加工硬化合金板材的温成形制造技术

本发明专利技术描述了适用于由有限成形性的加工硬化板材材料成形复杂部件的方法。该加工硬化板材的成形性通过在升高的温度下成形得到提高。成形温度经过优选选择，以最低限度地消除加工硬化的影响，使得成形的部件比由退火板材成形的类似部件具有更高的强度。本方法适用于时效硬化和非时效硬化铝和镁合金。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年2月17日提交的标题为“加工硬化合金板材的温成形(Warm Forming of Work-Hardened Sheet Alloys)”的美国临时申请No.61/940,662的权益，该文献的全部内容在此通过引用并入本文。
本专利技术的
一般涉及加工硬化轻金属合金板材(尤其是铝合金板材)通过模压的温成形，成为适于用作车辆中的车身面板或结构构件的形状。
技术介绍
汽车和轻型卡车车身和结构元件通常由板材金属组件成形，所述组件厚度可在0.65毫米(用于外部车身面板)和最高约6毫米(用于车架纵梁)的范围内。每个组件将包括特性(诸如凹口、半径等)的组合，如出于由结构考虑或审美考虑或者两者兼顾。这些组件通常通过模压成型，即，将从供应者获得的传入平坦板材放置在一对互补形状的模具之间且模具在板材上闭合以将期望的形状施予板材。模具定位在可为机械或液压的压力机中，所述压力机交替打开和闭合模具以两次模压组件且允许传入平坦板材的进料和模压件的移除。用于大型汽车模压件(诸如行李箱盖)处理周期(进料-模压-移除)可为约6-10秒。应该注意到，模压操作仅将预期三维形状施予至预期部件。通常需要进一步操作(诸如用以移除过量材料的修剪，或用以创建开口的冲压)以产生准备好用于装配到车辆中的成品部件或组件。在组件成形的过程中，传入板材金属进行必要量的变形以成形部件设计需要的凹口、半径等。需要的变形程度可涉及组件中单个特性的几何形状，诸如凹口的深度或半径的锐利度，或者，在复杂部件中由需要的变形的相互作用以生成多个特性。如果需要的变形超过板材金属的性能，成形此类复杂部件的尝试可导致板材金属破裂、劈裂或撕裂。相比于较大延展性的板材，较小延展性的板材通常较难成形且更易于导致带有撕裂和劈裂的模压件。例如，弯曲的成形刚度可与用于此类弯曲的R/T比率相关，其中R为弯曲的半径而T为板材的厚度。平缓曲率的弯曲，诸如20T或更大，可无过度困难地成形。然而通常期望在面板中成形可需要1T至8T弯曲的更尖锐得多或“更卷曲”得多的特性。此类小半径弯曲对成形部件(尤其是在较小成形性的材料中)提出更大挑战。这可在组件的所期望复杂性和用于成功模压组件的传入板材金属的所需要延展性之间产生背离。从以往来看，此情况已经通过在板材金属最柔软、完全退火条件下使用板材金属来解决，因为该材料将表现最大延展性。当然，随后，模压组件将处于最小强度。随着对高车辆燃料经济性的需求增加，人们对使用较高强度-重量比率的材料存在持续的兴趣。转向较高强度-重量比的材料的一种有效方法是用较低密度的材料取代较高密度的材料，例如用铝合金取代钢，及用镁合金取代铝合金。然而在已经获得从此类取代得到的最初优势后，进一步改善仅可通过增加合金的强度，尤其是屈服强度来实现。如上所提及，高强度通常与减少的延展性相关联，使得改善合金的强度可减少其成形性且从而使其不适用于模压带有复杂特性的部件。通常观察到成形性随着合金强度的这种减少，但当强化从冷成形(即，“冷”进行塑性变形)，或对于铝合金和镁合金，在或约环境温度或在20-25℃引起的加工硬化的产物时，尤其明显。因此存在对于成形较高强度材料的复杂部件的需求。
技术实现思路
本专利技术的方法使得轻金属合金的相对薄的、加工硬化的板材成形为坚固的三维制品。例如，合适的铝合金或镁合金的相对薄的、冷轧制的板材(例如，厚度0.65毫米至6毫米)可在单个操作中成型为复杂的、三维的形状，诸如用于现今汽车的车身面板或框架构件的制造中需要的那些。此类成型制品从加工硬化的平坦板材开始成形，所述板材短暂地加热至温成形温度，且而后立刻模压。即，该板材通过将其闭合在合适形状的未加热、互补模具之间而成型。该制品需要具有特定三维形状、合适厚度和一定最小屈服强度要求。基于所成形制品的所需要性能以及合金对预期一系列处理步骤的响应，选择合适的铝合金板材材料或镁合金板材材料。获得了金属合金的平坦板材，其具有二维形状，适用于放置在对置成型的模具中以便一步成形为三维模压件，该三维模压件为预期制品的前体形状。制备轻金属合金板材材料中的步骤为冷轧制步骤，冷轧制步骤给板材提供适用于成形所期望部件的厚度，同时也加工硬化或强化板材。期望的是，所选择的冷轧制板材的屈服强度大于部件期望的最小屈服强度。冷轧制板材而后快速地加热至温成形温度并至少维持在该温度，直至板材达到均匀温度。加热时期和温成形温度的持续时间为预定的，以便使板材成形为可接受部件。加热的目标为临时地软化板材用于在未加热模具构件之间的一步成形操作，同时在加热坯料上维持加工硬化强度的确定部分。而后，加热坯料迅速地放置在未加热模具之间，且成形为三维形状。在成形期间，可以预见，由于加热坯料与未加热模具的热交换，可发生坯料的一定冷却。一旦金属板材中所期望形状已经达到(在数秒的时期内)，分离模具并且小心地移除模压件。然后模压件可进一步在环境空气中冷却至用于进一步处理(诸如修剪外围板材材料、冲压孔)的温度以成为组件的期望部件。加热加工硬化的合金具有使合金再结晶的能力，或者换种说法，消除加工硬化的影响且使合金恢复至其软化、退火条件。加工硬化合金的再结晶和软化逐步发生，且再结晶的程度将取决于温度及板材保持在该温度下的时间这两个因素。本专利技术的实践的意图为选择成形温度和/或限制板材暴 露于成形温度的时间，以在加热和成形期间限制再结晶并限制任何强度损失。且由此在模压件中，保留加工硬化强度的可感知部分。但是该成形方法的决定性特性包括：获得冷轧制、板材金属合金坯料的合适机械性能、短暂地加热坯料至均匀温度并由此为其需要的成形程度软化板材金属、以及迅速地在未加热模具之间成形加热处理的板材以在所成形部件的识别区域中维持需要的屈服强度值。根据本专利技术的实践，在用以成型具有复杂三维形状的制品(诸如汽车车身面板)的温成形模压步骤中使用加工硬化轻合金板材工件(通常基于镁和铝)。附图说明图1a-图1d示意性地示出和比较当在比工艺再结晶温度低的温度成形冷轧制、时效硬化合金组分时获得的屈服强度和强化贡献，其中借助常规模压合金获得的强度和强化贡献。图2a-图2b示意性地示出当在比在图1所用的升得较高的温度下成形冷轧制、时效硬化合金组分时获得的屈服强度和强化贡献。这些结果与用图2c-图2d所示的使用常规模压合金获得的强度和强化贡献比较。图3以斜视图展示成形的外部行李箱盖面板。图4为板材金属工件从库存区域取出、运送至其预加热至成形温度的加热设备，且而后放置在未加热的(和，任选地，经润滑的)成形模具之间以便成型为车辆车身面板诸如外部行李箱盖面板的示意性流程图。图5以截面正视图示出用于成形外部行李箱盖面板的闭合在加热板材金属工件上的经润滑的、未加热的、互补成形模具。具体实施方式本实施方式中详述的方法解决数个挑战，这些挑战在用轻金属合金板材(且尤其是由加工硬化强化的铝合金板材)以形成展现复杂形状的模压制品来生产高强度成形部件的过程中会遇到。此类板材通常由轧成卷材且 通常称为坯料的较长长度的板材金属切割。铝合金板材通常通过使厚板(其厚度可在约150-600毫米范围内)经受一连串多次轧制操作而处理，每一次轧制操作将使厚板的厚度减少某些预定量。第一轧制操作通常是“热”执行，即，在不诱导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由轻金属合金的加工硬化、冷轧制的坯料成形具有三维特性的模压制品的方法，且在所述制品的选定位置中具有指定环境温度屈服强度，所述方法包括：提供轻金属合金板材的坯料，所述坯料经加工硬化至大于所述指定环境温度、制品屈服强度的环境温度屈服强度；将所述坯料加热至大于环境温度的成形温度，这样足以在单个模压操作中成形所述模压制品的所有所述三维特性而不会引发所述模压制品中的任何劈裂或撕裂；将所述坯料维持在所述成形温度下持续至少足以在所述坯料中建立均匀温度的时间，所述成形温度小于所述加工硬化轻金属合金的所述工艺再结晶温度；将所述加热坯料转移至包括互补未加热模具的模架，将所述坯料放置在所述模具之间并且关闭所述模具以成形所述部件，接着将所述模压制品冷却至环境温度；选择所述冷轧制坯料的所述加工硬化来在模压之后产生所述模压制品的所述指定环境温度屈服强度，所述指定环境温度屈服强度大于在环境温度下由类似轻金属合金的退火坯料模压的类似形状的制品的所述环境温度屈服强度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.17 US 61/9406621.一种由轻金属合金的加工硬化、冷轧制的坯料成形具有三维特性的模压制品的方法，且在所述制品的选定位置中具有指定环境温度屈服强度，所述方法包括：提供轻金属合金板材的坯料，所述坯料经加工硬化至大于所述指定环境温度、制品屈服强度的环境温度屈服强度；将所述坯料加热至大于环境温度的成形温度，这样足以在单个模压操作中成形所述模压制品的所有所述三维特性而不会引发所述模压制品中的任何劈裂或撕裂；将所述坯料维持在所述成形温度下持续至少足以在所述坯料中建立均匀温度的时间，所述成形温度小于所述加工硬化轻金属合金的所述工艺再结晶温度；将所述加热坯料转移至包括互补未加热模具的模架，将所述坯料放置在所述模具之间并且关闭所述模具以成形所述部件，接着将所述模压制品冷却至环境温度；选择所述冷轧制坯料的所述加工硬化来在模压之后产生所述模压制品的所述指定环境温度屈服强度，所述指定环境温度屈服强度大于在环境温度下由类似轻金属合金的退火坯料模压的类似形状的制品的所述环境温度屈服强度。2.根据权利要求1所述的方法，其中轻金属合金的所述加工硬化、冷轧制坯料是铝合金或镁合金。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述铝合金经加工硬化至H1X、H2X和H3X回火中的一种，其中X是1、2、3、4、5、6、7和8中的任何一个数值。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述铝合金是由AA2xxx合金、AA6xxx合金、AA7xxx合金和AA8xxx合金中的一种组成的时效硬化合金。5.根据权利要求3所述的方法，其中所述铝合金是由AA1xxx合金、AA3xxx合金、AA4xxx合金和AA5xxx合金中的一种组成的非时效硬化合金。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述制品的成形刚度是使用所述模压制品中产生的计算出的应力或应变或经实验确定的应变力进行分析，且所述成形温度选择为适用于成形所述经分析刚度的所述制品。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度和加热时间选择为，通过限制因再结晶而产生的强度损耗并启用时效硬化，将所述加工硬化坯料屈服强度维持成大于所述预定屈服强度。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述坯料维持在所述成形温度下持续5到15分钟。9.一种由冷加工、加工硬化轻金属合金板材或坯料温成形三维轻合金、模压制品的方法，所述制品在环境温度下测试时在一个或多个选定位置处具有一个或多个预选定屈服强度，每个所述预选定屈服强度均等于或大于在环境温度下由类似轻金属合金的退火坯料模压的类似形状的制品的类似选定位置处的所述环境温度屈服强度的一又四分之一倍，所述方法包括：提供轻金属合金板材的坯料，所述坯料经加工硬化至大于所述最小预选定制品屈服强度一又四分之一倍的环境温度屈服强度；将所述坯料加热至成形温度，这样足以在单个模压操作中成形所述模压制品的所有所述三维特性而不会引发所述模压制品中的任何劈裂或撕裂；将所述坯料维持在所述成形温度下持续至少足以在所述坯料中建立均匀温度的时间，所述成形温度小于所述加工硬化轻金属合金的所述工艺再结晶温度；...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·K·萨克德夫，J·E·卡斯利，R·K·米什拉，J·T·卡特，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US