CN104942090A - 一种用于柔性时效成形的预应力夹具 - Google Patents

一种用于柔性时效成形的预应力夹具 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于柔性时效成形的预应力夹具，包括：两个支架，其分别具有沿水平方向延伸并相互平行的上滑轨和下滑轨；多个上横梁，其支撑在两个支架之间；多个下横梁，其支撑在两个支架之间；以及定位组件，所述定位组件包括定位横梁和定位销，所述定位横梁布置在两个支架之间，所述定位销垂直安装在所述定位横梁上来支撑壁板工件；其中，所述上横梁的上压杆穿过所述上横梁的螺纹孔来按压所述壁板工件，所述下压杆设有用于支撑所述壁板工件的压头，由此将所述壁板工件支撑在所述上横梁和所述下横梁之间。根据本发明的预应力夹具可以实现壁板工件的双曲率加载。

Description

一种用于柔性时效成形的预应力夹具
技术领域
本发明属于航空制造技术领域，具体涉及一种用于柔性时效成形的预应力夹具，它主要应用在例如壁板工件等金属构件的时效成形中，实现壁板工件的双曲率加载。
背景技术
时效成形是一种新的铝合金成形加工方法，在航空航天器件上有很好的应用潜力，主要应用于飞机翼面等整体壁板工件的制造。
时效成形时需要对壁板工件进行预应力加载，现有技术主要采用可调卡板式工装进行加载，通过与工件目标形状相吻合的多组合卡板，将工件夹持固定在卡板夹具里，然后通过调节螺钉使上卡板逐渐靠近下卡板，以使上、下卡板将壁板工件完全压紧。然而，试验表明这种可调卡板式夹具不能准确连续地控制预应力，也不能灵活地改变预应力的大小，并且大多只能实现单曲率加载，不能实现双曲率加载。同时，一套卡板只限于成形一种形状的壁板工件，对于形状有所改变的壁板工件，该卡板不具备通用性。
针对不同时效成形样件形状各异，需要设计能实现双曲率加载的柔性时效预应力夹具，以适应不同壁板工件的曲率变化。
发明内容
本发明的目的是要提供一种用于柔性时效成形的预应力夹具，其能够实现双曲率加载。
为了实现上述目的，根据本发明的柔性时效成形预应力夹具，包括：
两个支架，其分别具有相互平行的上滑轨和下滑轨；
多个上横梁，其支撑在两个支架之间，每个上横梁的两端分别可调节地布置在两个支架的上滑轨内，每个上横梁具有多个垂直延伸的螺纹孔以及与所述上横梁的螺纹孔螺纹连接的上压杆；
多个下横梁，其支撑在两个支架之间，每个下横梁的两端分别可调节地布置在两个支架的下滑轨内，每个下横梁具有多个垂直延伸的螺纹孔以及与所述下横梁的螺纹孔螺纹连接的下压杆；以及
定位组件，所述定位组件包括定位横梁和定位销，所述定位横梁布置在两个支架之间，所述定位销垂直安装在所述定位横梁上来支撑壁板工件；
其中，所述上横梁的上压杆穿过所述上横梁的螺纹孔来按压所述壁板工件，所述下压杆设有用于支撑所述壁板工件的压头，由此将所述壁板工件支撑在所述上横梁和所述下横梁之间。
优选地，每个支架设有与所述上滑轨连通的多个沉孔，所述上横梁的末端设有具有螺纹的盲孔，螺钉穿过其中一个沉孔并与所述上横梁的盲孔螺纹连接。
优选地，所述沉孔的尺寸被设计成使得所述螺钉的头部不会伸出所述支架。
优选地，每个支架的外侧设有水平延伸的阶梯型滑轨，所述下横梁的末端设有具有螺纹的盲孔，螺钉穿过所述阶梯型滑轨并与所述下横梁的盲孔螺纹连接。
优选地，所述阶梯型滑轨的尺寸被设计成使得所述螺钉的头部不会伸出所述支架。
优选地，所述两个支架中的至少一个支架设有用于观察所述壁板工件的方槽。
优选地，所述上压杆包括倒圆角部分、六边形截面柱体部分以及连接所述倒圆角部分和所述六边形截面柱体部分的中间圆柱体部分，所述倒圆角部分用于按压所述壁板工件。
优选地，所述下压杆包括工字头部分、六边形截面柱体部分以及连接所述工字头部分和所述六边形截面柱体部分的中间圆柱体部分，所述工字头部分用于安装所述压头。
优选地，所述压头具有用于支撑所述壁板工件的弧形支撑面和与所述下压杆的工字头部分相配合的T型槽。
优选地，定位组件包括两个定位横梁和两个定位销钉，每个定位横梁的两端分别布置在两个支架的下滑轨内，多个下横梁位于两个定位横梁之间，每个定位销钉具有用于支撑所述壁板工件的中间凸台。
根据本发明的预应力夹具可调节性高，对不同形状的壁板工件具有通用性，尤其是能够适应壁板工件的筋条位置，达到最好的加载效果，并且能实现双曲率调节，其中通过上压杆和螺纹孔的配合沿与上横梁垂直的方向能实现无级调节，灵活性大，并能将预应力夹具的整体进行翻转以便安装，同时能根据精度要求合理设置施力点的密度。
附图说明
本发明的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的优选实施方式更好地理解，其中；
图1是根据本发明的预应力夹具的爆炸图；
图2是根据本发明的预应力夹具的结构示意图；
图3是根据本发明的预应力夹具的支架的结构示意图；
图4是根据本发明的预应力夹具的上横梁的结构示意图；
图5是根据本发明的预应力夹具的下横梁的结构示意图；
图6是根据本发明的预应力夹具的定位横梁的结构示意图；
图7是根据本发明的预应力夹具的上压杆的结构示意图；
图8是根据本发明的预应力夹具的下压杆的结构示意图；
图9是根据本发明的预应力夹具的压头的结构示意图；
图10是根据本发明的预应力夹具的定位销钉的结构示意图；
图11是根据本发明的预应力夹具的螺钉的结构示意图；
图12是根据本发明的预应力夹具的螺母的结构示意图；
图13是根据本发明的预应力夹具YZ平面夹持成形示意图；以及
图14是根据本发明的预应力夹具XZ平面夹持成形示意图。
具体实施方式
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“前”、“后”、“向前”、“向后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
图1示出了根据本发明的预应力夹具的爆炸图。从图1中可以清楚地看出该预应力夹具的组成部件以及各部件之间的相对位置关系。具体地，该预应力夹具包括上横梁10、上压杆20、下横梁30、下压杆40、2个支架50、2个定位横梁60、2个定位销钉70、4个螺母71、压头80以及多个螺钉90。其中上横梁10、上压杆20、下横梁30、下压杆40、压头80、螺钉90的数量能根据实际使用时的精度需求自由调节。
图2示出了根据本发明的预应力夹具的结构示意图。两个支架50对称设置，通过上横梁10、下横梁30和定位横梁60进行连接，并通过螺钉90固定。上横梁10上安装若干上压杆20，下横梁30上安装若干下压杆40，下压杆40与对应压头80连接，定位横梁60上安装对应定位销钉70，定位销钉70将壁板工件100支撑在定位横梁60上，两端通过螺母71固定。
图3示出了根据本发明的预应力夹具的支架50的结构示意图。该支架50例如由钢材加工而成，对于整个预应力夹具起支撑作用。在支架50的内侧的上部和下部分别设有上滑轨54和下滑轨55，上滑轨54和下滑轨55沿水平方向延伸并相互平行。其中上横梁10安装在支架50的上滑轨54内，下横梁30安装在支架50的下滑轨55内，定位横梁60安装在支架50的下滑轨55内，并在所有下横梁30的两侧放置，其连接方式为滑轨连接和螺纹连接。具体地，上滑轨54用于上横梁10的滑动调节，下滑轨55用于下横梁30和定位横梁60的滑动调节。在对应于上滑轨54中间的支架50侧壁上设有若干沉孔51，支架50与上横梁10利用该沉孔51通过螺钉90连接固定，并且沉孔51的大小被设计成使螺钉90的头部不会伸出支架50外，因此能将预应力夹具整体进行翻转使壁板工件100安装更方便。在对应于下滑轨55中间的支架50侧壁上设有阶梯型滑轨53，支架50与下横梁30利用该阶梯型滑轨53通过螺钉90定位连接，根据壁板工件100预成行曲率需求可以自由调节下横梁30在下滑轨55的位置，以便施加应力。阶梯型滑轨53的尺寸被设计成使螺钉90的头部不会伸出支架50外，这方便将预应力夹具整体进行翻转使安装更容易。在支架50的中间部分设有若干方槽52，通过该方槽52可以观察到壁板工件100的夹持情况，同时还能够有效地减轻支架50的重量。
图4示出了根据本发明的预应力夹具的上横梁10的结构示意图。上横梁10安装在支架50的上滑轨54内。该上横梁10例如由钢材加工而成，在上横梁10的两端设有具有螺纹的盲孔12，上横梁10与支架50利用该盲孔12通过螺钉90连接固定。沿上横梁10的轴向设有顺序排列的若干通孔11，该通孔11为螺纹孔，利用该通孔11将上压杆20安装在上横梁10上，其连接方式为螺纹连接。预应力夹具中共包含多个上横梁10，实际使用中能根据精度需求自由给定上横梁10的数量，这些上横梁10沿着支架50的上滑轨54方向顺序排列。
图5示出了根据本发明的预应力夹具的下横梁30的结构示意图。下横梁30安装在支架50的下滑轨55内。该下横梁30例如由钢材加工而成，在下横梁30的两端设有具有螺纹的盲孔32，下横梁30与支架50利用该盲孔32通过螺钉90连接固定。这种滑轨连接使下横梁30能够在下滑轨55上的位置自由调节，对壁板工件100的形状变化适应能力更强，例如适应壁板工件100的筋条位置。沿下横梁30的轴向设有顺序排列的若干通孔31，该通孔31为螺纹孔，利用该通孔31将下压杆40安装在下横梁30上，其连接方式为螺纹连接。预应力夹具中共包含多个下横梁30，实际使用中能根据精度需求自由给定下横梁30的数量，这些下横梁30沿着支架50的下滑轨55方向顺序排列。
图6示出了根据本发明的预应力夹具的定位横梁60的结构示意图。该定位横梁60由钢材加工而成，在定位横梁60的两端设有具有螺纹的盲孔62，定位横梁60与支架50利用该盲孔62通过螺钉90连接固定。沿定位横梁60的轴向设有顺序排列的若干通孔61，该通孔61为螺纹孔。实际使用时，根据壁板工件100上定位孔的位置，选择某一个通孔61将壁板工件100和定位横梁60通过定位销钉70与螺母71安装固定。
图7示出了根据本发明的预应力夹具的上压杆20的结构示意图。该上压杆20用于对壁板工件100施加向下的载荷。上压杆20包括倒圆角部分21、六边形截面柱体部分22以及连接倒圆角部分21和六边形截面柱体部分22的中间圆柱体部分23。倒圆角部分21用于按压壁板工件100，可以减轻对壁板工件100的应力集中损伤，而六边形截面柱体部分22可以方便利用扳手将其安装在上横梁10上。由于上压杆20与上横梁10之间的连接为螺纹连接，因此在实际使用时能够调节上压杆20的位移，进而对壁板工件100施加不同大小的载荷。
图8示出了根据本发明的预应力夹具的下压杆40的结构示意图。下压杆40包括工字头部分41、六边形截面柱体部分42以及连接工字头部分41和六边形截面柱体部分42的中间圆柱体部分43。工字头部分41与压头80配合，用于对壁板工件100施加向上的载荷。六边形截面柱体部分42可以方便利用扳手将其安装在下横梁30上。由于下压杆40与下横梁30之间的连接为螺纹连接，因此在实际使用时能够调节下压杆40的位移，进而对壁板工件100施加不同大小的载荷。
图9示出了根据本发明的预应力夹具的压头80结构示意图。压头80的外表面为弧形支撑面，例如不完整的圆柱面，其与壁板工件100直接接触，减轻对壁板工件100的应力集中损伤。压头80的内表面为T型槽81，该T型槽81与下压杆40的工字头部分41配合，将压头80与下压杆40装卡连接在一起。
图10示出了根据本发明的预应力夹具的定位销钉70的结构示意图。定位销钉70与螺母71配合，一起用于在加载前固定壁板工件100的位置。该定位销钉70由三段圆柱体组成，其中中间的圆柱体半径较大，形成凸台72。该凸台72用于固定壁板工件100与定位横梁60之间的距离，并起到定位壁板工件100的作用。
图11示出了根据本发明的预应力夹具的螺钉90的结构示意图。螺钉90用于将上横梁10、下横梁30和定位横梁60分别固定在支架50的对应位置。螺钉90的头部设有凹槽91，该凹槽91的截面为六边形，方便使用内六角扳手将螺钉90拧紧。
图12示出了根据本发明的预应力夹具的螺母71的结构示意图。螺母71与定位销钉70配合，一起用于在加载前固定壁板工件100的位置。该螺母71为普通螺母，外表面为六边形柱面，内表面为圆柱面。实际安装时，先将定位销钉70安装在定位横梁60上，然后用螺母71拧紧固定，再将壁板工件100安装在定位销钉70上，最后用螺母71拧紧固定。
除以上各部件以外，实际使用中还涉及到垫板与壁板工件100的安装与使用，由于垫板和壁板工件100的安装属于工艺问题，因此不包含在本发明的预应力夹具中。但使用本发明的预应力夹具，壁板工件100需要满足一定的条件，也即，壁板工件100的两端需要设置定位孔，方便在加载前利用定位销钉70将壁板工件100固定。
该预应力夹具可以实现对不同形状的壁板工件100的双曲率夹持成形，并能根据壁板工件100的筋条位置合理设置施力点。成形之前，先利用定位销钉70将壁板工件100固定在定位横梁60上，并使壁板工件100的筋条向下，调整上横梁10和下横梁30的位置以及上压杆20和下压杆40的位置，使施力点与筋条位置相对，然后调整上压杆20和下压杆40的上下位移，对壁板工件100施加载荷，使其变形成为预成形零件的形状，然后卸去定位横梁60和定位销钉70，保持上压杆20和下压杆40对壁板工件100的夹持力，将预应力夹具和壁板工件100一起放入热压罐内对壁板工件100进行保温，并完成后续时效成形的加工工艺。
假设本预应力夹具沿支架50的上滑轨方向为X方向，沿上横梁10的纵向线为Y方向，沿上压杆20的轴线为Z方向。
图13示出了根据本发明的预应力夹具YZ平面的夹持成形示意图；图14示出了根据本发明的预应力夹具XZ平面的夹持成形示意图。通过调节上压杆20沿Z方向的位移改变其对壁板工件100施加的向下的载荷，并通过调节下压杆40沿Z方向的位移改变其对壁板工件100施加的向上的载荷，上压杆20、下压杆40以及压头80一起施加载荷，使壁板工件100弯曲成为所需形状。另外，由于上横梁10和下横梁30上都设有若干圆孔，故上压杆20、下压杆40的位置能够进行灵活调节。由于支架50上设有上下滑轨，上下横梁能够分别在上下滑轨内任意滑动，因此上下压杆相对壁板工件100的位置也能够灵活变动，实现无级调节，并且上下横梁的数量也可以灵活给定。上下压杆设置越密，成形精度越高，质量越好，但是安装难度较大，制造成本变高，因此需要在改善精度和降低加工难度中找到平衡点，合理设置上下压杆的数量。
实现本发明的双曲率加载及柔性功能并不限于本说明书中所描述的上下横梁与支架的连接方式，但应满足上下横梁的承力性和上下横梁相对位置的可调性。同时上压杆也可以根据具体壁板形状及成形需求更换为下压杆压块组件，具体实施及操作可根据实际情况灵活调整。
以上已揭示本发明的具体实施例的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的各种特征和未在此明确示出的特征的组合作各种变化和改进，但都属于本发明的保护范围。上述实施例的描述是示例性的而不是限制性的，本发明的保护范围由权利要求所确定。

Claims (10)

1.一种用于柔性时效成形的预应力夹具，其特征在于，包括：
两个支架，其分别具有沿水平方向延伸并相互平行的上滑轨和下滑轨；
多个上横梁，其支撑在两个支架之间，每个上横梁的两端分别可调节地布置在两个支架的上滑轨内，每个上横梁具有多个垂直延伸的螺纹孔以及与所述上横梁的螺纹孔螺纹连接的上压杆；
多个下横梁，其支撑在两个支架之间，每个下横梁的两端分别可调节地布置在两个支架的下滑轨内，每个下横梁具有多个垂直延伸的螺纹孔以及与所述下横梁的螺纹孔螺纹连接的下压杆；以及
定位组件，所述定位组件包括定位横梁和定位销，所述定位横梁布置在两个支架之间，所述定位销垂直安装在所述定位横梁上来支撑壁板工件；
其中，所述上横梁的上压杆穿过所述上横梁的螺纹孔来按压所述壁板工件，所述下压杆设有用于支撑所述壁板工件的压头，由此将所述壁板工件支撑在所述上横梁和所述下横梁之间。
2.根据权利要求1所述的用于柔性时效成形的预应力夹具，其特征在于，每个支架设有与所述上滑轨连通的多个沉孔，所述上横梁的末端设有具有螺纹的盲孔，螺钉穿过其中一个沉孔并与所述上横梁的盲孔螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的用于柔性时效成形的预应力夹具，其特征在于，所述沉孔的尺寸被设计成使得所述螺钉的头部不会伸出所述支架。
4.根据权利要求3所述的用于柔性时效成形的预应力夹具，其特征在于，每个支架的外侧设有水平延伸的阶梯型滑轨，所述下横梁的末端设有具有螺纹的盲孔，螺钉穿过所述阶梯型滑轨并与所述下横梁的盲孔螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的用于柔性时效成形的预应力夹具，其特征在于，所述阶梯型滑轨的尺寸被设计成使得所述螺钉的头部不会伸出所述支架。
6.根据权利要求5所述的用于柔性时效成形的预应力夹具，其特征在于，所述两个支架中的至少一个支架设有用于观察所述壁板工件的方槽。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的用于柔性时效成形的预应力夹具，其特征在于，所述上压杆包括倒圆角部分、六边形截面柱体部分以及连接所述倒圆角部分和所述六边形截面柱体部分的中间圆柱体部分，所述倒圆角部分用于按压所述壁板工件。
8.根据权利要求1到6中任一项所述的用于柔性时效成形的预应力夹具，其特征在于，所述下压杆包括工字头部分、六边形截面柱体部分以及连接所述工字头部分和所述六边形截面柱体部分的中间圆柱体部分，所述工字头部分用于安装所述压头。
9.根据权利要求8所述的用于柔性时效成形的预应力夹具，其特征在于，所述压头具有用于支撑所述壁板工件的弧形支撑面和与所述下压杆的工字头部分相配合的T型槽。
10.根据权利要求1到6中任一项所述的用于柔性时效成形的预应力夹具，其特征在于，所述定位组件包括两个定位横梁和两个定位销钉，每个定位横梁的两端分别布置在两个支架的下滑轨内，多个下横梁位于两个定位横梁之间，每个定位销钉具有用于支撑所述壁板工件的中间凸台。
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