[发明专利]一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法

说明书

本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，能够解决现有的高温气压胀形工艺中充气口位置固定，无法改变充气位置，且由于高压气体的充入而导致板材温度场分布不合理，成形时出现局部减薄、开裂、壁厚分布不均匀等缺陷，对于结构较复杂的薄壁金属构件，成形时无法合理调控材料的流动，材料无法均匀分布，导致构件性能弱化等问题。本发明的方法根据复杂薄壁金属构件的结构特点，灵活设计充气位置，达到调控板材温度场合理分布的目的，进而调控板材不同区域的塑性变形程度，解决成形局部特征时壁厚减薄严重、材料堆积严重的问题，对于复杂薄壁金属构件可进行多次胀形，合理调控材料的流动，使材料分布可调可控，提高胀形件的性能。

技术领域

本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，特别是涉及一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法。

背景技术

随着汽车行业与航空航天工业的发展，薄壁金属结构件的应用越来越广泛。这一类零件通常要求高精度、高性能及高可靠性，直接影响装备的服役性能，是新能源汽车与新一代航空运载装备的关键构件。这类薄壁金属构件常选用铝合金、镁合金、钛合金等轻质高性能材料。此类材料常温条件下塑性较低、成形性能较差，因此需要在高温下成形，并要求其形状尺寸、壁厚分布、力学性能等必须满足设计要求。

薄壁金属构件高温成形根据板材变形区域所施加载荷的不同，可将薄壁金属构件的成形方法分为刚性凸模成形和流体介质成形。热冲压成形技术为刚性凸模成形方法中典型技术，其工艺流程为先将铝合金在固溶温度下保温一定时间，然后将坯料迅速转移到通冷却水的模具中冲压成形，成形后在冷模内保压使零件快速冷却淬火。这种成形方法解决了铝合金室温下塑性不足的问题，在模具内保压降低了回弹，避免了后续热处理的形状畸变，提高了零件尺寸精度，但其模具加工成本较高，凸模与板材之间有摩擦力的影响，且对凸模与凹模的加工精度提出很高要求。高温气压胀形是流体介质成形方法中的一种典型技术，板料加热到设定温度后，将板料放入模具的上下模之间，密封合模，利用压力机的合模力提供坯料胀形时的密封压力，通过模具开设的充气口充入高压气体，板材贴靠凹模，完成成形。板料成形时由于常温气体的充入，影响板材的温度分布，各个区域在不同温度条件下塑性不同，使用中心充气方式胀形时，板材中心区域温度降低，变形抗力增大，变形转移至周边区域，成形件中心区域壁厚较厚，周边区域壁厚较薄，使用周边充气方式胀形时，得到的胀形件周边区域壁厚较厚，中心区域壁厚较薄，壁厚分布差异较大，难以满足使用需求。因此高温气压胀形时能否合理的控制温度场，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，当温度场控制不合理时，胀形件壁厚分布不均匀，壁厚减薄严重处会发生开裂缺陷，影响板材的成形性能。Fischer(1998)的研究说明了在只有单一固定充气位置模具中成形零件时其截面的典型厚度变化，壁厚分布不均匀，成形杯形件时底部圆角区域壁厚较薄，底部中心区域壁厚较厚，单一固定充气位置无法满足成形需求，且在传统气压胀形时，预成形与终成形需要在两套模具内完成，模具加工成本较高。

目前，采用高温气压胀形工艺成形薄壁金属构件时存在以下难题：(1)充气口位置单一固定，无法根据成形件的形状特征灵活改变充气位置，预成形与终成形需要利用两套模具，且更换模具成本较高；(2)高温气压胀形时，充入高压气体为常温状态，使得板材正对充气口的区域温度降低，变形抗力大，壁厚较厚，变形转移至周边区域，变形量大，壁厚较薄，成形件性能弱化；(3)高温气压胀形时，对于结构较复杂的薄壁金属构件，某些局部特征壁厚减薄严重，而某些区域材料堆积严重，壁厚差异较大，无法合理调控材料的流动，材料无法均匀分布，影响胀形件的性能。

为解决目前薄壁金属构件成形时，由于充气口位置固定，无法改变充气位置，高压气体的充入导致板材温度场分布不合理，成形时出现局部减薄、开裂、壁厚分布不均匀等缺陷，对于结构较复杂的薄壁金属构件，成形时各区域材料无法合理流动，导致构件性能弱化等问题，需要开发一种新的薄壁金属构件成形方法。

发明内容