CN102191444A - 复杂异形整体壁板的应力松弛成形方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂异形整体壁板的应力松弛成形方法，将壁板零件定位于模具上置于真空袋与模具底板形成的密闭空间内并抽真空，通过提高热压罐内压力使密闭空间内部与外部形成压力差，外部压力使零件与模具贴合而达到模具型面的形状。高温有利于变形零件内部的应力快速释放，使弹性形变转化为塑形形变而达到应力松弛成形的目的。本发明具有成形过程简单，操作方便的特点，克服了现有技术中存在的由于高筋条复杂异形整体壁板制造困难导致的飞机壁板类零件加工成本高、生产周期长的不足。

Description

复杂异形整体壁板的应力松弛成形方法

技术领域

本发明涉及飞机制造领域，是一种用于机身和机翼高筋条复杂异形整体壁板成形的加工方法。

背景技术

整体壁板是现代飞机上重要的一类零件，它既是构成飞机气动外形的重要组成部分，同时也是机翼、机身等的主要承力构件。由于壁板上的筋条参与变形，使其成形的难度增加。时效成形技术(蠕变时效成形技术)是在20世纪50年代初期为成形整体壁板零件而发展起来的一项技术，即利用金属的蠕变特性，将成形与时效同步进行的一种成形方法。

FOROUDASTAN SAAED D和HOLMAN MITCHELL C在美国的发明公开号为：EP0527570的专利“Method of developing complex tool shapes”中提出了时效成形的原理、数学模型、梁模型，但是只是局限于单曲率的理论研究，并没有付诸于实际应用，也没有提出具体的成形参数。朱明华和乐煜发明的公开(公告)号为CN101988146A的专利，一种整体壁板蠕变时效成形方法，将整体壁板零件预先成型到初始形状，并固定在进行过回弹补偿的应力释放夹具上，148.8～160℃温度下保温1～1.5小时；从炉中取出零件和应力释放夹具；在室温下进行冷却，冷却到室温后将零件和夹具分离。该成形方法保温温度不够高而保温时间不够长不能很好的让应力材料内部进行释放。

周贤宾，戴美云在“时效应力松弛校形原理及其在蒙皮制造中的应用”(北京航空航天大学学报1992年02期)一文中通过2024和LY12铝合金板件的单曲度与双曲度弯曲试验论述了时效成形的原理、应用和模拟试验结果。研究了校形效果随温度、时间和预变形等的变化规律。周贤宾等在“带筋壁板的时效应力松驰校形”(航空制造工程)使用应力松弛原理对筋条高度为6mm的壁板进行校形。王俊彪等人在“多级时效工艺中提出了大型机翼整体壁板时效成形的工艺流程”(航空学报2008年29(3))一文中，给出了成形过程中热压罐内的温度时间曲线和气压时间曲线，并进行了有限元的仿真。但是没有提出具体的工艺参数且只停留在有限元仿真阶段，没有具体的实验验证。

还有很多学者对时效成形技术都进行过探索研究，其原理都是上述“Method ofdeveloping complex tool shapes”专利发明，并且都停留在有限元仿真，没有具体的工艺研究或者只进行了简单的纯弯曲成形实验。上述学者研究的时效蠕变成形工艺所需针对的壁板筋条高度都在10mm以下，成形的零件较简单。壁板随着现代飞机性能的提高，整体壁板的结构和外形将越来越复杂(双曲面外形、曲率小、厚度变化复杂)，筋条高度越来越大(高度≥20mm)，成形精度越提越高(从0.8mm提高到0.5mm)，零件的成形难度越来越具有挑战性。

发明内容

为克服现有技术中存在的高筋条复杂异形整体壁板制造困难导致的飞机壁板类零件加工成本高、生产周期长的不足，本发明提出了一种复杂异形整体壁板的应力松弛成形方法。

本发明的具体过程包括以下步骤：

步骤1，备料；所用的密封腻子的使用温度为204～448℃；所用的真空袋的使用温度为204～232℃，所用的真空袋的熔点为215～266℃；所用的透气毡的使用温度为204～232℃。

步骤2，清洁模具和待成形壁板：用丙酮对模具和待成形壁板去油清洁。

步骤3，做真空袋；将壁板毛坯定位在模具上并覆盖2～4层透气毡，并在模具和壁板毛坯上的尖角和孔隙处增加两层透气毡；将包裹好的模具和壁板毛坯置于模具底板上；将真空膜覆盖在模具和壁板毛坯上，并使真空膜与壁板毛坯之间有空隙；将真空膜的四边用密封腻子粘在模具底板表面，使模具和壁板毛坯处于密闭状态，形成真空袋，得到打袋好的模具-壁板零件。

步骤4，检测真空袋；对真空袋抽真空至-0.85～-0.80bar；关掉真空源，5～10分钟内真空负压不能低于0.75bar，若5～10分钟内真空负压低于0.75bar，则清除漏气的真空袋和密封腻子并重复步骤3重新打袋。

步骤5，对零件进行应力松弛成形；将打袋好的模具-壁板零件送进热压罐进行高温高压应力松弛成形，其具体过程是：

a.冷压，对热压罐加压，使热压罐内压力20～30分钟升至6bar后停止升压，等待10～15分钟，检测是否破袋，无破袋情况下进行后续步骤；若破袋，则按步骤2重新打袋；

b.继续升高热压罐内压力，对热压罐升压和升温，热压罐内压力75～90分钟至9bar，热压罐内温度120～140分钟升至205～210℃，并使零件温度升至120℃；如果零件未到达120℃时破袋，重复步骤3～4重新打袋并继续对零件进行应力松弛成形；如果零件温度高于120℃时破袋，则零件报废；

c.恒温，当零件温度升温至190℃时，保温220～240分钟；保温时，热压罐内温度为190℃，热压罐内压力为9bar，真空负压在0.2bar～0.75bar之间；若恒温时间未到210分钟破袋，则零件报废，降温卸压开热压罐；若恒温时间超过210分钟破袋，则继续后续步骤；

d.降温，使热压罐内温度降至60℃，降温速率为1.08～1.23℃/min；同时热压罐通大气，压力降到大气压；零件温度为120℃时，开热压罐取出零件，得到成形后的复杂异形整体壁板。

本发明将壁板零件定位于模具上，置于真空袋与模具底板形成的密闭空间内并抽真空后，放入热压罐内，通过提高热压罐内压力使密闭空间内部与外部形成压力差。在外部压力的作用下，零件与模具贴合而达到模具型面的形状。高温有利于变形零件内部的应力快速释放，使弹性形变转化为塑形形变而达到应力松弛成形的目的。

本发明用于壁板筋条高度为18mm的复杂异形整体壁板进行精密成形，生产出来的壁板零件外形误差在±0.5mm以内，可以直接用于装机。辅助材料的选择和工艺参数如保温时间、温度、压力等的合理确定是保证成形效果主要因素。

应用模具对2124-T85铝合金材料的壁板按照实施实例的步骤进行应力松弛成形试验，完成后通过激光扫描对壁板外缘曲面进行检测，3D偏差分布结果如图2所示。由3D偏差分布图可知整个曲面的偏差范围均介于-0.5mm～+0.5mm之间。

表1 最大偏差结果表(mm)

通过以上偏差分析，可以看出，整个壁板曲面完全达到了±0.5mm的容差要求，满足壁板成形精度要求。

本发明所针对壁板筋条高度为18mm，为筋条高度为18mm的复杂异形整体壁板的精密成形提供了保障，生产出来的壁板零件可以直接用于装机，提高了零部件的结构效率，缩短了生产周期。

附图说明

图1是成形后的壁板零件；

图2是壁板4检测3D偏差图(俯视)；

图3是复杂异形整体壁板的应力松弛成形方法的流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例是用于(750×710)mm飞机机翼高筋条复杂异形整体壁板的成形。成形中所使用的模具采用热压罐时效成形模具。壁板材料为2124-T85铝合金。本实施例的成形过程包括如下步骤：

1，备料。需要准备的材料包括：密封腻子选用AT200Y使用温度204℃；真空袋选用使用温度为204℃的WL7400尼龙真空膜，其为熔点215℃；透气毡选用使用温度为204℃的Airweave N-10。

2，清洁模具和待成形壁板。用丙酮对模具和待成形壁板去油清洁。

3，做真空袋。将壁板毛坯定位在模具上并覆盖两层透气毡；透气毡的铺放位置应保证将模具外表面包裹好，在模具和壁板毛坯上的尖角和孔隙处增加两层透气毡。将包裹好的模具和壁板毛坯置于模具底板上；将尼龙真空膜覆盖在模具和壁板毛坯上，并使尼龙真空膜与壁板毛坯之间有空隙，以免抽真空时拉破尼龙真空膜。将尼龙真空膜的四边用密封腻子粘在模具底板表面，使模具和壁板毛坯处于密闭状态，形成真空袋。

4，检测真空袋。在真空袋上安装好导气嘴，并对真空袋抽真空至-0.85bar。关掉真空源，5分钟内真空负压不能低于0.75bar，得到打袋好的模具-壁板零件。若5分钟内真空负压低于0.75bar，则清除漏气的真空袋和密封腻子并重复步骤3重新打袋。

5，对零件进行应力松弛成形。将打袋好的模具-壁板零件送进热压罐进行高温高压应力松弛成形，其具体过程是：

1)冷压，对热压罐加压，使热压罐内压力30分钟内到达6bar后停止升压等待10分钟。检测是否破袋，无破袋情况下进行后续步骤；若破袋，则按步骤2重新打袋。

2)继续升高热压罐内压力，对热压罐升压和升温，热压罐内压力90分钟至9bar，热压罐内温度120分钟升至210℃，并使零件温度升至120℃。如果零件未到达120℃时破袋，重复步骤3～4重新打袋并继续对零件进行应力松弛成形；如果零件温度高于120℃时破袋，则零件报废。

3)恒温，当零件温度升温至190℃时，保温240分钟。保温时，热压罐内温度为190℃，热压罐内压力为9bar，真空负压在0.2bar～0.75bar之间。若恒温时间未到210分钟破袋，则零件报废，降温卸压开热压罐；若恒温时间超过210分钟破袋，则继续后续步骤。

4)降温，使热压罐内温度降至60℃，降温速率为1.08℃/min。同时热压罐通大气，压力降到大气压。零件温度为120℃时，开热压罐取出零件，得到成形后的复杂异形整体壁板。若降温过程中破袋，无影响。

实施例二

本实施例是用于(300×300)mm飞机机翼高筋条复杂异形整体壁板的成形。成形中所使用的模具为热压罐时效成形模具。壁板材料2124-T85铝合金。本实施例的具体步骤如下：

1，备料。需要准备的材料包括：密封腻子选用GS-213-3使用温度232℃；真空袋选用使用温度为210℃的HK7400尼龙真空膜，其为熔点220℃；透气毡选用使用温度为205℃的AIRBLEED100/100GREY。

2，清洁模具和待成形壁板。用丙酮对模具和待成形壁板去油清洁。

3，做真空袋。将壁板毛坯定位在模具上并覆盖三层透气毡；透气毡的铺放位置应保证将模具外表面包裹好，在模具和壁板毛坯上的尖角和孔隙处增加两层透气毡。将包裹好的模具和壁板毛坯置于模具底板上；将尼龙真空膜覆盖在模具和壁板毛坯上，并使尼龙真空膜与壁板毛坯之间有空隙，以免抽真空时拉破尼龙真空膜。将尼龙真空膜的四边用密封腻子粘在模具底板表面，使模具和壁板毛坯处于密闭状态，形成真空袋。

4，检测真空袋。在真空袋上安装好导气嘴，并对真空袋抽真空至-0.80bar。关掉真空源，10分钟内真空负压不能低于0.75bar，得到打袋好的模具-壁板零件。若10分钟内真空负压低于0.75bar，则清除漏气的真空袋和密封腻子并重复步骤3重新打袋。

5：对零件进行应力松弛成形。将打袋好的模具-壁板零件送进热压罐进行高温高压应力松弛成形，其具体过程是：

1)冷压，对热压罐加压，使热压罐内压力20分钟内到达6bar后停止升压。等待15分钟，检测是否破袋，无破袋情况下进行后续步骤；若破袋，则按步骤2重新打袋。

2)继续升高热压罐内压力，对热压罐升压和升温，热压罐内压力85分钟至9bar，热压罐内温度140分钟升至205℃，并使零件温度升至120℃。如果零件未到达120℃时破袋，重复步骤3～4重新打袋并继续对零件进行应力松弛成形；如果零件温度高于120℃时破袋，则零件报废。

3)恒温，当零件温度升温至190℃时，保温220分钟。保温时，热压罐内温度为190℃，热压罐内压力为9bar，真空负压在0.2bar～0.75bar之间。若恒温时间未到210分钟破袋，则零件报废，降温卸压开热压罐；若恒温时间超过210分钟破袋，则继续后续步骤。

4)降温，使热压罐内温度降至60℃，降温速率为1.13℃/min。同时热压罐通大气，压力降到大气压。零件温度为120℃时，开热压罐取出零件，得到成形后的复杂异形整体壁板。若降温过程中破袋，无影响。

实施例三

本实施例是用于(500×500)mm飞机机翼高筋条复杂异形整体壁板的成形。成形中所使用的模具为热压罐时效成形模具。壁板材料2124-T85铝合金。本实施例的具体步骤如下：

1，备料。需要准备的材料包括：密封腻子选用SM5160使用温度371℃；真空袋选用使用温度为232℃的HK8400尼龙真空膜，其为熔点260℃；透气毡选用使用温度为205℃的AIRBLEED10HA。

2，清洁模具和待成形壁板。用丙酮对模具和待成形壁板去油清洁。

3，做真空袋。将壁板毛坯定位在模具上并覆盖三层透气毡；透气毡的铺放位置应保证将模具外表面包裹好，在模具和壁板毛坯上的尖角和孔隙处增加两层透气毡。将包裹好的模具和壁板毛坯置于模具底板上；将尼龙真空膜覆盖在模具和壁板毛坯上，并使尼龙真空膜与壁板毛坯之间有空隙，以免抽真空时拉破尼龙真空膜。将尼龙真空膜的四边用密封腻子粘在模具底板表面，使模具和壁板毛坯处于密闭状态，形成真空袋。

4，检测真空袋。在真空袋上安装好导气嘴，并对真空袋抽真空至-0.83bar。关掉真空源，7分钟内真空负压不能低于0.75bar，得到打袋好的模具-壁板零件。若7分钟内真空负压低于0.75bar，则清除漏气的真空袋和密封腻子并重复步骤3重新打袋。

5：对零件进行应力松弛成形。将打袋好的模具-壁板零件送进热压罐进行高温高压应力松弛成形，其具体过程是：

1)冷压，对热压罐加压，使热压罐内压力25分钟内到达6bar后停止升压等待12分钟，检测是否破袋，无破袋情况下进行后续步骤；若破袋，则按步骤2重新打袋。

2)继续升高热压罐内压力，对热压罐升压和升温，热压罐内压力80分钟至9bar，热压罐内温度130分钟升至206℃，并使零件温度升至120℃。如果零件未到达120℃时破袋，重复步骤3～4重新打袋并继续对零件进行应力松弛成形；如果零件温度高于120℃时破袋，则零件报废。

3)恒温，当零件温度升温至190℃时，保温230分钟。保温时，热压罐内温度为190℃，热压罐内压力为9bar，真空负压在0.2bar～0.75bar之间。若恒温时间未到210分钟破袋，则零件报废，降温卸压开热压罐；若恒温时间超过210分钟破袋，则继续后续步骤。

4)降温，使热压罐内温度降至60℃，降温速率为1.18℃/min。同时热压罐通大气，压力降到大气压。零件温度为120℃时，开热压罐取出零件，得到成形后的复杂异形整体壁板。若降温过程中破袋，无影响。

实施例四

本实施例是用于(600×650)mm飞机机翼高筋条复杂异形整体壁板的成形。成形中所使用的模具为“热压罐时效成形模具”公开号为：CN201030404。壁板材料2124-T85铝合金。本实施例的具体步骤如下：

1，备料。需要准备的材料包括：密封腻子选用HK780使用温度448℃；(2)真空袋选用使用温度为232℃的CAPRAN 526尼龙真空膜，其为熔点266℃；(3)透气毡选用使用温度为232℃的ULTRWEAVE 1332。

2，清洁模具和待成形壁板。用丙酮对模具和待成形壁板去油清洁。

3，做真空袋。将壁板毛坯定位在模具上并覆盖四层透气毡；透气毡的铺放位置应保证将模具外表面包裹好，在模具和壁板毛坯上的尖角和孔隙处增加两层透气毡。将包裹好的模具和壁板毛坯置于模具底板上；将尼龙真空膜覆盖在模具和壁板毛坯上，并使尼龙真空膜与壁板毛坯之间有空隙，以免抽真空时拉破尼龙真空膜。将尼龙真空膜的四边用密封腻子粘在模具底板表面，使模具和壁板毛坯处于密闭状态，形成真空袋。

4，检测真空袋。在真空袋上安装好导气嘴，并对真空袋抽真空至-0.84bar。关掉真空源，6分钟内真空负压不能低于0.75bar，得到打袋好的模具-壁板零件。若6分钟内真空负压低于0.75bar，则清除漏气的真空袋和密封腻子并重复步骤3重新打袋。

5：对零件进行应力松弛成形。将打袋好的模具-壁板零件送进热压罐进行高温高压应力松弛成形，其具体过程是：

1)冷压，对热压罐加压，使热压罐内压力23分钟内到达6bar后停止升压等待11分钟，检测是否破袋，无破袋情况下进行后续步骤；若破袋，则按步骤2重新打袋。

2)继续升高热压罐内压力，对热压罐升压和升温，热压罐内压力75分钟至9bar，热压罐内温度125分钟升至208℃，并使零件温度升至120℃。如果零件未到达120℃时破袋，重复步骤3～4重新打袋并继续对零件进行应力松弛成形；如果零件温度高于120℃时破袋，则零件报废。

3)恒温，当零件温度升温至190℃时，保温235分钟。保温时，热压罐内温度为190℃热压罐内压力为9bar，真空负压在0.2bar～0.75bar之间。若恒温时间未到210分钟破袋，则零件报废，降温卸压开热压罐；若恒温时间超过210分钟破袋，则继续后续步骤。

4)降温，使热压罐内温度降至60℃，降温速率为1.23℃/min。同时热压罐通大气，压力降到大气压。零件温度为120℃时，开热压罐取出零件，得到成形后的复杂异形整体壁板。若降温过程中破袋，无影响。

Claims (1)

1.一种复杂异形整体壁板的应力松弛成形方法，其特征在于，具体过程包括以下步骤：

步骤1，备料；所用的密封腻子的使用温度为204～448℃；所用的真空袋的使用温度为204～232℃，所用的真空袋的熔点为215～266℃；所用的透气毡的使用温度为204～232℃；

步骤2，清洁模具和待成形壁板：用丙酮对模具和待成形壁板去油清洁；

步骤3，做真空袋；将壁板毛坯定位在模具上并覆盖2～4层透气毡，并在模具和壁板毛坯上的尖角和孔隙处增加两层透气毡；将包裹好的模具和壁板毛坯置于模具底板上；将真空膜覆盖在模具和壁板毛坯上，并使真空膜与壁板毛坯之间有空隙；将真空膜的四边用密封腻子粘在模具底板表面，使模具和壁板毛坯处于密闭状态，形成真空袋，得到打袋好的模具-壁板零件；

步骤4，检测真空袋；对真空袋抽真空至-0.85～-0.80bar；关掉真空源，5～10分钟内真空负压不能低于0.75bar，若5～10分钟内真空负压低于0.75bar，则清除漏气的真空袋和密封腻子并重复步骤3重新打袋；

步骤5，对零件进行应力松弛成形；将打袋好的模具-壁板零件送进热压罐进行高温高压应力松弛成形，其具体过程是：

a.冷压，对热压罐加压，使热压罐内压力20～30分钟升至6bar后停止升压等待10～15分钟，检测是否破袋，无破袋情况下进行后续步骤；若破袋，则按步骤2重新打袋；

b.继续升高热压罐内压力，对热压罐升压和升温，热压罐内压力75～90分钟至9bar，热压罐内温度120～140分钟升至205～210℃，并使零件温度升至120℃；如果零件未到达120℃时破袋，重复步骤3～4重新打袋并继续对零件进行应力松弛成形；如果零件温度高于120℃时破袋，则零件报废；

c.恒温，当零件温度升温至190℃时，保温220～240分钟；保温时，热压罐内温度为190℃，热压罐内压力为9bar，真空负压在0.2bar～0.75bar之间；若恒温时间未到210分钟破袋，则零件报废，降温卸压开热压罐；若恒温时间超过210分钟破袋，则继续后续步骤；

d.降温，使热压罐内温度降至60℃，降温速率为1.08～1.23℃/min；同时热压罐通大气，压力降到大气压；零件温度为120℃时，开热压罐取出零件，得到成形后的复杂异形整体壁板。

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