CN114770048A - 大型合金铝板的一次拉延热成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型合金铝板的一次拉延热成型方法，包括步骤：确定板料和成型模面；输入到CAE软件中，设置放大系数并仿真；根据CAE仿真结果制造拉延成型模具；布设加热炉、冲压机床，将拉延成型模装配在热成型冲压机床上；根据板料确定加热炉目标温度、加热至目标温度的最短时间、转移至拉延成型模具的转移时间；按最短时间、目标温度对板料加热，并在转移时间内转移至拉延成型模具；冲压、保压、激光切割。本发明适用于大型、深拉延、型面复杂的零件加工，工艺简单，仅需一次拉延热成型工序，无需设计多套模具，节省了冲压次数，减少了设备、场地、人员投入成本，能广泛应用于汽车制造、航空、轨道交通等领域，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝热成型方法，尤其涉及一种大型合金铝板的一次拉延热成型方法。
背景技术
目前的铝板成型工艺，分为铝板冷成型工艺和铝板热成型工艺。板冷成型成形性差，控制板件变薄率最大20%已是极限，超过这个范围产品将产生破裂等成型问题。另外由于产品因工艺或造型需求原因，导致产品设计时有些小R角。而这些小R角，如果采用铝冷冲压成型，往往是易开裂的区域。针对这种情况，要么更改造型，但于外观相关的造型一旦变更，可能就会丧失产品卖点从而造成产品厂家失去竞争力；要么放宽质量要求，造成后期质量控制难以控制，并为正常生产埋下隐患；要么将一个零件拆分成多个零件，模具、冲压、焊接等工序费用都相应增加，拉高了造车成本。
另外由于铝板的弹性模量是钢板的三分之一，导致铝冷成型回弹量难以控制。在进行产品加工时，目前使用较多的手段是形状尽可能在要在拉延工艺中完成，但形状也受制于铝板成型性，即使将产品回弹进行质量提升到要求范围，过程中投入的费用也是相当高昂的。根据目前市场行情，同一铝板生产商其铝板冷成型价格是高于铝热成型板材的，冷热铝板价格差异基本在1万元/ton。冷成型铝板都不同于钢,它有其极限保存时期，以6000系列的铝6111T4为例：新置材料的屈服强度=130Mpa，存放6个月后的屈服强度=165Mpa，如果存放时间超过6个月，6000系列铝材料将过硬以至于不能成形。公司原材料采购将面临严重挑战，采购量不足将面临断供风险。多采购原材料进行备库，一旦超过时限，不能使用会造成批量报废，为公司造成重大经济损失。
铝热成型技术，其成型方式包含拉延、上下模局部带压料板硬成型方式，而铝合金一次拉延热成型，是专指铝合金热成型方式中的拉延工艺。对于铝热成型技术加工的零件，其材料延伸率、拉伸性都更好，故对于一些大型的、深的零件，要选用铝热成型技术。铝热成型技术制造的零件，具有良好的吸震性能，可提高碰撞时的安全性，又由于其密度小整体质量小，碰撞时候产生的动能也会减少，冲击力也会相应降低，又因为经铝热成型技术形成的板材，同时兼具深冲钢板的力学性能和冲压成型性能，其冲压成型性能已基本接近或在某些方面超过了钢板。故具有广泛的应用前景，例如在汽车轻量化发展的趋势下，铝热成型技术形成的板材能应用于汽车行业。除此之外，还能应用在航空，轨道交通等行业中。
目前铝热成型技术制造的零件，其中一次拉延工艺加工的零件，成型前板料的展开尺寸为1500mm长，820mm宽，成型后的品尺寸为1100mm长、710mm宽、80mm深。但对于一些如汽车门内板这种大型、深拉延、型面复杂的零件，则无法通过铝合金一次拉延热成型工艺实现，故目前铝热成型技术无法满足一些特定需求的零件加工。
关于可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金，主要是通过板料是否具有热处理强化效果来选择的，在板料的相图中，一部分板料为单向固溶体，其不会随着温度变化而产生组织变化，称之为不可热处理强化铝合金，如1、3、4、5系铝合金。还有一部分固溶体的溶解度随温度变化而变化，可以进行热处理强化，我们称之为可热处理强化铝合金，如2、6、7系铝合金。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，适用于大型、深拉延零件加工的，大型合金铝板的一次拉延热成型方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种大型合金铝板的一次拉延热成型方法，包括以下步骤；
（1）根据成品材质选择板料、根据成品型面设计工艺补充面，并根据成品型面和工艺补充面设计拉延成型模具的成型模面，所述板料为可热处理强化铝合金，厚度为1mm-5mm，型面深度≤250mm；
（2）将板料、成型模面输入到CAE软件中，在CAE软件中设置放大系数为1.001-1.0019，根据一次拉延热成型流程进行CAE仿真模拟；
（3）对成型模面、放大系数、及CAE内置参数进行调整，直至得到能加工出合格成品的成型模面，作为最优模面，确定最优模面对应的放大系数，根据最优模面及其对应的放大系数，对最优模面进行放大，并根据放大后的最优模面制造拉延成型模具；
（4）按加工顺序布设加热炉、冲压机床，并将拉延成型模装配在热成型冲压机床上；
（5）获取板料在加热炉中成形性随温度变化的曲线，确定板料达到最佳成形性时的温度，并以该温度为中心确定一温度范围作为成型温度窗口，预设板料的从加热炉转移至拉延成型模具中的转移时间为19-35s，根据成型温度窗口和转移时间确定加热炉的目标温度，所述目标温度能使板料从加热炉转移至拉延成型模具中刚好达到成型温度窗口，获取加热炉将板料加热至目标温度的最短时间；
（6）按最短时间、目标温度对板料进行加热，再在转移时间内将板料转移至拉延成型模具；
（7）设置冲压机床的冲压速度为400-450mm/s，完成冲压；
（8）保压，保压时间为40s-50s，保压压力为800ton-820ton，得到拉延工序件；
（9）激光切割掉工艺补充面，得到成品。
作为优选：步骤（1）中，所述成型模面包括成品所有型面特征，和翻边、翻孔、定位凸包对应的型面特征。
作为优选：步骤（3）中，对成型模面进行调整具体为：调整工艺补充面的形状、板料尺寸、板料外形、拉延筋的高度、拉延筋的位置、或压边圈的顶出高度，CAE内置参数包括：转移时间、冲压速度、或拉延成型模具的温度。
作为优选：步骤（4）还包括，在拉延成型模的润滑区域涂抹润滑剂，具体为，设置一减薄阈值，分析步骤（3）中的合格成品，若合格成品有区域变薄且变薄值大于等于减薄阈值，则该区域为减薄区，拉延成型模上对应减薄区的位置为润滑区域。
作为优选：步骤（5）中对温度的测量采用温度传感器，在板料上均匀选择数个点位布设温度传感器，且每个温度传感器均达到一温度值时，判断板料整体达到该温度值。值得注意的是，该步骤只在前期试制阶段采用，其作用主要在于验证板料加热到目标温度的准确时间、即后期生产时板料的加热时间。以及验证在加热时间内，板料温度均匀性是否满足要求。量产时采用集成于自动化系统的点位设备对出炉，搬运和压制时板料温度进行实时监控。
作为优选：所述拉延成型模具上设有循环冷却水道，保压时，采用循环冷却水道对拉延工序件淬火。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）提出了一种铝合金一次拉延热成型工艺的新方法，尤其适用于大型、深拉延、型面复杂的零件加工，且加工工艺简单，以汽车门内板为例，现有技术中的工序多为4序，分别为：拉延、修边和冲孔、翻边整形、修边冲孔侧冲孔，但本发明由于可以加工复杂且较深的型面，故在型面设计时，就把翻边、翻孔、定位凸包等所有型面特征均设计在拉延成型模具上一次加工，仅通过一次工序----拉延热成型，再激光切割掉废料区域即可。无需设计多套模具，减少了模具的套数、节省了冲压次数，减少了设备、场地、人员投入成本，大大降低了生产成本，为企业提高了在市场经济中的竞争力。
（2）本发明已实施完成的产品尺寸长1200mm，宽1100mm，深250mm，成型前板料展开尺寸达到1600×1550mm。且基于本发明方法，铝热成型所使用的板料不要求使用预先回火处理的材料，也不引入额外供应链环节，节约了原材料采购成本，并且不存在时限问题，可集中采购从而降低成本。
（3）以本发明工艺加工的铝合金车身为例，铝合金材料与钢材料相比能够节约40%重量，且由于其铝热成型良好的成型性，也让多个零部件集成得以实现，减少汽车总成数量，从而使模具与冲压件成本节约一般超20%。因为本发明冲压工艺过程包含有加热、及淬火冷却保压工艺，所以产品几乎无回弹，使得产品尺寸精度精准控制在首次得以实现，节约了模具开发整改过程中反复改模的成本。
（4）铝热成型所使用的原材料材质及成型过程中的工艺保证，使得产品在生产完成后任能保持韧性，从而使产品的屈服强度达到130Mpa,抗拉强度达到205Mpa,断后延伸率最高可达到30%。所以，能广泛应用于汽车制造、航空、轨道交通等领域，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为板料加热时成形性随温度变化的曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1和图2，一种大型合金铝板的一次拉延热成型方法，包括以下步骤；
（1）根据成品材质选择板料、根据成品型面设计工艺补充面，并根据成品型面和工艺补充面设计拉延成型模具的成型模面，所述板料为可热处理强化铝合金，厚度为1mm-5mm，型面深度≤250mm；
（2）将板料、成型模面输入到CAE软件中，在CAE软件中设置放大系数为1.001-1.0019，根据一次拉延热成型流程进行CAE仿真模拟；
（3）对成型模面、放大系数、及CAE内置参数进行调整，直至得到能加工出合格成品的成型模面，作为最优模面，确定最优模面对应的放大系数，根据最优模面及其对应的放大系数，对最优模面进行放大，并根据放大后的最优模面制造拉延成型模具；
（4）按加工顺序布设加热炉、冲压机床，并将拉延成型模装配在热成型冲压机床上；
（5）获取板料在加热炉中成形性随温度变化的曲线，确定板料达到最佳成形性时的温度，并以该温度为中心确定一温度范围作为成型温度窗口，预设板料的从加热炉转移至拉延成型模具中的转移时间为19-35s，根据成型温度窗口和转移时间确定加热炉的目标温度，所述目标温度能使板料从加热炉转移至拉延成型模具中刚好达到成型温度窗口，获取加热炉将板料加热至目标温度的最短时间；
（6）按最短时间、目标温度对板料进行加热，再在转移时间内将板料转移至拉延成型模具；
（7）设置冲压机床的冲压速度为400-450mm/s，完成冲压；
（8）保压，保压时间为40s-50s，保压压力为800ton-820ton，得到拉延工序件；
（9）激光切割掉工艺补充面，得到成品。
具体的，在步骤（1）中：
成品型面：就是成品最终保留的型面特征。
工艺补充面：最终不会保留到产品上，但为了给覆盖件创造个良好的拉深条件，需要将覆盖件上的窗口填平，开口部分连接成封闭形状，有凸缘的部分需要平顺改造使之成为有利成形的压料面，无凸缘的部分需要增补压料面，这些增添的部分称为工艺补充部分。压料面：是工艺补充面中的一个重要组成部分，即凹模圆角半径以外的部分。其主要通过压边圈将拉延坯料压紧在凹模压料面上，以保证凸模对拉伸坯料有良好的拉伸作用。
成品型面和工艺补充面构成了成型模面，所述成型模面包括成品所有型面特征，和翻边、翻孔、定位凸包对应的型面特征。这是因为，基于本发明的方法，只需要一次拉延成型工艺，就可以实现大型、深拉延零件的加工，所以能一次性完成较多复杂的型面特征，无需多次工序，可以将所有型面特征全部设计出来，一次加工完成。
步骤（3）中，对成型模面进行调整具体为：调整工艺补充面的形状、板料尺寸、板料外形、拉延筋的高度、拉延筋的位置、或压边圈的顶出高度，CAE内置参数包括：转移时间、冲压速度、或拉延成型模具的温度。CAE内置参数较多，此处仅罗列部分但不局限于此。
步骤（4）还包括，在拉延成型模的润滑区域涂抹润滑剂，具体为，设置一减薄阈值，分析步骤（3）中的合格成品，若合格成品有区域变薄且变薄值大于等于减薄阈值，则该区域为减薄区，拉延成型模上对应减薄区的位置为润滑区域。这一步的目的是避免加工时，减薄区发生变形、撕裂、起皱等缺陷，能有效提升产品的合格率。
步骤（5）中对温度的测量采用温度传感器，在板料上均匀选择数个点位布设温度传感器，且每个温度传感器均达到一温度值时，判断板料整体达到该温度值。这是为了适用于不同的加热炉，加热炉形状、体积的不同，或出现个体差异，由于本发明对温度的准确度要求高，故需要布设温度传感器对板料的实际温度进行监控。
所述拉延成型模具上设有循环冷却水道，保压时，采用循环冷却水道对拉延工序件淬火。通过保压及模具内部冷却水循环流动共同作用，可消除产品内部应力，减少产品回弹，从而使产品变形量及尺寸大小在质量允许范围内。循环冷却水道可以是单循环冷却水道或双循环冷却水道。
实施例2：参见图1和图2，铝合金热成型技术将成为未来汽车零部件的发展方向，在实施例1的基础上，我们以加工一个汽车门内板零件为例，具体方法流程如下：
（1）根据成品材质选择板料、根据成品型面设计工艺补充面，并根据成品型面和工艺补充面设计拉延成型模具的成型模面，本实施例加工的汽车门内板，采用6系合金铝板，尺寸为1593mm×1520mm，厚度为1.2mm，需加工的型面深度达240mm，且这里的成品型面不仅包括成品所有型面特征，还包括现有技术中后续工艺对应的翻边、翻孔、定位凸包对应的型面特征；
（2）同实施例1步骤（2）；
（3）同实施例1步骤（3）；
（4）按加工顺序布设加热炉、冲压机床，并将拉延成型模装配在热成型冲压机床上；
（5）获取板料在加热炉中成形性随温度变化的曲线，确定板料达到最佳成形性时的温度，从图2中可以看出，6系合金铝板的成形性在前期随着温度的提升快速变大，后期随着温度的提升，其变形性几乎不改变，这个拐点可以看做是达到最佳成形性时的温度，通过此温度划定一成型温度窗口；本实施例中，6系合金铝板的成型温度窗口为480-530℃；
预设板料的从加热炉转移至拉延成型模具中的转移时间为19-35s，根据成型温度窗口和转移时间确定加热炉的目标温度，所述目标温度能使板料从加热炉转移至拉延成型模具中刚好达到成型温度窗口，本实施例中根据实际现场环境多次实验得到加热炉的目标温度为450℃-580℃，再获取加热炉将板料加热至目标温度的最短时间；
（6）按最短时间、目标温度对板料进行加热，再在转移时间19-35s内将板料转移至拉延成型模具；
（7）设置冲压机床的冲压速度为400-450mm/s，完成冲压；在本实施例中，冲压机床的滑块行程为2050 mm，在00-450mm/s的冲压速度下，即使不同的零件，我们也能在4-5/s时间完成冲压，从而保证产品质量；
（8）保压，保压时间为40s-50s，保压压力为800ton-820ton，得到拉延工序件；
（9）激光切割掉工艺补充面，得到成品。
基于本发明加工的汽车门内板，产品合格率达到95%，屈服强度达到130Mpa,产品抗拉强度达到205Mpa,断后延伸率最高可达到30%，远远高于冷成型铝板断后延伸率20%。
实施例3：参见图1和图2，在实施例2的基础上，加工同样一个汽车门内板零件，但是选用7系合金铝板。7系合金铝板的成型温度窗口为400-440℃，则根据该温度确定加热炉的目标温度。实验测试发现，7系合金铝板在加热炉中成形性随温度变化的曲线更接近抛物线，参见图2；所以对加热炉的目标温度要求更准确，实际加热时为避免过热造成成形性下降，可根据实际情况将加热炉的加热过程分为前后两段，前段正常加热，在接近目标温度时，采用逐渐降低加热温度的方式，精确控制加热炉内的目标温度。
其余与实施例2相同。另，其他系列的可热处理强化铝合金，加工方法与实施例2、3相同。
本实施例将本发明工艺应用于汽车门内板零件的加工，加工的工艺简单、尺寸大、深度大、型面复杂，能完全填补该项技术在汽车行业的空白，并将在很长一段时间引领该项技术的发展。且本发明所述方法，不仅局限于实施例1-实施例3中所述的领域，在航空、轨道交通行业，涉及到采用可热处理强化铝合金、厚度为1mm-5mm，型面深度≤250mm的零件，均可应用本发明方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，包含并不局限于如采用上下带压料板硬成型方式的铝热成型冲压，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种大型合金铝板的一次拉延热成型方法，其特征在于：包括以下步骤；
（1）根据成品材质选择板料、根据成品型面设计工艺补充面，并根据成品型面和工艺补充面设计拉延成型模具的成型模面，所述板料为可热处理强化铝合金，厚度为1mm-5mm，型面深度≤250mm；
（2）将板料、成型模面输入到CAE软件中，在CAE软件中设置放大系数为1.001-1.0019，根据一次拉延热成型流程进行CAE仿真模拟；
（3）对成型模面、放大系数、及CAE内置参数进行调整，直至得到能加工出合格成品的成型模面，作为最优模面，确定最优模面对应的放大系数，根据最优模面及其对应的放大系数，对最优模面进行放大，并根据放大后的最优模面制造拉延成型模具；
（4）按加工顺序布设加热炉、冲压机床，并将拉延成型模装配在热成型冲压机床上；
（5）获取板料在加热炉中成形性随温度变化的曲线，确定板料达到最佳成形性时的温度，并以该温度为中心确定一温度范围作为成型温度窗口，预设板料的从加热炉转移至拉延成型模具中的转移时间为19-35s，根据成型温度窗口和转移时间确定加热炉的目标温度，所述目标温度能使板料从加热炉转移至拉延成型模具中刚好达到成型温度窗口，获取加热炉将板料加热至目标温度的最短时间；
（6）按最短时间、目标温度对板料进行加热，再在转移时间内将板料转移至拉延成型模具；
（7）设置冲压机床的冲压速度为400-450mm/s，完成冲压；
（8）保压，保压时间为40s-50s，保压压力为800ton-820ton，得到拉延工序件；
（9）激光切割掉工艺补充面，得到成品。
2.根据权利要求1所述的大型合金铝板的一次拉延热成型方法，其特征在于：步骤（1）中，所述成型模面包括成品所有型面特征，和翻边、翻孔、定位凸包对应的型面特征。
3.根据权利要求1所述的大型合金铝板的一次拉延热成型方法，其特征在于：步骤（3）中，对成型模面进行调整具体为：调整工艺补充面的形状、板料尺寸、板料外形、拉延筋的高度、拉延筋的位置、或压边圈的顶出高度，CAE内置参数包括：转移时间、冲压速度、或拉延成型模具的温度。
4.根据权利要求1所述的大型合金铝板的一次拉延热成型方法，其特征在于：步骤（4）还包括，在拉延成型模的润滑区域涂抹润滑剂，具体为，设置一减薄阈值，分析步骤（3）中的合格成品，若合格成品有区域变薄且变薄值大于等于减薄阈值，则该区域为减薄区，拉延成型模上对应减薄区的位置为润滑区域。
5.根据权利要求1所述的大型合金铝板的一次拉延热成型方法，其特征在于：步骤（5）中对温度的测量采用温度传感器，在板料上均匀选择数个点位布设温度传感器，且每个温度传感器均达到一温度值时，判断板料整体达到该温度值。
6.根据权利要求1所述的大型合金铝板的一次拉延热成型方法，其特征在于：所述拉延成型模具上设有循环冷却水道，保压时，采用循环冷却水道对拉延工序件淬火。
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