CN102974671B - 一种金属板构件的滚压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属板构件滚压成形方法，包括步骤：(1)将机身壁板零件展开为平板结构，所述零件的一侧具有台阶；(2)根据展开的平板结构制备金属板坯；(3)设计垫料结构，所述垫料结构与所述金属板坯为互补结构；(4)根据设计的垫料结构制备弹性垫料板；(5)装配所述金属板坯和所述弹性垫料板，形成组合板坯；(6)确定组合板坯的滚压参数；(7)组合板坯数控滚压成形；以及(8)提取金属板构件。本发明可以实现大台阶比变厚度结构的构件精确成形，且不受加工零件厚度和强度的限制，同时利用本发明可以取代机身壁板件先成形后化铣的传统制造方法，既提高了产品的制造精度，又避免了化铣带来的环境污染。

Description

一种金属板构件的滚压成形方法

技术领域

本发明属于金属薄板冲压成形技术领域，更具体地，涉及一种大台阶比变厚度金属板构件的滚压成形方法。

背景技术

随着我国航空制造技术的发展和人们对环境保护的重视，绿色制造正在挑战传统制造方法，以避免有害健康以及对环境的污染。为此，目前用数控机铣方式来代替传统化学铣削是行业趋势，这导致了变厚度类机身壁板在构件制造时加工模式产生了根本变化，由传统的“成形→化铣”变为了“机铣→成形”。这种加工模式的变化，改变了传统的重污染化铣的制造方法，促进了航空绿色节能制造的先进技术应用。变厚度机身壁板是飞机一类重要的结构件，是由整块板坯经过铣切、成形等工序制成，内表面存在大台阶比的变厚度区域。这种类型机身壁板具有重量轻、表面光滑、结构强度高、刚性好、气动外形等优点，已被广泛应用于航空结构件。但由于变厚度机身壁板内表面的几何形状存在不规则、结构复杂等特点，其制造工艺比较困难。

目前可成形航空薄壁构件的工艺主要有：滚压成形、压弯成形、拉弯成形、喷丸成形、时效蠕变成形等。喷丸成形和时效蠕变成形只能加工小曲率的构件，如机翼壁板，其无法实现具有大曲率的机身壁板的加工。拉弯成形仅能加工等厚度板坯，无法对带变厚度结构的机身壁板进行成形。而压弯成形虽然可以进行大曲率机身壁板加工，但由于工艺过程的间断性和变形非均匀性，无法加工出高品质的机身壁板。滚压成形是一种连续的成形方法，可以克服压弯成形的缺陷，主要用来成形等曲率、变曲率的二维曲面，广泛应用于机身壁板等构件制造。目前机身壁板内表面存在大台阶比变厚度区域，这些区域呈复杂的无规则分布，借助带型面轧辊的滚压成形对这类机身壁板也无法成形制造。

中国发明专利申请201010602183.6公开了一种机身整体壁板的成型方法，该技术提及一种机身薄板“成形→机铣”的成型制造方法。该技术的不足之处在于：采用先滚弯成形后进行局部压平机铣的制造方式，该方法仅能制造厚度超薄的机身壁板类构件，与带大台阶比变厚度机身壁板的“机铣→成形”加工有本质差异。

中国发明专利申请201010297464.5公开了一种壁板多道次滚压加载轨迹设计与数控代码生成方法，该技术提及一种基于三轴数控滚压机的机身壁板多道次滚压加载轨迹设计与数控代码生成方法。该技术的不足之处在于：主要针对变曲率等厚度壁板滚压加载轨迹设计，不涉及带大台阶比变厚度的机身壁板加工。

学术期刊《锻压技术》发表的名称为整体壁板填料滚压成形工艺研究(2009年4月)，该技术提及：一种带规则网格壁板的填料滚压成形工艺。该技术的不足之处在于：主要针对高筋交叉网格板填料滚压工艺，成形过程中聚氨酯块放入高筋网格内，成形时变形主要为高筋交叉网格，填料聚氨酯不参与变形，仅起到防止高筋失稳作用，该工艺无法加工带大台阶比变厚度的机身壁板零件。

发明内容

为了研究和解决具有较大厚度或高强度的大台阶比变厚度结构机身壁板的精确成形问题，本发明提供了一种大台阶比变厚度金属板构件的滚压成形方法。该方法适用于先机铣后成形的机身壁板制造方式，即能够实现带机铣的大台阶比变厚度结构的机身壁板构件，该方法对机身壁板的厚度和强度没有限制。

本发明通过以下技术方案实现：

根据本发明的金属板构件滚压成形方法包括步骤：

(1)将机身壁板零件展开为平板结构，所述零件的一侧具有台阶；

(2)根据展开的平板结构制备金属板坯；

(3)设计垫料结构，所述垫料结构与所述金属板坯为互补结构；

(4)根据设计的垫料结构制备弹性垫料板；

(5)装配所述金属板坯和所述弹性垫料板，形成组合板坯；

(6)确定组合板坯的滚压参数；

(7)组合板坯数控滚压成形；以及

(8)提取金属板构件。

其中，所述方法还包括步骤：(9)将所述步骤(8)中提取的金属板构件进行检具检测，并进行局部校形。

其中，在所述步骤(1)中，根据实际加工的机身壁板零件的三维几何结构和选材要求，运用CAE软件将机身壁板零件展开为平板结构。

其中，在所述步骤(2)中，运用机械铣削加工方法，按所述步骤(1)中展开的平板结构的形状，将具有初始等厚度的板坯加工成一侧设有台阶的金属板坯。

其中，在所述步骤(3)中，根据所述步骤(1)中展开的平板结构，进行互补结构设计，同时根据台阶比和垫料选材，获得补偿垫料滚压受压时的厚度压缩量和周向扩张量，以及在互补结构基础上，通过添加厚度压缩量和减少周向扩张量，获取机身壁板的垫料结构。

其中，在所述步骤(4)中，选取弹性垫料板，运用机械铣削加工方法，在满足要求的铣刀直径下，按照所述步骤(3)中的垫料结构，将弹性垫料板一侧加工成与所述步骤(2)中的金属板坯为互补结构。

其中，在所述步骤(5)中，将所述步骤(4)中加工的弹性垫料板的加工侧面涂抹粘性胶，并粘合到所述步骤(2)中制备的金属板坯的侧面，在粘合过程中要保持台阶宽向间隙的均匀性，并将弹性垫料板和金属板坯四周用胶带粘合，从而获得用于成形机身壁板的平板组合板坯。

其中，在所述步骤(6)中，针对弹性垫料板和金属板坯的组合板坯，运用CAE软件计算滚压上轧辊下压量与组合板坯滚压件曲率半径的定量关系，获取组合板坯滚压工艺的下压量。

其中，在所述步骤(7)中，将所述步骤(6)中上轧辊下压量输入数控滚压机，生成数控代码，并将所述步骤(5)中的组合板坯放入数控滚压机上，执行工艺数控代码，完成组合板坯的滚压成形。

其中，在所述步骤(8)中，将所述步骤(7)中加工的组合板坯滚压件分离，获得机身壁板零件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过弹性垫料与大台阶比变厚度结构板坯相组合，实现机身壁板“机铣→成形”方式的高效精确成形制造。该工艺加工的机身壁板的厚度和强度不受限制，同时弹性垫料可以重复利用，实现了大台阶比变厚度金属构件的精确成形。

利用本发明可以取代国内长期以来机身壁板零件采用先滚压成形后化铣的传统制造方法，既提高了产品的制造精度和疲劳强度，又避免了化铣槽液对环境的污染和高昂的排污处理费用，以及立体机械铣切的专用立体铣切夹具和设备，达到机身壁板的高精确高效低成本的绿色化制造。

附图说明

图1为展开后的带大台阶比变厚度结构金属板坯的横截面示意图；

图2为弹性垫料结构的横截面示意图；

图3为组合板坯的横截面示意图；

图4为组合板的滚压成形的示意图；以及

图5为根据本发明的金属板构件滚压成形方法制造的机身壁板构件的示意图。

附图标记说明

1金属板坯

2弹性垫料板

3组合板坯

4上轧辊

5零件

具体实施方式

下面结合附图来详细描述根据本发明的大台阶比变厚度金属板构件的滚压成形方法的优选实施例。

采用本发明技术方案成形加工机身门框蒙皮构件，如图5所示，蒙皮材料为铝合金2024-T3，零件厚度从6mm～1.4mm分布不等。本实施例采用的弹性垫料为工程塑料板PA6-G，厚度为8mm。

(1)展开机身壁板零件。根据实际加工的机身门框蒙皮的三维几何结构和铝合金2024-T3要求，运用CAE软件Dynaform将机身门框蒙皮零件展开为平板结构。

(2)制备大台阶比变厚度结构金属板坯。运用机械铣削加工方法，按步骤(1)中展开的平板结构形状，将初始厚度为6mm铝合金2024-T3加工成一侧面设有台阶(即，带大台阶比变厚度结构)的金属板坯1，其变厚度形式见图1所示平板结构。

(3)设计垫料结构。根据步骤(1)中展开的机身门框蒙皮的平板结构，进行互补结构设计，同时本实施例中两个台阶比都近似为2∶1，考虑台阶比和垫料PA6-G的弹性模量，获得补偿垫料滚压受压时厚度压缩量为0.3mm和周向扩张量2mm，在互补结构基础上，通过添加厚度压缩量和减少周向扩张量，获取大台阶比变厚度机身壁板的弹性垫料板2，其结构形式见图2所示结构。

(4)制备变厚度弹性垫料板。选取具有厚度为8mm的工程塑料板PA6-G，运用机械铣削加工方法，选用直径Φ12的铣刀，按照步骤(3)的垫料结构，将工程塑料PA6-G板一侧加工出与步骤(2)中加工板坯为互补结构的垫料板。

(5)装配变厚度板坯和垫料。将步骤(4)加工的工程塑料板PA6-G的加工侧面涂抹粘性胶，并粘合到步骤(2)加工的铝合金2024-T3的变厚度侧面，粘合过程中要保持台阶宽向间隙的均匀性，并将工程塑料板PA6-G和铝合金2024-T3板坯四周用胶带粘合，获得用于成形机身壁板的平板组合板坯3，其侧面结构如图3所示；

(6)确定滚压参数。针对工程塑料板PA6-G和铝合金2024-T3板的组合板坯，运用Dynaform软件计算滚压上轧辊下压量与步骤(7)中组合板坯滚压件曲率半径的定量关系，获取组合板坯滚压工艺的下压量；

(7)组合板坯数控滚压成形。将步骤(6)中上轧辊4的下压量输入数控滚压机，生成数控代码，并将步骤(5)中组合板坯放入数控滚压机上，执行工艺数控代码，完成机身门框蒙皮组合板坯的滚压成形；

(8)提取变厚度金属构件。将步骤(7)加工的组合板坯滚压件分离，获得机身门框蒙皮零件5，其几何形状如图5所示。

(9)将步骤(8)中提取的机身门框壁板零件进行检具检测，并进行局部校形。

经对本实施例的校形机身门框蒙皮进行的表面质量检测，包括曲率半径和直线度，符合加工图纸要求。

本发明通过弹性垫料板与大台阶比变厚度结构板坯相组合，实现机身壁板“机铣→成形”方式的高效精确成形制造。该工艺加工的机身壁板的厚度和强度不受限制，同时弹性垫料板可以重复利用，实现了大台阶比变厚度金属构件的精确成形。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种金属板构件滚压成形方法，其特征在于，包括步骤：

(1)将机身壁板零件展开为平板结构，所述零件的一侧具有台阶；

(2)根据展开的平板结构制备金属板坯；

(3)设计垫料结构，所述垫料结构与所述金属板坯为互补结构；

(4)根据设计的垫料结构制备弹性垫料板；

(5)装配所述金属板坯和所述弹性垫料板，形成组合板坯；

(6)确定组合板坯的滚压参数；

(7)组合板坯数控滚压成形；以及

(8)提取金属板构件；

其中，在所述步骤(3)中，根据所述步骤(1)中展开的平板结构，进行互补结构设计，同时根据台阶比和垫料选材，获得补偿垫料滚压受压时的厚度压缩量和周向扩张量，以及在互补结构基础上，通过添加厚度压缩量和减少周向扩张量，获取机身壁板的垫料结构。

2.根据权利要求1所述的金属板构件滚压成形方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：(9)将所述步骤(8)中提取的金属板构件进行检具检测，并进行局部校形。

3.根据权利要求1或2所述的金属板构件滚压成形方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，根据实际加工的机身壁板零件的三维几何结构和选材要求，运用CAE软件将机身壁板零件展开为平板结构。

4.根据权利要求1或2所述的金属板构件滚压成形方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，运用机械铣削加工方法，按所述步骤(1)中展开的平板结构的形状，将具有初始等厚度的板坯加工成一侧设有台阶的金属板坯。

5.根据权利要求1或2所述的金属板构件滚压成形方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，选取弹性垫料板，运用机械铣削加工方法，在满足要求的铣刀直径下，按照所述步骤(3)中的垫料结构，将弹性垫料板一侧加工成与所述步骤(2)中的金属板坯为互补结构。

6.根据权利要求1或2所述的金属板构件滚压成形方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，将所述步骤(4)中加工的弹性垫料板的加工侧面涂抹粘性胶，并粘合到所述步骤(2)中制备的金属板坯的侧面，在粘合过程中要保持台阶宽向间隙的均匀性，并将弹性垫料板和金属板坯四周用胶带粘合，从而获得用于成形机身壁板的平板组合板坯。

7.根据权利要求1或2所述的金属板构件滚压成形方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，针对弹性垫料板和金属板坯的组合板坯，运用CAE软件计算滚压上轧辊下压量与组合板坯滚压件曲率半径的定量关系，获取组合板坯滚压工艺的下压量。

8.根据权利要求1或2所述的金属板构件滚压成形方法，其特征在于，在所述步骤(7)中，将所述步骤(6)中上轧辊下压量输入数控滚压机，生成数控代码，并将所述步骤(5)中的组合板坯放入数控滚压机上，执行工艺数控代码，完成组合板坯的滚压成形。

9.根据权利要求1或2所述的金属板构件滚压成形方法，其特征在于，在所述步骤(8)中，将所述步骤(7)中加工的组合板坯滚压件分离，获得机身壁板零件。