[发明专利]薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法

说明书

本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，提供了一种薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，步骤如下：原始坯料的设计；覆层板坯的确定和制备；叠层板坯的组合；合模密封；叠层板坯的成形；排出压力介质；叠层板坯的分解；薄壁构件后处理。本发明中叠层板坯成形时原始板坯不需要法兰区域，对于塑性成形性能差的材料，避免了局部胀形、局部减薄、局部开裂或者界面材料分配不均而出现起皱缺陷的问题。另外，本发明中叠层板坯成形时原始板坯不需要法兰区域，特别在成形尺寸较大的薄壁金属构件时，可解决所需原始板坯的外形尺寸超出现有板坯的制备能力的问题。

技术领域

本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，特别是涉及一种薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法。

背景技术

薄壁金属钣金构件是航空航天领域及汽车、高铁等运载装备中非常常见的一类结构件。根据薄壁金属钣金构件的使用服役要求如抗拉强度、外形尺寸、耐腐蚀性等，首先需要进行构件的材料选择及形状尺寸优化设计。然后，再选择合适的金属板坯，采用合适的成形方法制造出所需的薄壁金属钣金构件。所成形出的薄壁金属钣金构件，其形状尺寸、壁厚分布、力学性能等必须满足设计要求。同时，还需要从成形制造时的成形工艺难易程度、材料利用率、生产效率、制造成本等角度综合考虑。

薄壁金属钣金构件成形时，一般先在板坯的外边缘(通常称法兰区)施加一定的拉力或位移约束，然后采用刚性或弹性冲头、水或气等流体介质，对板坯中部区域施加垂直或近似垂直于板平面的作用力。板坯将在中部区域的成形载荷和外边缘的约束载荷共同作用下发生变形，直至贴合到凹模型腔后获得所需形状。根据中部区域所施加载荷的不同，可将薄壁金属钣金构件的成形方法分为刚性凸模成形和柔性/流体介质成形。而根据板坯外边缘所施加的约束条件，又可将薄壁金属钣金构件成形分为拉深成形和胀形成形。通常，板坯外边缘的拉力或位移约束，都是通过上模具、下模具的外边缘与板坯外边缘的相互作用形成的。上模具外边缘将板坯外边缘压靠在下模具外边缘后，在板坯中间部分发生变形时，如果同时允许板坯外边缘向模具型腔内流动，则称为拉深成形，如果不允许板坯外边缘向模具型腔内流动，则称为胀形成形。板坯外边缘的约束条件，对薄壁金属板坯的成形过程及成形质量起到至关重要的作用。当外边缘的约束条件不合理时，将出现中间变形区域起皱、过度减薄或破裂等缺陷。因此，传统的拉深或胀形成形过程中，在板坯上设置外边缘并通过外边缘对材料的变形流动进行控制是必不可少的。

但是，对于外形轮廓很复杂的薄壁钣金构件，外边缘材料的约束条件和变形过程非常复杂，极易导致板坯外边缘产生局部不合理的流动从而在整个板坯上产生局部开裂、局部减薄、局部起皱等不合理现象，进而直接影响最终构件的成形质量。虽然可以通过优化上模具、下模具上外边缘区域的形状、表面粗糙度及其与板坯外边缘的相互作用以调控板坯的流动，但是这些措施都将导致模具和工装复杂、工艺控制难度增加、成形效率低等问题。更为重要的是，在原始板坯上设置外边缘法兰区域后，将出现如下特殊问题：(1)对于铝合金、镁合金等室温下塑性变形能力差的材料，在成形时极易在外边缘法兰区域出现局部开裂；(2)薄壁金属板坯成形后，需要将发生变形的外边缘法兰区域切除掉，这对于价格昂贵的先进金属材料如高强铝合金、钛合金，或者金、银等贵重金属，必然造成极大的材料浪费并导致制造成本提高；(3)由于板坯外边缘法兰区的存在必将额外增加原始板坯的长、宽尺寸，这往往导致所需原始板坯的外形尺寸特别是宽度尺寸超出现有板坯的制备能力。例如，对于厚度2～5mm 的2000系高强铝合金，现有轧制设备可制备的板坯的最大宽幅约为2.5m。如果要成形的构件的宽度达到或超过2.5m，则无法采用单块板坯成形该构件。虽然可以将多块板坯拼焊到一起以增加板坯的宽度，但是因为原始板坯上拼焊焊缝的存在，必然将导致成形工艺的复杂化、成形后构件性能的弱化等不利影响。

为解决目前薄壁金属钣金构件成形时因需要在原始坯料上设置外边缘法兰区以控制原始坯料上各区域材料的合理流动，对于塑性成形性能差的材料极易出现法兰区起皱或开裂、对于高性能金属材料和贵重金属材料将导致材料利用率低和制造成本高、对于大尺寸构件将导致现有板坯的尺寸特别是宽度尺寸不满足要求等问题，需要开发一种新的薄壁金属钣金构件成形方法。

发明内容