一种高强铝合金带筋薄壁板冷轧工艺方法

1.本发明涉及有色金属材料加工工程技术领域，具体涉及一种高强铝合金带筋薄壁板冷轧工艺方法。


背景技术：

2.在航天航空领域，大型飞机制造技术一直是我们国家重点发展的关键技术。为了满足现代大型飞机的性能要求，飞机零件的加工成形向着低应力、小变形、长寿命结构制造方向发展；从单个零件制造，向整体结构制造技术发展。以大型整体带筋薄壁板结构为代表的大型整体结构件对大型飞机上的使用寿命、结构效率、成本和周期具有非常重要的影响。由于复杂结构的大型整体壁板具有蒙皮厚、筋条高、结构网格化、整体集成度大、结构刚度大和难以成形等特点，因此针对这种具有复杂外形和结构的整体壁板零件的制造技术就成为现代先进飞机的关键制造技术之一。
3.但是由于带筋薄壁板构件性能要求严格、成形精度要求高，结构较复杂，所以制造起来非常困难。带筋薄壁板通常是用蒙皮和纵向、横向加强筋条靠铆接、胶接或点焊装配而成，这种装配式壁板的刚度、强度、密封性都较差。整体带筋薄壁板结构件具有减少所含零件及螺栓、铆钉等紧固件的数量，从而降低机体部件的重量的优点，并且可以提高部件强度和刚度，提高气动表面与外形的装配质量。整体式带筋薄壁板虽然具有上述很多优点，但是与铆接壁板相比，由于筋条参与，成形难度成倍增加，现有整体式带筋薄壁板制造主要有以下工艺，但都存在明显的不足：
4.1.厚板铣削制造工艺加工精度高，但是存在机械加工量大，材料利用率低，制造成本高的缺点，从而难以满足高效快速制造的要求，并且铣削制造直接对板材毛胚进行加工，性能较差；
5.2.挤压成形存在筋条挤压难度大，易失稳的缺点，并且无法加工大型带筋薄壁板构件，应用较为局限；
6.3.铸造成形构件则因为机械性能较差，导致应用受限；
7.4.传统轧制工艺尽管生产成本低，操作简单，但是轧制构件多为结构简单的平板构架，对于带筋薄壁板这种形状复杂的构件制造较为困难。
8.因此亟需一种能用于高强铝合金带筋薄壁板的成形方法，以期获得优良的成形构件应用于航天航空装备。


技术实现要素：

9.鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种高强铝合金带筋薄壁板冷轧工艺方法，本技术通过把高强铝合金板材夹持在两块硬质钢板材中间，其中上硬质钢板为带有凹槽的模具，之后在室温下进行单道次或者多道次轧制，将铝合金轧制成带筋条的薄壁板，该方法材料利用率高，能耗低，产品的综合性能大幅度提升。
10.为了达到上述目的，本发明提供一种高强铝合金带筋薄壁板冷轧工艺方法，其特
征在于，具体包括以下步骤：
11.步骤一：将铝合金板材、上硬质钢板和下硬质钢板的表面进行清洗并去除表面杂质；
12.步骤二：将步骤一处理过的铝合金板进行固溶处理、水淬后，将其置于上硬质钢板和下硬质钢板中间，并用固定装置进行固定；其中，所述上硬质钢板接触铝合金板材的一侧设计有凹槽，下硬质钢板表面平整；
13.步骤三：将步骤二固定方式固定的铝合金板材在室温下沿原始轧制方向进行轧制，获得铝合金带筋薄壁板。
14.依照本发明的一个方面，所述步骤三中的轧制为多道次轧制，所述多道次轧制中的首次轧制的下压量为40-60％，所述多道次轧制中的非首次轧制的下压量为5-10％。
15.依照本发明的一个方面，所述步骤三中的获得的铝合金带筋薄壁板包括板材和一体连接在板材上的筋条，所述步骤三中的每次轧制后需要测量板材厚度和筋条高度，直至符合要求后结束轧制。
16.依照本发明的一个方面，所述固定装置为细铁丝，所述细铁丝将上硬质钢板和下硬质钢板的两端捆扎以夹持住中间的铝合金板材。
17.依照本发明的一个方面，所述上硬质钢板的凹槽的宽度为5-20mm，所述凹槽的深度为5-15mm。
18.依照本发明的一个方面，所述上硬质钢板的厚度为10-15mm，所述下硬质钢板的厚度为1-2mm。
19.依照本发明的一个方面，所述步骤二中的固溶处理的温度为400-600℃，时间为0.5-3h。
20.依照本发明的一个方面，所述上硬质钢板和下硬质钢板的硬度均大于50hrc。
21.依照本发明的一个方面，所述上硬质钢板的凹槽设置有倒角，所述倒角的半径为1-5mm。
22.依照本发明的一个方面，所述铝合金板材为时效硬化型铝合金。
23.本发明的有益效果：
24.(1)本技术通过在室温对铝合金板材进行冷轧引入了大量位错，从而获得高位错密度的带筋薄壁板，与热轧相比壁板整体性能有明显的提升；
25.(2)本技术将铝合金板材固定在硬质钢板中间，并且上方硬质钢板带有凹槽，在将铝合金板材减薄为壁板的同时，利用轧机的挤压作用使铝合金板材向凹槽进行流动填充加工出筋条，实现带筋薄壁板一体式加工，简化构件的加工流程，提高生产效率；
26.(3)本技术利用上、下硬质钢板与铝合金板材进行组合轧制，在轧制过程中将沿轧制方向的剪应力转化为法向压应力，减小轧制过程中的开裂问题；
27.(4)本技术轧制时采用大的下压量轧制与小的下压量结合的多道次轧制工艺，带筋薄壁板整体变形均匀，有较好的成形性，并且相对于传统多道次轧制具有弱化织构、提高组织均匀性的优点，从而提高合金力学性能。
28.(5)本技术与机械加工相比材料利用率较高，成本大幅度下降；与焊接工艺相比，一体式成形使获得的带筋薄壁板的综合性能大幅度提升；与铸造工艺相比，壁板成形性好，综合性能提升，应用范围广。
附图说明
29.图1为实施例1-3的带筋壁板的力学性能的曲线对比图的；
30.图2为铝合金板材带筋薄壁板轧制过程示意图；
31.图3为本发明上、下硬质钢板与铝合金板材组合轧制示意图。
32.附图说明：1、上硬质钢板；2、铝合金带筋薄壁板；3、下硬质钢板；4、铝合金板；5、凹槽；6、板材；7、筋条；8、上轧辊；9、下轧辊。
具体实施方式
33.为使本发明更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有定义，下文所用专业术语和本领域专业技术人员所理解的含义一致；除非特殊说明，本文所涉及的原料均可从市场购买，或通过公知的方法制得。
34.本发明是一种通过“带凹槽的硬质钢板-铝合金板材-硬质钢板”叠加冷轧的方法制备整体式的带筋薄壁板，其轧制过程如图2所示，上、下硬质钢板与铝合金板材组合轧制示意图如图3所示。将固溶淬火处理后的铝合金带筋薄壁板4通过上硬质钢板1和下硬质钢板3进行固定，上硬质钢板1和下硬质钢板3的两端通过细铁丝捆扎以夹持住中间的铝合金板材4，上硬质钢板1接触铝合金板材4的一侧设计有凹槽5，凹槽5沿原始轧制方向设置；下硬质钢板3为表面平整；将固定住的铝合金板材4、上硬质钢板1和下硬质钢板3作为一个整体进行轧制，所述轧制采用冷轧机进行，冷轧机上设有用于轧制的上轧辊8和下轧辊9；上硬质钢板1、铝合金板材4和下硬质钢板3按照顺序进行叠放并作为一个整体进行轧制且通过上轧辊8和下轧辊9之间从而使得铝合金板4轧制成铝合金带筋薄壁板2，图2中经过上下轧辊的正在进行轧制的部分没有画出来(轧制前后上硬质钢板和下硬质钢板是没有中断的)。
35.本发明的实施例和对比例中所用铝合金板材的尺寸为400mm
×
300mm，厚度为10mm，铝合金指时效硬化型铝合金，包括铝锂合金，2xxx系、6xxx系和7xxx系。上硬质钢板的尺寸为400mm
×
300mm，厚度为15mm，其上具有两个凹槽，其槽深为10mm，槽宽为8mm，并且槽边有半径为2mm的圆倒角，下方硬质钢板尺寸为400mm
×
300mm，厚度为1mm。轧制所用的轧机为二辊冷轧机，其型号为φ420
×
350mm，轧制力为1800kn，轧制速度为0.45m/s，电机功率为185w，成品尺寸为1
±
0.2mm。
36.本技术制得的铝合金带筋薄壁板包括板材和一体连接在板材上的筋条，本技术的下压量为铝合金带筋薄壁板相对铝合金板材的下压量。
37.实施例1
38.商用aa2219铝铜合金板材在空气循环电阻炉中进行535℃、45min固溶处理，立即水淬，得到淬火态的铝合金板材；然后在室温下沿原始轧制方向进行多道次轧制，首次下压量为6mm，之后每次下压量设置为1mm，每次轧制完利用游标卡尺测量板材厚度和筋条高度，直至板材减薄至2mm，然后进行拉伸测试实验，拉伸试验采用标准为：gb/t228-2002。
39.实施例2
40.6xxx系铝合金板材在空气循环电阻炉中进行560℃、30min固溶处理，立即水淬，得
淬火态的铝合金板材；然后在室温下沿原始轧制方向进行多道次轧制，首次下压量为6mm，之后每次下压量设置为1mm，每次轧制完利用游标卡尺测量板材厚度和筋条高度，直至板材减薄至2mm，然后进行拉伸测试实验，拉伸试验采用标准为：gb/t 228-2002。
41.实施例3
42.2195铝锂合金板材在空气循环电阻炉中进行510℃、30min固溶处理，立即水淬，得到淬火态的铝锂合金板材；由于低温下淬火后的铝锂合金延伸率更优良，所以将板材利用液氮浸泡30min，然后在室温下沿原始轧制方向进行多道次轧制，首次下压量为4mm，之后每次下压量设置为1mm，每次轧制完利用游标卡尺测量板材厚度和筋条高度，直至板材减薄至2mm，并且每次轧制完成后，将铝锂合金板材放入液氮中浸泡2min，轧制完成后进行拉伸性能测试，拉伸试验采用标准为：gb/t228-2002。
43.性能检测
44.实施例1-3进行拉伸性能测试的结果如下表1所示：
45.表1实施例1-3相应工艺处理后的力学性能(强度单位：mpa延伸率单位：％)
[0046] 实施例1实施例2实施例3抗拉强度492424527屈服强度473448509延伸率6.48.14.1
[0047]
表1是使用本发明方法加工的冷轧大预变形带筋薄壁板的力学性能，图1位本技术的实施例1-3制备的高强铝合金带筋薄壁板的力学性能曲线图；从表1和图1可以看出本发明提出的高强铝合金带筋薄壁板轧制工艺方法可以获得高强度的铝合金高位错密度带筋薄壁板。此工艺在高强铝合金薄壁板成形的同时，轧制出薄壁板上的筋条结构，材料利用率高，能耗低，本发明是一种可以实现轻质高强铝合金带筋薄壁板整体成形的轧制工艺。
[0048]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。