CN117324479A - 超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置及处理方法，基于超低温成形对铝合金板材的强/塑双增效应以及对时效强化过程的加速效果，设计了能够实现超低温成形与蠕变时效强化处理一体化的混合工艺装置。该装置针对两点渐进成形的工艺特点，在实现超低温环境成形的同时保证了成形表面具有适宜的润滑条件，利用支撑模具对成形板材实现可控加载、加热，实现对超低温制件的蠕变时效处理，显著缩短时效时间，通过蠕变效应矫形，提高了成形精度。该装置解决了传统成形工艺中面临的板材可成形性差、后处理时间长、成形精度低等问题。实现高强度铝合金复杂曲面薄壁结构件的高效、高精度成形。

Description

超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置及处理方法

技术领域

本发明涉及一种用于高强度复杂曲面铝合金薄壁构件高效、高精度制造的超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，属于多工艺混合加工技术领域。

背景技术

渐进式板材成形(ISF)是一种柔性板材成形工艺，具有较高的灵活性和可成形性。随着ISF基础研究的不断发展，出现了两点渐进成形(TPIF)，作为ISF的变体，TPIF通过在板料的另一侧使用额外的全模或部分模来增强成形稳定性，进一步提高了成形性能和精度。目前ISF发展的主要限制主要有两方面：一方面是室温下铝合金等难变形材料塑性差，在加工复杂形状构件时，其超过了成形极限。传统的热辅助成形工艺，虽然提高了板材塑性，但高温下材料动态回复导致的强度损失仍然是一大挑战。高温成形后额外的时效强化等后处理工艺严重降低了生产效率。另一方面，渐进成形零件的几何精度较差，板材回弹是造成成形零件大部分区域几何误差的原因。

近年来，为克服传统热成形工艺的缺陷，超低温成形工艺应运而生。铝合金作为面心立方结构材料在超低温下变形时表现出双增效应，即材料的强度和塑性同时增长。这为利用低温环境生产高强度、复杂结构的铝合金零部件提供了可行性。随着超低温技术的不断发展，已经有新型的超低温成形工艺不断被提出，例如超低温冲压、超低温轧制、超低温管材液压胀形等。目前已经提出的超低温渐进成形工艺仅针对单点渐进成形(SPIF)。针对复杂曲面薄壁构型，超低温单点渐进成形方式的成形精度难以满足高精度制件快速成形需求，成形过程中板材的翘曲、回弹是导致成形精度降低的重要原因。两点件渐进成形(TPIF)通过支撑模具有效抑制了板材的“枕窝效应”等回弹现象，大幅度提升了回弹精度。目前超低温与两点渐进成形工艺的结合面临挑战，研究表明将板材浸泡在液氮环境中的冷却方式将导致表面质量严重恶化，无法进一步提高板材的成形性能。

超低温成形工艺除了能够利用强/塑双增效应提高板材成形性能，还显著影响材料的时效硬化性。已有研究资料表明，超低温成形能够加速材料的时效动力，与室温制件相比，超低温制件获得了短时时效硬化效果，在后续时效处理工艺中，超低温制件的时效硬化速度显著提升。例如上海交通大学研究团队已经提出了铝合金板材预硬化低温成形工艺，利用深冷成形提高制件的后处理效率，实现高强度铝合金复杂薄壁构件高效生产。蠕变时效成形(CAF)是一种先进成形技术，具有成形零件交货周期短、成本低等优势。CAF利用高温下应力引起的蠕变变形，使板材在其弹性区内发生变形，从而避免引入过大的残余应力，该工艺能够有效抑制回弹提高成形精度。目前，由于成形设备的局限性，超低温成形过程与时效后处理存在不连续的问题，板材成形后需将制件转移至相应后处理设备继续下一工艺阶段，过长时间的转移、运输降低了生产效率并影响制件性能，因此如何在同一设备下连续实现超低温成形与时效强化处理也是目前亟待解决的重要问题。

发明内容

为了实现高强铝合金板材超低温两点渐进成形及蠕变时效强化、矫形处理一体化工艺，本发明提供了一种超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，主要具有以下功能：1、实现超低温环境下的板材两点渐进成形，利用深冷强/塑双增效应提高板材的成形性能；2、利用支撑模具加热超低温成形制件，实现制件的快速时效强化，短时间内提高制件强度以满足实际生产需求；3、可在模具内实现蠕变时效处理，利用高温蠕变效应对成形制件进一步矫形，提高制件成形精度。

为了实现上述功能，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提出了一种可实现高强铝合金板材超低温两点渐进成形及蠕变时效强化、矫形处理的装置，其包括两点渐进成形模块、蠕变时效处理模块、冷却介质循环给料模块和控制系统；所述的两点渐进成形模块包括成形工具、上夹持模具、下夹持模具和支撑模具；所述蠕变时效处理模块包括驱动装置、加热元件、测温装置、力传感器；所述冷却介质循环给料模块包括液氮存储腔；所述的液氮存储腔顶部敞口，目标板材设置在其顶部，且上、下夹持模具用于夹紧目标板材边缘并沿竖直设置在存储腔内的导柱上下滑动，板材下方为支撑模具，支撑模具也设置在液氮存储腔内；在液氮存储腔上设置液氮溢流孔；且液氮存储腔与液氮容器、液氮泵相连；所述的测温装置实时监测目标板材温度，所述的加热元件和力传感器设置在支撑模具上，且支撑模具由驱动装置驱动，控制系统控制蠕变时效处理模块和冷却介质循环给料模块。

作为进一步的技术方案，还包括三维测力传感器，所述的三维测力传感器设置在整个液氮存储腔的下方，实时监测目标板材在成形过程中X、Y、Z三个方向的成形力。

作为进一步的技术方案，所述的驱动装置安装在支撑模具底部，驱动支撑模具向靠近目标板材方向或者远离目标板材的方向运动。

作为进一步的技术方案，所述的多个加热元件分布在支撑模具内部用于加热目标板材。

作为进一步的技术方案，测温装置主要由多路测温仪与热电偶组成，将热电偶测温端连接至目标板材边缘实时监测目标板材温度。

作为进一步的技术方案，所述力传感器设置在支撑模具内，受力面接触目标板材，用于监测支撑模具对目标板材的压力。

作为进一步的技术方案，所述液氮存储腔底部两侧设有液氮入口和液氮出口，液氮入口安装入口电磁开关阀，在液氮出口安装出口电磁开关阀。

作为进一步的技术方案，液氮自液氮容器内喷出，依次经过入口电磁开关阀、液压传感器、液氮存储腔、出口电磁开关阀、液氮泵返回液氮容器内，实现循环。

作为进一步的技术方案，液氮存储腔侧壁设有多个液氮溢流孔依次竖直排列并连接液氮运输管路。

第二方面，本发明基于上述超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，还提出了一种利用上述超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置对目标板材进行加工的方法，如下：

将目标板材置于支撑模具之上，通过上、下夹持模具固定；

将测温装置中的热电偶丝焊接/胶接至目标板材四周，通过多路测温仪实时监测板材温度变化，并将温度信号反馈至控制系统；

液氮流入液氮存储腔，装置进入冷却阶段，控制系统实时监测目标板材温度及运输管路压力；

当液氮存储腔内压力过高时，液氮存储腔泄流；

当目标板材温度降低至设定温度并保持稳定后，装置进入成形阶段，成形工具按照预定轨迹对目标板材开始成形，板材在模具夹持下缓缓向下移动，溢出液氮经液氮溢流孔排出至液氮运输管路进入循环；

第一阶段成形阶段后，将液氮存储腔内液氮排空，加热元件启动，装置进入加热阶段，

当测温装置监测到目标板材温度稳定至设定温度时，成形工具接触上夹持模具保持静止，电机驱动丝杠使支撑模具向上对板材施加压力，力传感器实时反馈板材压力，控制系统通过控制电机保持板材所受压力恒定，装置进入蠕变时效强化处理阶段，持续设定时间，同时通过蠕变效应对成形制件进一步矫形；

蠕变时效处理结束后，加热元件关闭，成形工具移动至非工作位置。

本发明的有益效果如下：

1.本发明设计了一种能实现超低温两点渐进成形与时效热处理工艺一体化的加工装置，该装置通过液氮循环冷却降温，实现超低温下板材两点渐进成形，通过改装支撑模具实现对板材的加热功能，该结构设计使超低温成形制件无需转移，可在成形模具内直接进行时效强化，大幅度提高加工效率，同时利用超低温成形对制件产生的短时时效硬化效果，减少了使制件强度达到生产要求所需的时效强化时间。

2.本发明所设计的超低温两点渐进成形与时效处理一体化装置能够对超低温成形制件实现模内蠕变时效成形，该装置通过设计驱动装置驱动支撑模具，使目标板材发生蠕变，利用蠕变效应在时效强化的同时对制件矫形，该装置将超低温成形与蠕变时效成形两种工艺相结合，提高了成形精度。

3.本发明针对两点渐进成形工艺独有的加工特点，提出了一种能够实现在超低温下两点渐进成形的装置。通过设计专用的液氮存储腔结构使成形平面可在腔内升降，该装置能够在超低温环境下(-170℃)持续加工，该装置设计的溢流结构保证成形表面干燥可润滑，利用超低温下铝合金的强/塑双增效应，显著提升板材的成形性能。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书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于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的整体装置设计图；

图2是反馈与控制路线图；

图3是7050超低温两点渐进成形及模内蠕变时效工艺路线图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。1电动液氮泵、2出口电磁开关阀、3液氮溢流孔、4测温装置、5目标板材、6加热元件、7力传感器、8成形工具、9上夹持模具、10导柱、11滑动副、12控制系统、13下夹持模具、14支撑模具、15液压传感器、16进口电磁开关阀、17丝杠、18电机、19液氮管路、20自增压液氮罐、21液氮存储腔、22三维测力传感器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置。该装置将超低温两点渐进成形与蠕变时效成形相结合，利用超低温强/塑双增效应提高铝合金板材的成形性能，同时加入蠕变时效处理工艺，实现成形制件短时时效强化并提高成形精度。通过单面接触的冷却方式，该装置为超低温两点渐进成形过程提供干燥的润滑环境，通过电机驱动丝杠使支撑模具移动获得恒定载荷条件，支撑模具上的加热单元通过接触加热可使板材维持恒定时效热处理温度，最终实现对超低温制件的短时蠕变时效成形。

下面结合图1、图2对本发明进行详细说明，具体的结构如下：本发明提供了一种超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，主要包括两点渐进成形模块、蠕变时效处理模块、冷却介质循环给料模块和控制系统；

两点渐进成形模块包括成形工具8、上夹持模具9、下夹持模具13、导柱10、目标板材5、滑动副11、支撑模具14、三维测力传感器22，其中上夹持模具9截面为L型，突出部分作为防护壁将成形区域包围，防止液氮溢出至成形区域进而恶化润滑环境，液氮存储腔21内壁设置有滑动导轨与夹持模具外侧形成滑动副11，目标板材5在上夹持模具9与下夹持模具13的夹持下沿四根导柱10可上下移动，支撑模具14在装置中央置于板材正下方，三维测力传感器22在整个液氮存储腔21的下方，实时监测目标板材5在成形过程中X、Y、Z三个方向的成形力。

蠕变时效处理模块包括电机18、丝杠17、加热元件6、测温装置4、力传感器7，其中电机18与丝杠17联接，驱动丝杠17转动，丝杠17另一端连接支撑模具14，电机18可通过丝杠17控制支撑模具14上下移动，多个加热元件6分布在支撑模具14内部用于加热，测温装置4主要由多路测温仪与热电偶组成，将热电偶测温端连接至目标板材5边缘实时监测目标板材温度，力传感器7设置在支撑模具14内，受力面接触目标板材5，用于监测支撑模具14对目标板材5的压力。

冷却介质循环给料模块包括液氮存储腔21、液氮运输管路19、自增压液氮容器20、液压传感器15、出口电磁开关阀2、入口电磁开关阀16、电动液氮泵1，其中液氮存储腔21顶部敞口，目标板材直接设置在液氮存储腔21顶部，与液氮接触，液氮存储腔21底部两侧设有液氮入口和液氮出口连接液氮运输管路19，液氮入口设置入口电磁开关阀16，液氮出口设置出口电磁开关阀2，液氮存储腔21内设有四根导柱10，底部中央设有螺纹孔连接丝杠17，液氮存储腔21侧壁设有多个液氮溢流孔3依次竖直排列并连接液氮运输管路19，液氮自自增压液氮容器20内喷出，依次经过入口电磁开关阀16、液压传感器15、液氮存储腔21、出口电磁开关阀2、电动液氮泵1返回容器内，实现循环。

控制系统12连接入口电磁开关阀16、电动液氮泵1、出口电磁开关阀2、液压传感器15、电机18、加热元件6、测温装置4、力传感器7，其中测温装置4、液压传感器15、力传感器7分别将板材的温度信号、腔内及管路内压力信号、板材受支撑模具14的压力信号反馈至控制系统12，控制系统12根据反馈信息控制连接入口电磁开关阀16、电动液氮泵1、出口电磁开关阀2、加热元件6、电机18实践对目标板材的降温、加热、控温、蠕变成形等操作。

本实施例中，板材底部与夹持模具外侧被液氮存储腔包围，上、下夹持模具与液氮存储腔通过导轨连接形成滑动副，在目标板材下方形成闭合空间存储液氮进而冷却目标板材。自增压液氮容器可为装置持续提供液氮，通过液氮运输管路向液氮腔内输送液氮，液氮存储腔底部两端分别设置液氮入口和液氮出口，液氮由自增压液氮容器喷出，经电磁阀进入腔内，充满后经液氮出口排出并流回自增压液氮容器，实现液氮循环给料。

进一步的，测温装置通过低温热电偶实时监测目标板材温度，当温度降至超低温(-170℃左右)后，成形工具基于底部支撑模具形状运行轨迹，同时目标板材沿导柱向下移动，实现超低温下的两点渐进成形。

进一步的，上夹持模具设计有防护壁将加工区域包围，防止溢出液氮流入成形区域，进而影响成形制件的表面质量。

在液氮存储腔侧壁设有液氮溢流孔竖直排列并与液氮运输管路连接，随着成形板材向下移动，液氮溢流孔将溢出的液氮排出至循环管路中。

在液氮入出口附近的管路处设置电磁开关阀和压力传感器。在装置冷却阶段，入口处电磁阀开启，出口处电磁阀关闭，使液氮迅速充满装置降温。液压传感器检测循环管路与液氮存储腔内的压力，当液氮充满装置后，腔内压力升高，则关闭入口处电磁阀并进入成形阶段。

在液氮出口处管路中设置有电动液氮泵，能够增大排出流量，使装置内液氮迅速排空。成形期间，三维测力传感器实时显示并记录成形变化过程。

第一道次深冷两点渐进成形结束后，装置可直接开始模内蠕变时效处理。液氮入口处电磁开关阀关闭，电动液氮泵开启，将液氮存储腔内液氮排空。随后支撑模具内加热单元启动，通过模具热传导对目标板材进行接触加热，通过测温装置实时监测目标板材温度。当温度达到目标时效温度后，控制电机驱动丝杠使支撑模具缓慢向上移动，通过支撑模具上方的力传感器实时监测板材受力，保持板材所受载荷恒定，实现模内蠕变时效处理。

利用超低温对铝合金时效动力的增强效应，装置可大幅度缩短时效强化时间，同时蠕变时效强化处理可实现对第一道次成形制件的矫形，提高制件成形精度。

本实施例基于上述装置，还提供了一种具体的处理方法，具体如下：

将目标板材置于支撑模具之上，通过上、下夹持模具固定；

将测温装置中的热电偶丝焊接/胶接至目标板材四周，通过多路测温仪实时监测板材温度变化，并将温度信号反馈至控制系统；

液氮流入液氮存储腔，装置进入冷却阶段，控制系统实时监测目标板材温度及运输管路压力；

当液氮存储腔内压力过高时，液氮存储腔泄流；

当目标板材温度降低至设定温度并保持稳定后，装置进入成形阶段，成形工具按照预定轨迹对目标板材开始成形，板材在模具夹持下缓缓向下移动，溢出液氮经液氮溢流孔排出至液氮运输管路进入循环；

第一阶段成形阶段后，将液氮存储腔内液氮排空，加热元件启动，装置进入加热阶段，

当测温装置监测到目标板材温度稳定至设定温度时，成形工具接触上夹持模具保持静止，电机驱动丝杠使支撑模具向上对板材施加压力，力传感器实时反馈板材压力，控制系统通过控制电机保持板材所受压力恒定，装置进入蠕变时效强化处理阶段，持续设定时间，同时通过蠕变效应对成形制件进一步矫形；

蠕变时效处理结束后，加热元件关闭，成形工具移动至非工作位置。

实施案例：

以1mm厚的7050-W(固溶态)铝合金板材为例详细说明本装置实现超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理的具体过程，图3为针对7050合金装置的工艺路线图。

1、根据《变形铝及铝合金热处理规范》对7050板材进行固溶热处理，固溶温度475℃，保温时间30min，得到目标板材7050-W；

2、将目标板材置于支撑模具之上，通过上、下夹持模具固定；

3、将测温装置中的热电偶丝焊接/胶接至目标板材四周，通过多路测温仪实时监测板材温度变化，并将温度信号反馈至控制系统；

4、开启电磁开关阀(入口)、自增压液氮容器，关闭出口电磁开关阀，液氮流入液氮存储腔，装置进入冷却阶段，控制系统实时监测目标板材温度及运输管路压力；

5、当液氮存储腔内压力过高时，控制系统控制出口电磁开关阀开启泄流；

6、当目标板材温度降低至-170℃±5℃并保持稳定后，装置进入成形阶段，成形工具按照预定轨迹对目标板材开始成形，三维测力传感器随着成形过程不断进行，板材在模具夹持下缓缓向下移动，溢出液氮经液氮溢流孔排出至液氮运输管路进入循环；

7、第一阶段成形阶段后，开启电磁开关阀(入口)、自增压液氮容器关闭，电动液氮泵开启，将液氮存储腔内液氮迅速排空，加热元件启动，装置进入加热阶段，根据《变形铝及铝合金热处理规范》，目标时效温度为160℃；

8、当测温装置监测到目标板材温度稳定至160℃时，成形工具接触上夹持模具保持静止，电机驱动丝杠使支撑模具向上对板材施加压力，力传感器实时反馈板材压力，控制系统通过控制电机保持板材所受压力恒定，装置进入蠕变时效强化处理阶段，持续时间6h，同时通过蠕变效应对成形制件进一步矫形。

9、蠕变时效处理结束后，加热元件关闭，电机关闭，成形工具移动至非工作位置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，其特征在于，包括两点渐进成形模块、蠕变时效处理模块、冷却介质循环给料模块和控制系统；所述的两点渐进成形模块包括成形工具、上夹持模具、下夹持模具和支撑模具；所述蠕变时效处理模块包括驱动装置、加热元件、测温装置、力传感器；所述冷却介质循环给料模块包括液氮存储腔；所述的液氮存储腔顶部敞口，目标板材设置在其顶部，且上、下夹持模具用于夹紧目标板材边缘并沿竖直设置在存储腔内的导柱上下滑动，板材下方为支撑模具，支撑模具也设置在液氮存储腔内；在液氮存储腔上设置液氮溢流孔；且液氮存储腔与液氮容器、液氮泵相连；所述的测温装置实时监测目标板材温度，所述的加热元件和力传感器设置在支撑模具上，且支撑模具由驱动装置驱动，控制系统控制蠕变时效处理模块和冷却介质循环给料模块。

2.如权利要求1所述的超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，其特征在于，还包括三维测力传感器，所述的三维测力传感器设置在整个液氮存储腔的下方，实时监测目标板材在成形过程中X、Y、Z三个方向的成形力。

3.如权利要求1所述的超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，其特征在于，所述的驱动装置安装在支撑模具底部，驱动支撑模具向靠近目标板材方向或者远离目标板材的方向运动。

4.如权利要求1所述的超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，其特征在于，所述的多个加热元件分布在支撑模具内部用于加热目标板材。

5.如权利要求1所述的超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，其特征在于，测温装置主要由多路测温仪与热电偶组成，将热电偶测温端连接至目标板材边缘实时监测目标板材温度。

6.如权利要求1所述的超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，其特征在于，所述力传感器设置在支撑模具内，受力面接触目标板材，用于监测支撑模具对目标板材的压力。

7.如权利要求1所述的超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，其特征在于，所述液氮存储腔底部两侧设有液氮入口和液氮出口，液氮入口安装入口电磁开关阀，在液氮出口安装出口电磁开关阀。

8.如权利要求7所述的超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，其特征在于，液氮自液氮容器内喷出，依次经过入口电磁开关阀、液压传感器、液氮存储腔、出口电磁开关阀、液氮泵返回液氮容器内，实现循环。

9.如权利要求1所述的超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置，其特征在于，液氮存储腔侧壁设有多个液氮溢流孔依次竖直排列并连接液氮运输管路。

10.利用权利要求1-9任一所述的超低温两点渐进成形及模内蠕变时效处理装置对目标板材进行加工的方法，其特征在于，如下：

将目标板材置于支撑模具之上，通过上、下夹持模具固定；

将测温装置中的热电偶丝焊接/胶接至目标板材四周，通过多路测温仪实时监测板材温度变化，并将温度信号反馈至控制系统；

液氮流入液氮存储腔，装置进入冷却阶段，控制系统实时监测目标板材温度及运输管路压力；

当液氮存储腔内压力过高时，液氮存储腔泄流；

当目标板材温度降低至设定温度并保持稳定后，装置进入成形阶段，成形工具按照预定轨迹对目标板材开始成形，三维测力传感器随着成形过程不断进行，板材在模具夹持下缓缓向下移动，溢出液氮经液氮溢流孔排出至液氮运输管路进入循环；

第一阶段成形阶段后，将液氮存储腔内液氮排空，加热元件启动，装置进入加热阶段，

当测温装置监测到目标板材温度稳定至设定温度时，成形工具接触上夹持模具保持静止，电机驱动丝杠使支撑模具向上对板材施加压力，力传感器实时反馈板材压力，控制系统通过控制电机保持板材所受压力恒定，装置进入蠕变时效强化处理阶段，持续设定时间，同时通过蠕变效应对成形制件进一步矫形；

蠕变时效处理结束后，加热元件关闭，成形工具移动至非工作位置。