（4）將步驟（3）制作的熱壓成形模具加熱至熱壓成形溫度后，把步驟（2）制備的板材放于熱壓成形模具的型腔內(nèi)即上模和下模之間，上模逐漸向下模運動，板材在熱壓成形模具型腔內(nèi)逐漸變形，直至上模和下模閉合即合模完全，板材熱壓成形完畢；所述熱壓成形溫度為420～520攝氏度，上模向下模運動速度為1～10毫米/秒；（5）步驟（4）完成后，步驟（4）熱壓成形后板材與上模之間形成一個密閉型腔，上模設有通氣孔，通氣孔連接型腔內(nèi)和外界，通過上模的通氣孔將密閉型腔與外界氣源連通，按照設定的隨時間變化的壓力向密閉型腔通氣加壓校形，使鋁合金曲面加強筋板加強筋之間的曲面部位形成光滑曲面。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法，其特征在于：步驟（2）所述在平面板材上制備出相應加強筋的制備方法為化銑加工或者機械銑加工。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法，其特征在于：步驟（5）所述加載的氣體壓力為0.1～3兆帕。

《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》屬于精密鈑金加工領域，涉及一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法，它適用于成形尺寸精度、型面精度以及表面質(zhì)量要求較高的鋁合金曲面加強筋板。

圖1為鋁合金曲面加強筋板示意圖；

圖2為熱壓成形鋁合金曲面加強筋板所需板材示意圖；

圖3為鋁合金曲面加強筋板熱壓成形模具示意圖；

圖4為鋁合金曲面加強筋板熱壓、充氣過程示意圖。

一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法專利目的

《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》的技術(shù)解決問題：提供一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法，它能克服2017年3月相關技術(shù)加工的零件整體性差、外形精度控制困難或成本較高的缺點，能有效地保證鋁合金曲面加強筋板的精密成形。成形出的鋁合金曲面加強筋板零件質(zhì)量穩(wěn)定，整體性好，減重效果明顯，尺寸精度、型面精度以及表面質(zhì)量較高，并且成形周期較短，加工成本較低。

一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法技術(shù)方案

《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》步驟如下：

（1）根據(jù)需要成形的鋁合金曲面加強筋板外形尺寸和加強筋位置，確定出熱壓成形所需的平面板材厚度、板材尺寸以及加強筋在平面板材上的位置；

（2）根據(jù)加強筋在平面板材上的位置，在平面板材上制備出相應加強筋，并根據(jù)需要成形的鋁合金曲面加強筋板的平面展開圖加工出成形所需板材外形；

（3）根據(jù)需要成形的鋁合金曲面加強筋板的外形尺寸，制作鋁合金曲面加強筋板熱壓成形模具，然后按照鋁合金曲面加強筋板尺寸對熱壓成形模具的型腔進行適當放大加工；

（4）將步驟（3）制作的熱壓成形模具加熱至熱壓成形溫度后，把步驟（2）制備的板材放于熱壓成形模具的型腔內(nèi)即上模和下模之間，上模逐漸向下模運動，板材在熱壓成形模具型腔內(nèi)逐漸變形，直至上模和下模閉合即合模完全，板材熱壓成形完畢；

（5）步驟（4）完成后，步驟（4）熱壓成形后板材與上模之間形成一個密閉型腔，上模設有通氣孔，通氣孔連接型腔內(nèi)和外界，通過上模的通氣孔將密閉型腔與外界氣源連通，按照設定的隨時間變化的壓力向密閉型腔通氣加壓校形，使鋁合金曲面加強筋板加強筋之間的曲面部位形成光滑曲面。

步驟（1）所述的熱壓成形所需平面板材厚度不小于鋁合金曲面加強筋板最大壁厚。

步驟（2）所述在平面板材上制備出相應加強筋的制備方法為化銑加工或者機械銑加工。

步驟（3）所述對熱壓成形模具的型腔進行適當放大加工，使熱壓成形模具型腔尺寸適當放大量為需要成形的鋁合金曲面加強筋板的外形尺寸的3‰～7‰。

步驟（4）所述熱壓成形溫度為420～520攝氏度，上模向下模運動速度為1～10毫米/秒。

步驟（5）所述加載的氣體壓力為0.1～3兆帕。

一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法有益效果

（1）《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》所成形的鋁合金曲面加強筋板，整體性好，零件尺寸精度、型面精度以及表面質(zhì)量較高；

（2）《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》采用熱壓成形，可有效避免回彈、起皺和開裂等缺陷的產(chǎn)生；

（3）《一種鋁合金曲面加強筋板熱壓成形方法》采用充氣校形可以實現(xiàn)零件的近凈成形，能有效減少后續(xù)加工量，避免后續(xù)手工校形，提高效率，降低成本。

鋁合金因具有優(yōu)異的使用性能，在航空航天、軌道交通、武器裝備等領域應用十分廣泛。在航空航天領域，鋁合金曲面加強筋板類零部件產(chǎn)品的整體化、輕量化程度越來越高，制造精度要求也越來越高。在板料成形領域，鋁合金曲面加強筋板常用制造方法主要有冷壓成形和鑄造成形兩種。冷壓成形不但尺寸精度難以達到要求，型面精度也難以控制，通常后續(xù)需要大量的手工校形，成形周期長，并且容易產(chǎn)生回彈、起皺和開裂等缺陷。另外，在冷成形過程中，壁厚不均勻會導致加強筋之間壁薄部分下陷。鑄造成形方法受材料種類限制，鋁合金曲面加強筋板類零件鑄造困難，后續(xù)仍需要大量機械加工，加工成本高，制備周期長。

本發(fā)明公開了一種基于鋁合金焊接拼板的薄壁曲面無模旋壓成形方法。該方法的步驟如下：(1)將軋制的鋁合金板材進行固溶時效強化處理，然后采用攪拌摩擦焊接技術(shù)拼焊鋁合金板材；(2)對焊接板材進行外環(huán)約束無模旋壓成形，將板材旋壓為錐形件；(3)再通過2～3個旋壓道次將錐形件擴旋為曲面零件。本發(fā)明提出的基于鋁合金焊接板材的外環(huán)約束無模壓方法，能夠快速整體成形大規(guī)格曲面零件，解決現(xiàn)有軋制板材寬度有限的難題。同時，該方法可以保證焊接板材焊縫各區(qū)域材料的變形協(xié)調(diào)，獲得成形精度高、性能優(yōu)異的大規(guī)格薄壁曲面零件，而且旋壓件表面光滑，不產(chǎn)生起皺、破裂等缺陷。

《一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法》涉及一種環(huán)形鍛件的軋制成形方法，特別是涉及了一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法。

一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法專利目的

《一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法》的目的在于提供一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中鋁合金高筒薄壁環(huán)件軋制時材料流動難以控制、軋制容易出現(xiàn)軋偏和喇叭口、環(huán)件兩端壁厚尺寸較薄不能滿足技術(shù)要求等問題。

一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法技術(shù)方案

《一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法》采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法，依次包括將變形鋁合金棒料鐓粗、沖孔、預軋環(huán)坯、終軋環(huán)件步驟，其特征在于：在沖孔步驟與預軋環(huán)坯步驟之間，還包括將所述沖孔后的環(huán)坯A進行馬架擴孔和平端面步驟，具體步驟如下：

（1）鐓粗、沖孔

將變形鋁合金棒材加熱到460℃～480℃鍛造溫度，進行鐓粗、沖孔；

（2）馬架擴孔、平端面

控制鍛錘的下壓力，每錘一次使所述沖孔后的環(huán)坯A變形量超過30%，旋轉(zhuǎn)環(huán)坯A90°后錘鍛，環(huán)坯A經(jīng)充分變形后其圓角3尺寸縮小至R<15毫米，該步驟終鍛溫度不低于360℃；

（3）預軋環(huán)坯

將步驟（2）處理后的環(huán)坯A1回爐加熱至460℃～480℃的鍛造溫度，裝入輾環(huán)機進行預軋制，主輥固定轉(zhuǎn)動，芯輥做徑向進給運動，第一階段：主輥的轉(zhuǎn)速為0.2～0.5弧度角/秒，主輥軋制力為300T～360T，芯輥的進給速度為0.1～0.4毫米/秒，錐輥軋制力為40T；第二階段：主輥軋制力為400T，芯輥進給速度為0.7毫米/秒，錐輥的軋制力為80T，錐輥的軸向進給量為4.5毫米/分鐘；第三階段：環(huán)坯A達到尺寸要求后，保持芯輥穩(wěn)定，空轉(zhuǎn)主輥6～8圈后停轉(zhuǎn)；該步驟終鍛溫度不低于360℃；

（4）終軋環(huán)件

將步驟（3）處理后的環(huán)坯B回爐加熱至460℃～480℃的鍛造溫度，裝入輾環(huán)機進行最終軋制，主輥轉(zhuǎn)速為為0.2～0.5弧度角/秒；環(huán)件咬入階段，主輥的軋制力為360T～400T，芯輥進給速度為0.1～0.4毫米/秒，錐輥軸向固定，其軋制力為40T；穩(wěn)定軋制階段，主的軋制力為410T，芯輥進給速度為0.6毫米/秒，錐輥轉(zhuǎn)速不變，其軋制力為110T，軸向進給量為4毫米/分鐘；符合要求尺寸階段，使芯輥進給速度從0.6毫米/秒減小至0毫米/秒，該步驟環(huán)件終鍛溫度不低于360℃。

優(yōu)選地，所述變形鋁合金的牌號為147的鋁合金棒。

步驟（2）中的馬架擴孔環(huán)坯A的高度按以下公式計算：H2=H1 △H2；其中，H1為預軋環(huán)坯B7的高度，H2為馬架擴孔環(huán)坯A高度，△H2=2～4%H1。

步驟（2）中的馬架擴孔環(huán)坯A的內(nèi)外徑按以下公式計算：（D1-D2-d1 d2）/（D1-d1）=30%～60%；其中，D1，d1為預軋環(huán)坯B的內(nèi)外徑，D2，d2為馬架擴孔環(huán)坯A的內(nèi)外徑。

步驟（3）中的預制環(huán)坯B的高度按以下公式計算：H1=H △H1；其中H1為預軋環(huán)坯B的高度，H為終軋環(huán)件的高度，△H1=2～4%H。

步驟（3）中的預制環(huán)坯B的內(nèi)外徑按以下公式計算：（D-d-D1 d1）/（D-d）=30%～50%；其中，D，d為終軋環(huán)件的內(nèi)外徑，D1，d1為預軋環(huán)坯B的內(nèi)外徑。

一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法有益效果

《一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法》的有益效果：該發(fā)明所述的一種鋁合金高筒薄壁環(huán)件的軋制成形方法，預軋步驟前再進行一道馬架擴孔、平端面的工序，將沖孔后的環(huán)坯圓角尺寸縮小至R<15毫米，使得軋制變形時材料能夠使圓角縮小至要求尺寸，從而解決了環(huán)件軸向變形材料分配難題；而且馬架工序之后，所述環(huán)坯鼓肚大幅減小，端面變厚，在外徑方向上環(huán)坯與主輥接觸面積增加，極大減少環(huán)坯沖孔后直接軋制的失穩(wěn)現(xiàn)象。