CN103551469A - 一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具 - Google Patents

Abstract

一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具由刚性框架、上横梁、下横梁、连接梁、百分表（包含有磁性表座）和丝杠压块组件组成。刚性框架是由两根立柱与上下连杆连接而成。上横梁一端设有圆孔，另一端为条型孔，与顶部滑轨与刚性框架连接。下横梁两端为T字型，与刚性框架连接。连接梁两端开有连接孔，与下横梁连接。丝杠压块由丝杠压杆和条型压块组成，丝杠压杆下端为六面体平面，上部分开有工字头，条型压块的外表面为半圆形，内部开有T型槽，条型压块与丝杠压块相互连接。百分表根据测量需要选用，设置在上横梁的上部。该夹具结构简单，可调节性高，对不同形状壁板工件的预应力夹持具有通用性，同时可以监测加载和回弹的位移变化。

Description

一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具

（一）技术领域

本发明提供了一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具，它主要应用在金属构件激光预应力成形中。属于航空制造技术领域。

（二）背景技术

预应力夹具是激光预应力成形时对板件施加弹性弯曲的一种工艺装备。它不起成型模的作用，只是在板件的受激光作用表面上产生预定的拉应力（不超过材料的屈服强度），用来加大预弯曲方向的成形曲率，克服激光成形的变形倾向，使板件按所需方向弯曲变形，从而获得符合外形要求的零件。

在航空器的制造技术中，大型壁板类钣金件的激光预应力成形是一种新的成形工艺方法，在对这种大型整体厚蒙皮壁板进行激光束扫描前必须对其施加预应力，以及在扫描过程中需进行的夹持。夹持和施加预应力的夹具是激光成形的关键技术之一。大型的激光成形设备有一个固定夹具和工件的刚性框架，该工件属于壁板类零件，其形状、曲率、大小各异，因此对夹具的组合调整能力，也就是夹具适应工件的变化能力的要求较高。现有技术中常用的夹具是通过与零件成形后的形状、曲率相吻合的多组卡板将零件夹持固定在激光成形设备的刚性框架上，然后通过调节上卡板逐渐逼近下卡板以至和壁板完全压紧。试验表明这种卡板式夹具达不到预期结果，松开卡板后有所回弹，同时一套卡板只限于一种壁板零件，对于形状有所改变的壁板，该卡板不具备通用性。

（三）发明内容

1.目的：本发明的目的在于提供一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具。

2.技术方案：

一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具主要由六部分组成：刚性框架、上横梁、下横梁、连接梁、百分表（包含磁性表座）和丝杠压块组件，下面主要介绍一下各部件的组成及连接方式。

所述的刚性框架由两根立柱与上连杆和下连杆相互连接而成。在上连杆上开有滑轨，用于固定上横梁，下连杆起加强刚性框架稳定性的作用。这两个相互对称设置的刚性框架由两根下横梁两端的T字型上的连接孔与对应的立柱上的连接孔通过螺栓和螺母连接固定。

所述的上横梁由方钢加工而成，其一端设有圆孔，另一端为条型孔，用螺栓和螺母通过刚性框架的顶部滑轨与刚性框架连接成一体。安装该夹具时，当上横梁的圆孔端固定时，条型孔的设计可以让上横梁的条型孔端有15度左右的摆动位移，从而更好的适应壁板工件的形状变化。上横梁中间部分开有若干圆孔，每一个圆孔上焊接有厚螺母，用以与丝杠压杆配合使用。

所述的下横梁的两端连接金属板，使下横梁的两端成为T字型，在金属板上开有连接孔，与立柱上的对应连接孔通过螺栓连接，使下横梁与刚性框架连接成一个整体。在下横梁的中间段开有若干条型孔，另有连接梁利用该条型孔通过螺栓和螺母与下横梁连接成一个整体，该条型孔的作用是满足连接梁的位置调整需求。

所述的连接梁也是由方钢加工而成，两端开有连接孔与条型孔配合连接，中间部分开有若干圆孔，对应圆孔焊接厚螺母，用以与丝杠压块组件配合使用。

所述的丝杠压块组件是施力组件，它由丝杠压杆和条型压块组成。丝杠压杆7下端为六面体平面，上部分开有工字头，条型压块的外表面为半圆形，内部开有T型槽，条型压块的T型槽与丝杠压块的工字头相互装卡连接。

所述的百分表（包含磁性表座）是常用用品，是该夹具用来进行加载和回弹位移检测的装置，可以根据测量需要选用，它们设置在上横梁的上部表面。

该夹具可以实现对壁板类工件的弦向和展向双曲率夹持并施加成形预应力。弦向夹持和施力是通过固定在连接梁上的丝杠压块组件完成的，主要采用三点弯曲的方法，施加位移可以随意调整，由于连接梁上设有多个连接孔，施力点可以随意调节。根据工件的设计要求，在每一个连接梁上都可以进行弦向预弯夹持。对于展向预弯夹持，是通过固定在上横梁上的丝杠压块组件施力完成。

为了更好的适应壁板的尺寸以及型号，本发明采用上横梁在刚性框架上实现滑动的方法，通过在钢性框架顶部开长槽形成滑轨，将上横梁的两端连接在滑轨上，横梁相对滑轨的固定位置可以调节，通过上横梁和连接横梁的位置移动实现了对整个壁板无盲点的施加预应力。

该夹具的加载和回弹位移检测装置是百分表，它固定在上横梁上部，通过大量程百分表多点同步检测取平均值来实现对位移变化的监测。百分表与横梁之间通过磁性表座连接，方便调整位置，可根据需求灵活检测。

3.本发明的优点和有益效果是：该夹具结构可调节性高，对不同形状壁板工件的预应力夹持具有通用性，同时可以监测加载和回弹的位移变化。

（四）附图说明

图1是本发明所述夹具爆炸图

图2是本发明所述夹具结构示意图

图3-1是本发明所述夹具的组件刚性框架结构示意图

图3-2是本发明所述夹具的组件连接梁支撑块结构示意图

图3-3是本发明所述夹具的组件上横梁结构示意图

图3-4是本发明所述夹具的组件下横梁结构示意图

图3-5是本发明所述夹具的组件丝杠压块结构示意图

图4是本发明弦向预压弯夹持示意图

图5是本发明三点弯曲示意图

图6是本发明展向预压弯夹持示意图

图中编号说明：1 磁性表座、2 百分表、3 螺栓、4 上横梁、5 螺母、6 焊接螺母、7 丝杠压杆、8 壁板工件、9 条型压块、10 滑轨、11 连接梁、12 刚性框架、13 下横梁、14 条型孔、15 条型孔、16 上连杆、17 下连杆、18 T型槽、19 六面体平面、20 立柱、21 连接孔、22 连接孔、23 连接孔、24 圆孔、25 圆孔、26 圆孔、27 工字头、28 金属板

（五）具体实施方式

本发明一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具主要由六部分组成：刚性框架12、上横梁4、下横梁13、连接梁11、百分表2和丝杠压块组件，下面主要介绍一下各部件的组成及连接方式。

所述的刚性框架12是由两根立柱20与上连杆16和下连杆17相互焊接而成。在上连杆16上开有滑轨10，用于固定上横梁4，下连杆17起加强刚性框架12稳定性的作用。这两个相互对称设置的刚性框架12由两根下横梁13两端的金属板上的连接孔21与对应的立柱20上的连接孔22通过螺栓3和螺母5连接固定。

所述的上横梁4由一段方钢加工而成，在其一端设有圆孔24，另一端为条型孔14，用螺栓3和螺母5通过刚性框架12的顶部滑轨10与刚性框架12连接成一体。安装该夹具时，当上横梁4的圆孔24端固定时，条型孔14的设计可以让上横梁4的条型孔14端有15度左右的摆动位移，从而更好的适应壁板工件8的形状变化。上横梁4中间部分开有若干圆孔25，每一个圆孔上焊接有厚螺母5，用以与丝杠压杆7配合使用。

所述的下横梁13的两端焊接金属板（28），使下横梁的两端成为T字型，在金属板28上开有连接孔21，与立柱20上的对应连接孔22通过螺栓3连接，使下横梁13与刚性框架12连接成一个整体。在下横梁13的中间段开有若干条型孔15，另有连接梁11利用该条型孔15通过螺栓3和螺母5与下横梁13连接成一个整体，该条型孔15的作用是满足连接梁11的位置调整需求。

所述的连接梁11也是由方钢加工而成，两端开有连接孔23与下横梁13上的条型孔15配合连接，中间部分开有若干圆孔26，对应圆孔26上焊接厚螺母5，用以在装配和调节时与丝杠压杆7配合使用。

所述的丝杠压块组件是施力组件，它由丝杠压杆7和条型压块9组成。丝杠压杆7下端为六面体平面19，上部分开有工字头27，条型压块9的外表面为半圆形，内部开有T型槽18，条型压块9的T型槽18与丝杠压块的工字头27相互装卡连接。

所述的百分表2及磁性表座1是常用配套用品，是该夹具用来进行加载和回弹位移检测的装置，它们可以根据测量需要选用，它们设置在上横梁4的上部表面。

该夹具可以实现对壁板类工件的弦向和展向双曲率夹持并施加成形预应力。弦向夹持和施力是通过固定在连接梁11上的丝杠压块组件完成的，主要采用三点弯曲的方法，施加位移可以随意调整，由于连接梁11上设有多个圆孔26，施力点可以随意调节。根据工件的设计要求，在每一个连接梁11上都可以进行弦向预弯夹持。对于展向预弯夹持，是通过固定在上横梁4上的丝杠压块组件施力完成。

为了更好的适应壁板的尺寸以及型号，本发明采用上横梁4在刚性框架12上实现滑动的方法，通过在钢性框架12顶部开长槽形成滑轨10，将上横梁4的两端连接在滑轨10上，上横梁4相对滑轨10的固定位置可以调节，通过上横梁4和连接梁11的位置移动实现了对整个壁板无盲点的施加预应力。

该夹具的加载和回弹位移检测装置是百分表2，它固定在上横梁4上部，通过大量程百分表2多点同步检测取平均值来实现对位移变化的监测。百分表2与上横梁4之间通过磁性表座连接，方便调整位置，可根据需求灵活检测。

以下结合实施例附图对该发明作进一步详细描述。

如图1所示是实施例中该组合预应力夹具的爆炸图。该预应力夹具主要由六部分组成：刚性框架12、上横梁4、下横梁13、连接梁11、百分表2和丝杠压块组件。刚性框架12的两部分由下横梁13通过螺栓3螺母5连接，在两根下横梁13之间固定有连接梁11，上横梁4由螺栓3螺母5固定在刚性框架12的顶部滑轨10上，百分表2通过磁性表座1固定在上横梁4顶部。

如图2所示是实施例中该组合预应力夹具的结构示意图。该预应力夹具的主体部分固定在刚性框架12内，其中包括与刚性框架12固定连接的上横梁4和下横梁13，在上下横梁之间是夹持壁板工件8的位置。在两个下横梁13之间设有多个连接梁11，每个连接梁11的两端通过螺栓3与下横梁13的条型孔15连接，该条型孔15与连接梁11成“十”交叉固定，连接梁11上设有焊接螺母6，通过焊接螺母6固定丝杠压块组件。特别强调的是丝杠压块组件在上横梁4上的固定位置是可以根据需要调节的，上横梁4与刚性框架12之间是通过滑轨10连接，上横梁4在滑轨10上的固定位置是可以调节的，连接梁11在条型孔15里的连接位置也是可以调节的，这些可调节性展示着本夹具的多组合与适应工件尺寸的能力。

参见图3是实施例中的各个主要组件结构示意图。图3-1是实施例中夹具的组件刚性框架12结构示意图。刚性框架12是由方钢焊接而成，它可以拆成两部分，这两部分均由两根立柱20与上连杆和下连杆焊接而成。在上连杆16的上部开有滑轨10，该滑轨10是一个槽形结构，与上横梁4固定连接，通过螺栓3与螺母5来固定上横梁4在滑轨10上的位置。每根立柱20上都开有连接孔22，用以与下横梁13通过螺栓3螺母5连接。

图3-2是实施例中夹具的组件连接梁支撑块结构示意图，它主要由连接梁11、丝杠压杆7和条型压块9组合而成。该连接梁11两端开有连接孔23，与下横梁13的条型孔15通过螺栓3螺母5连接。在连接梁11的中间段开有若干圆孔26并设有焊接螺母6，用以与丝杠压杆7配合，通过调整丝杆压杆7的伸缩位移来施加预应力。

图3-3是实施例中夹具的组件上横梁4结构示意图。上横梁4由一段方钢加工而成，在其一端设有圆孔24，另一端为条型孔14，用螺栓3螺母5通过刚性框架12的顶部滑轨10与刚性框架12连接成一体。条型孔14可以使上横梁4与滑轨10保持垂直，也可以使上横梁4绕固定好的圆孔24端有15度左右的偏转，从而更好的适应壁板工件的形状变化。上横梁4的中间部分与连接梁11一样，设有圆孔25，并设有焊接螺母6，用以配合提供展向压弯力的丝杠压块组件。

图3-4是实施例中夹具的组件下横梁13结构示意图。该下横梁13两端焊接有钢板，在钢板上开有连接孔21。下横梁13与立柱20上的连接孔22之间也是通过螺栓3连接，可以拆卸，从而将整体夹具拆开成两部分，方便夹具的运输与置放。下横梁13中间段开有条型孔15，用以调节各连接梁11之间的距离，实现对工件无盲点的施加预应力。

图3-5是实施例中夹具的组件丝杠压块结构示意图。丝杠压块组件由条型压块9和丝杠压杆7两部分组成。条型压块9是由铝棒加工而成的，铝棒相对较软，不会对壁板工件8造成应力集中破坏。条型压块9的外表面是半圆形，其内侧有一个T型槽18，实施例中组件条型压块9的长度可以有很多种规格，一个条型压块9可以与多个丝杠压杆7组件配合使用，以便向工件的某连续部位施加预应力。丝杆压杆7的上端开有与条型压块9配合的工字头27，下部加工成六面体平面19，方便与套筒扳手配合使用，同时根据壁板工件8预弯曲率的需求，丝杠压杆7的长短也供选择。

以上给出了该预应力夹具的几个主要组合件，实施例中还有其他通用螺母组件配合使用。

需要激光预应力成形的工件通常是大型壁板零件，成形后的零件一般具有双曲度，该预应力夹具可以实现对壁板工件8的弦向和展向预弯夹持，壁板工件8连接梁11方向为弦向，壁板工件8的中心长度方向为展向。

对于需要弦向和展向双曲度预弯夹持的壁板类工件，本发明提供一种预弯夹持方法，其特征在于先进行弦向预弯夹持，再进行展向预弯夹持，弦向预弯夹持是将壁板工件8通过丝杠压杆7与条型压块9固定在不同的高度位移，展向预弯夹持是通过调整弦向丝杠压杆7的位移，使相邻的丝杠压杆7位于不同的平面上，通过相邻丝杠压杆7之间的剪切力实现对壁板工件8的展向预弯夹持。

参见图4，对壁板工件8的弦向预弯夹持是通过固定在连接梁11上的丝杠压杆7和条型压块9配合实施，对壁板工件8形成三点压弯。其施力方向如图5所示，其中A、B、C三点处施力的大小和施力点位置根据工件的成形需求均可调节。A、B两个施力点的移动是通过调节上横梁4在刚性框架12上的滑轨10中的位置来实现，C点的移动是通过丝杠压块组件在连接梁11上的等间距焊接螺母6上配合调节实施，A、B、C三点的施力大小是通过调节丝杠压杆7在焊接螺母6上的紧固位移大小来调节，因此该夹具适应于各种形状的壁板工件8，这就是该夹具的组合能力。对于长型壁板，通过一个个相邻的连接梁11以及固定在连接梁11上的丝杠压杆7和条型压块9对工件的不同弦向部位预弯夹持，根据工件的需求，为保证工件相邻部位的受力均匀，在某些连续连接梁11的丝杠压杆7的施力端头加装长条型压块，通过该长条型压块向工件施加连续的弦向预应力。

参见图6，对壁板工件8的展向预弯夹持是在上横梁4上设置焊接螺母6并安装丝杠压杆7和条型压块9，通过调节丝杠压杆7的伸缩位移来控制壁板工件8的弯曲曲度，壁板工件8下部的支撑杆固定在连接梁11上，以此实现对壁板工件8的展向预弯夹持。根据壁板尺寸及需求，条型压块9的数量及尺寸可选，满足不同曲率的壁板零件预弯夹持的要求。

参见图4和图6，图中在刚性框架12顶部通过磁性表座1固定大量程百分表2，在壁板预装卡完毕时调整百分表2针头，使其与壁板工件8正好接触，记下百分表2此时读数，随着预紧力的施加，壁板工件8加载后位移发生变化，百分表2可以很明显的读出位移大小。回弹位移的测量是先记下加载完毕时百分表2的读数，壁板工件8在卸载后会回弹一定位移，等完全卸载结束时，百分表的读数与之前读数的绝对值差即为回弹位移。根据壁板工件8的尺寸大小以及预弯要求，可以调整百分表2的个数及测量位置。因为百分表2测量的是点位移变化，所以为了得到相对准确的测量结果，需要将对应位置的百分表测量的读数取平均值。通过装配大量程百分表2，使得本夹具带有监测加载和回弹位移变化的功能。

实现本发明的多功能组合思想，不限于本申请书所描述的连接梁11与上下横梁的连接结构形式，但应满足连接梁11的承力性和连接梁11相对位置的可变化性。

Claims (3)

1.一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具,其特征在于：它由刚性框架（12）、上横梁（4）、下横梁（13）、连接梁（11）、百分表（2）和丝杠压块组件六部分组成；

所述的刚性框架（12）是由两根立柱（20）与上连杆(16)和下连杆(17)相互连接而成；在顶部的上连杆（16）上开有滑轨（10），用于固定上横梁（4），底部的下连杆（17）起加强刚性框架（12）稳定性的作用；两个相互对称设置的刚性框架（12）由两根下横梁（13）两端的T字型上的连接孔（21）与对应的立柱（20）上的连接孔（22）通过螺栓（3）和螺母（5）连接固定；

所述的上横梁（4）由方钢加工而成，其一端设有圆孔（24），另一端为条型孔（14），用螺栓（3）和螺母（5）通过刚性框架（12）的顶部滑轨（10）与刚性框架（12）连接成一体；安装该夹具时，当上横梁（4）的圆孔（24）端固定时，条型孔（14）的设计可以让上横梁（4）的条型孔（14）端有（15）度左右的摆动位移，从而更好的适应壁板工件（8）的形状变化；上横梁（4）中间部分开有圆孔（25），每一个圆孔上焊接有厚螺母（5），用以与丝杠压杆（7）配合使用；

所述的下横梁（13）的两端连接金属板（28），使下横梁（13）的两端成为T字型，在金属板（28）上设有连接孔（21），与立柱（20）上的对应连接孔（22）通过螺栓（3）连接，使下横梁（13）与刚性框架（12）连接成一个整体；在下横梁（13）的中间段开有条型孔（15），另有连接梁（11）利用该条型孔（15）通过螺栓（3）和螺母（5）与下横梁（13）连接成一个整体，该条型孔（15）的作用是满足连接梁（11）的位置调整需求；

所述的连接梁（11）也是由方钢加工而成，两端开有连接孔（23）与下横梁（13）上的条型孔（15）配合连接，中间部分开有圆孔（26），对应圆孔（26）上焊接厚螺母（5），用以在装配和调节时与丝杠压杆（7）配合使用；

所述的丝杠压块组件是施力组件，它由丝杠压杆（7）和条型压块（9）组成；丝杠压杆（7）下端为六面体平面（19），上部分开有工字头（27），条型压块（9）的外表面为半圆形，内部开有T型槽（18），条型压块（9）的T型槽（18）与丝杠压块的工字头（27）相互装卡连接；

所述的百分表（2）和磁性表座（1）是常用配套用品，是该夹具用来进行加载和回弹位移检测的装置，它们是根据测量需要选用，它们设置在上横梁（4）的上部表面。

2.根据权利要求1所述的一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具,其特征在于：所述的刚性框架(12)是由两根立柱（20）与上连杆(16)和下连杆(17)相互连接而成，采用焊接。

3.根据权利要求1所述的一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具,其特征在于：所述的下横梁（13）的两端连接的金属板（28），采用焊接。

Images