5A90合金鈑金件熱成形工藝研究

□劉金玲

5A90合金是可熱處理強(qiáng)化的中等強(qiáng)度Al-Mg-Li系合金。該類合金在國(guó)外被廣泛應(yīng)用于航空航天制造上。由于該材料在常溫條件下，具有材料強(qiáng)度高、硬度大及加工硬化敏感的特點(diǎn)，使其在常規(guī)鈑金成形過(guò)程中隨著塑性變形的增加，加工硬化現(xiàn)象急劇增大，造成局部變形明顯的區(qū)域，塑性損失嚴(yán)重，而強(qiáng)度、硬度、彈性模量顯著增加，使其變形抗力上升、回彈量增加。一般需要施加更大的變形力及保壓時(shí)間，同時(shí)要考慮回彈量的增加，增大了加工難度。而研究表明，對(duì)于難成形的輕質(zhì)合金材料，其塑性隨溫度的升高有明顯的改善。因此，充分利用材料的該特點(diǎn)，通過(guò)采用高溫模具成形工藝，減少成形過(guò)程的內(nèi)應(yīng)力及變形抗力等措施，為該類材料的推廣應(yīng)用提供了重要的參考。

一、零件結(jié)構(gòu)

某機(jī)型科研生產(chǎn)中，某零件選用1.2mm厚的5A90鋁鋰合金鈑金件，其外形為復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，曲率過(guò)渡不均勻，過(guò)渡區(qū)半徑僅為4mm，具有很明顯的折點(diǎn)，零件在加工過(guò)程中材料不易流動(dòng)導(dǎo)致起皺，而且零件變形量大，最大弧度變形區(qū)的弦高達(dá)265mm，在室溫下成形時(shí)超過(guò)了該材料的成形極限，零件無(wú)法成形。零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、工藝分析

由于零件本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及材料的特性，該零件在室溫下無(wú)法成形，但該合金在4000C～4650C下極限強(qiáng)度顯著降低，塑性顯著提高，故可以通過(guò)選擇合適的溫度范圍在剛性模內(nèi)進(jìn)行等溫加熱成形。等溫加熱成形是將熱成形模具放在熱成形機(jī)中加熱，待模具溫度達(dá)到工藝要求時(shí)，將板材放入模具中保溫，待溫度均勻后合模，保溫保壓，具體工藝流程如下：制展開毛料→預(yù)成形→手工修整→熱校形→粗制外形→除油→測(cè)電導(dǎo)率→時(shí)效→測(cè)電導(dǎo)率→表面處理→制外形→終檢。

三、技術(shù)難點(diǎn)

第一，5A90鋁鋰合金的熱成形工藝不完善，沒(méi)有具體的工藝參數(shù)，需要通過(guò)試驗(yàn)摸索。第二，由于5A90合金與模具材料熱膨脹系數(shù)差異較大，必須考慮模具和零件材料在熱成形溫度下熱膨脹量的差異，并對(duì)模具尺寸進(jìn)行修正，才能保證零件成形后的尺寸符合設(shè)計(jì)要求。第三，對(duì)于帶外伸的罩類零件應(yīng)設(shè)計(jì)合理的過(guò)渡區(qū)半徑，一般取r≥6～8S，而此零件料厚S為1.2mm，合理的過(guò)渡區(qū)半徑r≥7.2～9.6mm,而該零件過(guò)渡區(qū)半徑僅為4mm,將使零件材料在加工過(guò)程中難于流動(dòng)，容易起皺，導(dǎo)致報(bào)廢。

四、解決措施

(一)摸索工藝參數(shù)。選取尺寸為800mmX1,200mm，厚度為1.2mm的5A90板材作為試驗(yàn)件，在不同溫度下成形。在試驗(yàn)過(guò)程中400℃～460℃的成形溫度都使材料的變形抗力降低，塑性增加。但是零件在溫度430℃～460℃更易成形。最后選定430℃±10℃作為零件的預(yù)成形溫度，450℃±10℃作為零件最終校形溫度。

(二)模具尺寸的確定。熱成形時(shí)，必須考慮模具材料和零件在操作溫度下熱膨脹量的差異，并進(jìn)行修正，才能保證零件冷至室溫后的尺寸。

模具和零件尺寸熱膨脹的差值或修正量ΔLS表示如(1)式：

ΔLS=KSLcj

(1)

式中Lcj——零件常溫下的名義尺寸；KS——縮尺或放尺系數(shù)，正放負(fù)縮；

KS值可按(2)式計(jì)算：

(2)

式中T——成形溫度，4300C；T0——室溫，200C；aj——成形溫度時(shí)，零件材料的熱膨脹系數(shù)，23.63X10-61/0C；am——成形溫度時(shí)，模具材料的熱膨脹系數(shù)，13.7X10-61/0C。

由于5A90鋁合金板料的膨脹系數(shù)不確定，故根據(jù)其同類材料5A02的熱膨脹系數(shù)計(jì)算材料為中硅鉬球鐵的模具修正尺寸。根據(jù)(2)式計(jì)算得出KS=0.004245，考慮裝配公差及制造誤差將工裝縮尺比例調(diào)整為1∶1.0055。

(三)解決起皺的方法。

1.精確控制毛料尺寸。毛料的余量過(guò)大，成形時(shí)不利于材料流動(dòng)，容易起皺。毛料余量過(guò)小，無(wú)法保證零件外形尺寸，因此在成形前要盡量精準(zhǔn)地確定毛料尺寸。用鋁板(M狀態(tài))制取一件合格零件后，將局部收縮或拉伸部位展平，作為毛料樣板，按此樣板制成展開件來(lái)成形零件，經(jīng)幾次試壓后，直至成形出合格零件，將此樣板確定為展開毛料樣板。

2.毛料預(yù)成形。零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一次成形時(shí)變形量過(guò)大，容易出現(xiàn)死褶，導(dǎo)致零件報(bào)廢。在零件成形時(shí)增加預(yù)成形可有效避免褶皺的產(chǎn)生。預(yù)成形時(shí)，嚴(yán)格控制模具的進(jìn)給速度，當(dāng)零件出現(xiàn)較大變形時(shí)，停止模具進(jìn)給，手工對(duì)零件進(jìn)行收放料的修整，直至零件成形。零件成形后將模具加熱到430℃±10℃，進(jìn)行最終校形，使零件應(yīng)力釋放，保證成形后零件的尺寸精度。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)摸索合理的熱成形工藝參數(shù)，合理計(jì)算模具尺寸及進(jìn)行人工排褶，實(shí)現(xiàn)了5A90鋁鋰合金復(fù)雜零件的加工制造，為5A90鋁鋰合金薄板零件的熱加工方法摸索出新出路。