CN103084800B - 金属厚板坯料预拉弯及带曲度高筋壁板数控加工成形方法 - Google Patents

Abstract

金属厚板坯料预拉弯及带曲度高筋壁板数控加工成形方法，主要解决现有成形方法存在的诸如残余应力大，型面流线差，实际曲面外形与理论外形偏差大等问题。该方法的主要成形工序包括金属厚板坯料预拉弯和带曲度高筋壁板数控加工成形。目的在于大幅减少后续装配工序的工作量，提高生产效率、整机质量和使用寿命。预拉弯工序通过拉伸和弯曲两种变形方式的组合控制坯料内的残余应力，使坯料外形与壁板曲面外形接近。壁板成形工序通过控制数控加工环境、过程和参数控制残余应力的释放过程、不产生或少产生新的残余应力，保证壁板的成形精度。本方法将数控加工作为壁板生产的最后工序，对产品质量和工艺稳定性都会有较大的保证，也可以最大限度的保证壁板设计的理论外形。

Description

金属厚板坯料预拉弯及带曲度高筋壁板数控加工成形方法

技术领域

本发明涉及金属成形内应力控制和数控加工技术，具体为金属厚板坯料预拉弯及带曲度高筋壁板数控加工成形方法。属于机械加工及应用技术领域。

背景技术

整体壁板具有表面光滑、结构强度高、气密性好、能有效减轻结构重量等许多优点，已被广泛应用于现代航空、航天、高速列车、高档汽车、军事装备等各个领域。目前，整体壁板一般是对预拉伸板进行平面数控铣削后获得。其中一部分是需要有一定外形曲率的高筋条壁板，则通过闸压、喷丸、蠕变成形等方法，最终获得成品壁板。1.闸压是高筋条壁板的成形方法之一，其优点是适应性强，可以闸压不同形状，规格，不同曲率包括单向曲率、双向曲率的壁板，操作简单、易行，对设备要求低，可以在一定程度上满足壁板的形状和质量要求。俄罗斯航空工艺科学研究院(HHAT)曾对各种整体壁板成形技术作过长期系统的研究，壁板表面的空间形状、蒙皮截面和筋的类型，是影响整体壁板工艺性的基本特征，俄罗斯专家在表面造型特征的基础上，对整体壁板进行了分类，并按规定的编码系统进行相应的编码。把壁板按造型特征分为30种，其中14种为可展表面，16种为不可展表面，每一特征号即代表了一种壁板，根据特征号即可基本确定闸压成形方法；另外，在闸压设备上还引入了能自动测定回弹量并加以修整的自适应系统，并且为满足壁板疲劳寿命的要求，规定了闸压变形程度的范围。对于闸压壁板虽然具有上述优点并做了深入研究，但仍存在一些无法避免的缺点：a、闸压成形是在材料的σs和σb之间狭窄空间内完成，而板型结构、铣削方法、光整处理等环节稍有不慎就会产生局部应力集中使σb降低，使可成形空间变小，甚至没有，使壁板成形风险大，质量安全系数低；b、型面流线差，实际曲面外形与理论外形偏差大；c、壁板直线度差，需要安排壁板预装修合工序；d、残余应力大且无法去除；e、质量一致性差且不稳定；f、生产效率低，劳动强度大，难以实现自动化生产。2.对于喷丸，将其作为壁板表面强化的手段较为理想，可使壁板表面呈现压应力状态，降低或避免应力腐蚀的作用；作为成形手段，虽然有其连续渐进的特点（闸压是渐进成形，但不连续），使变形量分布更加均匀，双向曲率成形更容易；但不可避免的将在壁板中引入无法去除的残余应力；并且，在成形高筋壁板时要加大弹丸直径，使变形最好渗透至筋条，但在无筋板支撑处，又受到蒙皮厚度较薄的限制，因此壁板的可成形范围受到限制；同时，要仔细调整喷丸参数；否则成形效果难以控制，经常需要反复校形，才能满足成品壁板的要求。3.其他成形方法：a.蠕变成形：变形周期长，需要体积很大的热压罐，设备投资大,专用性强；b.超塑成形：由于变形温度高，时间长，容易使金属组织性能发生改变，只适用于部分金属的成形。为此我们在研究金属成形内应力控制和数控加工技术的基础上，发明了金属厚板坯料预拉弯及带曲度高筋壁板数控加工成形方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，而提供了一种金属厚板坯料预拉弯及带曲度高筋壁板数控加工成形方法，该方法解决了现有技术由于工艺不尽合理而造成的壁板成形风险大、残余应力大，型面流线差，生产效率低以及生产中对操作人员经验依赖性强的技术难题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：将金属厚板坯料预拉弯和带曲度高筋整体壁板数控加工成形两个工序相结合，最终制得残余应力小、形状尺寸准确的带曲度高筋整体壁板；

在金属厚板坯料预拉弯工序：采用大吨位数控拉弯机对金属厚板坯料实施拉伸和弯曲相结合的变形方式获得预拉弯壁板坯料；通过拉伸控制坯料内残余应力的分布、减少残余内应力，使预拉弯壁板坯料残余内应力小于或等于现有壁板坯料的实测值；通过弯曲改变壁板坯料的外形，使壁板坯料与最终数控加工成形的壁板外形尺寸相近；壁板坯料预拉弯是制得高质量壁板的最重要、最基础的工序，通过该预拉弯工序可以制得用于后续数控加工成形壁板的原料。

在带曲度高筋壁板数控加工成形工序：采用高精度数控加工机床对去应力后合金板坯实施精确的数控加工成形；通过控制数控加工环境、数控加工过程、数控加工参数，使壁板坯料中残余应力缓慢、合理的释放并且不产生或少产生新的残余应力，最终制得尺寸精度为0.01-5mm、外表面光滑、与设计理论外形相近、内表面为筋板和凹槽组合的带曲度高筋壁板；壁板中残余应力小于或等于现有成形方法的实测值；数控加工成形是成品壁板的最后一道机械加工工序、是获得高质量壁板的关键。

本发明将现有带曲度高筋壁板从购买预拉伸板，到数控平面铣削，最后通过闸压，喷丸或蠕变成形等方法制得壁板成品的生产工序，改变为从壁板坯料的预拉弯，到最终数控加工成形制得壁板成品的生产工序。主要解决现有成形方法存在的诸如残余应力大，质量安全系数低，型面流线差，实际曲面外形与理论外形偏差大等问题。将数控加工作为壁板成形的最后工序，对产品质量和工艺稳定性都会有极大的保证，可以大幅减少后续装配工序的工作量，提高生产效率、整机质量和使用寿命。也可以最大限度的保证壁板设计的理论外形。

附图说明

图1为带曲度高筋壁板预拉弯后壁板坯料外形示意图。

图2为带曲度高筋壁板数控加工后成品壁板外形示意图。

具体实施方式

实施例1

参照图1-2，对金属厚板坯料实施预拉弯及数控加工成形，该方法的主要成形工序，包括金属厚板坯料预拉弯和带曲度高筋壁板精确数控加工成形。具体实施过程：首先获得经过轧制、锻造、热处理后的合金板坯。然后将该合金板坯固定在一百吨以上的数控拉弯机的卡头上，按照要求对合金板坯实施延伸率1-10%的预拉弯，获得外形与成品壁板相近，残余应力小于或等于现有预拉伸板坯实测值的预拉弯板坯。最后对预拉弯板坯实施数控加工，控制加工环境、加工过程和加工参数，最终制得尺寸精度为0.01-5mm、外表面光滑、与设计理论外形相近，内表面为筋板1和凹槽2组合的带曲度高筋整体壁板。本发明成形壁板的筋条高度一般大于20mm。

实施例2

参照图1，首先获得经过轧制、锻造、热处理后的合金板坯。然后将该合金板坯固定在一百吨以上的数控拉弯机的卡头上；按照壁板外形和残余应力分布情况对合金板坯实施延伸率1-10%的拉伸和弯曲相结合的预拉弯变形方式。最终获得外形与成品外形相近，残余应力小于或等于现有预拉伸板坯实测值的预拉弯板坯。

实施例3

参照图2，首先获得经过去应力后的合金板坯。然后采用高精度数控加工机床通过粗加工、半精加工、精加工工序对该板坯实施数控加工。控制加工的环境温度：-30℃至+50℃，主轴转数：500-20000r/min，进给速度：1-120m/min，进刀角度：0.1-90°，同时依照刀具材料和形状尺寸、被加工材料和形状尺寸、被加工坯料中残余应力分布、被加工坯料所处工序等因素适当选择刀具路径、切削深度宽度和坯料的装卡姿态。最终制得尺寸精度为0.01-5mm、外表面光滑，与设计理论外形相近的壁板。该壁板外表面为曲面、内表面由筋板1、凹槽2组合构成的带曲度高筋整体壁板。成形壁板的筋条高度一般≥20mm。

Claims (2)

1.一种金属厚板坯料预拉弯数控成形方法，该方法是对厚度大于20mm的合金板，采用一百吨以上的数控拉弯机，实施延伸率1-10％的预拉弯，获得残余内应力小于或等于现有壁板坯料的实测值，与最终成品壁板外形尺寸相近的预拉弯壁板坯料。

2.一种带曲度高筋壁板数控加工成形方法，该方法对去应力后合金板坯，采用高精度数控加工机床，通过控制加工环境、过程和参数，实施精确的数控加工成形，获得表面光滑，与设计理论外形相近，尺寸精度为0.01-5mm、壁板残余内应力小于或等于现有成形方法的实测值的带曲度高筋整体壁板，用该方法制得的壁板外表面为曲面、内表面由筋板、凹槽组合构成的带曲度高筋整体壁板，上述成形壁板的筋条高度≥20mm，该方法控制加工的环境温度：-30℃至+50℃，主轴转数：500-20000r/min，进给速度：1-120m/min，进刀角度：0.1-90°，同时依照刀具材料和形状尺寸、被加工材料和形状尺寸、被加工坯料中残余应力分布、被加工坯料所处工序因素适当选择刀具路径、切削深度宽度和坯料的装卡姿态。