熱沖壓與超塑氣脹復合成形工藝的制作方法

專利名稱：熱沖壓與超塑氣脹復合成形工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種大型鋁合金車身零件的塑性成形工藝
背景技術：
用鋁合金板材替代鋼板制造汽車車身是汽車減重降低油耗的重要措施之一。在現 有技術中，鋁合金汽車車身零件的成形多用常規的冷沖壓工藝。鋁合金在室溫條件下塑性 低、彈性模量低的缺點使得鋁合金汽車車身零件冷沖壓工藝成品率較低，主要缺陷是成形 開裂和回彈引起的零件尺寸超差。為此近年來開發了鋁合金汽車車身零件超塑氣脹成形工 藝。超塑成形工藝要求鋁合金板材必須是等軸細晶粒組織，目前只有經專門工藝特殊處理 的5083鋁合金可以滿足這個要求。由于這種板材生產批量小，較高的材料價格限制了該工 藝的應用。限制該工藝應用的另一個因素是超塑氣脹成形速度太慢，成形一個復雜形狀零 件有時甚至需要幾十分鐘，這種生產效率與汽車大批量的生產要求存在巨大反差，這是目 前急需解決的技術問題。近年來材料科學家已進行大量研究，企圖通過晶粒細化來提高鋁 合金超塑性應變速率，進而提高超塑成形的效率。實踐證明這種方法雖然理論上有效，但是 遠水不解近渴。材料與工藝成本的制約，使得鋁合金汽車車身減重的工作遲遲進入不了具 有大批量特征的中低檔汽車。為了滿足汽車大批量生產的特點，需要另辟新徑，通過改進成 形工藝來提高鋁合金汽車車身零件超塑成形的生產效率。

發明內容
本發明提供了一種鋁合金汽車車身零件快速超塑成形的新工藝。該工藝的主要特 征是將熱沖壓和超塑氣脹成形結合起來，使二者優勢互補，達到快速超塑成形的目的。該工 藝放松了對傳統超塑成形對板材晶粒度要求，允許使用普通商業鋁合金板材。與冷沖壓工 藝相比，本發明工序少，避免了開裂與大回彈的缺陷，成品率高；與傳統超塑脹形工藝相比， 本發明顯著提高了成形速度，降低了材料成本。這說明本發明消除了使用鋁合金進行中低 檔車汽車車身輕量化的技術障礙，它將成為鋁合金汽車車身大批量生產的高效優質工藝。 對于傳統的超塑性脹形，假設某處工件板厚為t，脹形壓力為p，板料承受的拉應 力和應變速率分別為o和g，因為板料承受雙向拉伸時，假設工件局部為球面形狀，曲率半 徑為r，由平衡方程得到
r 2汰 可見當r—①時要使應變速率保持一個定值，只能讓p —0。因為傳統超塑脹形
的坯料為一個平板，其曲率半徑為無限大。因此傳統超塑脹形初始階段，特別是開始時刻， 為保證坯料的應變速率處于其超塑性應變速率范圍之內，脹形壓力必須很小，并只能隨著 變形后的板材的曲率逐步減小而壓力逐漸增大，否則必然出現坯料破裂。這個原因使得板 料超塑脹形初始階段進展極為緩慢，這是造成傳統板料超塑脹形成形時間長的主要原因。
基于上述分析，本發明在脹形之前進行平板坯料預成形，使其具有一定的曲率半徑和接近零件的形狀，本發明采用沖壓工藝進行預成形，使用熱沖壓成形可與后續的超塑 性脹形在同一道工序中與等溫條件下進行，工序緊湊有利于縮短成形時間，但是熱沖壓成 形缺乏成熟經驗因而技術難度較大。使用冷沖壓進行預成形，與超塑脹形分開操作，容易實 現，缺點是要嚴格控制預成形的變形量以防坯料破裂。另外因為增加進出料的時間會增加 總的成形時間。對于超塑性狀態的熱沖壓，因為超塑性延伸率遠大于其室溫延伸率，所以熱 沖壓的變形量可以相對大些。實際上預成形變形量的大小與具體的零件形狀和具體材料的 成形性能有關。為了確定預成形量，本發明依據材料熱變形的成形極限圖使用板料超塑性 成形工藝數值模擬方法優化預成形量的范圍。優化目標是預成形的零件1)無破裂，2)無明 顯褶皺，3)無明顯的局部反向凸起。4)各點應變狀態都在FLD曲線以下的安全區內，其數 值低于FLD圖曲線數值的10%以上。 注意到沖壓過程中，板料變形區的應變狀態是一拉一壓。而超塑脹形時板料變形 區的應變狀態是為雙向拉伸。由板料的拉伸極限圖可知，沖壓時的極限應變遠大于脹形時 的極限應變。這就是說，對于相同的拉伸應變，沖壓時不會破裂但脹形時可能會破裂。在一 定溫度和較高的應變速率范圍內，材料的拉伸延伸率可能隨應變速率的增加而降低，因此 熱沖壓成形可以比氣脹成形選擇更高的凸模運動速度。這就是說同樣的材料同樣的溫度， 熱沖壓工藝的成形速度可以比熱脹形工藝的成形速度快一些。這就說明了本發明的沖壓與 脹形的復合工藝是一個快速超塑成形。 對于形狀復雜的零件，如果零件形狀曲率半徑過小，脹形壓力p會很大，這就要求 充氣管道以及相關設備強度增加，加大了輔助設備的成本和難度。為此需根據常規承壓能 力P反求出所允許的最小r。值。對于鋁合金在高溫條件下r。 > 2-5mm。當零件局部的曲 率半徑< rc時，應增加一道沖壓整形，成形出過小的r角。同樣可以使用冷沖壓也可使用 熱沖壓完成整形。如果預成形與整形用不同形狀沖頭，為避免更換沖頭的麻煩，則需要單開 一道工序進行冷沖壓整形；如果預成形與整形用相同形狀沖頭，則沖壓整形可與超塑脹形 在同 一工序內，進行等溫熱沖壓整形。 在沖壓整形開始時，板料可能與凹摸有多處接觸。注意到脹形時非接觸區是變形 最大的區域，當改換為沖壓整形時，沖頭運動首先接觸這些最大變形區的中間部位，這些接 觸區就停止了變形，此后剩余的非接觸區拉伸變形并逐步與模具接觸，直至完全貼膜。所以 氣脹成型轉為沖壓整形后，坯料最大變形區的位置發生了轉移，從而使零件變形分布更為 均勻。這一現象既降低了對坯料的成形性能要求，也為提高成形速度提供了又一個機會。
綜上所述，本發明的成形工藝最多由三階段組成第一階段為沖壓預成形，第二階 段為超塑氣脹成形，第三階段為沖壓整形。設總成形時間為T，各階段所用時間分別為1\， 12，13，則T = 1\+T2+T3。三階段的分界與材料性能和零件形狀有關，應該用工藝數值模擬方 法選擇確定。 設計工藝補充面是模具曲面設計的重要組成部分，設計不同的工藝補充面為零件 成形板料所承受的最大變形量及其發生位置不同，本發明通過板料成形工藝數值模擬的方 法優化工藝補充面設計，使其最大變形量盡可能小，位置盡可能出現在工藝補充面上。這個 優化設計的工作目的在于最大限度地降低成形工藝對板料成型性能的要求，為使用商業鋁 合金板材作坯料奠定基礎。 為了盡量提高成形速度，需要盡量提高沖壓成形的上模運動速度、優化氣脹成形
4壓力時間曲線以獲得盡可能低的超塑脹形時間。在本發明中這些工作都要使用板料成形數 值模擬方法，并依據具體的材料性能參數。 本發明采用氣脹成形和沖壓復合工藝，如果1、3階段采用冷沖壓，其工藝模具壓 力及同普通冷沖壓工藝，階段2所需要的模具、輔具、壓力機與普通的超塑氣脹成形工具相 同，它需要一個凹模、一個帶壓邊密封氣體的上加熱板、周圈加熱裝置、溫度控制系統和氣 體加壓系統。如果采用熱沖壓方法，并將1、2、3階段合并為一個工序完成，模具結構設計變 得比較復雜。需要考慮沖頭導向與加熱保溫、氣壓密封、更換模具方法(如果1、3階段使用 不同沖頭)以及它們對總成形時間的影響。用壓邊圈墊塊控制階段l的壓下量hp設凸模 高度為h。，則墊塊高度h = h。-h" 本發明各階段都是在等溫條件下進行，具體溫度根據所選鋁合金材料的延伸 率_溫度曲線選擇， 一般情況下，溫度越低，延伸率越小，多數鋁合金的成形溫度范圍在 40(TC-52(TC之間。在為最大變形量留有一定安全系數的條件下盡量選擇較低的成形溫度， 以減少工藝成本和方便操作。這個選擇是與成形速度的確定相關聯的。
采用上述裝置組成的系統，將沖頭和凹模加熱，達到成形溫度后，將要鋁合金板材 放在凹模上。用厚度適當的壓邊圈壓住坯料，調整壓邊力后，將上加熱系統連同沖頭一起運 動，沖壓坯料使其變形，當沖頭達到預定位置時，沖頭與壓邊圈接觸后停止運動，壓邊圈發 揮了限位墊塊的功能，它的厚度決定了沖頭與凹模的相對距離。沖頭與壓邊圈墊塊之間有 多個彈簧，沖頭運動使彈簧受壓，引起壓邊力不斷增加。壓邊圈墊塊下面有一圈梯形凸臺， 用于沖壓預成形時，能使壓邊圈墊塊壓緊板料，形成超塑脹形所需要的由板料和凹模組成 的密封空間。此后開始超速氣壓脹形階段，從沖頭的進氣孔通入氣體，鋁合金板材在氣體壓 力下逐漸變形，如果沒有3階段，則最終與凹模貼合，短時保壓后，取出零件，成形結束。如 果有第三階段，并且3階段沖頭與1階段沖頭相同，則脹形結束后，撤下沖頭墊塊，繼續沖 頭合模運動，直到完全合模，短時保壓，取出零件，成形結束。如果1， 3兩階段的沖頭形狀不 同，高溫下更換沖頭需要花費很長時間，應該避免這種情況。對于必須換沖頭的情況，本發 明的第3階段使用冷沖壓工藝整形。 為了流通板料背面的空氣，在板料另一側的凹模具設置出氣管道，凹模型面凹坑 處設置了多個通孔，通孔與出氣管道相連，它們的作用是氣脹成形時排除板料背面的空氣， 減小貼模阻力；當成形結束后，該出氣管也可作為進氣管，吹進氣體便于工件脫模。另外該 出氣管也可作為進氣管，在脹形進行時吹進適當壓力氣體進行背壓成形，以改進板材的成 形性提高成形速度。 為保證熱沖壓預成形時，沖頭通過壓邊圈對板料的壓邊力逐漸增大，壓邊圈上表 面有多個盲孔，每個盲孔內各放置一個彈簧，沖壓預成形時，隨著沖頭的運動，彈簧壓縮變 形逐漸增大，壓邊圈對板料的壓邊力也就逐漸增大。當與成形結束時，壓力達到最大值，形 成了板料與凹模空間的密封。最大壓邊力為F二 a承oAA，系數a二 1.0-2.0，A為壓邊圈與 板料的接觸面積，o為鋁合金板材高溫強度，對于5000系列鋁合金，o = 30MPa-100MPa，。 設彈簧個數為N，彈簧剛度為K，，沖頭最大壓下量為hp則N = F/(Kh》。



下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
圖1是本發明的鋁合金汽車車身零件快速超塑成形簡圖。 圖中，l.下水冷板2.下加熱板 3.凹模 4.外部加熱裝置5.鋁合金板材，
6.上加熱板7.上水冷板，8.壓邊圈墊塊，9.進氣口，IO.出氣口，ll.沖頭。
圖2沖頭、凹模、板料、壓邊圈墊塊、壓邊圈彈簧結構組合示意圖。
具體實施例方式
用一個5000系列的商業鋁合金板材，成形一個汽車前翼子板。具體工作步驟如 下 1)獲取具體鋁合金板材的在不同溫度不同應變速率下的高溫應力_應變數據與 延伸率數據，成形極限圖。 2)根據待成形零件形狀尺寸進行初步的模具型腔曲面設計和工藝參數(成形溫 度、脹形氣體壓力時間曲線)設計。 3)應用數值模擬技術優化模具型腔曲面以盡量降低局部應變，并盡可能優化讓最 大應變出現在不重要的部位。 4)應用數值模擬技術優化成形溫度和壓力時間曲線，以獲取最低成本和最快的成 形速度，并據此選擇合適牌號的鋁合金板材。獲取最大的成形載荷。 5)需要預先制造和準備的硬件設施耐熱鑄鐵的模具，加熱和控溫裝置，充氣加 壓裝置，具有足夠噸位和工作臺面的油壓機。 6)圖1所描述的成形裝置簡圖沖頭11、凹模3，上水冷板7，下水冷板l，下加熱 板2、外部加熱裝置4，鋁合金板材5，上加熱板6，壓邊圈墊塊8，沖頭上的進氣孔9，凹模上 的出氣孔10。 7)圖2描述了沖頭、凹模、板料、壓邊圈墊塊、壓邊圈彈簧結構組合示意圖。本例壓 邊力約為20-100噸。 8)本例因零件底部比較平坦，無太小的圓角，因此只有熱沖壓和超塑脹形兩個階 段，沖壓預成形的沖頭與零件最終形狀不同。 9)成形操作過程安裝水冷與加熱控溫裝置，沖頭與凹模、連接氣源與進氣口，用 三通閥將出氣口分別與氣源和空氣連接。在沖頭與凹模里面有多個測溫點，加熱沖頭與模 具，當所有測溫點都達到所設置的溫度后，抬起壓力機，噴涂潤滑劑，將板料放到凹模上，用 壓邊圈壓住板料。為了防止漏氣在壓邊圈的分模面上有一圈梯形的凸臺。保溫2 3分鐘 后，壓下沖頭開始第1階段。由于壓邊力初始數值不大，模具外的板料可能會滑入凹模內。 沖壓階段結束時壓邊力達到最大值，上模具壓緊壓邊圈，壓邊圈壓緊板料，形成了板料凹模 具空間密封，開始超塑氣脹階段。按預定壓力時間曲線控制從進氣口 9進入的充壓氣體；此 時出氣口 IO與外界空氣相連，板料背面的空氣通過出氣口 IO排入大氣中。當板料完全貼 膜以后，脹形壓力達到最大值(約0.5-4MPa)，保壓2-3分鐘，脹形結束。為方便脫模，將出 氣口 10與氣源連接起來，通入少量低壓氣體，破壞板料與凹模表面的粘連，最后取出成形 后的零件。總成形時間與零件形狀有關，大約為5-15分鐘。
權利要求
一種鋁合金汽車車身零件快速超塑成形的工藝，其特征是所述鋁合金為普通商業鋁合金板材，所述快速超塑成形工藝由3個階段組成，第1階段為熱沖壓預成形，第2階段為超塑性氣脹成形，第3階段為沖壓整形；所述第1階段和第2個階段在一道工序內，在等溫條件下，用一套模具完成。所述第3階段僅當零件圓角曲率半徑太小時才是必需的，當1、3階段使用不同沖頭時則3階段要單開一道工序用冷沖壓整形，當1、3階段使用相同沖頭時則3階段可2階段在一道工序內進行等溫熱沖壓整形。
2. 按照權力要求1所述的快速超塑成形工藝，熱沖壓預成形，超塑氣脹成形和熱沖壓 整性的溫度范圍為400°C 520°C。
3. 按照權力要求1所述的快速超塑成形工藝，超塑氣脹成形需要一個適當的壓力_時 間曲線，其最大壓力為約0. 5-4MPa。
4. 按照權力要求1所述的快速超塑成形工藝，需要使用板料熱成形工藝數值模擬方法 確定預成形沖頭的壓下量，確定的原則是零件不破裂，無明顯褶皺，無明顯局部反向凸起形 狀。
5. 按照權力要求1所述的快速超塑成形工藝，需要用板料熱成形工藝數值模擬方法確 定熱沖壓預成形的上模速度和超塑氣脹成形的壓力_時間曲線；確定的原則是上模速度盡 量高，氣脹成形壓力盡量大，零件各點最大變形處于該鋁合金板材同等條件下成形極限圖 的安全區內。
6. 按照權力要求1所述的快速超塑成形工藝，熱沖壓預成形和超塑氣脹成形所使用 的一套模具包括凹模、沖頭和壓邊圈墊塊，設沖頭高度為h。，沖壓預成形階段沖頭壓下量為 hp則墊塊高度h = h。-hlt)這使得沖壓預成形結束時剛好密封了板料與凹模組成的空間，為 后續超塑脹形準備了條件。
7. 按照權力要求6所述的凹模，其型腔曲面應通過板料熱沖壓和超塑氣脹成形數值模 擬方法優化，優化目標是使零件最大等效應變值最小，并處于同等條件下板材成形極限圖 的安全區內。
8. 按照權力要求6所述的凹模，其型面凹坑處設置了多個通孔，在板料另一側的凹模 內設置出氣管道，通孔與出氣管道相連，它們的作用是氣脹成形時排除板料背面的空氣，減 小貼模阻力；成形結束后，該出氣管改為進氣管，吹進氣體便于工件脫模；另外該出氣管也 可作為進氣管，在脹形進行時吹進適當壓力氣體進行背壓成形，以改善板材的成形性能。
9. 按照權力要求6所述的壓邊圈墊塊，其下面有一圈方形凸臺，使得沖壓預成形一結 束壓邊圈墊塊就能壓緊板料，以保證超塑脹形的密封空間不漏氣。
10. 按照權力要求6所述的壓邊圈墊塊，其上表面有多個盲孔，每個盲孔內放置一個彈 簧，其作用是在熱沖壓預成形過程中形成隨沖頭運動逐漸增加的壓邊力。最大壓邊力F與 鋁合金高溫強度o 、壓邊圈和板料接觸面積A、彈簧個數N、彈簧剛度K、沖頭最大壓下量^ 的關系式為F = a o A = NKhp a = 1. 0-2. 0。
全文摘要
本發明提供一種鋁合金汽車車身零件快速超塑成形的新工藝。該工藝的主要特征是將熱沖壓和超塑氣脹成形結合起來，使二者優勢互補，達到快速超塑成形的目的。該工藝放松了對傳統超塑成形對板材晶粒度要求，允許使用普通商業鋁合金板材。與冷沖壓工藝相比，本發明工序少，避免了開裂與大回彈的缺陷，成品率高；與傳統超塑脹形工藝相比，本發明顯著提高了成形速度，降低了材料成本。這說明本發明消除了使用鋁合金進行中低檔車汽車車身輕量化的技術障礙，它將成為鋁合金汽車車身大批量生產的高效優質工藝。
文檔編號B21D53/88GK101786128SQ201010113890
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月25日 優先權日2010年2月25日
發明者金泉林 申請人:機械科學研究總院先進制造技術研究中心