超大型复杂曲率椭球形构件热压罐成形工艺

摘要

本发明涉及一种超大型复杂曲率椭球形构件热压罐成形工艺，包括1)构件在模具型面上真空袋密封后抽真空；2)热压罐开始升温升压，当模具升温到35℃～100℃时开始加压至500～1500Kpa；3)开始升温至100～200℃，空气温度设置过冲5～40℃以缩短模具的升温时间；4)进行保温及保压操作；5)待保温和保压结束后，降温，当模具温度降到40～70℃开始降压，以平均热电偶温度为准，空气温度设置过冲‑20℃；降完温度和压力后开罐门取出成形构件。本发明提供了一种构件成形精度高、可有效避免现有技术回弹量大、性能低以及残余应力大等缺陷的超大型复杂曲率椭球形构件热压罐成形工艺。

说明书

技术领域

本发明属于成形制造技术领域，涉及一种超大型复杂曲率椭球形构件热压罐成形工艺，尤其涉及一种航天航空用大型复杂曲率构件热压罐蠕变时效成形的工艺方法。

现有技术

目前复杂曲率椭球形构件主要通过蒙皮拉形单向拉伸成形和压力机双向拉深成形等方法制造，这类方法属于冷成形方法，具有回弹量大、变形大、力学性能偏低、残余应力较大等问题；同时针对超大直径尺寸(≥10m级)复杂曲率椭球形构件超出了现有成形设备的最大加工能力，短期内很难具备实施条件。蠕变时效成形是为实现航空航天用大型整体高强铝合金构件精确成形与高性能成性协同制造而发展起来的一种新型钣金成形方法，具有成形精度高、力学性能高、成本低、残余应力低等优点。在航空方面，B-1B型远程战略轰炸机、空客A330/340/A380和湾流G-IV飞机的机翼上蒙皮构件均采用了蠕变时效成形技术；在航天方面，大力神Ⅳ火箭正交格栅结构壁板、美国土星5一级贮箱壁板、法国阿里安Ⅴ箱底瓜瓣等也采用了蠕变时效成形技术。然而，现有技术中并没有利用蠕变时效成形技术制造超大直径尺寸(≥10m级)复杂曲率椭球形构件。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种构件成形精度高、可有效避免现有技术回弹量大、性能低以及残余应力大等缺陷的超大型复杂曲率椭球形构件热压罐成形工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超大型复杂曲率椭球形构件热压罐成形工艺，其特征在于：所述超大型复杂曲率椭球形构件热压罐成形工艺包括以下步骤：

1)构件在模具型面上真空袋密封后抽真空，当真空度抽到-100～-90Kpa时，开始保真空；当在初始20min内真空度下降≤1Kpa且后续能够至少保持10min并不继续下降时，则关闭热压罐罐门，否则继续按压真空袋粘胶处直至满足上述要求；

2)热压罐开始升温升压，当模具升温到35℃～100℃时开始加压，升压速率20～100Kpa/min，目标压力是500～1500Kpa；模具温度以最低热电偶为判断依据，如果t时间后模具温度仍然没有达到加压温度，则模具温度更改为以最高热电偶为判断依据从而进行加压，所述t≥30min；

3)待加压完成后，以1～5℃/min速率开始升温，目标温度100～200℃，空气温度设置过冲5～40℃以缩短模具的升温时间；

4)待步骤3)结束后，进行保温及保压操作；所述保温的温度范围是100～200℃；所述保压的压力范围是500～1500kpa；所述保温及保压的时间是5～25h；

5)待保温和保压结束后，以1～5℃/min速率降温，当模具温度降到40～70℃开始降压，降压速率20～100kpa/min，以平均热电偶温度为准，空气温度设置过冲-20℃；降完温度和压力后开罐门取出成形构件。

作为优选，本发明所采用的步骤4)的保温保压过程中，如果真空度轻微泄漏后数值变为+100kpa，则通过真空管通大气；通大气后真空度数值下降，逐渐稳定。

本发明的优点是：

本发明提供了一种超大型复杂曲率椭球形构件热压罐成形工艺，包括1)构件在模具型面上真空袋密封后抽真空，当真空度抽到-100～-90Kpa时，开始保真空；当在初始20min内真空度下降≤1Kpa且后续能够至少保持10min并不继续下降时，则关闭热压罐罐门，否则继续按压真空袋粘胶处直至满足上述要求；2)热压罐开始升温升压，当模具升温到35℃～100℃时开始加压，升压速率20～100Kpa/min，目标压力是500～1500Kpa；模具温度以最低热电偶为判断依据，如果t时间后模具温度仍然没有达到加压温度，则模具温度更改为以最高热电偶为判断依据从而进行加压，t≥30min；3)待加压完成后，以1～5℃/min速率开始升温，目标温度100～200℃，空气温度设置过冲5～40℃以缩短模具的升温时间；4)待步骤3)结束后，进行保温及保压操作；保温的温度范围是100～200℃；保压的压力范围是500～1500kpa；保温及保压的时间是5～25h；5)待保温和保压结束后，以1～5℃/min速率降温，当模具温度降到40～70℃开始降压，降压速率20～100kpa/min，以平均热电偶温度为准，空气温度设置过冲-20℃；降完温度和压力后开罐门取出成形构件。本发明首次针对超大直径尺寸(≥10m级)复杂曲率椭球形构件，提出了热压罐蠕变时效精确成形工艺方法，在工艺方法下构件成形精度高，满足使用要求，有效避免了现有技术回弹量大、成形精度低、性能低和残余应力大等缺点。

附图说明

图1是本发明所提供的超大型复杂曲率椭球形构件热压罐成形工艺的工艺曲线；

图2是基于本发明所提供的成形工艺所成形构件的精度示意图；

图3是基于本发明所提供的成形工艺所成形构件的力学性能。

具体实施方式

本发明提供了一种超大型复杂曲率椭球形构件热压罐成形工艺，包括以下步骤：

1)构件在模具型面上真空袋密封后抽真空，当真空度抽到-100～-90Kpa时，开始保真空；当在初始20min内真空度下降≤1Kpa且后续能够至少保持10min并不继续下降时，则关闭热压罐罐门，否则继续按压真空袋粘胶处直至满足上述要求；

2)热压罐开始升温升压，当模具升温到35℃～100℃时开始加压，升压速率20～100Kpa/min，目标压力是500～1500Kpa；模具温度以最低热电偶为判断依据，如果t时间后模具温度仍然没有达到加压温度，则模具温度更改为以最高热电偶为判断依据从而进行加压，t≥30min；

3)待加压完成后，以1～5℃/min速率开始升温，目标温度100～200℃，空气温度设置过冲5～40℃以缩短模具的升温时间；

4)待步骤3)结束后，进行保温及保压操作；保温的温度范围是100～200℃；保压的压力范围是500～1500kpa；保温及保压的时间是5～25h；该保温保压过程中，如果真空度轻微泄漏后数值变为+100kpa，则通过真空管通大气；通大气后真空度数值下降，逐渐稳定。

5)待保温和保压结束后，以1～5℃/min速率降温，当模具温度降到40～70℃开始降压，降压速率20～100kpa/min，以平均热电偶温度为准，空气温度设置过冲-20℃；降完温度和压力后开罐门取出成形构件。

按上述工艺成形的构件尺寸5m长。

温度：150℃，压力700Kpa，保温时间20h，图1为工艺曲线；构件成形精度：大端和小端基本贴合理论型面，侧边误差≤2mm，满足焊接工程化应用，图2；

构件性能：抗拉强度平均为480.6MPa，屈服强度平均为390MPa，延伸率平均为12％，如图3；常规成形方法是先冷成形得到形状，然后再热处理得到性能，但得到的性能差。

构件残余应力：残余应力在-48.4～+28.3MPa之间，拉应力平均12.8MPa，压应力19.8MPa，相对常规成形方法残余应力(＞100MPa)小很多，详见表1。

表1残余应力

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。