一种基于热压罐的可时效强化铝合金整体壁板一次成型方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于热压罐的可时效强化铝合金整体壁板一次成型方法，首先将铝合金板坯固定在成形模具上，真空封闭后放入热压罐内；在热压罐内部提供铝合金时效所需温度与构件贴模所需压力，使大曲率部位材料达到屈服极限而发生塑性变形后保持贴模状态进入蠕变时效阶段。本发明通过局部塑性变形调整内应力分布可消除蠕变时效过程中因内应力差异引起的性能不均匀问题，采用塑变与蠕变结合减少生产周期及回弹，可减小模具高度。该工艺方法能够在最高工作压力不小于10Bar，使用温度范围可满足100℃～200℃，且有足够容量的热压罐内实施。且操作简便，工装简单，仅需一套凹模即可实现，节约成本，具有实际工业生产应用价值。
【专利说明】一种基于热压罐的可时效强化铝合金整体壁板一次成型方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及有色金属材料加工工程【技术领域】，特别涉及一种适用于制造具有大曲率外形或复杂的变曲率形面的可时效强化铝合金壁板类构件的基于热压罐的可时效强化铝合金整体壁板一次成型方法。
【背景技术】
[0002]整体结构壁板因其减轻重量、降低生产成本与装配工作量等优势而广泛应用于航空航天与交通运输等制造行业中。蠕变时效成形就是针对这种大型整体壁板而发展起来的一种制造方法，其结合了金属蠕变和铝合金时效强化特性，利用时效温度进行蠕变变形，具有安全性和可重复性且能够实现壁板零件的一次成型。蠕变时效成形因为成形应力低(弹性范围)，因而残余应力水平低，可减小裂纹产生几率、改善耐疲劳和抗应力腐蚀能力。但这种较低的成形应力同时也限制了这种方法的成形能力，在铝合金常用的时效制度下其蠕变量一般低于1%。而实际的航空航天整体壁板构件，如机翼壁板、飞机舱门等整体壁板构件中往往具有复杂的变曲率形面或大曲率外形，这些构件很难用蠕变时效实现一次成型，削弱了蠕变时效技术在生产成本与周期方面的优势。此外，目前已有不少文献报道指出，不同的蠕变应力或模具形面会影响蠕变时效成形件的材料性能。这导致曲率变化较大的构件在蠕变时效成形后会出现性能不均匀，影响构件的使用寿命。可见，上述蠕变时效一次成型在构件形面与性能方面的缺点亟需改进，否则难以突破整体壁板蠕变成形制造的发展瓶颈。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种可用于具有大曲率外形或复杂的变曲率形面的可时效强化铝合金整体壁板类构件的一次成型方法，在保证成形的同时获得均匀的材料性能，并有效地控制成形件的残余应力在50MPa以内。
[0004]本发明的目的通过以下方法实现:一种基于热压罐的可时效强化铝合金整体壁板一次成型方法，包括以下步骤:首先将铝合金板坯固定在成形模具上，然后真空封闭并置入热压罐内，成型模具的形面包括大曲率范围形面、小曲率范围形面和中间曲率范围形面中的至少两种，板坯在置入热压罐后，对板坯施加铝合金时效所需温度与构件贴模所需压力，板坯发生塑性变形后，保持温度不变，减小压力至蠕变时效所需压力然后保持直至时效结束。
[0005]所述的方法,板还总厚度为I?50mm,板还类型为无筋结构或带筋结构。
[0006]所述的方法，成形模具的形面的曲率范围由模具形面曲率相同部位的半径R与相应位置的板材厚度t的比值R/t确定，0〈R/t〈kEt/ σ st为大曲率范围，R/t>kEp/ σ sp为小曲率范围，kEt/ost〈R/t〈kEp/ospS中间曲率范围，其中，k为与材料及板坯总厚度相关的常数，范围为0.3?0.8，可通过等厚度的小样件成形试验确定；Et为拉伸弹性模量，Ep为压缩弹性模量，σ st为材料固溶态拉伸屈服强度，Osp为材料固溶态压缩屈服强度。[0007]所述的方法，所述的大曲率范围内的构件部位，材料成形为塑性变形，模具半径范围为0.8R*?R%其中R*为目标半径。
[0008]所述的方法，所述的小曲率范围内的构件部位，材料成形为蠕变成形，模具半径范围为0.2R*?0.5R%其中R*为目标半径。
[0009]所述的方法，所述的小曲率范围内的构件部位，材料成形为蠕变和塑性变形共同作用，模具半径范围为0.5R*?0.8R%其中R*为目标半径。
[0010]所述的方法，热压罐内提供的时效温度为100?200°C。
[0011]所述的方法，所述的构件贴模所需压力为5?20Bar，保温时间为0.5?2h。
[0012]所述的方法，所述的蠕变时效所需压力为I?5Bar，保温时间为5?30h。
[0013]本发明在结构设计中有以下考虑:对于复杂的变曲率形面构件，首先在大曲率部位发生塑性变形，从而释放了该部位的内应力。为第二步蠕变成形阶段提供了较均匀的内应力状态，形成近似的等蠕变量成形，可消除内应力引起的性能差异，提高构件整体性能均匀性。对于简单的大曲率形面构件，采用这种塑变与蠕变同时进行的方式，可以明显降低回弹量，提闻成形精度。
[0014]本发明优点在于:①首先针对大曲率部位的局部塑性变形，释放了构件局部较大的内应力，可消除蠕变时效过程中因内应力差异引起的构件性能不均匀问题；②采用塑性变形与蠕变时效成形结合的一次成形方法，不仅减少生产周期，还可明显降低最终回弹量，这对于减小大型模具高度、降低生产成本具有重要意义；③该工艺方法成形工件的残余应力远小于传统塑性加工成形工件，且操作简便，工装简单，仅需一套凹模即可实现，节约成本，具有实际工业生产应用价值。
[0015]本发明所指铝合金可采用不同的方法制备所需材料和(或)部件。蠕变时效模具采用中国专利2011110209737.0:一种金属蠕变成形模具。本发明的实施实例使用ATOS光栅扫描仪对壁板外缘曲面进行检测。室温拉伸实验按照国标GB/T228-2002制成标准拉伸试样，拉伸实验在CSS-44100万能材料力学拉伸机上进行，拉伸速度为2mm/min。残余应力测试采用钻孔应变释放法，按照CB3395-1992测量板材的残余应力。
[0016]下面结合附图对本发明作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为为本发明工艺步骤示意图；
[0018]图2为本发明的成形工装示意图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
[0020]各实施例中沿成形壁板弯曲方向等距离均分为5段，在每段割取试样进行力学性能测试与残余应力测试。本发明中回弹的定义参考文献“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.”。按下式计算:η = (ClniaxAlci) X 100%，式中dmax为成形件回弹后与模具的最大垂直距离，为Cltl模具相应位置距板坯初始平面的距离。室温拉伸试验标准采用GB/T228-2002，残余应力测试采用钻孔应变释放法，标准采用CB3395-1992。
[0021]实施例1
[0022]壁板材料为7050铝合金，板坯长度为850mm，宽度为240mm，厚度为10mm。目标形面沿所述壁板长度方向弯曲半径为IOOOmm?15000mm连续分布，呈流线形，采用T6时效制度。经470°C固溶120min及水淬后，将板坯固定在成形模具上，覆好真空膜形成真空封闭的成形工装后放入热压罐内。其中模具形面包括大曲率范围:R/t=600/10?0.51 X (70.3 X 103/360) /10，小曲率范围:R/t=0.51 X (73.8 X 103/320)/10 ?15000/10，中间曲率范围:R/t=0.51 X (70.3X 103/360)/10 ?0.51 X (73.8X 103/320)/10。在热压罐提供120°C温度和4Bar压力，使板坯与模具贴合，此时在大曲率部位材料达到屈服极限而发生塑性变形。保持Ih后，罐内压力降至2Bar。此后热压罐内温度继续保持120°C温度持续23h进行蠕变时效。最后，卸除热压罐内的气压并降低温度，板坯回弹后得到所需复杂变曲率整体壁板。
[0023]实施例2
[0024]壁板材料为2124招合金,板还长度为1800mm,宽度为900mm,厚度为8mm。目标形面沿所述壁板长度方向为长短半轴分别为378mm、126mm的椭圆形，宽向平直无弯曲，采用T6时效制度。经490°C固溶120min及水淬后，将板坯固定在成形模具上，覆好真空膜形成真空封闭的成形工装后放入热压罐内。其中模具形面包括大曲率范围:R/t=400/8?
0.43 X (72X 103/330)/8，小曲率范围:R/t=0.43 X (74X 103/300)/8 ?1200/8，中间曲率范围:R/t=0.43X (72X 103/330)/8 ?0.43X (74X 103/300)/8。在热压罐提供 190°C温度和SBar压力，使板坯与模具贴合，此时在椭圆面两端的大曲率部位材料达到屈服极限而发生塑性变形。保持Ih后，罐内压力降至2Bar。此后热压罐内温度继续保持190°C温度持续Ilh进行蠕变时效。最后，卸除热压罐内的气压并降低温度，板坯回弹后得到所需椭圆面整体壁板。
[0025]实施例3
[0026]壁板材料为7475铝合金，板坯长度为1200mm，宽度为600mm。腹板厚度为2mm，腹板一侧设有高18mm、厚3mm的筋条。筋条为矩形截面且呈网格分布，共16个单格，每个单格尺寸均为300mmX150mm。目标形面沿所述壁板宽度方向为单曲率弯曲半径750mm，采用T76时效制度。经470°C固溶90min及水淬后，将板坯固定在成形模具上，覆好真空膜形成真空封闭的成形工装后放入热压罐内。其中模具半径为650mm，属中间曲率范围:R/t=0.15X (70X 103/380)/20 ?0.15X (73X 103/310)/20。在热压罐提供 120°C温度和5Bar压力，使板坯与模具贴合，此时在板坯发生部分塑性变形。保持Ih后，将罐内压力降至3Bar。此后热压罐内温度继续保持120°C温度5h进行蠕变时效，然后升温至175°C保持Sh0最后，卸除热压罐内的气压并降低温度，板坯回弹后得到所需大曲率带筋整体壁板。
[0027]表I本发明实施例壁板成形后材料的室温力学性能、回弹量及残余应力
[0028]测量抗拉强度伸长率残余应力(MPa>
【权利要求】
1.一种基于热压罐的可时效强化铝合金整体壁板一次成型方法，包括以下步骤:首先将铝合金板坯固定在成形模具上，然后真空封闭并置入热压罐内，其特征在于，成型模具的形面包括大曲率范围形面、小曲率范围形面和中间曲率范围形面中的至少两种，板坯在置入热压罐后，对板坯施加铝合金时效所需温度与构件贴模所需压力，板坯发生塑性变形后，保持温度不变，减小压力至蠕变时效所需压力然后保持直至时效结束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，板坯总厚度为I?50mm，板坯类型为无筋结构或带筋结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，成形模具的形面的曲率范围由模具形面曲率相同部位的半径R与相应位置的板材厚度t的比值R/t确定，0〈R/t〈kEt/ο st为大曲率范围，R/t>kEp/ σ sp为小曲率范围，kEt/ σ st〈R/t〈kEp/ σ sp为中间曲率范围，其中，k为与材料及板坯总厚度相关的常数，范围为0.3?0.8 ;Et为拉伸弹性模量，Ep为压缩弹性模量，σ st为材料拉伸屈服强度，Osp为材料压缩屈服强度。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的大曲率范围内的构件部位,材料成形为塑性变形，模具半径范围为0.SR*?R%其中R*为目标半径。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的小曲率范围内的构件部位,材料成形为蠕变成形，模具半径范围为0.2R*?0.5R%其中R*为目标半径。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的小曲率范围内的构件部位,材料成形为蠕变和塑性变形共同作用，模具半径范围为0.5R*?0.8R%其中R*为目标半径。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热压罐内提供的时效温度为100?200。。。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的构件贴模所需压力为5?20Bar，保温时间为0.5?2h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的蠕变时效所需压力为I?5Bar，保温时间为5?30h。
【文档编号】B21D26/031GK103691793SQ201310711973
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】邓运来, 吴波, 蒋裕, 张劲, 王洋, 郭晓斌, 李红萍, 张新明 申请人:中南大学, 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院