一种铝合金深冷渐进成形工艺

1.本发明涉及金属材料塑性成形加工领域，具体为一种铝合金深冷渐进成形工艺。

背景技术：

2.铝合金由于其重量轻、比强度高等良好的综合机械性能，在航空航天和汽车工业中发挥着重要作用。然而，随着高性能、高质量的薄壁轻量化板材构件的需求激增，具有复杂形状的铝合金板类构件的塑性成形问题愈加突出。传统的成形工艺主要有冷成形和热成形两种，由于室温下铝合金塑性较差，冷成形工艺的废品率高，产品质量较差。热成形工艺可以显著提高成形塑性，但是高温下制件氧化严重导致表面质量差，且模具加热需消耗能源导致生产成本高；另一方面，热成形工艺改变材料的微观组织，造成合金强度急剧下降，需要额外的热处理工艺进行调控，降低生产效率。此外，热成形结构件也存在回弹现象，不能保证尺寸精度。
3.目前深冷技术已被证明是提高铝合金板材成形性能的有效方法，铝合金作为一种面心立方结构(fcc)金属，在低温下不会发生脆性转变，且合金的力学性能随着温度的降低而不断提高。国内外研究学者将低温下铝合金强度和塑性同时提高的现象称为双增效应，且该效应与铝合金材料成分无关，目前2系、6系、7系等铝合金均被证实在低温下具有双增效应。深冷成形工艺是一种新型铝合金板材加工技术，利用低温下铝合金的双增效应，克服了传统成形工艺的缺陷，为大尺度铝合金整体结构薄壁曲面构件的成形提供了解决方法，例如已经研发成功的深冷胀形技术，目前已在超低温条件下试制出了2219铝合金3m级火箭整体箱底样件。此外，利用超低温双增效应还可制备超细晶铝合金材料，解决高性能铝合金材料制备难题，例如深冷轧制、深冷挤压等工艺。
4.渐进成形是一种灵活的板料成形工艺，基于分层制造的思想，能够实现无模加工，在快速板材成形领域具有广阔的应用前景。但是对于低延展性材料，采用传统的板料渐进成形工艺难以实现对复杂零部件的加工，制件往往在成形过程中提前破裂。因此开发一种新型渐进成形工艺，提高板材成形性能，成为人们关注的焦点。目前，对于深冷渐进成形工艺的研究开展较少，且难以实现板材成形性能的提升，根据资料显示，渐进成形独特的局部加载方式使刀具与成形表面之间剧烈摩擦，采用将铝合金板材完全浸没于液氮的深冷渐进成形方式使所有常规润滑剂失效，导致成形表面严重恶化，制件出现裂纹并提前破裂，最终板材的成形性能降低。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种铝合金深冷渐进成形工艺。
6.为实现上述目的，本发明采取下述方案：
7.一种铝合金深冷渐进成形工艺，采用深冷渐进成形装置对铝合金板材进行深冷渐进成形，深冷渐进成形装置包括液氮存储腔、固定压板、液氮流量自动控制系统以及保冷外
壳，其中，固定压板将铝合金板材压紧于液氮存储腔上方，液氮存储腔上设置有排气孔，用于保持液氮存储腔内压强稳定，液氮流量自动控制系统能够实现对低温温度的准确调控以及液氮的持续供给，保冷外壳设置在液氮存储腔外部，当液氮存储腔内供给液氮时，冷却介质与铝合金板材底部直接接触；所述工艺包括以下步骤：
8.s1、液氮流量自动控制系统进行液氮供给，调整液氮存储腔温度为-160℃；
9.s2、对铝合金板材进行渐进成形，其中，渐进成形工具头与铝合金板材间的角度＜90
°
，成形过程采用mos2粉末作为润滑剂；
10.s3、对成形后的铝合金成形件进行人工时效，温度为185℃，时间为120min。
11.进一步地，铝合金牌号为2219，保冷外壳材质为聚氨酯，渐进成形前对铝合金板材进行固溶处理，温度为535℃，时间为30min。
12.进一步地，液氮流量自动控制系统还包括气体循环装置，气体循环装置包括底部送风装置和侧部送风装置，底部送风装置设置在液氮存储腔底部，液氮存储腔侧壁中设置扩口部一和收口部一，收口部延伸至液氮存储腔底部，再经外侧的收口部二至扩口部二，扩口部二顶部设置有排气孔，侧部送风装置设置在收口部一内，底部送风装置将液氮输送管路输送的液氮输送至铝合金板材底面，侧部送风装置引导铝合金底面的氮气和/或液氮向四周扩散。
13.进一步地，采用流体滚压工具头进行渐进成形，流体滚压工具头前方设置有润滑剂供给装置，流体滚压工具头端部设置有加热线圈，在步骤s2中，成形过程中，润滑剂供给装置实时供给润滑剂粉末，加热线圈实时加热。
14.进一步地，液氮流量自动控制系统包括自增压液氮容器、电磁开关阀、液氮流量计、开度阀、液氮输送管路、温度传感器、plc控制主机，其中，温度传感器采用k型热电偶，连接在铝合金板材上表面的边缘，实时监测铝合金板材温度。
15.进一步地，液氮流量自动控制系统的控制方法为，自增压液氮容器开始输出带压液氮，电磁阀控制液氮输送管路的开闭，plc控制主机通过流量计采集到的流量数据和温度传感器采集到的温度数据反馈控制开度阀的开度，当实际温度高于目标温度时，提高液氮输入流量，当实际温度低于目标温度时，降低液氮输入流量，最终对铝合金板材实现准确控温。
16.本发明与现有技术相比的优点在于：本技术对2219铝合金板材的深冷渐进成形工艺进行优化，通过深冷温度的精准控制，实现-160℃环境下的深冷条件，使铝合金板材具备优异的成形性能。
17.1、经不断尝试，发现2219铝合金板材在-160℃环境条件下具有优异的成形性能，而且，本技术中的深冷渐进成形装置可实现铝合金板材单面接触冷却介质的效果，避免了浸泡式深冷条件对于渐进成形的不利影响。
18.2、本技术中采用倾斜的工具头进行渐进成形，可显著提高成形极限，降低成形过程中工具头对于铝合金板材的影响，其中，当采用流体滚压工具头时前方设置润滑剂粉末供给装置，并在流体滚压工具头端部设置加热线圈，可保证流体滚压工具头在低温环境下工作油正常运转，在滚珠与工具头之间仍保证液态，避免因低温凝固造成工具头运动受阻的问题，并且，在加热线圈加热过程中，工作油流出工具头并在滚珠表面流动至凝固前，润滑剂粉末可附着在液态工作油上，由此可保证润滑剂粉末始终在滚珠与铝合金板材之间填
充，充分发挥润滑作用，即使工作油脱离工具头后凝固，也附着有润滑剂粉末，即使凝固的工作油脱落至待加工区域，也不会导致纯固体工作油阻碍滚压的进行，保证渐进成形工件的表面质量。
19.3、本技术中通过液氮流量自动控制系统可实现温度的精准控制，并且结合气体循环装置，显著提高了温度控制的精度和分布均匀性，将温差由
±
10℃降低至
±
3℃，保证了低温环境。
20.4、本技术实现了2219铝合金板材在-160℃环境下的渐进成形，成形高度由室温下的14.6mm提高至20.2mm，成形极限角由室温下64
°
提高至70
°
，显著提高了成形件表面硬度，并且显著提高了人工时效的硬度提高效率。
附图说明
21.图1为本发明深冷渐进成形装置结构示意图。
22.图2为本技术中改进的流体滚压工具头结构示意图。
23.图3为液氮流量自动控制系统结构示意图。
24.图4为气体循环装置结构示意图。
25.图5为液氮存储腔侧壁纵截面示意图。
26.图6为成形高度与成形极限角对比图。
27.图7为成形试样图。
28.图8为试样表面质量对比图。
29.图9为断口形貌图。
30.附图标记：
31.1、工具头，1.1、液压泵，1.2、工作油，1.3、加热线圈，1.4、滚珠，1.5、润滑剂供给装置，2、铝合金板材，3、液氮存储腔，3.1、底部送风装置，3.2、侧部送风装置，3.3、扩口部一，3.4、收口部一，3.5、收口部二，3.6、扩口部二，4、保冷外壳，5、固定压板，6、温度传感器，7、plc控制主机，8、开度阀，9、液氮流量计，10、电磁开关阀，11、自增压液氮容器，12、液氮输送管路。
具体实施方式
32.实施例1
33.一种铝合金深冷渐进成形工艺，采用深冷渐进成形装置对铝合金板材2进行深冷渐进成形，如图1所示，深冷渐进成形装置包括工具头1、液氮存储腔3、固定压板5、液氮流量自动控制系统以及保冷外壳4，其中，固定压板5将铝合金板材2压紧于液氮存储腔3上方，液氮存储腔3上设置有排气孔，用于保持液氮存储腔3内压强稳定，液氮流量自动控制系统能够实现对低温温度的准确调控以及液氮的持续供给，保冷外壳4设置在液氮存储腔3外部，当液氮存储腔3内供给液氮时，冷却介质与铝合金板材2底部直接接触；所述工艺包括以下步骤：
34.s1、液氮流量自动控制系统进行液氮供给，调整液氮存储腔温度为-160℃；
35.s2、采用工具头1对铝合金板材2进行渐进成形，其中，工具头1与铝合金板材间的角度＜90
°
(图1、2中为示意图，其角度实际＜90
°
)，成形过程采用mos2粉末作为润滑剂；
36.s3、对成形后的铝合金成形件进行人工时效，温度为185℃，时间为120min。
37.其中，铝合金牌号为2219，保冷外壳4材质为聚氨酯，渐进成形前对铝合金板材2进行固溶处理，温度为535℃，时间为30min。
38.如图3所示，液氮流量自动控制系统包括自增压液氮容器11、电磁开关阀10、液氮流量计9、开度阀8、液氮输送管路12、温度传感器6、plc控制主机7，其中，温度传感器6采用k型热电偶，连接在铝合金板材2上表面的边缘，实时监测铝合金板材2温度，液氮存储腔3内还可设置液位传感器。
39.液氮流量自动控制系统的控制方法为，自增压液氮容器11开始输出带压液氮，电磁开关阀10控制液氮输送管路12的开闭，plc控制主机7通过液氮流量计9采集到的流量数据和温度传感器6采集到的温度数据反馈控制开度阀8的开度，当实际温度高于目标温度时，提高液氮输入流量，当实际温度低于目标温度时，降低液氮输入流量，最终对铝合金板材2实现准确控温。
40.如图4所示，液氮流量自动控制系统还包括气体循环装置，气体循环装置包括底部送风装置3.1和侧部送风装置3.2，底部送风装置3.1设置在液氮存储腔3底部，其可设置在液氮输送管路12上方，也可设置在液氮输送管路12下方的液氮分隔仓下方，液氮分隔仓可将液氮分隔断存放并可通过隔断间的空隙透过气流。如图4、5所示，液氮存储腔3侧壁中至少相对的两侧壁，优选四侧壁均设置为：内侧中设置扩口部一3.3和收口部一3.4，其中扩口部一3.3的竖直距离大于收口部一3.4的竖直距离(图中仅为示意图并不代表具体数值关系)，收口部一3.3延伸至液氮存储腔3底部，与外侧的收口部二3.5及扩口部二3.6连通，收口部二3.5与收口部一3.4结构基本相同，扩口部二3.6与扩口部一3.3结构基本相同，扩口部二3.6顶部设置有排气孔，侧部送风装置3.2设置在收口部一3.3内，底部送风装置3.1将液氮输送管路12输送的液氮吹送至铝合金板材2底面，侧部送风装置3.2引导铝合金底面的氮气和/或液氮向四周扩散。送风装置可选择送风扇。通过底部送风装置3.1的设置，可将输送至液氮存储腔内的液氮及汽化后的深冷气体快速输送至铝合金板材2底面，再通过侧部送风装置3.2，使铝合金板材2底面的氮气和/或液氮向四周扩散，促进温度分布更均匀，其中，扩口部一3.3和收口部一3.4的设置可通过收口部一3.4内设置的侧部送风装置3.2在收口部一3.4内形成流速较快的气流，而在扩口部一3.3内，气流流速由铝合金板材2底面至收口部一3.4逐渐加快，即在铝合金板材2底面的气流流速较小，可形成稳定的低温气体分布，又加快了冷却气体和/或液体的循环速度，可显著提高铝合金板材2底面的温度控制精度，通过气体循环装置的改进，本技术可实现冷却温度控制精度达到
±
3℃，可保证深冷环境的稳定可靠。此外，液氮存储腔3侧壁中外侧设置与收口部一3.3、扩口部一3.4对应的收口部二3.5、扩口部二3.6，形成相反的气流流向，通过收口部二3.5和扩口部二3.6的设置，一方面可形成双层保温层，利用低温气体的剩余冷量对液氮存储腔3进行保冷，可提高液氮的利用率，另一方面，气流由收口部二3.5流向扩口部二3.6，可减缓氮气流速，增加氮气停留在液氮存储腔3内的时间，减少液氮用量，降低成本。
41.在一个可选的实施例中，如图2所示，采用流体滚压工具头进行渐进成形，流体滚压工具头的结构示意图如图2所示，流体滚压工具头通过液压泵1.1控制超高压液压工作油1.2支撑滚珠1.4，促使滚珠1.4“悬浮”在工作油1.2润滑膜上，从而实现“无摩擦”滚动。进一步地，流体滚压工具头前方设置有润滑剂供给装置1.5，流体滚压工具头端部设置有加热线
圈1.3，在步骤s2中，成形过程中，润滑剂供给装置1.5实时供给润滑剂粉末，加热线圈1.3实时加热。
42.采用本技术的实施例1进行的铝合金深冷渐进成形工艺制备的铝合金成形件性能优异，具体结果如下：
43.1、2mm厚度的2219-t4铝合金板材，经温度为535℃，时间为30min的固溶处理后，进行深冷渐进成形，对比例为室温下渐进成形，其他处理工艺均与实施例中的相同。成形高度如表1所示，硬度如表2所示，成形高度与成形极限角对比如图6所示，可得知，成形极限角由室温下64
°
提高至70
°
。成形试样如图7所示，图7中，上方为对比例，下方为实施例。
44.表1
[0045][0046]
表2
[0047][0048]
2、对实施例和对比例试样进行不同时长的人工时效并测量显微硬度，试验力0.49n，保压时间10s，试样硬度随时效时间增加的数值变化如表3所示。
[0049]
表3
[0050]
[0051]
由表3可知，在未进行时效前的固溶态下，-160℃试样的硬度值为164.6hv，相比室温试样提高了7％，可以看出2219板材在低温下成形可以提高制件硬度。时效时间60min后，-160℃试样的硬度为186hv，提升幅度13.4％，而室温试样的提升幅度较小，仅为3.7％。时效时间120min后，-160℃试样的硬度为203.7hv，提升幅度为9.5％，此时室温试样达到了188.5hv，也出现了较大提升，提升幅度为18％。在随后时效时间逐渐增加的过程中，-160℃试样硬度变化较小，最终在时效720min后，硬度值为203.2hv，而室温试样在120min时效后硬度缓慢上升，最终获得与-160℃试样相近的硬度，720min后室温试样的硬度为202.2hv。由此可知，-160℃试样以相对较短的时效时间便获得了较高的硬度并不在变化，因此-160℃下成形时，2219试样的时效动力获得了提高。
[0052]
3、对于试样成形后的表面质量的研究，增加流体滚压工具头对比例，其采用本技术中改进后的流体滚压工具头进行渐进成形，渐进成形环境采用室温实施例中采用常规渐进成形工具头进行渐进成形时，润滑剂二硫化钼粉末采用人工铺洒的方式。实施例1与对比例、流体滚压工具头对比例成形后的试样表面质量如图8所示。图8中，左侧为对比例试样，中间为实施例试样，右侧为流体滚压工具头对比例试样，由图8可知，深冷环境可以提高铝合金板材的成形性能，试样表面质量相较于室温下有所提高，但实施例依旧存在部分成形痕迹对表面质量产生不利影响，而采用改进的流体滚压工具头进行渐进成形，相较于室温下的常规渐进成形工具头成形后以及实施例1的表面质量，采用改进的流体滚压工具头进行渐进成形可显著提高试样表面质量，虽然流体滚压工具头对比例是在室温下进行，但其证明了流体滚压工具头对于渐进成形表面质量的改善作用明显，而且，通过润滑剂供给装置供给润滑剂，可提高润滑剂的润滑效果，保证成形后的表面质量，当将其用于-160℃环境下的渐进成形时，通过加热线圈加热可保证工作油的流动状态以及润滑剂的均匀分布，从而显著提高深冷渐进成形工艺下成形后的表面质量。
[0053]
4、对于试样微观组织演化的分析，通过sem观察制件断口揭示了试验温度对断裂机制的影响，图9所示为对比例1和实施例截圆锥试样的断口形貌，其中，(a)、(c)、(e)为对比例1，(b)、(d)、(f)为实施例。不同温度下试样的断口形貌表现出明显差异。实施例试样表现出明显的韧性断裂特征，断口形貌高度更高，韧窝尺寸更小，韧窝分布更加密集，而对比例1试样断口则呈现脆性断裂特征，形貌高度较低，韧窝数量较少。此外在实施例试样的断口形貌中，韧窝亚边界上能够观察到小型孔洞的形成，这表明实施例试样具有更高的位错密度，反映出合金在本技术的成形工艺下变形更加均匀。
[0054]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0055]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0056]
在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0057]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种铝合金深冷渐进成形工艺，其特征在于，采用深冷渐进成形装置对铝合金板材进行深冷渐进成形，深冷渐进成形装置包括液氮存储腔、固定压板、液氮流量自动控制系统以及保冷外壳，其中，固定压板将铝合金板材压紧于液氮存储腔上方，液氮存储腔上设置有排气孔，用于保持液氮存储腔内压强稳定，液氮流量自动控制系统能够实现对低温温度的准确调控以及液氮的持续供给，保冷外壳设置在液氮存储腔外部，当液氮存储腔内供给液氮时，冷却介质与铝合金板材底部直接接触；所述工艺包括以下步骤：s1、液氮流量自动控制系统进行液氮供给，调整液氮存储腔温度为-160℃；s2、对铝合金板材进行渐进成形，其中，渐进成形工具头与铝合金板材间的角度＜90
°
，成形过程采用mos2粉末作为润滑剂；s3、对成形后的铝合金成形件进行人工时效，温度为185℃，时间为120min。2.根据权利要求1所述的铝合金深冷渐进成形工艺，其特征在于：铝合金牌号为2219，保冷外壳材质为聚氨酯，渐进成形前对铝合金板材进行固溶处理，温度为535℃，时间为30min。3.根据权利要求1所述的铝合金深冷渐进成形工艺，其特征在于：液氮流量自动控制系统还包括气体循环装置，气体循环装置包括底部送风装置和侧部送风装置，底部送风装置设置在液氮存储腔底部，液氮存储腔侧壁中设置扩口部一和收口部一，收口部一延伸至液氮存储腔底部，再经外侧的收口部二至扩口部二，扩口部二顶部设置有排气孔，侧部送风装置设置在收口部一内，底部送风装置将液氮输送管路输送的液氮输送至铝合金板材底面，侧部送风装置引导铝合金底面的氮气和/或液氮向四周扩散。4.根据权利要求1所述的铝合金深冷渐进成形工艺，其特征在于：采用流体滚压工具头进行渐进成形，流体滚压工具头前方设置有润滑剂供给装置，流体滚压工具头端部设置有加热线圈，在步骤s2中，成形过程中，润滑剂供给装置实时供给润滑剂粉末，加热线圈实时加热。5.根据权利要求1所述的铝合金深冷渐进成形工艺，其特征在于：液氮流量自动控制系统包括自增压液氮容器、电磁开关阀、液氮流量计、开度阀、液氮输送管路、温度传感器、plc控制主机，其中，温度传感器采用k型热电偶，连接在铝合金板材上表面的边缘，实时监测铝合金板材温度。6.根据权利要求5所述的铝合金深冷渐进成形工艺，其特征在于：液氮流量自动控制系统的控制方法为，自增压液氮容器开始输出带压液氮，电磁开关阀控制液氮输送管路的开闭，plc控制主机通过流量计采集到的流量数据和温度传感器采集到的温度数据反馈控制开度阀的开度，当实际温度高于目标温度时，提高液氮输入流量，当实际温度低于目标温度时，降低液氮输入流量，最终对铝合金板材实现准确控温。

技术总结

本发明公开了一种铝合金深冷渐进成形工艺，采用深冷渐进成形装置对铝合金板材进行深冷渐进成形，所述工艺包括以下步骤：S1、液氮流量自动控制系统进行液氮供给，调整液氮存储腔温度为-160℃；S2、对铝合金板材进行渐进成形，其中，渐进成形工具头与铝合金板材间的角度＜90

技术研发人员：

褚兴荣 葛听雨 林淑霞 刘成鑫 高军 陈良

受保护的技术使用者：

山东大学苏州研究院

技术研发日：

2022.08.02

技术公布日：

2022/11/25