CN103643184B

CN103643184B - 一种基于热压罐的铝合金高筋整体壁板蠕变时效成形方法

Info

Publication number: CN103643184B
Application number: CN201310712098.9A
Authority: CN
Inventors: 邓运来; 张劲; 雷郴祁; 胡珊珊; 王洋; 姜科达; 郭奕文; 张新明
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: CN103643184A

Abstract

本发明公开了一种基于热压罐的铝合金高筋整体壁板蠕变时效成形方法。首先按本发明提供的方法在带筋板坯将发生弯曲的筋条上取合适的位置加工出“V”型开口，然后置于热压罐内进行蠕变时效。采用本发明提供的“V”型开口位置与尺寸设计，可去除多余材料而减轻构件重量0.5%～3%，并能够明显降低成形所需载荷90%～98%，大大降低加工难度与成本，成形零件外形偏差可控制在±0.5mm以内。该工艺方法能够在最高工作压力不小于10Bar，使用温度范围可满足100℃～200℃，且有足够容量的热压罐内实施。且操作简便，效果显著，易于实现高筋整体结构壁板的一次成形，从而节约成本，减少生产周期，具有实际工业生产应用价值。

Description

一种基于热压罐的铝合金高筋整体壁板蠕变时效成形方法

技术领域

本发明涉及有色金属材料加工工程技术领域，特别涉及一种适用于航空航天用铝合金壁板类构件的基于热压罐的铝合金高筋整体壁板蠕变时效成形方法。

背景技术

整体带筋结构壁板是在航空航天与交通运输等制造行业中广泛应用的高效率结构，带筋一侧提高结构强度，无筋一侧则构成飞机的气动外形。这种结构具有减轻构件重量，提高构件的综合性能，提高其气动表面与外形的装配质量，以及降低生产成本与装配工作量等明显优势。因而也受到了世界各国制造行业的高度重视。在一些飞机的重要承力位置上，需要采用带高筋的整体壁板（高度一般大于30mm）以获得更高的强度和稳定性，例如机翼壁板、机身壁板、尾翼壁板等。

蠕变时效成形是一种针对大型整体壁板而发展起来的一种制造方法，其结合了金属蠕变和铝合金时效强化特性，利用时效温度进行蠕变变形，可同步实现零件形状与性能要求。其主要优势在于：①成形应力低，因而产生加工裂纹几率低；②残余应力水平低，可改善耐疲劳和抗应力腐蚀能力；③加工流程简单，制造周期和成本低；④成形效率高，工艺重复性好；⑤成形表面质量高，外形一致性好，提高装配质量。

带有较高筋条的铝合金整体壁板在蠕变时效成形时，由于筋条参与变形，变形抗力大，很容易产生局部失稳产生扭曲变形，破坏成形精度与构件性能。这种成形问题大大限制了铝合金整体带筋壁板的筋条高度，这同时也是限制整体结构壁板制造与应用发展的瓶颈。

发明内容

为突破带筋整体壁板成形的筋高限制，本发明提供一种可用于热压罐内铝合金高筋整体壁板的蠕变时效一次成形方法，在牺牲少量局部刚度的情况下，消除筋条扭曲的不利影响，可保证成形精度的同时提高性能均匀性。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种基于热压罐的铝合金高筋整体壁板蠕变时效成形方法，包括以下步骤：将需要进行蠕变时效的带筋板坯固定于模具上，然后在真空条件下置于热压罐中进行蠕变时效，在进行蠕变时效之前，在带筋板坯需蠕变成形出曲率部分所对应的筋条上切出“V”型开口。

所述的方法，所述的曲率部分所对应的筋条的正中处结构与筋条的其他部分结构相同，筋条上“V”型开口的位置处于筋条的正中处。

所述的方法，所述的曲率部分所对应的筋条的正中处设有筋条结构，筋条上“V”型开口的位置处于筋条结构至少一侧且距筋条结构10～100mm。

所述的方法，所述的筋条结构为孔、槽、增厚或弯折结构中的一种。

所述的方法，所述的曲率部分所对应的筋条在距筋条的正中处±15mm之外设有至少一个筋条结构，筋条上“V”型开口的位置处于筋条的正中处。

所述的方法，“V”型开口尖端距筋根部距离h使用公式获得，式中R为壁板弯曲半径，t为弯曲筋的厚度，k₁为与筋条构造相关的参数，取值范围为0.1～0.6。

所述的方法，“V”型开口最大开口长度d使用公式d=k₂·H/(n·R)获得，式中H为筋条高度，n为同一条筋条上的开口个数，n取值为1或2，筋条上若无特殊的筋条结构，则n取1，若具有特殊的筋条结构，且在筋条结构两侧均开口，则n取2；k₂为与筋条构造相关的参数，取值范围为100～200。参数k₁和k₂可通过等筋高的单筋小样件成形试验确定。

所述的方法，“V”型开口的尖端为圆角，这是为了防止在成形时尖端发生开裂，圆角半径r为1mm～5mm。

所述的方法，能够在最高工作压力不小于10Bar，使用温度范围可满足100℃～200℃，且有足够容量的热压罐内实施，实现构件的一次成形。

本发明在结构设计中有以下考虑：在热压罐所能提供的压力和温度范围内，通过在发生弯曲变形的筋条上布置“V”型开口，预先去除多余的材料，可有效改善筋条变形的材料流动，避免了因材料流动受阻造成的筋条扭曲、畸变等失稳现象；通过合理地设计“V”型开口的位置与尺寸，可以尽量少地减小整体构件的刚度损失，并在成形结束时使得”V”型开口完全合拢，以便后期有必要时进行焊接或者铆接加固；此外，在板坯带筋侧覆盖有垫板可使筋条受力均匀，特别对于“工”型、“Γ”型或“T”型截面的筋条能够起到防止筋上部边缘被压塌，还可以防止真空膜进入壁板内腔以及筋上的“V”型开口内而破裂。考虑到一般常用的热压罐内容量限制，成形板坯弯曲方向的筋条高/厚比（高度与厚度的比值）为4～200，筋条厚度为1mm～20mm。

本发明优点在于：①大大提高了热压罐条件下带筋整体壁板蠕变时效成形的筋高极限，扩展了蠕变时效成形的应用范围，成形零件外形偏差在±0.5mm以内；②通过“V”型开口去除多余材料可减轻构件重量0.5%～3%，更重要的是能够明显降低成形所需载荷90%～98%，大大降低了加工难度与成本；③该工艺方法操作简便，效果显著，易于实现高筋整体结构壁板的一次成形，节约成本，减少生产周期，具有实际工业生产应用价值。

本发明所指铝合金可采用不同的方法制备所需材料和（或）部件。蠕变时效模具采用中国专利2011110209737.0：一种金属蠕变成形模具。本发明的实施实例使用ATOS光栅扫描仪对壁板外缘曲面进行检测。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明“V”型开口相关的参数示意图。

图2为本发明的成形工装示意图。

图3为本发明“V”型开口在不同变形筋上的设置方法示意图，其中(a)表示普通筋上开口设置于正中间；(b)表示筋正中间在红色线框内有穿孔或其他特殊结构的情况，此时开口避开这些结构并设置在其两侧或一侧；(c)表示筋上有转折的情况，此时开口应设置在其两侧或一侧。

具体实施方式

以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。

实施例1

壁板材料为7475铝合金，板坯长度为700mm，宽度为520mm。沿所述壁板长向每隔140mm均设有矩形截面且沿宽向分布的筋，成形时沿所述壁板宽向弯曲。筋条高度为160mm，厚度为5mm，成形时模具弯曲半径为1600mm。在每条筋正中部设置“V”型开口，所述“V”型开口顶端距筋根部距离为40mm最大开口长度为15mm（150×160/(1×1600)），尖端圆角半径为3mm；经470℃固溶60min及水淬后，板坯固定在模具上并在带筋侧覆盖有厚度为2mm的垫板；热压罐内气压为10Bar。成形后的壁板经ATOS光栅扫描仪检测结果表明：筋条最大正偏差为0.224mm，筋条最大负偏差为-0.251mm，曲面最大正偏差为0.381mm，最大负偏差为-0.415mm。整个壁板构件的成形偏差在±0.5mm范围内，满足成形精度要求。

实施例2

壁板材料为2124铝合金，板坯长度为600mm，宽度为480mm。沿所述壁板长向每隔120mm均设有矩形截面且沿宽向分布的筋，成形时沿所述壁板宽向弯曲。筋条高度为100mm，厚度为2mm，筋条正中部开有直径30mm的圆形穿孔，成形时模具弯曲半径为2000mm。在距筋条圆形孔两侧15mm处（孔边缘与开口边缘的最小距离）设置2个“V”型开口，所述“V”型开口顶端距筋根部距离为27mm最大开口长度为4.5mm（180×100/(2×2000)），尖端圆角半径为2mm；经495℃固溶60min及水淬后，板坯固定在模具上并在带筋侧覆盖有厚度为1.8mm的垫板；热压罐内施加的最大气压为8Bar。成形后的壁板经ATOS光栅扫描仪检测结果表明：筋条最大正偏差为0.191mm，筋条最大负偏差为-0.212mm，曲面最大正偏差为0.283mm，最大负偏差为-0.325mm。整个壁板构件的成形偏差在±0.5mm范围内，满足成形精度要求。

实施例3

壁板材料为7085铝合金，板坯长度为500mm，宽度为450mm。沿所述壁板宽向每隔150mm设有矩形截面且沿长向分布的筋，成形时沿所述壁板长向弯曲。筋条高度为160mm，厚度为2mm，筋条正中部有长8mm的直角转折，成形时模具弯曲半径为3000mm。在距筋条转折处两侧20mm处（转折边缘与开口边缘的最小距离）设置2个“V”型开口，所述“V”型开口顶端距筋根部距离为22mm最大开口长度为4mm（150×160/(2×3000)），尖端圆角半径为2mm。经470℃固溶60min及水淬后，板坯固定在模具上并在带筋侧覆盖有厚度为2mm的垫板；热压罐内施加的最大气压为6Bar。成形后的壁板形面检测结果表明：筋条最大正偏差为0.344mm，筋条最大负偏差为-0.401mm，曲面最大正偏差为0.322mm，最大负偏差为-0.385mm。可见，整个壁板构件的成形偏差在±0.5mm范围内，满足成形精度要求。

Claims

1.一种基于热压罐的铝合金高筋整体壁板蠕变时效成形方法，包括以下步骤：将需要进行蠕变时效的带筋板坯固定于模具上，然后在真空条件下置于热压罐中进行蠕变时效，其特征在于，在进行蠕变时效之前，在带筋板坯需蠕变成形出曲率部分所对应的筋条上切出“V”型开口，所述的曲率部分所对应的筋条的正中处结构与筋条的其他部分结构相同，筋条上“V”型开口的位置处于筋条的正中处，“V”型开口尖端距筋根部距离h使用公式获得，式中R为壁板弯曲半径，t为弯曲筋的厚度，k₁为与筋条构造相关的参数，取值范围为0.1～0.6，“V”型开口最大开口长度d使用公式d＝k₂·H/(n·R)获得，式中H为筋条高度，n为同一条筋条上的开口个数，n取值为1或2，k₂为与筋条构造相关的参数，取值范围为100～200。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，“V”型开口的尖端为圆角，圆角半径r为1mm～5mm。

3.一种基于热压罐的铝合金高筋整体壁板蠕变时效成形方法，包括以下步骤：将需要进行蠕变时效的带筋板坯固定于模具上，然后在真空条件下置于热压罐中进行蠕变时效，其特征在于，在进行蠕变时效之前，在带筋板坯需蠕变成形出曲率部分所对应的筋条上切出“V”型开口，所述的曲率部分所对应的筋条的正中处设有筋条结构，筋条上“V”型开口的位置处于筋条结构至少一侧且距筋条结构10～100mm，“V”型开口尖端距筋根部距离h使用公式获得，式中R为壁板弯曲半径，t为弯曲筋的厚度，k₁为与筋条构造相关的参数，取值范围为0.1～0.6，“V”型开口最大开口长度d使用公式d＝k₂·H/(n·R)获得，式中H为筋条高度，n为同一条筋条上的开口个数，n取值为1或2，k₂为与筋条构造相关的参数，取值范围为100～200。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的筋条结构为孔、槽、增厚或弯折结构中的一种。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，“V”型开口的尖端为圆角，圆角半径r为1mm～5mm。

6.一种基于热压罐的铝合金高筋整体壁板蠕变时效成形方法，包括以下步骤：将需要进行蠕变时效的带筋板坯固定于模具上，然后在真空条件下置于热压罐中进行蠕变时效，其特征在于，在进行蠕变时效之前，在带筋板坯需蠕变成形出曲率部分所对应的筋条上切出“V”型开口，所述的曲率部分所对应的筋条在距筋条的正中处±15mm之外设有至少一个筋条结构，筋条上“V”型开口的位置处于筋条的正中处，“V”型开口尖端距筋根部距离h使用公式获得，式中R为壁板弯曲半径，t为弯曲筋的厚度，k₁为与筋条构造相关的参数，取值范围为0.1～0.6，“V”型开口最大开口长度d使用公式d＝k₂·H/(n·R)获得，式中H为筋条高度，n为同一条筋条上的开口个数，n取值为1或2，k₂为与筋条构造相关的参数，取值范围为100～200。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的筋条结构为孔、槽、增厚或弯折结构中的一种。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，“V”型开口的尖端为圆角，圆角半径r为1mm～5mm。