一种铝合金后底顶盖构件的成型方法

1.本发明属于铝合金顶盖构件的成型领域，具体涉及一种铝合金后底顶盖构件的成型方法。


背景技术：

2.蠕变时效成型技术是一种为解决航空航天大型复杂整体构件的高性能高精度制造难题应运而生的技术，具有成型精度高、残余应力低、工艺重复性好等优点，该技术已成功应用于飞机机翼上下蒙皮等航空航天结构件的制造中。
3.中部开有大孔、周边开有小翻边孔的大型带凸孔顶盖是航空航天运载火箭燃料贮箱的主体结构构件，该构件的传统成型方法为冲压成型，该方法不仅存在成型精度低、加工周期长等问题，而且因凸孔的翻边工序位于构件主体冲压工序之后，凸孔的翻边成型进一步影响了顶盖构件的整体形状精度，且构件在成型之后会因内部有较大残余应力而影响最终尺寸精度。
4.运载火箭推进剂贮箱包括前底顶盖和后底顶盖等结构件，前底顶盖的曲率和弦高均较小，具有成型与成性协同制造特点的蠕变时效成型技术可较好地实现前底顶盖的一体化成型，而对于后底顶盖，其沿径向方向的剖面线是由两个椭圆曲线衔接而成，曲率变化及弦高均较大，单纯应用蠕变时效成型技术成型后底顶盖时，构件在外力作用下仍无法变形至预定形状，在卸载外力发生回弹行为之后，构件亦难以满足型面精度要求。
5.此外，模具是蠕变时效成型所需的工装，在现有的蠕变时效模具设备技术中，一套模具只能成型某一固定形状尺寸的构件，而无法实现多种规格构件的生产。而不同规格的带凸孔构件所涉及的凸孔数目、尺寸以及位置都有所不同，相应设计一种可成型多种规格构件的蠕变时效成型装置对降低生产成本具有重要意义。
6.因此，为解决上述问题，本领域需要一种新的带凸孔的铝合金后底顶盖构件的成型装置及成型方法。


技术实现要素：

7.为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可实现大型带凸孔的后底顶盖高性能、高精度成型的冲压蠕变复合成型方法。
8.因此，本发明提供一种铝合金后底顶盖构件的成型方法，所述铝合金后底顶盖构件带有一个或多个凸孔，所述方法包括如下步骤：
9.步骤一、下料；
10.步骤二、平板冲压；
11.步骤三、固溶处理；
12.步骤四、蠕变时效成型。
13.在一种具体实施方式中，步骤一中，首先得到构件的平面展开图，然后根据平面展开图的尺寸切取构件坯料；步骤二中，所述平板冲压包括对步骤一中所得的构件坯料进行
局部预成型，即对所述凸孔位置进行预成型，所述凸孔包括顶盖构件中部大孔即中心孔和周围翻边孔即周边孔；步骤三中，所述固溶处理包括步骤二中的预成型构件在固溶炉中升温并保温一段时间后快速冷却，且构件从固溶炉中转移至冷却装置中的转移时间为30s之内，固溶处理的高温下可使得第二相充分溶解到固溶体中。
14.在一种具体实施方式中，步骤四中，所述蠕变时效成型包括如下多个步骤：
15.步骤b、板材定位放置：将已经完成固溶处理的开有中心孔和周边孔的铝合金板料放置在模具型面上，使得铝合金板料的中心孔的中心点与模具主体的中心点在同一竖直线上，而铝合金板料的周边孔在模具型面上的投影落在模具主体中心点与模具凹孔中心点的连线上；
16.步骤c、施加外载荷：利用真空加载或者机械加载的方法，将铝合金板料逐渐贴合模具型面，并使铝合金板料的周边孔即构件凸孔落入模具凹孔中；
17.步骤d、蠕变时效：将铝合金顶盖构件原材料以及模具一起置于热压罐中，在一定的温度、压力和时间下铝合金材料发生塑性流动；
18.步骤e、卸去外载荷：卸去外载荷使得铝合金顶盖构件回弹，获得符合目标型面精度的带凸孔的铝合金顶盖构件。
19.在一种具体实施方式中，步骤四中，所述蠕变时效成型包括使用一种带凸孔的铝合金顶盖构件的成型装置，所述成型装置包括模具主体(1)、镶嵌环(4)和吊耳螺栓(6)，所述模具主体(1)包括向下凹进的模具主体成型面(11)、设置在所述模具主体成型面(11)外围的顶板(12)、定位部件a(15)、环形槽(16)以及用于支撑模具主体成型面(11)和顶板(12)的支撑结构，所述环形槽(16)自模具主体成型面(11)的上表面向下凹进设置，且所述环形槽(16)用于所述镶嵌环(4)镶嵌设置在其中，所述定位部件a(15)设置为在环形槽的内环或外环上至少某个位置径向凸出或者凹进的结构以用于对镶嵌环(4)定位，所述镶嵌环(4)包括镶嵌环成型面(41)、与所述铝合金顶盖构件的凸孔匹配的一个或多个凹孔(42)、设置在镶嵌环(4)的内环或外环上至少某个位置且径向凹进或者凸出以用于与所述定位部件a(15)匹配定位的定位部件b(43)以及设置在镶嵌环成型面(41)上且用于拧入吊耳螺栓(6)的第一螺纹孔(44)；至少包括所述模具主体成型面(11)和镶嵌环成型面(41)共同构成该成型装置的模具型面(3)；且步骤四中所述成型方法还包括步骤b之前的步骤a；
20.步骤a、更换或确定镶嵌环：根据目标构件型号，即根据目标构件所带凸孔的数目、尺寸和位置相应更换或确定正确的镶嵌环。
21.在一种具体实施方式中，所述定位部件a(15)为定位块，且定位块设置在环形槽(16)下部以用于对镶嵌环(4)定位，所述定位部件b(43)为定位槽，且定位槽设置在镶嵌环(4)下部以用于与所述定位块匹配定位；优选所述定位块(15)为v型定位块，且所述定位槽(43)为v型定位槽；所述第一螺纹孔(44)为三个以上，且周向均匀分散在所述镶嵌环(4)上，优选每个螺孔设置为与镶嵌环的内环和外环的距离相等。
22.在一种具体实施方式中，所述环形槽(16)为设置在模具主体上的沉槽结构，所述凹孔(42)为设置在镶嵌环(4)上的通孔结构；所述模具主体(1)与镶嵌环(4)之间存在间隙，且配合制度为间隙配合，优选配合间隙小于1mm；所述支撑结构包括竖向设置在模具主体周边位置的侧板(13)和用于连接各侧板的卡板(18)，在侧板和卡板上设置有用于减轻模具重量的镂空孔(20)；优选所述定位部件a(15)为设置在环形槽(16)周向不同位置的两个以上，
所述定位部件b(43)为设置在镶嵌环(4)周向不同位置的两个以上，优选多个定位部件a(15)和多个定位部件b(43)均周向均匀设置。
23.在一种具体实施方式中，所述成型装置还包括与一个或多个凹孔(42)匹配设置的镶块(2)，且至少在一个凹孔的某个位置径向凸出或者凹进设置有定位部件c(45)，所述镶块(2)包括镶块成型面(21)、设置在镶块的某个位置径向凹进或者凸出且用于与所述定位部件c(45)匹配定位的定位部件d(22)、设置在镶块成型面(21)上且用于拧入吊耳螺栓(6)的第二螺纹孔(23)；所述模具主体成型面(11)、镶嵌环成型面(41)以及部分镶块的镶块成型面(21)共同构成该成型装置的模具型面(3)；优选所述定位部件c(45)为v型块，所述v型块设置在凹孔的下部位置，所述定位部件d(22)为v型槽，所述v型槽设置在镶块的下部位置；优选所述第二螺纹孔(23)设置在镶块成型面(21)的正中央，所述定位部件c(45)为设置在凹孔周向不同位置的两个以上，所述定位部件d(22)为设置在镶块周向不同位置的两个以上，优选多个定位部件c(45)和多个定位部件d(22)均周向均匀设置；所述镶嵌环(4)的凹孔(42)处还设置有与铝合金顶盖构件凸孔的圆弧过渡角匹配的成型圆角(46)，且所述镶块(2)的侧面与镶块成型面(21)之间开设有与所述成型圆角(46)匹配的镶块圆角(24)；优选在步骤a之前还包括通过计算机仿真模拟而设计出与目标铝合金顶盖构件匹配的模具。
24.在一种具体实施方式中，模具设计包括首先使用计算机进行构件成型有限元仿真及模具型面回弹补偿得到最终模具型面，然后对目标铝合金顶盖构件和模具型面进行平面展开，得到构件和模具型面的平面展开图，凹孔或镶块的中心点位置即为带凸孔构件展开后凸孔中心点的位置；且根据铝合金顶盖构件的凸孔的直径大小，确定镶嵌环的宽度。
25.在一种具体实施方式中，根据铝合金顶盖构件的型号，使一个镶嵌环上尽可能多地开设凹孔，成型时部分数量的凹孔填充镶块，以实现同一个镶嵌环能成型尽可能多的不同型号的带凸孔构件。
26.在一种具体实施方式中，步骤a中，还包括更换或确定镶块，即根据目标构件所带凸孔的数目、尺寸和位置相应更换或确定正确的镶嵌环和镶块，使得模具上未被镶块填充的凹孔的数量、尺寸及位置与目标铝合金顶盖构件的凸孔一致；步骤d中，通过控制包括温度、压力及时间在内的蠕变时效工艺参数来实现不同厚度的带凸孔顶盖构件的成型。
27.与现有技术相比，本发明至少具有以下效果：
28.1)本发明应用冲压与蠕变时效成型相结合的复合工艺成型带凸孔的后底顶盖，不仅解决了冲压工艺所存在的成型精度低等问题，也克服了蠕变时效工艺对大曲率构件难成型的不足。该发明具有成型精度高，工艺重复性好，残余应力低，尺寸稳定性好等优点。
29.2)以此同时，本发明充分利用不同热处理态的材料特性，分步实现局部与整体成型，并利用热处理工艺同步强化性能，实现带凸孔后底顶盖高效形性一体化制造，缩短了制造周期。
30.3)本发明的一种蠕变时效成型装置，采用模块化蠕变时效成型模具，根据构件所带凸孔的尺寸和位置情况相应更换模具镶嵌环及调整镶块，并通过调节蠕变时效的工艺参数，实现不同型号顶盖构件的成型，提高了凸孔成型的灵活性，解决了蠕变成型模具对不同凸孔特征的兼容性问题，即一套蠕变成型模具可实现不同结构特征件的成型，大幅降低了生产成本。经过本发明所述成型方法制备得到的铝合金后底顶盖构件形状尺寸精度高、加工周期短、生产成本低。
附图说明
31.除了上面所描述的目的、特征和优点外，本发明还有其他目的、特征和优点，下面将参照图，对本发明进一步详细说明。
32.图1为一种铝合金后底顶盖构件的蠕变时效成型装置示意图；
33.图2为另一种状态的蠕变时效成型装置示意图；
34.图3为蠕变时效成型装置爆炸图；
35.图4为蠕变时效成型装置剖视图；
36.图5为模具主体的结构示意图；
37.图6为镶块示意图；
38.图7为镶嵌环示意图；
39.图8为一种铝合金后底顶盖构件的蠕变时效成型装置三维仿真图；
40.图9为一种铝合金后底顶盖构件的蠕变时效成型装置实物图；
41.图10为使用本发明所述装置成型得到的一种铝合金后底顶盖构件的实物效果图；
42.图11为本发明所述铝合金后底顶盖构件的成型方法的流程图；
43.图12为本发明所述铝合金后底顶盖构件的板材成型前坯料图；
44.图13为图12所述构件平板冲压后的示意图；
45.图14为图13所述构件蠕变时效成型后的示意图。
46.其中，1
‑
模具主体；2
‑
镶块；3
‑
模具型面；4
‑
镶嵌环；6
‑
吊耳螺栓；11
‑
模具主体成型面；12
‑
顶板；13
‑
侧板；14
‑
垫块；15
‑
定位部件a；16
‑
环形槽；17
‑
定位柱；18
‑
卡板；19
‑
底板；20
‑
镂空孔；21
‑
镶块成型面；22
‑
定位部件d；23
‑
第二螺纹孔；24
‑
镶块圆角；41
‑
镶嵌环成型面；42
‑
凹孔；43
‑
定位部件b；44
‑
第一螺纹孔；45
‑
定位部件c；46
‑
成型圆角；2.1
‑
第一镶块；2.2
‑
第二镶块；2.3
‑
第三镶块。
具体实施方式
47.构成本发明申请的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
48.见图11～14，本发明提供一种铝合金后底顶盖构件的成型方法，其流程图如图11所示。本发明实施例所涉及的来料为o态2219铝合金。
49.所述成型方法包括如下步骤：
50.步骤一、下料：首先得到目标铝合金顶盖构件的平面展开图，然后根据平面展开尺寸用水切割设备切取如图12所示的构件坯料；
51.步骤二、平板冲压：平板冲压是将步骤一中所得构件坯料进行局部预成型，其中包括顶盖构件中部大孔的局部成型和周围翻边孔的翻边成型。首先以坯料周边三个孔作为定位孔，拉深构件中部大孔，然后以拉深后的构件中部孔进行定位，对周边三个孔进行翻边成型。平板冲压后构件示意图如图13所示。
52.步骤三、固溶处理：固溶处理的目的是使第二相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体，为后续的蠕变时效成型做准备。固溶处理试验所使用的设备为辊底式固溶炉，工艺参数为：在535℃温度下保温70分钟，然后立刻进行水冷，构件从固溶炉转移到水冷装置中的转移时间小于30s。
53.步骤四、蠕变时效成型：为获得具有目标型面精度的带凸孔后底顶盖构件，对固溶处理后的构件进行蠕变时效成型。蠕变时效成型的步骤如下所述：
54.步骤b、板材定位放置。将开有中心孔和周边孔的铝合金板料放置在模具型面上，使得铝合金板料的中心孔的中心点与模具主体的中心点在同一竖直线上，而铝合金板料的周边孔在模具型面上的投影落在模具主体中心点与模具凹孔中心点的连线上；
55.步骤c、真空加载。用透气毡将构件整体包裹，用真空袋覆盖在模具表面，密封完成后抽尽袋内空气并保压10分钟，此时，构件逐渐贴合模具型面。
56.步骤d、蠕变时效。将构件及其工装推进热压罐中，并在构件及工装上布置热电偶以检测成型过程中各区域温度情况。采用的蠕变时效成型工艺为：保持热压罐内气压为2mpa，时效温度为170℃，保温时间12h。
57.步骤e、卸去外载荷，出罐整理。时效成型完成后，取出试验构件及其工装，去除真空袋，卸载真空压力。
58.蠕变时效成型后构件示意图如图14所示。
59.此外，本发明还提供如上所述成型方法第四步中的成型装置。
60.参见图1至图4，本发明提供的用于蠕变时效成型的装置，包括括模具主体1、嵌在模具主体环形槽内的镶嵌环4、镶在镶嵌环中的镶块2以及吊耳螺栓6。
61.参见图5至图7，所述模具主体包括模具主体成型面11、设置在所述模具主体成型面外围的顶板12、位于所述模具主体周边的侧板13、连接所述侧板的卡板18、所述模具主体底部的底板19、设置在底板下的增大底板传热面积、提高通风速率的垫块14，在模具主体成型面内开设有环形槽16和在环形槽内部有两个对称分布起定位作用的定位块15，在所述的顶板上方焊接设置有两个相互对称的定位柱17；所述的镶嵌环包括镶嵌环成型面41、开设在所述镶嵌环内的通孔、四个直径相同、均匀分布且与镶嵌环内外直径的距离相等的螺纹孔、以及设置在所述通孔内部的v型块；所述镶块包括镶块成型面21、位于镶块底部的两个均匀对称的v型槽、设置于镶块中心位置的螺纹孔23，以及位于镶块侧面与成型面之间的具有过渡作用的镶块圆角24。
62.所述的模具主体1与镶嵌环4、镶块2为分离式部件，镶嵌环4放置于模具主体中的环形槽16内，而镶块则是嵌入镶嵌环内的通孔中。所述的模具主体成型面11与镶嵌环成型面41及镶块成型面21组成了模具型面3。
63.在本实施例中，镶块2和镶嵌环4的位置是根据构件凸孔位置和大小而确定的，由顶盖构件和模具型面进行平面展开计算，得到镶块中心点距离模具中心位置的距离为400
‑
450mm，镶嵌环宽度为220
‑
260mm。模具主体1与镶嵌环4之间为间隙配合，镶嵌环外圆与模具主体是基孔制配合，镶嵌环内圆与模具主体的配合是基轴制配合，且两者间隙小于1mm。
64.参见图4，为实现模具传热均匀，并减轻模具重量，降低模具制造成本，在侧板、卡板、底板都开有多个通风孔，且侧板通风孔的总面积大于侧板总面积的60％，卡板通风孔的总面积大于卡板总面积的30％，底板通风孔的总面积大于底板总面积的65％。
65.参见图7，在镶嵌环4底部设置有两个与定位块15相匹配的定位槽，在凹孔42的顶部设置有四个半径与构件凸孔的过渡圆角半径相等的成型圆角46，并在镶嵌环底部开有倒角，以方便在安放镶嵌环时，镶嵌环可以顺利进入环形槽中，以提高镶嵌环的安放速度，倒角大小为c5。
66.本实施例中，利用真空加载的方法成型大型带凸孔顶盖构件，具体步骤如下：
67.步骤a、更换模块：用吊耳螺栓拧入如图1所示的镶块2.1中的螺纹孔，并使用外起吊力作用于吊耳螺栓将镶块2.1取走，保留图1所示的镶块2.2和镶块2.3，亦保留镶嵌环4，并将图1中所有的吊耳螺栓取走，得到如图2所示的有两个模具凹孔的蠕变时效成型模具。
68.步骤b、板材放置：将中部开有大孔，周边开有两个小孔的圆形板料放置在模具型面，调节板材与模具的相对位置，使板材中部大孔中心点与模具主体中心点在水平面的投影重合，并使周边两个小孔在模具型面上的投影落在模具主体中心点与模具凹孔中心点连线上。
69.步骤c、施加外载荷：用透气毡将构件整体包裹，用真空袋覆盖在模具表面，密封完成后抽尽袋内空气并保压5
‑
20分钟，此时，构件逐渐贴合模具型面，构件凸孔落入模具凹孔中。
70.步骤d、蠕变时效阶段：将构件及其工装推进热压罐中，并在构件及工装上布置热电偶以检测成型过程中各区域温度情况。采用的蠕变时效成型工艺为：保持罐内气压为1.5
‑
2mpa，时效温度为150
‑
180℃，保温时间8
‑
13h。
71.步骤e、卸载阶段：蠕变时效阶段结束后，取出试验构件及其工装，去除真空袋，卸载真空压力，构件发生回弹，获得符合目标型面精度的带凸孔顶盖构件。
72.本实施例所得的大型带凸孔顶盖构件的实物图如图10所示。
73.本发明中，因所述第一螺纹孔和第二螺纹孔的尺寸小，在蠕变时效成型时该螺纹孔的存在并不会影响铝合金顶盖构件的成型精度，相应的所述吊耳螺栓例如都选用m12螺栓，即螺栓的直径为12mm。
74.本发明中，镶嵌环与镶块均可根据目标构件所带凸孔的数目、尺寸以及位置而相应更换。
75.优选的，所述模具主体与镶嵌环之间为间隙配合，并保证两者间隙小于1mm，以确保镶嵌环更换方便，且不影响构件的成型精度。
76.优选的，所述的镶嵌环内部开有四个直径相同、均匀分布的螺纹孔，且螺纹孔与镶嵌环内外直径的距离相等；在所述镶块中心位置亦设置有螺纹孔，螺纹孔的作用是连接所述的吊耳螺栓，在更换镶嵌环或者镶块时，外起吊力首先作用于吊耳螺栓，吊耳螺栓再作用于镶嵌环与镶块，以实现方便更换的作用。
77.优选的，在所述环形槽内设置有两个对称的定位块，在所述镶嵌环底部设置有相对应的定位槽，定位块与定位槽相匹配，用于实现镶嵌环在安放过程中的定位，并防止镶嵌环在使用过程中在外载荷的作用下发生运动，以避免造成构件的型面精度和凸孔位置精度误差。
78.优选的，所述凹孔的顶部设置有成型圆角，在凹孔处未安放镶块时，该凹孔便是模具凹孔，以容纳构件凸孔，而构件凸孔与构件型面的过渡处是以一定圆角过渡，为实现构件凸孔的成型精度，所述成型圆角的半径与构件凸孔的过渡圆角半径相等。
79.优选的，所述的凹孔内设置有对称的两个v型块，在所述的镶块底部开有与所述v型块相匹配的v型槽，以实现镶块定位准确，并防止在蠕变时效成型过程中镶块发生旋转运动。
80.优选的，所述镶嵌环底部开有倒角，以方便在安放镶嵌环时，镶嵌环可以顺利进入
环形槽中，以提高镶嵌环的安放速度。
81.优选的，在所述的侧板、卡板、底板都开有通风孔，以实现模具传热均匀，并减轻模具重量，降低模具制造成本。
82.优选的，在所述的镶块的侧面与镶块成型面之间开设了镶块圆角，圆角的大小与所述镶嵌环中成型圆角大小一致，亦等于对应所需成型的构件凸孔的过渡圆角半径。
83.优选的，在所述的底板下侧设置有垫块，以增大模具底板与空气的接触面积，提升模具传热与通风速率，增大模具热分布均匀性，提高构件成型精度。
84.本发明首先通过将镶嵌环(4)镶嵌设置在环形槽(16)中，使得不同的镶嵌环(4)可以对应成型不同的铝合金顶盖构件。进一步地，本发明还在镶嵌环(4)上开设多个凹孔(42)，以及设置与凹孔(42)匹配的镶块(2)，使得本发明所述成型装置中每一块镶嵌环(4)可以对应成型多个不同的铝合金顶盖构件；因而成型模具的成本节约度得到进一步的提高。因为运载火箭是由多级火箭组成的运载航天工具，而每一级火箭具有型号不同的推进剂贮箱，每一个推进剂贮箱都含有前底顶盖和后底顶盖，而不同型号的前底顶盖和后底顶盖上的凸孔数量、位置、尺寸、构件厚度等参数不尽相同，因而每套铝合金顶盖构件对应一套成型模具时会导致模具成本过高，进而导致铝合金顶盖构件成型的成本过高。因此本发明中提供的成型装置可以适应不同的带凸孔的铝合金顶盖构件的成型，因而显著节约成型成本。
85.此外，本发明通过对模具的计算机仿真模拟设计而解决了构件凸孔的位置精度问题。
86.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。