CN110918769B - 一种基于机械加载的蠕变时效成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械加载的蠕变时效成形方法，其使用机械加载蠕变时效成形装置对铝合金板材进行机械加载，该成形方法包括以下步骤：第一步、将待成形板材放置在模具上；第二步、首先通过主液压缸和加载液压缸向待成形板材上表面施载荷，使待成形板材发生变形，直至待成形板材下表面与模具形板上表面紧密贴合，然后用盖板将待成形制件与模具型面固定；第三步、将待成形制件与模具放入热压罐中，升温至时效温度并保温；第四步、降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的制件。本发明采用机械加载的方式对铝合金板材加压，能成形多种不同曲率的制件，并且与现有技术的真空贴膜相比，可减少30％左右的前期准备时间。

Description

一种基于机械加载的蠕变时效成形方法

技术领域

本发明涉及航空航天制造工程技术领域，特别地，涉及一种基于机械加载的蠕变时效成形方法。

背景技术

随着铝合金整体壁板向大曲率、高筋薄蒙皮方向发展，闸压、滚弯、拉形、喷丸等传统的常温成形方法已不能满足整体壁板的精密形性制造要求。作为一种适用于铝合金整体壁板成形的加工方法，蠕变时效成形是基于材料蠕变和时效的特性，将时效热处理与成形工艺合二为一以同步实现制件外形与性能要求的成形工艺。首先，在常温下通过一定的加载方式使制件产生弹性变形，并保持这种变形；然后将其与工装一起放入加热设备中保温一段时间，使其内部组织和性能发生改变从而使部分弹性变形转化为塑性变形。

为使待成形制件固定在模具型面上，须使用加载装置使待成形制件产生弹性变形。中国发明专利CN102266887B公开了一种模具形板式机械加载蠕变时效成形装置，其上模采用点阵式加载方式上升下降结构复杂、不方便自动化控制，且支柱与制件为点接触，加载过程待成形制件易产生内部损伤；下模采用模具形板式，不易修模，对多曲率制件成形适应性较差。

中国发明专利申请CN110052520A公开一种组合式机械加载蠕变时效成形装置，其凸模和凹模均由多个双向模具形板连接单元铰接而成；加载状态时，凸模和凹模中间局部组合模具形板曲面形状不易控制，难以保证凹模形状为目标型面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机械加载的蠕变时效成形方法，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于机械加载的蠕变时效成形方法，所述成形方法使用机械加载蠕变时效成形装置对铝合金板材进行机械加载，所述成形装置包括机架、设置在机架上的加载装置和位于加载装置下方的模具，所述机架包括横梁，所述横梁设有沿竖直方向设置的通孔；所述加载装置包括活动贯穿所述通孔的导杆、设置在所述导杆下端的裙形支架、对称设置在所述导杆前后两侧的两个主液压缸以及设置在所述裙形支架上的多组加载液压缸，所述主液压缸的上下两端分别与横梁和裙形支架固定连接，多组所述加载液压缸中相邻两组的活塞杆伸出方向不同，每一组中多个加载液压缸活塞杆的伸出方向相同且下端连接有压杆；所述模具包括U型底座，所述U型底座内设有至少一块卡板、多个支撑装置和模具形板，所述卡板的顶部开设有多个卡槽，所述支撑装置包括支撑板和盖板，所述支撑板竖向插设在所述卡槽中，且支撑板的顶面沿其厚度方向为圆弧形，所述盖板设置于所述支撑板的上方；所述模具形板由多个单元形板条铰接构成，所述模具形板设置在多个所述支撑板上，且铰接形成的模具形板的首尾两块所述单元形板条分别与所述U型底座的两个竖直侧壁铰接；所述成形方法包括以下步骤：

第一步、板材放置：将待成形板材放置在模具上，并将待成形板材的两端与模具固定；

第二步、加载阶段：首先通过加载装置的主液压缸和加载液压缸向待成形板材上表面逐步施加适当的载荷，使待成形板材发生变形，直至待成形板材下表面与模具形板上表面紧密贴合，所述待成形板材成形为待成形制件；再将多个盖板一一对应设置在多个支撑板的上方，使得多个盖板能够与多个支撑板相配合以夹装固定所述待成形制件；

第三步、蠕变时效阶段：将待成形制件与模具放入热压罐中，将温度升至时效温度，并保温一定的时间；

第四步、卸载阶段：降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的制件。

优选的，所述第二步中，先通过主液压缸向下施加载荷对待成形板材进行粗加载，再通过多组所述加载液压缸向下施加载荷对待成形板材进行微加载。

优选的，所述第二步中，利用主液压缸向下施加载荷之前，先将各多组加载液压缸活塞杆的伸出长度调整为与模具形板的曲面相匹配。

优选的，所述裙形支架内部设有梯形台状且底部开口的空腔，所述空腔的前后两面为竖直设置；多组加载液压缸安装在所述空腔中，且每组所述加载液压缸均包括对称安装在所述空腔两个竖直面上的两个加载液压缸；在对所述待成形制件施加载荷时，同一组加载液压缸的活塞杆伸出长度一致，而相邻两组加载液压缸的活塞杆伸出长度不一致。

优选的，所述导杆的左右两侧对称设有固定设置在所述横梁上的滑套，所述导杆的左右侧对称竖向设有沿所述主液压缸的活塞杆伸出方向设置的导轨，所述滑套上设有与所述导轨相适配的滑槽。

优选的，所述横梁的顶部开设有沿其长度方向设置的凹槽，所述滑套固定设置在所述凹槽内。

优选的，所述底座包括基架和垂直设置于所述基架顶部两侧的基座，所述基架顶部开设有两个相互平行的长圆孔，且所述长圆孔的长度方向与所述卡板的长度方向一致；两所述基座顶部内侧对称设置有多个接头，多个所述接头通过铰接轴与所述模具形板两端最外侧单元形板条的长边相铰接；所述支撑装置包括两根支撑螺栓，所述支撑螺栓的上端通过开槽螺母与所述支撑板固定连接，所述支撑螺栓的下端贯穿所述长圆孔后通过所述基架顶部上方和下方的两个固定螺母固定在底座上。

优选的，所述盖板的两端均设有第一连接孔，所述支撑板的两端均设有与所述第一连接孔相对应的第二连接孔，所述盖板通过依次贯穿所述第一连接孔和第二连接孔的锁紧螺栓与所述支撑板固定。

优选的，所述卡板上且于多个所述卡槽的下方开设有沿卡板长度方向延伸的通风口。

优选的，所述压杆的外表面包裹有橡胶层。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明的蠕变时效成形方法，使用机械加载蠕变时效成形装置对铝合金板材进行机械加载，该成形装置包括机架、加载装置和模具，加载装置包括多组加载液压缸，每一组加载液压缸活塞杆的伸缩长度可单独控制；模具包括模具形板和多个支撑装置，模具形板由多个单元形板条铰接构成，支撑装置的高度可调节，并可通过调节各个支撑装置的高度来调整模具形板的形状(即模具型面的曲率)。因此，本发明成形方法中加载装置与模具相配合，既能成形单曲率制件，又能成形复杂曲率曲面制件，适用范围广，有效降低生产成本。同时，加载液压缸的活塞杆在垂直方向可微调，实现了对待成形件回弹的粗略修形。

(2)、本发明的蠕变时效成形方法，加载装置的同一组中多个加载液压缸的活塞杆下端共同连接有一根压杆，即采用压杆形式对待成形制件施加载荷，压杆与制件表面的接触方式为线接触，降低了制件因加载过程产生内部缺陷的可能性；且在压杆的外表面包裹橡胶层，使加载时受力稳定，进一步克服了待成形制件局部变形的不足。

(3)、本发明的蠕变时效成形方法采用机械加载的方式对铝合金板材加压，与现有技术的真空贴膜相比，本发明可减少30％左右的前期准备时间。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中一种机械加载蠕变时效成形装置的轴测示意图；

图2为本发明中加载装置的主视图；

图3为本发明中加载装置的俯视示意图；

图4为本发明中压杆的轴测示意图；

图5为本发明中模具的主视示意图；

图6为本发明中底座的轴测示意图；

图7为本发明中卡板的轴测示意图；

图8为本发明中支撑装置的轴测示意图；

图9为本发明中模具形板的主视示意图(图中仅示出了两个单元形板条作为示意)；

其中，1、机架，1.1、横梁，1.1a、凹槽，1.2、支腿，2、加载装置，2.1、导杆，2.11、导轨，2.2、裙形支架，2.2a、空腔，2.3、主液压缸，2.4、加载液压缸，2.5、压杆，2.6、滑套，2.6a、滑槽，3、模具，3.1、底座，3.11、基架，3.12、基座，3.13、接头，3.1a、长圆孔，3.2、卡板，3.2a、卡槽，3.2b、通风口，3.3、支撑装置，3.31、支撑板，3.32、盖板，3.33、支撑螺栓，3.34、开槽螺母，3.35、固定螺母，3.36、对拧螺栓，3.4、模具形板，3.41、单元形板条，3.42、铰接轴，A、待成形制件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

一种基于机械加载的蠕变时效成形方法，使用如图1所示的机械加载蠕变时效成形装置对铝合金板材进行机械加载，该成形装置包括机架1、设置在机架上的加载装置2以及设置在加载装置下方的模具3；机架包括横梁1.1和设置在横梁的两端底部的支腿1.2，横梁设有沿竖直方向设置的通孔，横梁的顶部开设有沿其长度方向设置的凹槽1.1a。

结合图2至图4所示，加载装置2包括导杆2.1、裙形支架2.2、主液压缸2.3和多组加载液压缸2.4，导杆活动贯穿通孔竖向设置，裙形支架固定安装在导杆的下端，裙形支架内部设有梯形台状且底部开口的空腔2.2a，该空腔的前后两面为竖直面；多组加载液压缸安装在空腔中，其中相邻两组加载液压缸的活塞杆伸出方向不同，但同一组中多个加载液压缸的活塞杆伸出方向相同；具体地，每组加载液压缸均包括对称安装在空腔竖直面上的两个加载压缸，加载液压缸的活塞杆位于空腔外或者可以通过空腔的底部开口伸出空腔外，加载液压缸用于对待成形制件A施加压力。导杆的前后侧对称设有两个主液压缸2.3，主液压缸的缸体与横梁的下表面固定连接，主液压缸的活塞杆与裙形支架的上表面固定连接，主液压缸用于带动导杆2.1、裙形支架2.2和多组加载液压缸2.4整体沿通孔上下移动。

结合图5至图8所示，模具3包括呈U形的底座3.1，卡板3.2、多个支撑装置3.3和模具形板3.4，底座的U形槽内设有两块卡板3.2、多个支撑装置3.3和模具形板3.4，卡板顶部沿其长度方向等间距开设有多个卡槽3.2a；支撑装置包括用于支撑模具形板的支撑板3.31和设置于支撑板上方的盖板3.32，支撑板的顶面沿其厚度方向为圆弧形，每块支撑板的两端分别向下插入卡板的某个卡槽3.2a中，使得多块平行的支撑板均与两块卡板的板面垂直。卡板与支撑板卡紧后可焊接固定。盖板和支撑板之间用于夹紧模具形板模具形板和制件，盖板用于在加载液压缸对待成形制件A加载后进一步夹装固定待成形制件。在该结构设置中卡板与支撑板卡紧后，二者可焊接固定。

结合图9所示，模具形板3.4包括多个单元形板条3.41，多个单元模具形板的长边通过铰接轴3.42相铰接，且多个单元形板条的长度方向与多个压杆的长度方向一致，模具形板的首尾两块单元形板条分别与底座的两个侧壁铰接。结合图6所示，底座包括基架3.11和垂直设置于基架顶部两侧的基座3.12，基架顶部开设有两个相互平行的长圆孔3.1a，且长圆孔的长度方向与卡板的长度方向一致；两基座顶部内侧对称设置有多个接头3.13，多个接头通过铰接轴3.42与模具形板的首尾两块单元形板条的长边相铰接。该结构设置中，单元形板条为不锈钢板条。

本发明的一种基于机械加载的蠕变时效成形方法，具体包括以下步骤：

第一步、板材放置：将待成形板材放置在模具3上，并将待成形板材的两端与模具固定；

第二步、加载阶段：首先通过加载装置2向待成形板材上表面逐步施加适当的载荷，使待成形板材发生变形成形为待成形制件A；具体为：先通过主液压缸2.3向下施加载荷对待成形板材进行粗加载，使待成形板材发生变形，再通过多组加载液压缸2.4向下施加载荷对待成形板材进行微加载，直至待成形板材下表面与模具形板3.4上表面紧密贴合。然后再将多个盖板3.32一一对应设置在多个支撑板的上方，用盖板将待成形制件A与多个支撑板相配合以加装固定待成形制件；

第三步、蠕变时效阶段：将待成形制件A与模具3放入热压罐中，将温度升至时效温度，并保温一定的时间；

第四步、卸载阶段：降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的制件。

上述第二步中，在对铝合金板材施加载荷时，多组加载液压缸2.4的活塞杆伸长长度不一致，但每组加载液压缸的活塞杆伸长长度一致，每组加载液压缸2.4的活塞杆下端共同连接有一根压杆2.5，因而多组加载液压缸对应的多根压杆的长度方向均与模具型面的长度方向垂直。利用主液压缸向下施加压力之前，先将各组加载液压缸的活塞杆的长度调整为与模具型面的曲面相匹配。本发明中多根压杆与铝合金制件进行直接的线接触方式下压，降低了制件因加载过程产生内部缺陷的可能性。在压杆外圈包裹橡胶层，使加载时受力稳定，克服了待成形制件局部变形的不足。

结合图1和图2所示，导杆的左右两侧对称设有固定设置在凹槽内的滑套2.6，滑套固定设置在横梁上并能够与导杆滑动配合。导杆的左右侧对称竖向设有导轨2.11，导轨沿主液压缸的活塞杆伸出方向设置，两个滑套与导杆靠近的一侧均设有与导轨相适配的滑槽2.6a。

结合图8所示，支撑装置包括两根支撑螺栓3.33，两支撑螺栓的上端分别通过两个开槽螺母3.34与支撑板固定连接，两个开槽螺母用于将支撑板在厚度方向上卡设其中；两个支撑螺栓的下端分别插设在长圆孔中，并通过设于基架顶部上方和下方的两个固定螺母3.35固定在底座上，使得支撑板3.31的板面与长圆孔3.1a的长度方向垂直。该结构设置中，基架设置为上下两层板结构，基架的顶板与底板之间设有一定的距离，方便支撑螺栓的上下调整；固定螺母3.35与支撑螺栓3.33的组合用于调节支撑螺栓的高度，以使得模具形板3.4的弯曲弧度与目标弧度一致。

在一种具体的实施方式中，盖板的两端均设有第一连接孔，支撑板的两端均设有与第一连接孔相对应的第二连接孔，盖板通过依次贯穿第一连接孔和第二连接孔的对拧螺栓3.35与支撑板固定。

在一种具体的实施方式中，卡板上且于多个卡槽的下方开设有沿卡板长度方向延伸的通风口3.2b，以保证时效成型过程，制件受热均匀。

在一种具体的实施方式中，压杆的外表面包裹有橡胶层，使加载时受力稳定，克服了待成形制件局部变形的不足。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于机械加载的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述成形方法使用机械加载蠕变时效成形装置对铝合金板材进行机械加载，所述成形装置包括机架(1)、设置在机架上的加载装置(2)和位于加载装置下方的模具(3)，所述机架包括横梁(1.1)，所述横梁设有沿竖直方向设置的通孔；所述加载装置包括活动贯穿所述通孔的导杆(2.1)、设置在所述导杆下端的裙形支架(2.2)、对称设置在所述导杆前后两侧的两个主液压缸(2.3)以及设置在所述裙形支架上的多组加载液压缸(2.4)，所述主液压缸的上下两端分别与横梁(1.1)和裙形支架(2.2)固定连接，多组所述加载液压缸中相邻两组的活塞杆伸出方向不同，每一组中多个加载液压缸(2.4)活塞杆的伸出方向相同且下端连接有压杆(2.5)；所述模具包括U型底座(3.1)，所述U型底座内设有至少一块卡板(3.2)、多个支撑装置(3.3)和模具形板(3.4)，所述卡板的顶部开设有多个卡槽(3.2a)，所述支撑装置包括支撑板(3.31)和盖板(3.32)，所述支撑板竖向插设在所述卡槽中，且支撑板的顶面沿其厚度方向为圆弧形，所述盖板设置于所述支撑板的上方；所述模具形板由多个单元形板条(3.41)铰接构成，所述模具形板设置在多个所述支撑板上，且铰接形成的模具形板的首尾两块所述单元形板条分别与所述U型底座的两个竖直侧壁铰接；所述成形方法包括以下步骤：

第一步、板材放置：将待成形板材放置在模具(3)上，并将待成形板材的两端与模具固定；

第二步、加载阶段：首先通过加载装置(2)的主液压缸(2.3)和加载液压缸(2.4)向待成形板材上表面逐步施加适当的载荷，使待成形板材发生变形，直至待成形板材下表面与模具形板(3.4)上表面紧密贴合，所述待成形板材成形为待成形制件(A)；再将多个盖板(3.32)一一对应设置在多个支撑板的上方，使得多个盖板能够与多个支撑板相配合以夹装固定所述待成形制件(A)；

第三步、蠕变时效阶段：将待成形制件(A)与模具(3)放入热压罐中，将温度升至时效温度，并保温一定的时间；

第四步、卸载阶段：降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的制件。

2.根据权利要求1所述的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述第二步中，先通过主液压缸(2.3)向下施加载荷对待成形板材进行粗加载，再通过多组所述加载液压缸(2.4)向下施加载荷对待成形板材进行微加载。

3.根据权利要求2所述的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述第二步中，利用主液压缸(2.3)向下施加载荷之前，先将各多组加载液压缸(2.4)活塞杆的伸出长度调整为与模具形板(3.4)的曲面相匹配。

4.根据权利要求1所述的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述裙形支架内部设有梯形台状且底部开口的空腔(2.2a)，所述空腔的前后两面为竖直设置；多组加载液压缸(2.4)安装在所述空腔中，且每组所述加载液压缸均包括对称安装在所述空腔两个竖直面上的两个加载液压缸；在对所述待成形制件(A)施加载荷时，同一组加载液压缸的活塞杆伸出长度一致，而相邻两组加载液压缸的活塞杆伸出长度不一致。

5.根据权利要求1所述的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述导杆的左右两侧对称设有固定设置在所述横梁上的滑套(2.6)，所述导杆的左右侧对称竖向设有沿所述主液压缸的活塞杆伸出方向设置的导轨(2.11)，所述滑套上设有与所述导轨相适配的滑槽(2.6a)。

6.根据权利要求5所述的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述横梁的顶部开设有沿其长度方向设置的凹槽(1.1a)，所述滑套固定设置在所述凹槽内。

7.根据权利要求1所述的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述底座包括基架(3.11)和垂直设置于所述基架顶部两侧的基座(3.12)，所述基架顶部开设有两个相互平行的长圆孔(3.1a)，且所述长圆孔的长度方向与所述卡板的长度方向一致；两所述基座顶部内侧对称设置有多个接头(3.13)，多个所述接头通过铰接轴(3.42)与所述模具形板两端最外侧单元形板条的长边相铰接；所述支撑装置(3.3)包括两根支撑螺栓(3.33)，所述支撑螺栓的上端通过开槽螺母(3.34)与所述支撑板固定连接，所述支撑螺栓的下端贯穿所述长圆孔后通过所述基架顶部上方和下方的两个固定螺母(3.35)固定在底座上。

8.根据权利要求1所述的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述盖板的两端均设有第一连接孔，所述支撑板的两端均设有与所述第一连接孔相对应的第二连接孔，所述盖板通过依次贯穿所述第一连接孔和第二连接孔的锁紧螺栓与所述支撑板固定。

9.根据权利要求1所述的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述卡板上且于多个所述卡槽的下方开设有沿卡板长度方向延伸的通风口(3.2b)。

10.根据权利要求1所述的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述压杆的外表面包裹有橡胶层。

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