CN102774491A - 一种空心夹层结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空心夹层结构及其制造方法，其中，所述夹层结构内部为中空腔或由中空腔和实心结构组成，所述中空腔内具有加强筋，所述夹层结构的上面板和下面板之间具有中空腔，所述加强筋包括设置在上面板上的上面板加强筋，以及设置在下面板上的下面板加强筋，本发明在空心夹层结构的生产过程中分别对上面板和下面板的内部的加强筋结构进行加工，然后再进行扩散焊接，最后对其外部轮廓进行加工完成对空心夹层结构的制造，可以简化夹层结构的工艺过程，提高其成品率，降低其生产成本，并且表面质量好，无弱连接，产品的重心可调，可以增加局部位置的刚度，在增加产品强度和刚度的同时不影响产品的质量。

Description

一种空心夹层结构及其制造方法

技术领域

本发明属于夹层结构的制造加工技术领域，涉及一种空心夹层结构及其制造方法。

背景技术

目前，在航天、航空器材中或一些低质量高强度的结构，都会涉及到空心夹层结构，尤其是在航空、航天领域的一些飞行器的机翼或其他组件中，为了减轻飞行器材的质量，其结构会被制造成夹层结构。

在夹层结构制造过程中，通常使用的制造工艺是“铸造骨架结合蒙皮激光焊或电阻焊”的方法，所述方法的主要步骤是：首先铸造夹层结构的骨架，然后热成形上蒙皮和下蒙皮，最后通过蒙皮激光焊或电阻焊将蒙皮焊接在骨架上，在焊接过程中，蒙皮的四周通过电阻滚焊的方式焊接，其中间位置通过电阻点焊的方式连接，此种加工方法的优点是操作简单，各部件的制造和连接过程技术要求相对较低，制造难度不大，但是它存在着工艺路线长，工艺复杂，加工过程中要经历多道工序，蒙皮与骨架棱线处配合要求高，容易出现蒙皮折线和骨架棱线处配合不好的问题，影响其结构强度；在焊接过程中会造成表面凹陷，对其气动性能造成影响，并且其棱线不清晰，型面精度差；由于其中间位置采用是点焊，造成其连接强度低，刚度可设计性差。

另一种常用的方法，是通过超塑成形/扩散连接（SPF/DB）的方法进行生产制造，其制造过程是将多层板材部分位置通过扩散焊连接，然后将连接好的板材放置到专用模腔内，并对多层板材进行超塑成型工艺,最终加工成所需要的空心夹层结构，其优点是其生产工艺相对应于上述铸造骨架加蒙皮的方式来说生产工艺路线短，但是其存在以下缺点，其加工过程中所需要的技术含量较高，在生产过程中需要高精度的控制，经常存在由于操作失误导致的废品的出现，同时其表面连接面积比较小，大部分位置为弱连接，所以其结构强度较差；其表面在超塑成型过程中由于组件之间拉力的作用会使夹层表面出现凹槽的现象；此种加工方法生成出来的空心夹层结构，夹层之间的加强筋是通过拉伸的方式产生的，并不能保证加强筋完成垂直于夹层表面，倾斜的加强筋使其结构强度也比较弱。

但在现有的航天、航空器材或一些要求低质量高强度的机件结构中，为了便于调节运动路线，设计人员需要对所述机件结构的重心进行调节，提高机件结构的适用性，以满足不同场合的使用要求；同时，由于使用环境或者使用方式的不同，所述机件结构的刚度要求不同，例如涡轮叶片远离旋转中心的一端受力较大，刚度要求较高，则如果能够将所述机件的刚度进行相应调节，就能大大加强机件结构的耐用性。根据实际使用情况调节机件结构的重心和刚度分布，不但能够大大提高机件结构的耐用性、适用性；而且调节机件结构的刚度分布，只需要对需要增加刚度的地方进行合适的提高，无需对整体机件结构进行刚度提高，由此可以大大降低机件结构的材料成本。

但是现有技术中，无论是“铸造骨架结合蒙皮激光焊或电阻焊”的方法、“超塑成形/扩散连接”，亦或是其他出于减轻机件重量、保持其刚度的目的而开发的制造方法都无法解决调节机件结构重心、刚度分布的问题以及其不能实现同时加工出具有实心结构和空心结构共存的结构。如何开发一种重心可调、刚度高、刚度分布可调、工艺简单、成品率高、表面质量好、且成本较低的机件结构是本领域一个亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空心夹层结构及其制造方法，通过先对空心夹层结构的上面板和下面板的加强筋进行加工再对其进行扩散连接，可以增强空心夹层结构的结构强度、提高产品的生产效率，简化产品的工艺过程，以及提高产品的成品率。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种空心夹层结构，所述夹层结构内部为中空腔或由中空腔和实心结构组成，所述中空腔内具有加强筋。

作为上述空心夹层结构的一种优选方案，所述夹层结构包括上面板和下面板，所述上面板和下面板之间具有中空腔，所述加强筋包括设置在上面板上的上面板加强筋，以及设置在下面板上的下面板加强筋。

作为上述空心夹层结构的一种优选方案，所述上面板加强筋和下面板加强筋为一一对称设置，并且所述上面板加强筋和下面板加强筋均与其各自所在的平面垂直。

作为上述空心夹层结构的一种优选方案，所述加强筋由多个环形和/或圆弧形上面板加强筋和多个环形和/或圆弧形下面板加强筋组成。

作为上述空心夹层结构的一种优选方案，所述加强筋之间在水平方向上设置连接筋，所述连接筋用于增强加强筋的支撑强度。

作为上述空心夹层结构的一种优选方案，所述加强筋由多条相互平行的上面板加强筋和多条相互平行的下面板加强筋组成。

作为上述空心夹层结构的一种优选方案，所述加强筋是由多条上面板加强筋和下面板加强筋组成的网状结构，所述网状结构的结构单元为三角形、梯形或矩形以及它们的组合。

作为上述空心夹层结构的一种优选方案，所述上面板和下面板之间部分是实心结构，部分是由加强筋连接形成的中空腔，所述实心结构用于设置所述夹层结构的连接部，或通过将实心结构设置在的不同位置来改变夹层结构的重心。

作为上述空心夹层结构的一种优选方案，部分加强筋之间设置有辅助加强筋，所述辅助加强筋用于进一步增强所述夹层结构的工作强度。

本领域技术人员应该明了，本发明所述的空心夹层结构的空心夹层由上面板和下面板扣合得到，所述的空心夹层中设置有加强筋、连接筋、辅助加强筋或实心结构中的任意一种或至少两种的组合，所述组合例如在空心夹层中同时设置加强筋/连接筋、连接筋/辅助加强筋、加强筋/实心结构/连接筋、加强筋/连接筋/辅助加强筋/实心结构等。本发明所述的加强筋、连接筋或辅助加强筋的形状独立地选自直线和/或弧线，本领域技术人员可以根据实际情况对加强筋、连接筋或辅助加强筋的形状进行选择。本发明所述加强筋、连接筋、辅助加强筋或实心结构的位置也没有特别的限定，本领域技术人员可以根据设计需要（例如重心的位置、刚度分布）来设置加强筋和连接筋。

典型但非限制性的实例有：通过在空心夹层结构中设置大小可调、质量可调的实心结构调节空心夹层结构的重心；通过在空心夹层结构中设置辅助加强筋的数量和排布密度来调节夹层结构的刚度分布。由此可以看出，本发明所提供的空心夹层结构具有重心可调、刚度分布可调的优点，弥补了现有机件结构重心不可调、刚度无法按需设置的缺点。

本发明的目的还在于提供一种空心夹层结构的加工方法，所述方法是在上板面和下板面上加工出一一对应的筋（包括加强筋、连接筋、辅助加强筋或实心部分），然后通过扣合、焊接得到空心夹层结构。

优选地，本发明通过如下技术方案实现，一种空心夹层结构的加工方法，包括，

步骤A：首先将两块板材按设计要求加工出上面板和下面板的坯板，此步骤加工的坯板为平板结构，为了方便其进行下一步的加工不需要对其外部轮廓进行加工；

步骤B：根据加强筋的设计形状，通过机加工分别在所述上面板和下面板的坯板上加工出上面板加强筋和下面板加强筋。

步骤C：将步骤B中加工有上面板加强筋和下面板加强筋的上面板和下面板坯板相互扣合，在扣合过程中必须保证相对应的上面板加强筋和下面板加强筋必须相互对齐，然后通过整体扩散连接对其上面板和下面板进行焊接。

步骤D：通过机加工对焊接在一起的上面板和下面板的外部轮廓进行加工；

步骤E：按设计精度对空心夹层结构的外部轮廓进行精加工。

本领域技术人员可以看出，本发明提供的一种空心夹层结构的制备步骤中，步骤A的胚板加工、步骤B的加强筋的加工、步骤C的上板面和下板面的扣合焊接、步骤D和步骤E的对外部轮廓的加工可以从现有技术中获得相关的操作方法，此处不再赘述。本发明的目的是提供一种空心夹层结构的制造方法的思路，即先在上板面和下板面加工出一一对应的筋，然后将上面板和下面板扣合焊接；大大的提高了现有空心夹层结构制造方法的成品率、简化了制造工艺、提高了空心夹层结构的表面质量、并实现了空心夹层结构的重心和刚度分布的可控。

本发明通过提供一种空心夹层结构，在其生产过程中分别对上面板和下面板的内部的加强筋结构进行加工，然后再进行扩散焊接，最后对其外部轮廓进行加工完成对空心夹层结构的制造，可以简化夹层结构的工艺过程，提高其成品率，降低其生产成本，并且表面质量好，无弱连接，产品的重心可调，可以增加局部位置的刚度，在增加产品强度和刚度的同时不影响产品的质量。

本领域技术人员应该明了，本发明对所述的空心夹层结构的材料没有限定，任何一种可用于扩散焊接的材料均可用于本发明，典型但非限制性的实例有铁、铜、钛、钢、铝、金或银中的任意一种或至少两种所组成的合金，或者是至少两种间的相互焊接，例如铁与铜的焊接、铝与钢的焊接、钛合金与铜的焊接等。

与现有技术先比，本发明具有如下有益效果：

（1）工艺过程简单，成品率高；

（2）与“超塑成形/扩散连接”相比，本发明提供的制造方法成本降低了20-50%；

（3）本发明提供的空心夹层结构无弱连接区、产品强度、刚度高。

（4）本发明提供的空心夹层结构的重心位置可控、刚度分部可控。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一中提供的夹层结构的整体结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一中提供的上面板的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式一中提供的下面板的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式二中提供的上面板的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式二中提供的下面板的结构示意图；

图6是本发明具体实施方式三中提供的上面板的结构示意图；

图7是本发明具体实施方式三中提供的下面板的结构示意图；

图8是本发明具体实施方式四中提供的上面板的结构示意图；

图9是本发明具体实施方式四中提供的下面板的结构示意图；

图10是本发明提供的空心机翼的结构示意图。

其中；1001：夹层结构；1011：中空腔；1012：加强筋；1014：上面板；1015：下面板；1141：上面板加强筋；1151：下面板加强筋；1016：连接筋；

2014：上面板；2015：下面板；2141：上面板加强筋；2151：下面板加强筋；

3014：上面板；3015：下面板；3141：上面板加强筋；3151：下面板加强筋；

4014：上面板；4015：下面板；4141：上面板加强筋；4151：下面板加强筋；4011：中空腔；4012：加强筋；4013：实心结构；

5011：中空腔；5012：加强筋；5014：上翼板；5015：下翼板。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。下面结合附图，对本发明的结构及其制造方法进行说明。

实施方式一：

如图1~3所示，一种空心夹层结构，其中，夹层结构1001内部为中空腔1011或由中空腔1011和实心结构（未示出）组成，为了增强夹层结构的结构强度，其中空腔1011内具有加强筋1012，其中实心结构用于改变夹层结构1001的结构重心或者为了增强夹层结构1001与其它连接件之间的连接强度在夹层结构1001的连接位置设置有实心结构。

夹层结构1001包括上面板1014和下面板1015，并且上面板1014和下面板1015之间具有中空腔1011，其中，加强筋1012包括设置在上面板1014上的上面板加强筋1141，以及设置在下面板1015上的下面板加强筋1151，其中，上面板加强筋1141和下面板加强筋1151为一一对称设置。

在此实施方式中，加强筋1012由多个环形和/或圆弧形上面板加强筋1141和下面板加强筋1151组成，其中加强筋1012之间在水平方向上设置有连接筋1016，其中连接筋1016用于进一步增强空心夹层结构的连接强度。

优选的，加强筋1012由多个圆弧形上面板加强筋1141和下面板加强筋1151组成，并且，在上面板加强筋1141之间沿其半径方向上设置有连接筋1016，同时在沿圆弧形下面板加强筋1151的半径方向上设置同样也设置有连接筋1016，分别设置上面板加强筋1141之间和下面板加强筋1151之间的连接筋1016均是一一对应的关系。

实施方式二：

如图4、图5所示，在此实施方式中，除加强筋2012的具体结构与实施方式一不相同外其它结构均与实施方式一的结构类似，在此实施方式中，加强筋2012由多条相互平行的上面板加强筋2141和下面板加强筋2151组成，优选的，由相互平行的上面板加强筋2141和下面板加强筋2151组成的各个加强筋2012之间的距离相等,此种结构的加强筋2012其生产过程简单，便于加工生产。

实施方式三：

如图6、图7所示，在此实施方式中，除加强筋3012的具体结构与实施方式一不相同外其它结构均与实施方式一的结构类似，在此实施方式中，加强筋3012是由多条上面板加强筋3141和下面板加强筋3151组成的网状结构，其网状结构的结构单元为三角形、梯形或矩形以及它们的组合，优选的由加强筋3012组成的网状结构的结构单元为矩形。

实施方式四：

如图8、图9所示，在此实施方式中，上面板4014和下面板4015之间部分是实心结构4013，部分是由加强筋4012连接形成的中空腔4011，其中，中空腔4011内的加强筋4012可以为上述实施方式中任一实施方式所述的加强筋结构，此实施方式中，实心结构4013用于设置夹层结构的连接部，或通过将实心结构设置在夹层结构的不同位置来改变夹层结构的重心。

实施方式五：

在以上实施方式的基础上，在夹层结构工作过程中由于各个位置的受力强度不同，所以各个位置的刚度要求也不相同，因此，在刚度要求大的位置的加强筋之间设置有辅助加强筋（未示出），辅助加强筋用于进一步增强夹层空心结构的工作强度；由于只是在部分位置设置有辅助加强筋，在增加了夹层结构的刚度的同时对其自身影响不大。

空心夹层结构的加强筋的形状并不仅限于以上实施方式中提到的几种形状，同样也可以采用以上形状的变形，或者他们之间的组合，同时夹层结构的层数也不止为两层，也可以为两层以上面板之间的组合，并且面板之间均具有中空腔，中空腔之间具有加强筋连接。

本发明还提供了以上实施方式的加工方法，虽然以上实施方式中空心夹层结构的结构略有不同，但是其加工方法是一致，其具体的加工方式如下所述，一种空心夹层结构的制造方法，包括，

步骤A：首先将两块板材按设计要求加工出上面板和下面板的坯板，此步骤加工的坯板为平板结构，为了方便其进行下一步的加工不需要对其外部轮廓进行加工；

步骤B：根据加强筋的设计形状，通过机加工分别在所述上面板和下面板的坯板上加工出上面板加强筋和下面板加强筋。

在此步骤中，加强筋可以由圆弧形上面板加强筋和圆弧形下面板加强筋组成，多条平行的上面板加强筋和多条平行的下面板加强筋，或者网状的上面板加强筋和下面板加强筋以及它们的组合组成的结构。

步骤C：将步骤B中加工有上面板加强筋和下面板加强筋的上面板和下面板坯板相互扣合，在扣合过程中必须保证相对应的上面板加强筋和下面板加强筋必须相互对齐，然后通过整体扩散连接对其上面板和下面板进行焊接。

在此步骤中，上面板和下面板的整体结构为平板结构，在扩散连接过程中，由于它们依然是平板结构，使它们在扩散连接过程中更加方便，扩散连接的强度更强。

步骤D：通过机加工对焊接在一起的上面板和下面板的外部轮廓进行加工；

步骤E：按设计精度对上面板和下面板进行精加工。

如图10所示，为了进一步对本申请进行说明本申请还提供了一种具有本申请提及的空心夹层结构的机翼，为了与其它部件连接并增加其连接强度，上翼板5014和下翼板5015之间具实心部分，其实心部分设置有连接接头，连接接头用于机翼与其他组件相连接；为了减轻机翼的质量，上翼板5014和下翼板5015之间还具有中空腔5011，并且在中空腔内设置有翼板加强筋5012来增强机翼的结构强度，其中翼板加强筋的结构同上述任一实施方式中的加强筋的结构相同，同时为了进一步的增强加强筋的支撑强度可以在翼板加强筋之间设置连接筋，因为机翼在工作过程中各个位置的受力强度不同，同样也可以在其受力强度大的位置增加辅助加强筋来增加机翼的强度；当然也可以在不同的位置设置实心结构来改变机翼的重心；由于机翼工作状态要求，机翼需要低密度高强度的材料制成，在本发明中机翼采用钛合金材料制成，当然其组成材料并不仅限于此，也可以采用等效的低密度高强度材料制成。

机翼的制造过程包括以下步骤：

步骤A：首先将两块板材按设计要求加工出上翼板和下翼板的坯板，此步骤加工的坯板为平板结构，为了方便其进行下一步的加工不需要对其外部轮廓进行加工；

步骤B：根据翼板加强筋的设计形状，通过机加工分别在所述上翼板和下翼板的坯板上加工出上翼板加强筋和下翼板加强筋。

在此步骤中，翼板加强筋可以由圆弧形上翼板加强筋和圆弧形下翼板加强筋组成，多条平行的上翼板加强筋和多条平行的下翼板加强筋，或者网状的上翼板加强筋和下翼板加强筋以及它们的组合组成的结构。

步骤C：将步骤B中加工有上翼板加强筋和下翼板加强筋的上翼板和下翼板坯板相互扣合，在扣合过程中必须保证相对应的上翼板加强筋和下翼板加强筋必须相互对齐，然后通过整体扩散连接对其上翼板和下翼板进行焊接。

在此步骤中，上翼板和下翼板的整体结构为平板结构，在扩散连接过程中，由于它们依然是平板结构，使它们在扩散连接过程中更加方便，扩散连接的强度更强。

步骤D：通过机加工对焊接在一起的上翼板和下翼板的外部轮廓进行加工；

步骤E：按设计精度对机翼进行精加工。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构和制造方法，但本发明并不局限于上述详细的结构和制造方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构和方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种空心夹层结构，其特征在于，所述夹层结构内部为中空腔、或该夹层结构内部由中空腔和实心结构组成；所述中空腔内具有加强筋。

2.根据权利要求1所述的空心夹层结构，其特征在于，所述夹层结构包括上面板和下面板，所述上面板和下面板之间具有中空腔，所述加强筋包括设置在上面板上的上面板加强筋，以及设置在下面板上的下面板加强筋。

3.根据权利要求2所述的空心夹层结构，其特征在于，所述上面板加强筋和下面板加强筋为一一对称设置，并且所述上面板加强筋和下面板加强筋均与其各自所在的平面垂直。

4.根据权利要求3所述的空心夹层结构，其特征在于，所述加强筋由环形和/或圆弧形上面板加强筋和环形和/或圆弧形下面板加强筋组成。

5.根据权利要求4所述的空心夹层结构，其特征在于，所述加强筋之间在水平方向上设置连接筋，所述连接筋用于增强加强筋的支撑强度。

6.根据权利要求3所述的空心夹层结构，其特征在于，所述加强筋由多条相互平行的上面板加强筋和多条相互平行的下面板加强筋组成。

7.根据权利要求3所述的空心夹层结构，其特征在于，所述加强筋是由多条上面板加强筋和下面板加强筋组成的网状结构，所述网状结构的结构单元为三角形、梯形或矩形以及它们的组合。

8.根据权利要求1所述的空心夹层结构，其特征在于，所述上面板和下面板之间部分是实心结构，部分是由加强筋连接形成的中空腔，所述实心结构用于设置所述夹层结构的连接部，或通过将实心结构设置在的不同位置来改变夹层结构的重心。

9.根据权利要求1~8中任一项权利要求所述的空心夹层结构，其特征在于，部分加强筋之间设置有辅助加强筋，所述辅助加强筋用于进一步增强所述夹层结构的工作强度。

10.一种空心夹层结构的制造方法，其特征在于，包括，

步骤A：首先将两块板材按设计要求加工出上面板和下面板的坯板，此步骤加工的坯板为平板结构，为了方便其进行下一步的加工不需要对其外部轮廓进行加工；

步骤B：根据加强筋的设计形状，通过机加工分别在所述上面板和下面板的坯板上加工出上面板加强筋和下面板加强筋；

步骤C：将步骤B中加工有上面板加强筋和下面板加强筋的上面板和下面板坯板相互扣合，在扣合过程中保证相对应的上面板加强筋和下面板加强筋必须相互对齐，然后通过整体扩散连接对其上面板和下面板进行焊接。

步骤D：通过机加工对焊接在一起的上面板和下面板的外部轮廓进行加工；

步骤E：按设计精度对空心夹层结构的外部轮廓进行精加工。

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