CN106636997B - 一种双程变形的形状记忆合金鼓包及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双程变形的形状记忆合金鼓包及其制作方法，鼓包由形状记忆合金板、弹簧钢板、加热膜及螺钉构成，适用于发动机进气道流场调节。鼓包型面由形状记忆合金板保证，利用模具对形状记忆合金板热成型获得所需型面；再对成型后的形状记忆合金板冷热训练，最后将形状记忆合金板压至平直状态，并与加热膜、弹簧钢板组装，完成形状记忆合金鼓包的制作。本发明的鼓包具有型面精度高、响应迅速、疲劳性能良好、结构简单、占用空间小等优点。
Description
技术领域
本发明属于材料弯曲变形技术领域，具体指代一种可用于飞行器发动机进气道的流场调节的双程变形的形状记忆合金及其制作方法。
背景技术
高速飞行器需要推进系统具有突破性的发展，固定几何形状的进气道是目前发动机进气道最直接有效的设计方案，在设计点处性能达到最优，偏离设计点性能急剧下降。变几何形状进气道通过变换自身形状，向飞行状况变化较大的发动机提供稳定流场，确保燃烧室正常工作，提高发动机性能和适应性，实现发动机多任务功能的目标。目前世界发达国家均在该领域进行了大量的研究，通常变几何进气道是通过改变进气道内部形状调节横截面积，进而改变收缩比、流量捕获和边界层，使发动机能够在更宽马赫数下工作，并具有优良性能。但由于现有的调节机构多为机械结构，导致进气道重量增大，结构复杂，可靠性较差。快速发展的形状记忆合金智能材料因其具有体积小、结构简单、驱动力大等优点，克服了机械调节机构的不足，成为变几何进气道最佳选择。
从现有的文献看，利用形状记忆合金实现变几何进气道研究的报道较少。文献Design and Test of a SMA Powered Adaptive Aircraft Inlet Internal Wall（AIAA2002-1356，43rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, andMaterials Con. 22-25 April 2002, Denver, Colorado）公开了一种以形状记忆合金丝为驱动元件的智能鼓包方法，该鼓包由波音公司2001年提出并在发动机进气道中进行了试验，称为柔性智能蒙皮，其构成为：弹性基体材料（橡胶），及嵌入其中的弹性金属杆和形状记忆合金丝。嵌入弹性金属杆是为了提高弹性基体材料的刚度，以承受横向气动载荷。形状记忆合金丝为驱动元件，在热激励作用下产生收缩力，驱动蒙皮屈曲变形形成所需鼓包。其不足之处在于：由于基体为橡胶类弹性材料，虽然嵌入金属杆提高了其刚度，但鼓包鼓起后的型面精度依然较低，影响流场的稳定性；在制备方面，工艺较为复杂，包括：金属杆、形状记忆合金表面的均匀化粗糙处理，橡胶原液的调配，成型，硫化等；另外形状记忆合金丝采用热激励，多次循环激励后容易引起形状记忆合金与橡胶基体的脱离，且加速橡胶老化，导致其使用寿命降低。
文献Development and Test of an HTSMA Supersonic Inlet Ramp Actuator（Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies,Proc. of SPIE, 2008, 6930:1-11 ）于2008年公开了一种针对超音速商用飞机的智能斜面鼓包，该斜面为铝合金板，驱动机构由四边形机械臂、形状记忆合金丝作动元件、弹簧回复元件组成。通过驱动机构的平移带动斜面鼓包前后运动实现对流场调节。其不足之处：鼓包为斜直面，无法满足流场调节对型面变化需求，应用范围小；驱动机构采用形状记忆合金丝与机械臂组成，机构复杂，且占用空间大；对形状记忆合金丝的激励采用电阻热，变形响应慢。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双程变形的形状记忆合金鼓包及其制作方法，以解决现有技术中鼓包鼓起后的型面精度低，或鼓包为斜面，驱动机构复杂，占用空间大，加工工艺复杂等问题。
为达到上述目的，本发明的一种双程变形的形状记忆合金鼓包，包括：形状记忆合金板与弹簧钢板，二者相互叠加，且之间设有加热膜，该加热膜贴在形状记忆合金板鼓起面的反面，加热膜的下方放置弹簧钢板；三者通过螺钉固定。
优选地，所述的形状记忆合金板为采用模具热成型为所需型面经过多次冷热循环训练压制的平板状。
优选地，所述的形状记忆合金板在上方，中间为加热膜，下方为相同面积的弹簧钢板。
优选地，所述的螺钉为沉头螺钉。
本发明的一种双程变形的形状记忆合金鼓包的制作方法，包括步骤如下：
形状记忆合金板的加工、成型及训练，包含如下：
1）利用线切割机将形状记忆合金板切割至所需尺寸，钻沉头螺钉的沉头孔；
2）将形状记忆合金板装入上、下成型模具之间，并用螺栓及螺母压紧固定，保证形状记忆合金板与上、下成型模具型面贴合；
3）将装夹有形状记忆合金板的模具放入加热炉中，升温至800℃后，保温1小时后，关闭加热炉电源，随炉冷却至室温；
4）拆卸模具，取出成型后的形状记忆合金板，在450℃退火20分钟；
5）对成型后的形状记忆合金板进行训练，训练过程为：将成型后形状记忆合金板在冰水混合物冷却5分钟，取出后压平，再加热至100℃，形状记忆合金板恢复成型后形状，接着再将其放入冰水混合物冷却5分钟，压平，加热，重复以上过程100次，最后将形状记忆合金板压平；至此训练完成；
加工同样尺寸的弹簧钢板，并钻沉头螺钉的螺纹孔；
安装形状记忆合金鼓包：利用有机溶剂擦拭形状记忆合金板表面，晾干后将加热膜贴在形状记忆合金板鼓起面的反面，避开螺纹孔；将弹簧钢板安放在加热膜下方，并用沉头螺钉将形状记忆合金板、加热膜及弹簧钢板压紧固定。
本发明的有益效果：
与现有的基于形状记忆合金丝的鼓包相比，本发明的制作工艺简单，通过成型及训练即可完成；鼓包为金属板结构可承受大的气动载荷；采用模具成型方法，鼓包型面可多样化，满足气动流场对型面要求；型面精度高，且经过1000次循环激励后，型面精度不降低，耐疲劳性能好；可实现双程运动，通过加热膜加热鼓包鼓起，停止加热则在弹簧钢板弹性力作用下回复至初始平直状态；与现有的利用形状记忆合金丝自身的电阻热加热方式相比，采用加热膜加热，具有响应迅速的优点；结构简单，主体结构仅由两个板组成；占用空间小，不仅可安装在空间大的进气道，也特别适合安装在空间狭小的进气道中。
附图说明
图1为本发明双程变形的形状记忆合金鼓包初始状态的主视图；
图2为本发明双程变形的形状记忆合金鼓包初始状态的俯视图；
图3为本发明双程变形的形状记忆合金鼓包加热后的鼓起状态图；
图4为本发明形状记忆合金板在模具中成型的主视图；
图5为本发明形状记忆合金板在模具中成型的俯视图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图3所示，本发明的一种双程变形的形状记忆合金鼓包，包括：形状记忆合金板1与弹簧钢板4，二者相互叠加，且之间设有加热膜3，该加热膜3贴在形状记忆合金板1鼓起面的反面，加热膜3的下方放置弹簧钢板4；三者通过沉头螺钉2固定。
其中，所述的形状记忆合金板1为采用模具热成型为所需型面经过多次冷热循环训练压制的平板状。
其中，所述的形状记忆合金板1在上方，中间为加热膜3，下方为相同面积的弹簧钢板4。
图3中，对加热膜3通电加热形状记忆合金板1，当温度超过相变温度，形状记忆合金板1产生记忆效应，鼓包鼓起；停止通电加热，在弹簧钢板4弹性力的作用下恢复至初始平直状态。
本发明的双程变形的形状记忆合金鼓包的驱动方法为：该智能鼓包的初始状态为平直状；对加热膜3通电，加热膜3温度升高，进而加热形状记忆合金板1，当其温度超过奥氏体相变温度，形状记忆合金板1产生记忆效应，逐渐鼓起，并带动弹簧钢板4弯曲，直至鼓包最终形状；停止加热，形状记忆合金板1温度逐渐降低，并在弹簧钢板4弹性力的作用下，回复到初始平直状态。至此，该鼓包完成了鼓起变形与恢复初始状态的双程变形过程。重复以上过程，则鼓包可在鼓起与平直两种状态下变化。
参照图4至图5所示，一种双程变形的形状记忆合金鼓包的制作方法，包括步骤如下：
形状记忆合金板的加工、成型及训练，包含如下：
1）利用线切割机将形状记忆合金板切割至所需尺寸，钻沉头螺钉的沉头孔；
2）将形状记忆合金板装入上、下成型模具之间，并用螺栓7及螺母6压紧固定，保证形状记忆合金板与上成型模具5、下成型模具8型面贴合；
3）将装夹有形状记忆合金板的模具放入加热炉中，升温至800℃后，保温1小时后，关闭加热炉电源，随炉冷却至室温；
4）拆卸模具，取出成型后的形状记忆合金板，在450℃退火20分钟；
5）对成型后的形状记忆合金板进行训练，训练过程为：将成型后形状记忆合金板在冰水混合物冷却5分钟，取出后压平，再加热至100℃，形状记忆合金板恢复成型后形状，接着再将其放入冰水混合物冷却5分钟，压平，加热，重复以上过程100次，最后将形状记忆合金板压平；至此训练完成；
加工同样尺寸的弹簧钢板，并钻沉头螺钉的螺纹孔；
安装形状记忆合金鼓包：利用有机溶剂（酒精）擦拭形状记忆合金板表面，晾干后将加热膜贴在形状记忆合金板鼓起面的反面，避开螺纹孔；将弹簧钢板安放在加热膜下方，并用沉头螺钉将形状记忆合金板、加热膜及弹簧钢板压紧固定。
实施例1
利用线切割将形状记忆合金板和弹簧钢板切割为如下尺寸：形状记忆合金板尺寸（长×宽×厚度）76mm×41mm×3mm；弹簧钢板尺寸（长×宽×厚度）76mm×41mm×2mm；所需加热膜尺寸（长×宽×厚度）为76mm×41mm×（0.1~0.2）mm；在形状记忆合金板上制作直径为3mm的沉头螺钉孔；
根据需要设计制作成型模具，包括上、下成型模具。将形状记忆合金板放置在上、下成型模具之间，并用螺栓、螺母压紧，将装夹有形状记忆合金板的模具放入加热炉中，升温至800℃后，保温1小时后，关闭加热炉电源，随炉冷却至室温；拆卸模具，取出成型后形状记忆合金板，在450℃退火20分钟；对成型后的形状记忆合金板进行训练，训练过程为：将成型后形状记忆板在冰水混合物冷却5分钟，取出后压平，再加热至100℃，形状记忆合金板恢复成型后形状，接着再将其放入冰水混合物冷却5分钟，压平，再加热至100℃，重复以上过程100次以上，最后将形状记忆合金板压平，至此训练完成；
在形状记忆合金板鼓起面的反面贴加热膜，粘贴加热膜时需避开螺钉孔，再将弹簧钢板放置加热膜下方，并用M3沉头螺钉将三者压紧固定；
利用稳压电源给加热膜通电，当形状记忆合金板温度超过奥氏体相变温度后，则鼓包鼓起；停止加热，在弹簧钢板弹性力作用下，形状记忆合金板恢复至初始平直状态。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种双程变形的形状记忆合金鼓包，其特征在于，包括：形状记忆合金板与弹簧钢板，二者相互叠加，且之间设有加热膜，该加热膜贴在形状记忆合金板鼓起面的反面，加热膜的下方放置弹簧钢板；三者通过螺钉固定；
所述的形状记忆合金板为采用模具热成型为所需型面， 经过多次冷热循环训练压制的平板状。
2.根据权利要求1所述的双程变形的形状记忆合金鼓包，其特征在于，所述的形状记忆合金板在上方，中间为加热膜，下方为相同面积的弹簧钢板。
3.根据权利要求1所述的双程变形的形状记忆合金鼓包，其特征在于，所述的螺钉为沉头螺钉。
4.一种双程变形的形状记忆合金鼓包的制作方法，其特征在于，包括步骤如下：
形状记忆合金板的加工、成型及训练，包含如下：
1)利用线切割机将形状记忆合金板切割至所需尺寸，钻沉头螺钉的沉头孔；
2)将形状记忆合金板装入上、下成型模具之间，并用螺栓及螺母压紧固定，保证形状记忆合金板与上、下成型模具型面贴合；
3)将装夹有形状记忆合金板的模具放入加热炉中，升温至800℃后，保温1小时后，关闭加热炉电源，随炉冷却至室温；
4)拆卸模具，取出成型后的形状记忆合金板，在450℃退火20分钟；
5)对成型后的形状记忆合金板进行训练，训练过程为：将成型后形状记忆合金板在冰水混合物冷却5分钟，取出后压平，再加热至100℃，形状记忆合金板恢复成型后形状，接着再将其放入冰水混合物冷却5分钟，压平，加热，重复以上过程100次，最后将形状记忆合金板压平；至此训练完成；
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Granted publication date: 20180413 Termination date: 20211124 |