鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法，其步驟為：把預熱的模套固定在脹形機的工作臺上，再把加熱的鋁合金矩形截面環形件套裝在脹形機內經預熱的脹形塊外圍，使其處于由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的環形空間內；啟動脹形機使脹形塊從該環形件的內圓周表面沿徑向擠壓該環形件并變形11%～12%后被擠壓到模套的內環面內，充滿了由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的封閉型腔，經保壓后成為脹形后的矩形截面環形件。該方法采用一次大變形量脹形成形，簡化了操作，獲得了尺寸精度高、產品質量好、生產率高的脹形矩形截面環形件。該脹形的矩形截面環形件主要用于航空航天等領域使用的筒形殼體等回轉體零部件。
【專利說明】鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種環件的脹形方法，特別是涉及了鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法。
【背景技術】
[0002]在環形件成形【技術領域】，隨著航空、航天、船舶、核能、燃氣輪機、風力發電等行業的發展對環形件高可靠性、高壽命和低成本的要求，對環形件的成形尺寸精度、組織及性能也提出了較高的要求，環形件成形朝著優質、精密、高效、環保、低成本的方向發展。
[0003]鋁合金矩形截面環形件(指縱截面是矩形截面的環形件)采用環軋機軋制后，由于受軋制工藝及設備局限性的影響，其尺寸精度一般不高；只有在環形件形狀較理想和設備性能較優異的情況下，其尺寸精度才能達到相應尺寸的3%。?5%。(千分之三至千分之五)，而且軋制后的環形件由于應力較大，在后續加工工序中如果控制不好易產生翹曲、變形甚至開裂等缺陷。
[0004]2012年6月13日公開的中國發明專利說明書CN102489591A公開了一種鋁合金矩形環軋件的熱脹形方法，所述矩形環軋件即為矩形截面環形件。該方法把加熱的鋁合金矩形環軋件裝進脹形機，通過對脹形機的芯軸滑塊施加軸向拉力使其沿軸向向下移動并沿所述徑向滑塊的內孔錐面擠壓徑向滑塊使各徑向滑塊沿徑向同步移動擴散，裝在徑向滑塊外圓周面上的脹形塊從矩形環軋件的內圓周表面沿徑向擠壓矩形環軋件使其發生內、外徑尺寸擴大及壁厚減薄的塑性變形，經過連續三次小變形，所述鋁合金矩形環軋件被脹形成形。該方法采用開放式脹形方式脹形成形的鋁合金矩形截面環形件存在以下問題:第一，僅僅是所述環形件的內徑尺寸精度能夠達到內徑尺寸的1%。?2%。，對于所述環形件的外徑及高度的尺寸精度則無法達到該尺寸精度，因為在脹形過程中所述環形件的外徑及高度的尺寸精度是不受控的，不能通過該脹形方法來提高其尺寸精度，即所述環形件的高度及外徑尺寸精度基本還保持在環軋后的水平；第二，該方法通過連續三次小變形以及二次旋轉來脹形矩形截面環形件，每次脹形都要通過調節和控制大量的工藝參數才能實現，其工序較為繁瑣，生產率低，能源消化大，生產準備時間和生產周期較長，對設備的要求也較高，實際生產過程中不利于控制產品質量和組織大批量生產，很難獲得優質、精密、高效、環保和低成本的環形件。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種采用模套來實現鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法，該方法通過一次大變形對所述鋁合金矩形截面環形件進行脹形成形，簡化了操作，獲得了尺寸精度高、產品質量易于控制、有利于組織大批量生產和生產率高的脹形矩形截面環形件。
[0006]為解決上述技術問題，本發明所述鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法，其技術方案包括以下步驟:[0007]把預熱到260°C?290°C的模套固定在脹形機的工作臺上并與芯軸滑塊同心，再把加熱到340°C?420°C的鋁合金脹形前的矩形截面環形件套裝進脹形機，使其內環面套在經預熱到260°C?290°C的脹形塊的外圓周面外圍，所述環形件處于由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的環形空間內，此時，徑向滑塊處于合攏狀態；
[0008]啟動脹形機對芯軸滑塊施加軸向拉力F使其沿軸向向下移動并沿所述徑向滑塊的內孔錐面擠壓徑向滑塊使各徑向滑塊沿徑向同步移動擴散，裝在徑向滑塊外圓周面上的脹形塊從脹形前的矩形截面環形件的內圓周表面沿徑向擠壓該環形件使其發生內、外徑尺寸擴大及壁厚減薄的塑性變形，當所述環形件的脹形變形量達到11%?12%時被擠壓到模套的內環面內，充滿了由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的封閉型腔，經保壓后成為脹形后的矩形截面環形件；
[0009]所述脹形前的矩形截面環形件的脹形溫度為340°C?420°C，脹形時間按脹形前的矩形截面環形件的壁厚X0.5s/mm?0.9s/mm計算，保壓時間按脹形后的矩形截面環形件的壁厚X 22s/mm?32s/mm計算；
[0010]脹形結束后，向上移動芯軸滑塊，合攏徑向滑塊，拆卸并取出模套后取出脹形后的矩形截面環形件。
[0011]所述鋁合金是2618A。
[0012]脹形過程中，所述脹形機對芯軸滑塊施加的軸向拉力F按下式計算確定:
[0013]F = ξ X Q02XS
[0014]式中:
[0015]ξ—脹形機脹形系數，本發明取1.26?1.52 ;
[0016]σα2——脹形溫度下鋁合金材料的屈服強度(MPa)，2618A合金取IOOMPa?150MPa ；
[0017]S—脹形前的矩形截面環形件的縱截面面積(mm2)。
[0018]采用上述方法脹形后的矩形截面環形件，其內徑尺寸范圍為Φ400πιπι?Φ 4500mm,壁厚為 IOmm ?200mm,高度為 40mm ?750mm。
[0019]與現有技術相比，本發明的有益效果如下:
[0020]本發明把所述脹形前的矩形截面環形件置于由脹形機上的脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的環形空間內，通過采用11%?12%大變形量把所述環形件擠壓到由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的封閉型腔內一次性脹形成形，實現了封閉式脹形。
[0021]相對于現有技術的開放式脹形而言，本發明采用閉式脹形方式在脹形過程中能夠使所述矩形截面環形件的內徑、外徑和高度尺寸處于受控狀態，不僅可以提高其內徑的尺寸精度，而且也可以提高其外徑和高度的尺寸精度，即可以使整個環形件的所有尺寸精度都得到提高，從而實現了精密脹形成形。
[0022]本發明通過一次大變形量脹形成形，大大簡化了脹形工藝，降低了對脹形設備的要求，在實際生產過程中不僅能夠節約能源、降低成本、提高生產率，而且易于控制產品質量和實現大批量生產，能夠獲得優質、精密、高效、環保和低成本的環形件。
[0023]本發明在脹形過程中脹形時間按脹形前的矩形截面環形件的壁厚X0.5s/mm?
0.9s/mm計算，能夠根據脹形時間合理地控制脹形塊的脹形速度，使所述環形件內的金屬流動較為順暢，有利于充滿所述封閉型腔；保壓時間按脹形后的矩形截面環形件的壁厚X22s/mm-32s/mm計算，有利于脹形前的矩形截面環形件在所述封閉型腔內充分變形、降溫和取模。所述脹形時間和保壓時間的精確計算，還能夠使產品生產時間處于受控狀態。
[0024]經檢測該鋁合金脹形后的矩形截面環形件的內徑、外徑和高度的尺寸精度，分別達到了所述內徑、外徑和高度尺寸的1%。-2%0 ;經檢測該合金脹形后的矩形截面環形件的內部組織，未發生顯著變化，而且無壁厚不均、鼓包等缺陷；經機械加工后檢測該合金脹形后的矩形截面環形件的內、外環面及上、下底面，未發現有裂紋。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0026]圖1是脹形前的矩形截面環形件沿其中心線的縱剖面圖。
[0027]圖2是安裝有模套的脹形機結構簡圖。
[0028]圖3是脹形前的矩形截面環形件的裝機示意圖。
[0029]圖4是脹形前的矩形截面環形件熱脹形成形過程示意圖。
[0030]圖5是脹形塊脫離脹形后的矩形截面環形件示意圖。
[0031]圖6是脹形后的矩形截面環形件沿其中心線的縱剖面圖。
【具體實施方式】
[0032]實施本發明所述的鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法需要提供脹形機、鍛造加熱爐、機械手等設備。下面以材料牌號為2618A的鋁合金為例來詳細說明該方法的【具體實施方式】:
[0033]現有技術中給出的該合金的主要化學元素含量(重量百分比)為:含Si量0.15%-
0.25%、含 Fe 量 0.9% -1.4%、含 Cu 量 1.8% -2.7%、含 Mn 量≤0.25%、含 Mg 量 1.2% -1.8%、含Ni量0.8%-1.4%、含Zn量≤0.15%、含Ti+Zr量≤0.25%、含Ti量≤0.20%、其他元素合計≤0.15%、余量為Al。
[0034]現有技術中給出的用于實施本發明所述熱脹形方法所用的脹形機的結構簡圖如圖2所示，該脹形機主要由芯軸滑塊1、徑向滑塊2、脹形塊3、工作臺4及導軌5組成。芯軸滑塊I呈圓錐形并套裝在徑向滑塊2內與徑向滑塊2的錐形內圓周面配合，芯軸滑塊I可由脹形機的液壓缸帶動在徑向滑塊2內沿軸向上下移動并擠壓徑向滑塊2 ;徑向滑塊2安裝在脹形機的導軌5上并可沿導軌5徑向來回移動，徑向滑塊2從圖2俯視方向看是12塊分開的扇形塊形狀，各扇形塊的外圓周面上分別固定安裝有脹形塊3，各扇形塊合攏時與脹形塊3 —起可以形成一個圓環形狀；當芯軸滑塊I在徑向滑塊2內沿軸向向下移動時可使各徑向滑塊2沿徑向同步移動擴散使脹形塊3達到脹形環件的目的，當芯軸滑塊I在徑向滑塊2內沿軸向向上移動時脹形機可驅動各徑向滑塊2沿徑向同步移動合攏使脹形塊3脫離脹形后的環件，脹形塊3在脹形過程中具有實時測量環件內徑尺寸并把測量數據傳送到脹形機的顯示器上的功能；此外，在該脹形機的工作臺4上還有可驅動環件在該工作臺上沿中心軸線旋轉的導輥(圖中未示出)。
[0035]此外，如圖2所示，實施本發明還需要在脹形機上安裝可拆卸的模套30，模套30的縱截面呈“ ”環形狀，在其上端面上具有園形通孔31，脹形時需把模套30固定在脹形機的工作臺4上并與芯軸滑塊I同心，脹形結束后時，需把模套30從脹形機的工作臺4上拆卸后取模。
[0036]該合金矩形截面環形件的熱脹形成形工藝步驟如下:
[0037]步驟1:裝機。
[0038]如圖3所示，把模套30預熱到260°C?290°C后固定在脹形機的工作臺4上并與芯軸滑塊I同心，并預熱脹形機上的脹形塊3到260°C?290°C，再把如圖1所示的2618A合金脹形前的矩形截面環形件10加熱到340°C?420°C后套裝進脹形機，使其內環面套在脹形塊3的外圓周面外圍，矩形截面環形件10處于由脹形塊3的外圓周面和模套30的內環面圍成的環形空間內，矩形截面環形件10的底面平放在工作臺4的上面，此時，徑向滑塊2處于合攏狀態。裝機時工件的裝運主要通過機械手操作完成。
[0039]步驟2:脹形。
[0040]如圖4所示，啟動脹形機使其芯軸滑塊I沿其軸向向下移動，芯軸滑塊I在徑向滑塊2內沿其錐形面擠壓徑向滑塊2使各徑向滑塊2沿徑向同步移動擴散，徑向滑塊2上的脹形塊3的外圓周面沿矩形截面環形件10的內圓周表面擠壓矩形截面環形件10，使矩形截面環形件10從內圓周表面到外圓周表面受到來自脹形塊3的徑向擠壓力，導致矩形截面環形件10的內圓周面沿徑向擴大，矩形截面環形件10發生內、外徑尺寸擴大，壁厚減薄的塑性變形；矩形截面環形件10被脹形塊3脹形且當其脹形變形量達到11%?12%時被擠壓到模套30的內環面內，充滿了由脹形塊3的外圓周面和模套30的內環面圍成的封閉型腔，此時停止芯軸滑塊I向下移動使脹形塊3不再作徑向運動，經保壓后獲得脹形后的矩形截面環形件20。
[0041]脹形時脹形機的液壓缸對芯軸滑塊I施加的軸向拉力為F，矩形截面環形件10的脹形溫度為340°C?420°C,脹形時間按矩形截面環形件10的壁厚X0.5s/mm?0.9s/mm計算，保壓時間按脹形后的矩形截面環形件20的壁厚X22s/mm?32s/mm計算。
[0042]所述脹形時間是指矩形截面環形件10從一開始被脹形至達到脹形變形量的時間；所述保壓時間是指矩形截面環形件10被脹形達變形量后在由脹形塊3的外圓周面和模套30的內環面圍成的封閉型腔內不再發生變形并最終成形為脹形后的矩形截面環形件20的時間。
[0043]所述矩形截面環形件10的脹形變形量的計算方法為:脹形變形量=[(脹形后的矩形截面環形件20的中徑尺寸一矩形截面環形件10的中徑尺寸)/矩形截面環形件10的中徑尺寸]X 100%。
[0044]所述矩形截面環形件10的中徑尺寸=(矩形截面環形件10的內徑尺寸+矩形截面環形件10的外徑尺寸)+2。
[0045]所述脹形后的矩形截面環形件20的中徑尺寸=(脹形后的矩形截面環形件20的內徑尺寸+脹形后的矩形截面環形件20的外徑尺寸)+2。
[0046]步驟3:取模。
[0047]如圖5所示，脹形結束后，向上移動芯軸滑塊1，合攏徑向滑塊2并使脹形塊3脫離脹形后的矩形截面環形件20，從脹形機的工作臺4上拆卸掉模套30，用機械手先取出模套30，再取出脹形后的矩形截面環形件20，其形狀如圖6所示。
[0048]所述矩形截面環形件10在脹形過程中，所述軸向拉力F按下式計算:
[0049]F = ξ X Q02XS[0050]式中:
[0051]ξ—脹形機脹形系數，本發明取1.26?1.52 ;
[0052]σ。2——脹形溫度下鋁合金材料的屈服強度(MPa)，本發明取IOOMPa?150MPa ；
[0053]S—矩形截面環形件10的縱截面面積(mm2)；
[0054]采用上述方法脹形后的矩形截面環形件20，其內徑尺寸范圍為:Φ400πιπι?Φ 4500mm,壁厚為 IOmm ?200mm,高度為 40mm ?750mm。
【權利要求】
1.一種鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法，其特征在于，包括以下步驟: 把預熱到260°c?290°C的模套固定在脹形機的工作臺上并與芯軸滑塊同心，再把加熱到340°C?420°C的鋁合金脹形前的矩形截面環形件套裝進脹形機，使其內環面套在經預熱到260°C?290°C的脹形塊的外圓周面外圍，所述環形件處于由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的環形空間內，此時，徑向滑塊處于合攏狀態； 啟動脹形機對芯軸滑塊施加軸向拉力F使其沿軸向向下移動并沿所述徑向滑塊的內孔錐面擠壓徑向滑塊使各徑向滑塊沿徑向同步移動擴散，裝在徑向滑塊外圓周面上的脹形塊從脹形前的矩形截面環形件的內圓周表面沿徑向擠壓該環形件使其發生內、外徑尺寸擴大及壁厚減薄的塑性變形，當所述環形件的脹形變形量達到11%?12%時被擠壓到模套的內環面內，充滿了由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的封閉型腔，經保壓后成為脹形后的矩形截面環形件； 所述脹形前的矩形截面環形件的脹形溫度為340°C?420°C，脹形時間按脹形前的矩形截面環形件的壁厚X0.5s/mm?0.9s/mm計算，保壓時間按脹形后的矩形截面環形件的壁厚X 22s/mm?32s/mm計算； 脹形結束后，向上移動芯軸滑塊，合攏徑向滑塊，拆卸并取出模套后取出脹形后的矩形截面環形件。
2.根據權利要求1所述的鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法，其特征在于:所述鋁合金是2618A。
3.根據權利要求1或2所述的鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法，其特征在于，所述脹形機對芯軸滑塊施加的軸向拉力F按下式計算確定: F=IXo 0 2XS 式中: I —脹形機脹形系數，本發明取1.26?1.52 ; σ 0.2——脹形溫度下鋁合金材料的屈服強度(MPa)，2618A合金取IOOMPa?150MPa ； S—脹形前的矩形截面環形件的縱截面面積(mm2)。
4.根據權利要求1或2所述的鋁合金矩形截面環形件的熱脹形成形方法，其特征在于:所述脹形后的矩形截面環形件，其內徑尺寸范圍為Φ400πιπι?Φ4500πιπι，壁厚為IOmm?200mm,高度為 40mm ?750mm。
【文檔編號】B21D39/20GK103433394SQ201310388812
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月1日 優先權日:2013年9月1日
【發明者】謝撰業, 劉朝輝, 范黔偉, 項春花, 張建軍, 陳集才, 陸遠貴 申請人:貴州航宇科技發展股份有限公司