一种多阶段超低温形表一体渐进成形方法及获得的板材件

1.本发明属于板材渐进成形领域，特别是涉及一种可同时满足成形构件宏观形状精度与表面性能提升的复合成形工艺及获得的板材件。


背景技术：

2.发明人发现，在金属板材渐进成形加工过程中，想要满足金属板材曲面构件的加工成形有两个难点，首先，铝合金等金属板材室温塑性差、硬化能力小，整体成形时应力状态复杂，极易开裂；其次，虽然热成形可克服金属板材常温成形时成形极限低的限制，但是其制造周期长、成本高，无法满足产品快速研制和质量提升的迫切需求，且加热后金属板材组织性能不易控制，需要通过成形后热处理来提高构件强度，成形后再淬火会导致薄壁曲面件严重变形且难以校形。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种多阶段超低温形表一体渐进成形方法及获得的板材件，采用该成形方法解决了常温下金属板材室温塑性差、硬化能力小的问题；同时避免了热辅助渐进成形工艺中加热后金属板材组织性能不易控制的问题。
4.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
5.第一方面，本发明的实施例提供了一种多阶段超低温形表一体渐进成形方法，包括如下步骤：
6.步骤1，对金属板材进行固溶处理，得到过饱和固溶体；
7.步骤2，将经过固溶处理的金属板材进行时效处理；
8.步骤3，对金属板材进行超低温处理；
9.步骤4，根据金属板材在不同阶段的受力及塑性变形程度的不同，将超低温渐进成形加工过程按温度分成若干阶段，进行分阶段超低温渐进成形；
10.随着超低温温度的降低，金属板材的材料强度不断提高，会引起所需成形力的提高；另外，材料塑性提高，可提高成形极限。在渐进成形的不同阶段(材料塑性变形程度不同)，在初始阶段，材料不易发生破坏，因此超低温温度不用太低，可以减低成形力；随着成形过程的持续，材料塑性变形增加，需要提高材料的塑性，因此才需进一步降低超低温温度；该方法通过分段实时控制金属板材表面温度，可以有效提高超低温渐进成形工艺中金属板材的成形极限，同时可保证金属板材的强度。
11.步骤5，对渐进成形后的金属板材进行超低温渐进碾压；该步骤中渐进碾压的目的是使材料表面晶粒细化，晶粒细化后材料的性能会提高。晶粒细化的原因是渐进碾压使表面材料发生塑性变形，尤其是产生塑性剪切变形。而超低温渐进碾压工艺，一方面，因为超低温环境会使材料内部位错聚集在晶粒内部，有利于晶粒细化；另一方面，通过板材下方的支撑模具将超低温温度传导至待加工板材，会自然的形成板材上表面与下表面的温度差，由于温度差的存在使材料沿厚度方向剪切强度发生变化，因此更易发生剪切变形，更有利
于晶粒细化。
12.作为进一步的技术方案，步骤1中将金属板材加热至再结晶温度以上，使其在高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后置于水中快速冷却，得到过饱和固溶体。
13.作为进一步的技术方案，所述时效处理方式为人工时效处理。
14.作为进一步的技术方案，步骤3的过程如下：将金属板材装夹在成形装置上，向板材冷却腔输入冷却液直至完全充满板材冷却腔，并保温设定时间，使金属板材达到超低温环境。
15.作为进一步的技术方案，所述的超低温为-100℃～-196℃。
16.作为进一步的技术方案，在所述的步骤4中，利用控制系统将可精确控制温度的超低温混合气体喷射到金属板材表面，实现待加工板材表面温度的实时控制。
17.作为进一步的技术方案，在所述的步骤4中，不同的阶段设定的超低温温度不同。
18.作为进一步的技术方案，在所述的步骤4中，不同的金属板材及同一金属板材的不同成形件形状，超低温渐进成形对应的阶段数不同。
19.作为进一步的技术方案，在所述的步骤5中，利用控制系统将可精确控制温度的超低温混合气体喷射到模具表面，实时控制模具的温度，经板材下方的支撑模具将超低温温度传导至待加工板材，使金属板材上下表面自然形成温度差，进而材料沿厚度方向剪切强度发生变化。
20.第二方面，本发明还提供了一种板材件，通过前面所述的多阶段超低温形表一体渐进成形方法获的。
21.上述本发明的实施例的有益效果如下：
22.1、本发明克服了超低温渐进成形过程中金属板材增塑效果差的难题，提出了多阶段超低温渐进成形工艺，有效提高了金属板材的成形极限。由于初始阶段材料不易破坏，初始阶段超低温温度不用太低，可以减少成形力；随着成形过程的持续，材料塑性变形增加，逐步降低超低温温度，可以使加工件在多阶段的超低温加工环境下得到最佳的增塑效应，从而提高金属板材的成形极限，同时也可以保证金属板材的强度。
23.2、本发明克服了金属板材内部不均质，不利于渐进碾压过程中发生剪切变形，进而不利于晶粒细化的难题，提出了超低温渐进碾压工艺，可以有效促进金属板材表面的晶粒细化，提高成形件表面质量及尺寸稳定性。一方面，因为超低温环境会使材料内部位错聚集在晶粒内部，有利于晶粒细化；另一方面，通过板材下方的支撑模具将超低温温度传导至待加工板材，会自然的形成板材上表面与下表面的温度差，由于温度差的存在使材料沿厚度方向剪切强度发生变化，因此更易发生剪切变形，更有利于晶粒细化。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1为可同时满足成形构件宏观形状精度与表面性能提升的超低温形表一体渐进成形复合工艺的设计方法示意图；
26.图2为以三段加工为例，本发明所提出的多阶段超低温形表一体渐进成形新工艺方法的整体流程示意图；
27.图3为实施例中公开的铝合金在不同温度下塑性及强度的变化趋势图。
具体实施方式
28.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
30.正如背景技术所介绍的，在板材渐进成形加工过程中，存在成形极限低及成形件表面质量欠佳等问题，而铝合金等金属板材在超低温条件下具有优越的增塑效应，同时还能保持良好的强度。因此，将超低温条件与板材渐进成形工艺的“分层制造”思想相结合，设计出一种多阶段超低温渐进成形工艺；将超低温条件与板材渐进碾压工艺的“表面强化”思想相结合，设计出可制备表层梯度渐变组织的超低温渐进碾压工艺；并将超低温渐进成形工艺与超低温渐进碾压工艺相复合，发明一种可同时满足成形构件宏观形状精度与表面性能提升的金属板材复合成形工艺。采用该成形方法极大的丰富了板材成形手段，解决了常温下金属板材室温塑性差、硬化能力小的问题；同时避免了在热辅助渐进成形工艺中加热后的金属板材组织性能不易控制的问题。
31.进一步的，本实施例提出的多阶段超低温形表一体渐进成形方法，主要包括如下步骤：
32.第一步，固溶处理。将金属板材加热至再结晶温度(t
再
)以上，使其在高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后置于水中快速冷却，以得到过饱和固溶体，保证获得溶质原子和空位的最大过饱和度。
33.第二步，时效处理。将经过固溶处理的金属板材进行人工时效处理。经过人工时效处理后，金属板材硬度和强度有所增加，塑性韧性和内应力则有所降低，时效后可获得最好的耐蚀性。
34.第三步，超低温处理。将金属板材装夹在成形装置上，向板材冷却腔输入液氮直至完全充满板材冷却腔，并保温15-30分钟，使金属板材达到超低温环境(-100℃～-196℃)。金属板材在超低温环境下成形时，由于低温下晶界可动位错的积累减少和晶内储能的增加使材料塑性提高；另外，材料内部激活位错的相对滑移距离减小，抑制了位错缠结和位错晶胞的大量崩塌使得材料强度提高。因此，超低温处理可在提高金属板材塑性的同时提高金属板材的强度。
35.第四步，多阶段超低温渐进成形。基于渐进成形数控机床运行超低温渐进成形加工代码，直至超低温渐进成形加工完成。在加工过程中，鉴于不同超低温环境下金属板材增塑效应存在差异，不同于其他成形工艺，考虑到渐进成形工艺沿成形轨迹逐层加工的特点，根据金属板材在不同加工阶段的受力及塑性变形程度的不同，将超低温渐进成形分成若干阶段，提出多阶段超低温渐进成形工艺。利用电磁阀控制系统将可精确控制温度的超低温混合气体喷射到金属板材表面，实现待加工板材表面温度的实时控制，从而保持金属板材
超低温渐进成形过程中最佳的增塑效应，有效提高金属板材的成形极限及成形件性能。
36.第五步，超低温渐进碾压。基于渐进成形数控机床运行超低温渐进碾压加工代码，直至超低温渐进碾压加工完成。在加工过程中，由于已完成超低温渐进成形的金属板材内部不均质，不利于在渐进碾压过程中发生塑性剪切变形，因此，利用电磁阀控制系统将可精确控制温度的超低温混合气体喷射到模具表面，实时控制模具的温度，经板材下方的支撑模具将超低温温度传导至待加工板材，使板材上下表面自然形成温度差，进而材料沿厚度方向剪切强度发生变化，从而更易发生剪切变形，有利于保持金属板材超低温渐进碾压过程中最佳的表面强化效果，制备表层梯度渐变组织，实现表层晶粒细化、使成形构件具备优异的整体力学性能和表面性能(耐腐蚀、耐疲劳等)。
37.更进一步的，上述第四步根据金属板材在不同超低温温度下增塑效应的不同，将金属板材超低温渐进成形过程分为若干段，以三段为例，本实施例简单对上述加工过程进行说明：
38.1、启动渐进成形机床，准备所需成形工具头，将成形工具头固定在刀柄上，然后安装于机床主轴上；
39.2、机床回零，进行对刀，确定加工原点；
40.3、板材表面涂覆超低温润滑介质；
41.4、运行第一阶段超低温渐进成形加工代码，进行第一阶段加工。在这一阶段加工过程中，持续往板材喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证板材加工表面温度为-100℃到-130℃；
42.5、运行第二阶段超低温渐进成形加工代码，进行第二阶段加工。在这一阶段加工过程中，持续往板材喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证板材加工表面温度为-140℃到-170℃；
43.6、运行第三阶段超低温渐进成形加工代码，进行第三阶段加工。在这一阶段加工过程中，持续往板材喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证板材加工表面温度约为-196℃；
44.7、加工完成，清理工件表面；
45.更进一步的，上述第五步具体步骤可以为：程序控制渐进成形机床完成自动换刀，更换渐进碾压工具头；运行超低温渐进碾压加工代码，进行超低温渐进碾压加工。在加工过程中，持续往模具喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证模具表面温度在-100℃到-196℃；加工完成，取下成形件，进行修剪边缘。
46.下面以加工铝合金方锥工件为例，对本实施例提出的超低温形表一体渐进成形工艺进行具体说明，该工艺具体步骤如下：
47.1、选择尺寸为160*160mm、厚度为1mm的铝合金板材，将铝合金板材加热到535℃，使其在高温单相区恒温保持30min，使过剩相充分溶解到固溶体中后置于水中快速冷却；
48.2、将铝合金板材取出进行人工时效处理，即将铝合金板材加热到450℃，恒温保持8h后随炉冷却，使其塑性有所上升；
49.3、将铝合金板材装夹在成形装置上；
50.4、将液氮输入到板材冷却腔，当液氮充满板材冷却腔时，板材开始进入超低温处理，并保持20min。
51.5、超低温处理结束后，启动渐进成形机床，准备半圆形工具头，工具头直径为10mm。将成形工具头固定在刀柄上，然后安装于机床主轴上；
52.6、机床回零，进行对刀，确定加工原点；
53.7、板材表面涂覆超低温润滑介质；
54.8、运行第一阶段超低温渐进成形加工代码，进行第一阶段加工。在这一阶段加工过程中，持续往板材喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证板材加工表面温度为-110℃；
55.9、运行第二阶段超低温渐进成形加工代码，进行第二阶段加工。在这一阶段加工过程中，持续往板材喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证板材加工表面温度为-140℃；
56.10、运行第三阶段超低温渐进成形加工代码，进行第三阶段加工。在这一阶段加工过程中，持续往板材喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证板材加工表面温度为-196℃；
57.11、加工完成，清理工件表面；
58.12、程序控制渐进成形机床完成自动换刀，更换渐进碾压工具头。其中，超低温渐进碾压工艺中采用圆柱形滚柱，滚柱直径为8mm，进给速度6m/min，静压力400n；
59.13、运行超低温渐进碾压加工代码，进行超低温渐进碾压加工。在加工过程中，持续往模具喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证模具表面温度为-150℃；
60.14、加工完成，取下成形件，进行修剪边缘。
61.进一步的，在图3中展示了铝合金在不同温度下其塑性及强度的变化趋势，即超低温加工温度越低，铝合金板材的断裂延伸率提高越多，同时铝合金板材的屈服强度也有所提升；解释了本发明以多阶段超低温形表一体渐进成形工艺提高金属板材成形极限的原因，即在进行超低温渐进成形时，随着加工件表面减薄率的提高，对板材塑性的要求也有所提高，因此通过多阶段实时控制铝合金板材表面温度，既可以避免过大的成形力，有效提高超低温渐进成形工艺中铝合金板材的成形极限，也可以保证铝合金板材的强度。
62.下面以加工钛合金方锥工件为例，对本实施例提出的超低温形表一体渐进成形工艺，进行具体说明，具体步骤如下：
63.1、选择尺寸为160*160mm、厚度为1mm的钛合金板材，将钛合金板材加热到920℃，使其在高温单相区恒温保持60min，使过剩相充分溶解到固溶体中后置于水中快速冷却；
64.2、将钛合金板材取出进行人工时效处理，即将钛合金板材加热到550℃，恒温保持16h后随炉冷却，使其塑性有所上升；
65.3、将钛合金板材装夹在成形装置上；
66.4、将液氮输入到板材冷却腔，当液氮充满板材冷却腔时，板材开始进入超低温处理，并保持30min。
67.5、超低温处理结束后，启动渐进成形机床，准备半圆形工具头，工具头直径为10mm。将成形工具头固定在刀柄上，然后安装于机床主轴上；
68.6、机床回零，进行对刀，确定加工原点；
69.7、板材表面涂覆超低温润滑介质；
70.8、运行第一阶段超低温渐进成形加工代码，进行第一阶段加工。在这一阶段加工
过程中，持续往板材喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证板材加工表面温度为-130℃；
71.9、运行第二阶段超低温渐进成形加工代码，进行第二阶段加工。在这一阶段加工过程中，持续往板材喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证板材加工表面温度为-160℃；
72.10、运行第三阶段超低温渐进成形加工代码，进行第三阶段加工。在这一阶段加工过程中，持续往板材喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证板材加工表面温度为-196℃；
73.11、加工完成，清理工件表面；
74.12、程序控制渐进成形机床完成自动换刀，更换渐进碾压工具头。其中，超低温渐进碾压工艺中采用圆柱形滚柱，滚柱直径为8mm，进给速度4m/min，静压力600n；
75.13、运行超低温渐进碾压加工代码，进行超低温渐进碾压加工。在加工过程中，持续往模具喷射可精确控制温度的超低温混合气体，保证模具表面温度为-150℃；
76.14、加工完成，取下成形件，进行修剪边缘。
77.上述加工方法中，克服了超低温渐进成形过程中钛合金板材增塑效果差的难题，有效提高了金属板材的成形极限；由于初始阶段材料不易破坏，初始阶段超低温温度不用太低，可以减少成形力；随着成形过程的持续，材料塑性变形增加，逐步降低超低温温度，可以使加工件在多阶段的超低温加工环境下得到最佳的增塑效应，从而提高钛合金板材的成形极限，同时也可以保证金属板材的强度。同时克服了钛合金板材内部不均质，不利于渐进碾压过程中发生剪切变形，进而不利于晶粒细化的难题，可以有效促进钛合金板材表面的晶粒细化，提高成形件表面质量及尺寸稳定性。
78.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。