CN104646475B - 铝合金飞机整体壁板多点成形方法 - Google Patents

铝合金飞机整体壁板多点成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了飞机铝合金整体壁板多点成形方法，该方法将带筋的铝合金整体壁板放置于可快速重构模面的上下多点模具之间，筋条之间填充填料，壁板与多点模具之间放置弹性垫，用模具对压方式按照可控制的变形路径逐步成形出带有筋条的铝合金整体壁板零件。该方法运用了可重构多点模具型面快速可调的特点，用一套设备即可加工具有不同几何形状双曲率壁板零件。相比于传统的滚弯成形、压弯成形方法，壁板受力均匀，能够保证成形质量，相比于喷丸成形、时效成形变形量大、成形效率高。该发明不仅能够用于不同筋条结构的双曲率飞机整体壁板成形，解决大尺寸、高筋条整体壁板成形的难题，而且能够推广应用于航天器、火箭等其它大型带筋曲面零件的制造中。

Description

铝合金飞机整体壁板多点成形方法
技术领域
本发明属于金属塑性加工领域，具体的说是一种铝合金飞机整体壁板多点成形方法。
背景技术
在飞机制造领域，铝合金整体壁板因其结构效率高、重量轻、刚性好、疲劳寿命长等突出优点得到日益广泛的应用，但整体壁板的外形尺寸大、形状复杂，成形一直是生产中的难题之一，尤其是壁板筋条高度不同并且蒙皮厚度不连续变化的大型双曲率壁板零件。飞机整体壁板的传统加工方式有渐进压弯成形、滚弯成形、喷丸成形和时效蠕变成形等。压弯成形和滚弯成形是局部成形，效率低、变形路径和压下量计算困难，时效蠕变成形需要大型加热装置和模具，喷丸成形的变形量很小。随着我国飞机制造业的快速发展，如何实现铝合金飞机整体壁板的快速、柔性、数字化成形，提高零件的成形效率和质量是国内外的研究热点之一。多点成形将传统冲压成形的实体模具离散化为紧密排列、高度可调的冲头点阵，用冲头端部形成的轮廓面，代替实体模具进行对压成形，已经应用到金属板料的成形中。多点成形技术已经公开的专利主要有：“板材无模多点成形装置”ZL00110773.9，“快速调形的板材多点成形装置”ZL02109865.4，“方形压头可调活络模具板材曲面成形装置”ZL200910014794.6。这些专利的权利要求集中于多点成形方法的实现方式。铝合金整体壁板成形的专利有：“基于压弯和移动点热源的整体壁板数字化复合成形工艺”CN101105693A，“一种机翼整体壁板的蠕变时效成形方法”101988146A。这些专利是关于压弯成形和时效成形的。用多点成形方法成形铝合金飞机整体壁板，能够实现壁板零件的对压成形，上下多点模具表面都接触壁板零件，使壁板受力均匀，而且可以控制变形路径，提高成形质量，同时提高整体壁板的成形效率。经过检索，铝合金飞机整体壁板多点成形未见相关专利报道。
发明内容
本发明提供了一种不仅能够用于不同筋条结构的双曲率飞机整体壁板成形，解决大飞机制造中的技术难题，而且能够推广应用于航天器、火箭等其它大型带筋曲面零件的制造中的一种铝合金飞机整体壁板多点成形方法，克服了现有铝合金飞机整体壁板成形方法的上述不足。
本发明结合附图说明如下：一种铝合金飞机整体壁板多点成形形方法，所述铝合金飞机整体壁板(3)是带有I型、T型或者J型高筋条的双曲度铝合金整体壁板，该方法为应用型面快速重构的上、下多点模具(1、5)，按照规划的变形路径，对压成形带有筋条结构的铝合金飞机整体壁板(3)，将较大的目标变形量非均匀地分成多步，逐渐改变多点模具成形面形状，进行渐进对压成形，通过小变形的逐步累积最终得到所需的大变形铝合金飞机整体壁板(3)，具体包括以下步骤：
步骤一、成形加工前，根据铝合金飞机整体壁板(3)的目标形状、材料参数、塑性变形量和回弹预测计算出多点对压成形最优化路径，包括所需要的成形步数、每步的变形量以及工艺参数；
步骤二、根据规划的多点对压成形最优化路径，用计算机自动调整出本次成形所需要的上、下多点模具(1、5)；
步骤三、将下弹性垫(9)放置于下多点模具(5)之上，其次将铝合金飞机整体壁板(3)放置于下弹性垫(9)之上，并在铝合金飞机整体壁板筋条(8)之间放置填料(7)，其高度高于铝合金飞机整体壁板筋条(8)的高度；最后将上弹性垫(6)放置于铝合金飞机整体壁板(3)之上，并将其与上、下多点模具(1、5)对齐；
步骤四、液压机加载，上多点模具(1)在压力机横梁的带动下向下移动，与下多点模具(5)一起加载成形铝合金飞机整体壁板(3)、填料(7)和上、下弹性垫(6、9)。
步骤五、保压一定时间后卸载，零件产生回弹、回复自由状态，保持铝合金飞机整体壁板(3)、填料(7)和上、下弹性垫(6、9)的位置不变，再次调整上、下多点模具(1、5)的形状；
步骤六、如果成形次数小于计算得到的成形步数则继续调整上、下多点模具(1、5)形面，重复步骤二——步骤五，进行多次加载、卸载，直至成形次数达到了计算所需的步数，即通过累积变形得到所需的铝合金飞机整体壁板(3)形状；
步骤七、闭环成形工艺，将成形后的铝合金飞机整体壁板(3)，用曲面快速扫描测量方法测得铝合金飞机整体壁板(3)的几何形状，将所测形状与目标形状进行曲面配准，曲面误差数据传递给多点模具控制软件，根据型面误差修正模面，进行铝合金飞机整体壁板(3)形状校正。
所述多点对压成形最优化路径是根据铝合金飞机整体壁板(3)结构、材料参数以及变形量计算出的非线性可控变形路径，通过控制该变形路径，使得铝合金飞机整体壁板(3)在每步中产生的塑性变形均匀。
所述步骤三中填料(7)为硬质聚氨酯块、塑料片或铝合金片。
所述步骤三中上、下弹性垫(6、9)为聚氨酯弹性垫。
本发明有益效果是：本发明的铝合金飞机整体壁板多点成形方法，解决了传统整体壁板成形效率低、容易产生裂纹并导致整体壁板报废的问题，并能成形大变形量的整体壁板。用可重构多点模具实现飞机整体壁板的柔性快速成形，能够用一套工具成形具有不同几何形状的单曲率和双曲率整体壁板零件，并在成形过程中，通过控制每一步的塑性变形量，可以控制变形路径，提高成形能力。通过曲面快速扫描测量，用闭环反馈曲面误差的方法，提高整体壁板的成形精度。该发明不仅能够用于飞机整体壁板成形，而且能够推广应用于航天器、火箭等其它大型带筋曲面零件的制造中。
附图说明
图1为本发明铝合金飞机整体壁板多点成形方法所使用的多点可变模具的结构示意图；
图2为本发明铝合金飞机整体壁板多点成形方法所使用的铝合金飞机整体壁板、填料和上、下弹性垫位置关系示意图；
图3为本发明铝合金飞机整体壁板多点成形方法的工艺流程图。
图中：1、上多点模具；2、上模可调冲头；3、铝合金飞机整体壁板；4、下模可调冲头；5、下多点模具；6、上弹性垫；7、填料；8、铝合金飞机整体壁板筋条；9、下弹性垫。
具体实施方式
参阅图3为本发明铝合金飞机整体壁板多点成形方法的工艺流程图，该铝合金飞机整体壁板是带有I型、T型或者J型高筋条的铝合金整体壁板，筋条结构为单方向分布、网格型结构或者米字型结构，应用型面可以快速重构的上、下多点模具1、5，按照规划的变形路径，对压成形带有筋条结构的铝合金飞机整体壁板3，将较大的目标变形量非均匀地分成多步，逐渐改变多点模具成形面形状，进行渐进对压成形，通过小变形的逐步累积最终得到所需的大变形铝合金飞机整体壁板3，本方法包括以下步骤：
步骤一、成形加工前，根据铝合金飞机整体壁板3的目标形状、材料参数、塑性变形量和回弹预测计算出多点对压成形最优化路径，包括所需要的成形步数、每步的变形量以及工艺参数；
步骤二、根据规划的最优化多点对压变形路径，用计算机自动调整出本次成形所需要的多点可变上、下模具模面1、5；
参阅图1，铝合金飞机整体壁板成形方法中所使用的多点可变模具包括上多点模具1、和下多点模具5。上多点模具1由17×15个紧密排列的上基本体冲头2组成，下多点模具5由17×15个紧密排列的下基本体冲头4组成，每个基本体冲头的横截面积为80mm×80mm，整个多点模具的成形面积为1360mm×1200mm。所述的基本体冲头由方体、螺杆和数控单元组成。数控单元的电机带动螺杆旋转，从而带动具有内螺纹的冲头方体上下移动，实现高度调整，并能在任意位置定位。上多点模具1和下多点模具5分别安装在液压机的上横梁和下平台上，成形时上多点模具1随着上横梁一起向下移动，提供铝合金飞机整体壁板3成形时的加载力，与固定在下横梁上的基本体对压成形壁板零件。
步骤三、将下弹性垫9放置于下多点模具5之上，其次将铝合金飞机整体壁板3放置于下弹性垫9之上，并在铝合金飞机整体壁板筋条8之间放置填料7，其高度高于铝合金飞机整体壁板筋条8的高度；最后将上弹性垫6放置于铝合金飞机整体壁板3之上，并将其与上、下多点模具1、5对齐；
参阅图2，为了保证飞机壁板上的I型、T型或J型筋条在多点成型过程中不被基本体冲头的集中载荷损坏，并尽可能分散冲头端部与壁板接触点的集中载荷，铝合金飞机整体壁板筋条8之间填充调料7，可以是硬质聚氨酯块、塑料片或铝合金片，其高度高于铝合金飞机整体壁板筋条8的高度。在铝合金飞机整体壁板3与上多点模具1和下多点模具5之间放置一定厚度的聚氨酯弹性垫层保护壁板表面，上、下弹性垫6、9将铝合金飞机整体壁板3夹在中间，用于保护铝合金飞机整体壁板3表面及筋条8，，一起被成形。其中上、下弹性垫6、9为聚氨酯弹性垫。
步骤四、液压机加载，上多点模具1在压力机横梁的带动下向下移动，与下多点模具5一起加载成形铝合金飞机整体壁板3、填料7和上、下弹性垫6、9。
步骤五、保压一定时间后卸载，零件产生回弹、回复自由状态，保持铝合金飞机整体壁板3、填料7和上、下弹性垫6、9的位置不变，再次调整上、下多点模具1、5的形状；
步骤六、如果成形次数小于计算得到的成形步数则继续调整上、下多点模具1、5型面，重复步骤二——步骤五，进行多次加载、卸载，直至成形次数达到了计算所需的步数，即通过累积变形得到所需的铝合金飞机整体壁板3形状；
步骤七、闭环成形工艺，将成形后的铝合金飞机整体壁板3)用曲面快速扫描测量方法测得铝合金飞机整体壁板3的几何形状，将所测形状与目标形状进行曲面配准，曲面误差数据传递给多点模具控制软件，根据型面误差快递修正模面，进行铝合金飞机整体壁板3形状校正。
累积到所需要的变形量后，用曲面快速扫面测量方法测量成形后的铝合金壁板外轮廓面，通过曲面匹配求取曲面误差；如果成形后的壁板零件形状在误差允许范围之内，则成形结束，得到曲面整体壁板零件。如果成形后的壁板零件不合格，则将曲面配准数据传递给多点可变模具控制软件，软件根据曲面误差自动调整多点可变模具型面，局部校正壁板零件，然后再次测量曲面、求取误差，最终得到合格的曲面整体壁板零件，用闭环反馈方法提高铝合金飞机整体壁板3成形精度。
应用多步渐进对压成形方式，多点对压成形路径是根据铝合金飞机整体壁板3结构、材料参数以及变形量计算出的非线性可控变形路径，通过控制该变形路径，使得铝合金飞机整体壁板3在每步中产生的塑性变形均匀，但每一步的变形量都可以控制，使铝合金飞机整体壁板3变形中的最大应力小于材料拉伸强度，保证铝合金飞机整体壁板筋条8不发生断裂，逐步累积塑性变形量，在铝合金飞机整体壁板3不产生缺陷的情况下，得到大变形量的铝合金飞机整体壁板3。在成形过程中，每步之间的变形量差值可以相同，也可以根据成形需要而设计为各不相同，从而控制成形路径，提高成形极限。
铝合金飞机整体壁板3多点成形方法实现了带筋条铝合金整体壁板的对压成形，并通过多点可变模具的快速可变形特点实现了壁板的柔性、数字化成形，并通过多步渐进对压成形方式可以获得大变形量的整体壁板零件。该发明不仅能够用于铝合金飞机整体壁板3零件的成形，而且能够实现火箭等航天器带筋铝合金曲面零件的快速对压成形，还可用于其它金属材料带筋零件的快速成形，具有广阔的应用范围。

Claims (4)

1.一种铝合金飞机整体壁板多点成形方法，所述铝合金飞机整体壁板(3)是带有I型、T型或者J型高筋条的双曲度铝合金整体壁板，其特征在于，该方法为应用型面快速重构的上、下多点模具(1、5)，按照规划的变形路径，对压成形带有筋条结构的铝合金飞机整体壁板(3)，将较大的目标变形量非均匀地分成多步，逐渐改变多点模具成型面形状，进行渐进对压成形，通过小变形的逐步累积最终得到所需的大变形铝合金飞机整体壁板(3)，具体包括以下步骤：
步骤一、成形加工前，根据铝合金飞机整体壁板(3)的目标形状、材料参数、塑性变形量和回弹预测计算出多点对压成形最优化路径，包括所需要的成形步数、每步的变形量以及工艺参数；
步骤二、根据规划的多点对压成形最优化路径，用计算机自动调整出本次成形所需要的上、下多点模具(1、5)；
步骤三、将下弹性垫(9)放置于下多点模具(5)之上，其次将铝合金飞机整体壁板(3)放置于下弹性垫(9)之上，并在铝合金飞机整体壁板筋条(8)之间放置填料(7)，其高度高于铝合金飞机整体壁板筋条(8)的高度；最后将上弹性垫(6)放置于铝合金飞机整体壁板(3)之上，并将其与上、下多点模具(1、5)对齐；
步骤四、液压机加载，上多点模具(1)在压力机横梁的带动下向下移动，与下多点模具(5)一起加载成形铝合金飞机整体壁板(3)、填料(7)和上、下弹性垫(6、9)；
步骤五、保压一定时间后卸载，零件产生回弹、回复自由状态，保持铝合金飞机整体壁板(3)、填料(7)和上、下弹性垫(6、9)的位置不变，再次调整上、下多点模具(1、5)的形状；
步骤六、如果成形次数小于计算得到的成形步数则继续调整上、下多点模具(1、5)型面，重复步骤二——步骤五，进行多次加载、卸载，直至成形次数达到了计算所需的步数，即通过累积变形得到所需的铝合金飞机整体壁板(3)形状；
步骤七、闭环成形工艺，将成形后的铝合金飞机整体壁板(3)，用曲面快速扫描测量方法测得铝合金飞机整体壁板(3)的几何形状，将所测形状与目标形状进行曲面配准，曲面误差数据传递给多点模具控制软件，根据型面误差修正模面，进行铝合金飞机整体壁板(3)形状校正。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金飞机整体壁板多点成形方法，其特征在于，所述多点对压成形最优化路径是根据铝合金飞机整体壁板(3)结构、材料参数以及变形量计算出的非线性可控变形路径，通过控制该变形路径，使得铝合金飞机整体壁板(3)在每步中产生的塑性变形均匀。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金飞机整体壁板多点成形方法，其特征在于，所述步骤三中填料(7)为硬质聚氨酯块、塑料片或铝合金片。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金飞机整体壁板多点成形方法，其特征在于，所述步骤三中上、下弹性垫(6、9)为聚氨酯弹性垫。
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