筒形构件形性一体化整体渐进成型方法及系统

技术领域

本发明涉及金属成型技术领域，具体地，涉及一种筒形构件形性一体化整体渐进成型方法及系统，尤其是一种可时效强化铝合金高性能筒形构件形性一体化整体渐进成型方法。

背景技术

大型筒体构件是在航空航天领域广泛使用的结构件，其具有尺寸大、难加工、易变形等特点。目前大型筒体构件的成型方法主要包括拼焊、自由锻、环轧三种。拼焊工艺首先将多块型材辊弯，再焊接到一起，工艺简单，生产效率高，曾得到广泛应用。但拼焊工艺会留下多条纵向焊缝，使整体结构刚度和强度降低，且存在焊接内应力、变形等问题。自由锻能生产出无纵向焊缝、组织致密、强度高、韧性好的零件，但生产精度较低，生产周期长、效率低。环轧工艺与自由锻类似，但精度更高，生产周期更短。然而上述工艺难以加工带有如交叉高筋等复杂特征的零件，成型完成后的人工时效工艺具有耗能较高、周期较长、变形等问题。

公开号为CN107443023A的专利文献公开了一种带筋薄壁大型铝合金筒的柔性加工方法，该方法通过将圆柱铝合金坯料冲孔-环件轧制-轴向挤压-分割单元体-焊接集成等工艺过程，可以柔性化批量生产，不同直径的系列化的带筋薄壁大型铝合金筒结构件。但是该专利文献材料利用率低、工艺复杂、存在纵向焊缝、加工周期长，所得零件在焊接热应力和时效的影响下因变形而精度下降。

公开号为CN108218453A的专利文献公开了一种陶瓷基复合材料的成型方法，特别涉及一种薄壁圆锥圆筒形陶瓷基复合材料构件的成型方法，该专利文献采用热压罐定型与石墨模具保型的联合定型方式；热压罐工艺多适用于树脂基复合材料的成型，罐内压力一般小于1MPa，罐内温度一般小于300℃，且为一次成型。但是该专利文献仍然存在难以加工带有如交叉高筋等复杂特征的零件，成型完成后的人工时效工艺具有耗能较高、周期较长、变形等缺陷。

综上所述，针对现有成型工艺存在的问题，设计出一种可时效强化铝合金高性能筒体构件形性一体化整体渐进成型方法，使构件在塑性成形的同时完成材料微观组织的调控，实现构件整体性能，避免后续热处理带来的设备大、能耗高、构件变形等问题，对于制造表面带有复杂特征的大型轻量化筒形结构件十分必要。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种筒形构件形性一体化整体渐进成型方法及系统。

根据本发明提供的一种筒形构件形性一体化整体渐进成型方法，包括如下步骤：

步骤1：从与待加工坯料相同的筒坯上切割下一个或多个板料，将板料与铝合金筒坯进行高温固溶淬火；

步骤2：根据工艺条件设计循环塑性变形材料实验，将板料切割成相应试样，通过实验获取成型铝合金材料循环塑性变形和动态析出强化的映射关系；

步骤3：将铝合金筒坯转移至模具中，将筒坯和模具整体放入旋轮或碾轮成型机中反复碾旋渐进成型；

步骤4：通过设计进给量和多道次加工方式，借助可时效强化铝合金循环塑性变形引起的“动态析出”效应训练铝合金材料，通过循环塑性变形实现铝合金的时效处理和高精度结构成型；

步骤5：将零件从模具中取出后进行最终处理。

优选的，所述步骤1中，采用的铝合金为2219铝合金；

沿坯料曲率方向切割板料并碾平；

淬火方式为水冷。

优选的，所述步骤2中，所述循环塑性变形材料实验包括循环拉压实验和循环剪切实验。

优选的，所述步骤2中，所述循环塑性变形材料实验在通用循环实验平台上进行，实验时，试样装在防失稳夹具中，在通用循环实验平台上发生循环塑性应变，并通过数字图像相关应变测量系统获取其循环加载应力应变曲线，通过小角X射线散射或者透射电镜定量分析循环实验后试样的析出相。

优选的，所述步骤2中，首先根据仿真估计零件的变形状态，设计如下参数：循环周次、频率、变形幅值、应力水平、应变水平，进行多因素、多水平的多次实验，根据实验结果建立循环塑性变形和动态析出的耦合模型。

优选的，所述步骤3中，铝合金筒坯在分瓣式环状模具内进行成型，模具分内筋模具和外筋模具两种，分别用于生产带内筋零件和带外筋零件；

根据所加工零件的尺寸选用成型机，所述成型机选用如下其中一种：立式碾环机、卧式碾环机、卧式旋轮机。

优选的，所述步骤4中，通过步骤2所得材料模型进行有限元仿真，根据所需加工效果和材料性能设计进给量、坯料旋转速度、压力、温度、进给速度；

对碾轮下压轨迹、旋轮轨迹进行规划，实现加工；对循环塑性变形过程进行调节，控制材料动态析出，实现材料性能的“训练”。

优选的，所述步骤4中，零件在循环塑性变形的作用下发生动态析出强化，以动态析出为主，热处理为辅调控零件性能，实现少无热处理的型性一体化成型。

优选的，所述步骤5中，对零件进行打磨、切割的后处理。

本发明还提供一种筒形构件形性一体化整体渐进成型系统，包括如下模块：

模块M1：从与待加工坯料相同的筒坯上切割下若干板料，将板料与铝合金筒坯进行高温固溶淬火；

模块M2：根据工艺条件设计循环塑性变形材料实验，将板料切割成相应试样，通过实验获取成型铝合金材料循环塑性变形和动态析出强化的映射关系；

模块M3：将铝合金筒坯转移至模具中，将筒坯和模具整体放入旋轮或碾轮成型机中反复碾旋渐进成型；

模块M4：通过设计进给量和多道次加工方式，借助可时效强化铝合金循环塑性变形引起的“动态析出”效应训练铝合金材料，通过循环塑性变形实现铝合金的时效处理和高精度结构成型；

模块M5：将零件从模具中取出后进行最终处理。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过旋轮(或者碾轮)反复挤压固溶淬火态铝合金筒体材料，通过循环塑性变形产生动态析出强化相，实现高性能铝合金构件近净成型制造，获得少无热处理的低碳绿色工艺；

2、本发明的成型件尺寸精度高、组织均匀，生产效率高，耗能少；

3、本发明可实现具有交叉筋等特征的铝合金筒形件一体化近净成型；

4、本发明利用了铝合金的动态析出强化，相较人工时效耗能更少，加工效率更高；

5、本发明利用模具和卧式旋轮进行形性一体化成型，可加工大直径零件，所得零件尺寸精度高、组织均匀，少无残余应力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的筒形构件形性一体化整体渐进成型方法的步骤流程图；

图2为本发明的筒形构件形性一体化整体渐进成型方法的加工流程图；

图3为本发明中所述循环拉压实验所用试样尺寸图；

图4为本发明中所述循环剪切实验所用试样尺寸图；

图5为本发明中所述循环塑性变形实验所用防失稳夹具示意图；

图6为实施例四中的仿真中循环塑性变形示意图；

图7为实施例四中的仿真中塑性变形-时间曲线；

图8为本发明所设计内筋零件用模具及其内部结构示意图；

图9为实施例五中的加工原理图；

图10为实施例五中的加工示意图；

图11为实施例2中的仿真中塑性变形-时间曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供一种筒形构件形性一体化整体渐进成型方法，包括如下步骤：

步骤1：从与待加工坯料相同的筒坯上切割下一个或多个板料，将板料与铝合金筒坯进行高温固溶淬火；采用的铝合金为2219铝合金；沿坯料曲率方向切割板料并碾平；淬火方式为水冷。

步骤2：根据工艺条件设计循环塑性变形材料实验，将板料切割成相应试样，通过实验获取成型铝合金材料循环塑性变形和动态析出强化的映射关系；循环塑性变形材料实验包括循环拉压实验和循环剪切实验；循环塑性变形材料实验在通用循环实验平台上进行，实验时，试样装在防失稳夹具中，在通用循环实验平台上发生循环塑性应变，并通过数字图像相关应变测量系统获取其循环加载应力应变曲线，通过小角X射线散射或者透射电镜定量分析循环实验后试样的析出相；首先根据仿真估计零件的变形状态，设计如下参数：循环周次、频率、变形幅值、应力水平、应变水平，进行多因素、多水平的多次实验，根据实验结果建立循环塑性变形和动态析出的耦合模型。

步骤3：将铝合金筒坯转移至模具中，将筒坯和模具整体放入旋轮或碾轮成型机中反复碾旋渐进成型；铝合金筒坯在分瓣式环状模具内进行成型，模具分内筋模具和外筋模具两种，分别用于生产带内筋零件和带外筋零件；根据所加工零件的尺寸选用成型机，成型机选用如下其中一种：立式碾环机、卧式碾环机、卧式旋轮机。

步骤4：通过设计进给量和多道次加工方式，借助可时效强化铝合金循环塑性变形引起的“动态析出”效应训练铝合金材料，通过循环塑性变形实现铝合金的时效处理和高精度结构成型；通过步骤2所得材料模型进行有限元仿真，根据所需加工效果和材料性能设计进给量、坯料旋转速度、压力、温度、进给速度；对碾轮下压轨迹、旋轮轨迹进行规划，实现加工；对循环塑性变形过程进行调节，控制材料动态析出，实现材料性能的“训练”；零件在循环塑性变形的作用下发生动态析出强化，以动态析出为主，热处理为辅调控零件性能，实现少无热处理的型性一体化成型。

步骤5：将零件从模具中取出后进行最终处理；对零件进行打磨、切割的后处理。

本实施例还提供一种筒形构件形性一体化整体渐进成型系统，所述筒形构件形性一体化整体渐进成型系统可以通过执行所述筒形构件形性一体化整体渐进成型方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述筒形构件形性一体化整体渐进成型方法理解为所述筒形构件形性一体化整体渐进成型系统的优选实施方式。

实施例2：

本实施例还提供一种筒形构件形性一体化整体渐进成型系统，包括如下模块：

模块M1：从与待加工坯料相同的筒坯上切割下若干板料，将板料与铝合金筒坯进行高温固溶淬火；

模块M2：根据工艺条件设计循环塑性变形材料实验，将板料切割成相应试样，通过实验获取成型铝合金材料循环塑性变形和动态析出强化的映射关系；

模块M3：将铝合金筒坯转移至模具中，将筒坯和模具整体放入旋轮或碾轮成型机中反复碾旋渐进成型；

模块M4：通过设计进给量和多道次加工方式，借助可时效强化铝合金循环塑性变形引起的“动态析出”效应训练铝合金材料，通过循环塑性变形实现铝合金的时效处理和高精度结构成型；

模块M5：将零件从模具中取出后进行最终处理。

实施例3：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。

如图1和图2所示，本实施例提出了一种可时效强化铝合金高性能筒体构件形性一体化整体渐进成型方法，所述的成型过程包括：

步骤S1：从与待加工坯料相同的筒坯上切割下若干板料，将板料与铝合金筒坯进行高温固溶淬火；

步骤S2：根据工艺条件设计循环塑性变形材料实验，将板料切割成相应试样，通过实验获取成型铝合金材料循环塑性变形和动态析出强化的映射关系；

步骤S3：根据循环塑性变形和析出状态设计成型轨迹，将铝合金筒坯转移至旋轮(碾轮)成型机中反复碾旋渐进成型；

步骤S4：通过设计进给量和多道次加工方式，借助可时效强化铝合金循环塑性变形引起的“动态析出”效应训练铝合金材料，通过循环塑性变形实现铝合金的时效处理和高精度结构成型；

步骤S5：将零件从模具中取出后进行最终处理。

步骤S1中，所用铝合金，为2219铝合金，其他实施例中，同样可用于其他牌号铝合金和使用人工时效工艺的塑形金属的成型。

步骤S1中，沿坯料曲率方向切割板料并碾平。

步骤S1中，淬火方式为水冷。

步骤S2中，所述循环变形实验，包括循环拉压实验和循环剪切实验。

步骤S2中，循环拉压实验所用试样尺寸如图3所示，循环剪切实验所用试样尺寸如图4所示，单位为mm。

步骤S2中，循环变形实验在通用循环实验平台上进行，实验时，试样装在防失稳夹具中(如图5所示)，在通用循环实验平台上发生循环塑性应变，并通过数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)应变测量系统获取其循环加载应力应变曲线，通过小角X射线散射(Small Angle X-ray Scattering,SAXS)或者透射电镜(TEM)等微观表征手段定量分析循环实验后试样的析出相。

步骤S2中，首先根据仿真估计零件的变形状态，设计循环周次、频率、变形幅值、应力水平、应变水平等参数，进行多因素、多水平的多次实验，根据实验结果建立循环塑性变形和动态析出的耦合模型。

步骤S3中，铝合金筒坯在分瓣式环状模具内进行成型，模具分内筋模具和外筋模具两种，分别用于生产带内筋零件和带外筋零件。

步骤S3中，所用模具内腔除交叉筋外，也可根据需求设计横筋、纵筋等其他特征。

步骤S3中，所用模具，其内腔尺寸除长度略长外，与实际所需零件一致。

步骤S3中，所用成型机，根据所加工零件的尺寸不同，可选用立式碾环机、卧式碾环机、卧式旋轮机等；除旋轮和碾轮成型外，也可选用旋压等涉及循环塑性应变的加工方式。

步骤S4中，通过S2所得材料模型进行有限元仿真，根据所需加工效果和材料性能设计进给量、坯料旋转速度、压力、温度、进给速度等工艺参数。可对碾轮下压轨迹、旋轮轨迹进行规划，实现更好的加工效果；可对循环塑性变形过程进行调节，控制材料动态析出，实现材料性能的“训练”。

步骤S4中，零件在循环塑性变形的作用下发生动态析出强化，以动态析出为主，热处理为辅调控零件性能，实现少无热处理的型性一体化成型。

步骤S5中，因零件两端加工误差、模具拼合缝隙等因素，需对零件进行打磨、切割等后处理。

本实施例的目的在于克服上述现有技术和应用存在的局限性，而提供一种铝合金筒形件一体化成型方法,所述的成型过程中，铝合金筒坯首先经过高温固溶淬火，在旋轮(或者碾轮)的作用下挤压成型，通过循环塑性变形产生动态析出，提升结构的强度和刚度，最后经简单后处理得到所需零件。

本实施例通过旋轮(或者碾轮)反复挤压固溶淬火态铝合金筒体材料，通过循环塑性变形产生动态析出强化相，实现高性能铝合金构件近净成型制造，获得少无热处理的低碳绿色工艺。成型件尺寸精度高、组织均匀，生产效率高，耗能少。

实施例4：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。

对2219铝合金进行循环塑性变形实验，根据实验结果建立循环塑性变形和动态析出耦合模型。对变形过程进行仿真，坯料沿轴向发生循环塑性切应变，如图6所示，一次正-反-反-正循环碾中塑性变形-时间曲线如图7所示。

将内径为200mm，厚度为7mm，长度为100mm的铝合金2219筒坯加热至535℃，保温40min；

将固溶完成的坯料在冷水中淬火；

将坯料放置在碾环成型所用模具中，如图8所示；模具由分瓣式内模、内环、端盖三部分组成，其中内模为便于脱模进行了特殊的角度切分，其上有凸起与端盖配合，内环起支撑作用，防止模具因压力过大而损坏，端盖上开通孔，通过螺栓与内模固结，约束坯料的轴向流动；

将模具和坯料整体在加热炉中加热至400℃；

将模具转移至立式碾环机上进行成型，如图9所示，根据耦合模型和有限元仿真可知，设置压力为60t，转速为30r/min，以正转一周和反转一周作为一个加载循环，进行循环塑性变形成型；

实时监测坯料表面温度，当温度降低至175℃时将模具卸下，转移到加热炉中重新加热至400℃；

当坯料在碾环机上累计加工时间达4h后，结束加工，将零件从模具中取出；

对零件进行后处理。

实施例5：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。

对7075铝合金进行循环塑性变形实验，根据实验结果建立循环塑性变形和动态析出耦合模型。对变形过程进行仿真，坯料沿径向发生循环塑性切应变，塑性变形-时间曲线如图11所示。

将内径为200mm，厚度为7mm，长度为100mm的铝合金7075筒坯加热至466℃，保温2h；

将固溶完成的坯料在冷水中淬火；

将坯料放置在成型所用模具中；

将模具转移至立式旋轮机上进行成型，如图10所示，根据耦合模型和有限元仿真可知，设置压力为80t，转速为40r/min，旋轮以25mm/s的速度在沿轴向在坯料表面循环挤旋；

当坯料在旋轮机上累计加工时间达4h后，结束加工，将零件从模具中取出；

对零件进行后处理。

本发明通过旋轮(或者碾轮)反复挤压固溶淬火态铝合金筒体材料，通过循环塑性变形产生动态析出强化相，实现高性能铝合金构件近净成型制造，获得少无热处理的低碳绿色工艺，成型件尺寸精度高、组织均匀，生产效率高，耗能少。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。