CN111085595A - 一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法，包括以下步骤：制作加强面板零件的橡皮成形模具；制作展开毛坯；首次橡皮液压成形；二次橡皮液压成形；橡皮液压校形；修切外形。本发明中的成型模具采用支撑压板结构，促使四周材料向内进行有益补充，使周圈材料原本单向拉伸变形，优化为双向压缩变形方式，解决了深筋加强面板成形开裂难题。成形模具的安装与操作方法简捷方便，支撑压板材质不限，优选可加工塑料等轻质材料，易加工，制造成本低，容易推广实现。

Description

一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法

技术领域

本发明涉及飞机制造领域的钣金零件成形技术，具体是一种用于形状各异、间距不等、内部开孔、多环绕、深型腔加强筋薄壁钣金零件的橡皮成形方法及成形模具。

背景技术

飞机机体上广泛分布着一种蜂窝夹芯胶接结构，以实现较轻重量、较大强度、较小变形的机翼翼面应用功能。蜂窝夹芯表面敷有一层板制加强面板零件，胶接于飞机内、外蒙皮之间，巩固、加强着整机板制壳体。为了适应机翼外形曲率变化，解决板制加强件弱刚性的材料缺陷，零件上设计有多个凸凹相间、方圆并构、不同深度、不同间距的筋槽结构。

加强面板材料厚度薄(通常选用材料厚度不超过δ1.0mm的铝合金)，筋槽深度大(通常深度20mm～30mm)，每个零件上都设置有多个环绕加强筋，每个环状加强筋内部都设有一个与之外形对应的开孔。环绕的深筋结构限制了成形过程四周材料向内部进行有益的补给，致使筋槽附近材料单纯依靠材料自身的拉伸来填充20多毫米的筋深，若相邻筋槽间隔较近还会出现类似抢料现象，材料极易变薄超差，甚至出现疲劳、开裂现象。为此，该类型零件一直沿用着边压边边撤垫板的传统渐进成形工艺——落压成形，同时连续穿插大量的手工校平、手工切割工作量。

落压成形由于噪声污染大，手工修整工作量大，成形质量不易控制，成形后的产品表面质量不稳定，成形零件表面和内部损伤严重，生产效率低，对原材料浪费率高等缺陷越来越不适应现役飞机的高质量需求。且落压成形固有缺陷起皱、变薄、回弹、死皱、开裂等现象在薄壁加强面板的制造过程中都有体现，经落压成形的加强面板理论外形面无法保证与蜂窝胶接表面高精度贴合要求，该类零件的成形质量和表面质量一直困扰着生产。针对外形曲率要求严格、成形中容易出现失稳起皱、疲劳开裂的多环绕深筋结构加强面板零件，急需一种机械化精确加工方法实现零件高效成形。

发明内容

为了解决薄壁加强面板系列零件落压成形失稳开裂、成形极限小、成形精度低、成形质量及材料变形不易控制难题，提高产品生产效率，本发明的目的在于提供一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法。

一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法，包括以下步骤：

步骤1制作加强面板零件的橡皮成形模具，成形模具包括成形凸模、成形凹模和支撑压板；

成形凸模是一个与待成形加强面板零件匹配的板状模块，成形凸模的上表面为工作面，其与待成形加强面板零件上的加强筋凹陷内型面相匹配，成形凸模的工作高度h等于加强面板零件上加强筋的设计高度H减去加强面板零件的材料厚度δ，当加强面板零件上加强筋设计高度H超过20mm时，成形凸模的工作高度h以待成形加强面板零件内型面为基准加深1mm-2mm，即成形凸模的工作高度

成形凸模上画有加强面板零件的展开毛坯线以及定位耳片线，同时设置有成形修整用的三个定位孔。成形凹模为一个与成形凸模外轮廓保持一致的板状模块，成形凹模的上表面为工作面，其与待成形加强面板零件上加强筋凸起外型面相匹配，成形凹模上画有加强面板最终的零件外轮廓线以及内部减轻孔孔位线，并设置有与成形凸模相匹配的展开毛坯线、定位耳片线以及三个定位孔。

支撑压板为一内部空心的环状装置，支撑压板的外廓尺寸大于待成形加强面板零件展开毛坯外轮廓15mm-25mm，支撑压板的整体高度与成形凸模的工作高度h保持一致，支撑压板下底面与成形凸模工作型面相匹配，支撑压板上表面为一水平平面，设置有加强面板零件的展开毛坯线，支撑压板需与成形凸模配套使用，合成首道压型模，支撑压板下底面内部开孔边界与待成形加强面板零件的多个加强筋整体外轮廓L相匹配，在外轮廓L上任选一点B，依据过一点做圆弧切线的作图法则，得到一条过B点且与成形凸模上相对应凸梗半圆弧相切的线段n，斜切角度为θ，线段n的垂直高度需与h保持一致，线段n以斜切角度θ绕着外轮廓L扫略一周，就形成了一个内部开口且带有一定斜切角度θ的支撑压板，支撑压板上表面内部开孔边界小于下底面内部开孔边界，两者之间投影距离d＝h×tg(θ-90°)，d是支撑压板与成形凸模凸梗不发生碰撞的极限距离，当加强面板零件上加强筋设计高度H为25mm，斜切角度θ为135°时，按照圆弧切线做图法则，支撑压板上表面内部开孔边界与下底面内部开孔边界投影的极限距离d为26mm。支撑压板材质不限但需承受不小于10Mpa的单位压力，且适用于橡皮囊式液压机，可选可加工塑料或90邵氏硬度以上的聚氨酯橡皮。

步骤2制作展开毛坯

2-1确定展开毛坯外廓尺寸；利用常用有限元分析软件计算加强面板零件理论展开形状，沿其外边缘周圈增加10mm-15mm工艺余量作为展开毛坯外廓尺寸，注意展开毛坯的大小不应超过支撑压板外边缘；

2-2确定展开毛坯内部开孔尺寸；在理论展开形状内部开孔尺寸周圈增加8mm-10mm工艺余量，作为展开毛坯内部开孔尺寸；

2-3确定展开毛坯；综合2-1和2-2得到内部设孔的展开毛坯，开孔周圈仔细去除毛刺，防止成形开裂，展开毛坯正反两面贴敷塑料薄膜，增加材料的延展；

步骤3首次橡皮液压成形

3-1安装首道压型模；将成形凸模平稳放置于液压机工作平台，支撑压板下底面内开口形状与成形凸模上外轮廓L相匹配，将支撑压板放置于成形凸模之上，与成形凸模配合使用，支撑压板与成形凸模合成为首道压型模。在首道压型模工作型面刷涂润滑油；

3-2展开毛坯定位；将贴膜保护的展开毛坯置于首道压型模上表面，按照支撑压板的展开毛坯线调整展开毛坯放置位置，使其四周余量均匀。在展开毛坯上表面刷涂润滑油；

3-3首次橡皮液压成形；首次成形压力设定为8Mpa，成形结束得到初始工序件；

步骤4二次橡皮液压成形

4-1定位初始工序件；取下支撑压板，按成形凸模上展开毛坯线均匀余量放置初始工序件，初始工序件已成形部分与成形凸模相匹配，在成形凸模与初始工序件相接触面间刷涂润滑油；

4-2二次橡皮液压成形；二次成形压力设定为10Mpa，成形结束得到外形近似加强面板的半成品；

步骤5橡皮液压校形

5-1调整成形凹模；取下成形凸模，将成形凹模平稳放置液压机工作台，按成形凹模上展开毛坯线均匀余量放置半成品，半成品已成形部分与成形凹模相匹配，在成形凹模与半成品相接触面间刷涂润滑油；

5-2橡皮液压校形；校形压力设定为12Mpa-15Mpa，目的是提高半成品成形质量和贴合精度，校形结束得到加强筋深度符合图纸要求且带有工艺余量的半成品；

5-3制激光切割定位孔；成形凹模上设有三个补加定位孔，用于后续激光切割时数据定位，取下带有余量的半成品上塑料薄膜，制出三个定位孔；

步骤6修切外形；利用激光切割机完成半成品四周及内部开孔余量的切割，制出半成品上所有锁孔，便得到符合图纸要求的加强面板零件。

本发明的有益效果在于：1)本发明的成型模具采用支撑压板结构，促使四周材料向内进行有益补充，使周圈材料原本单向拉伸变形，优化为双向压缩变形方式，解决了深筋加强面板成形开裂难题。2)该成形模具的安装与操作方法简捷方便，支撑压板材质不限，优选可加工塑料等轻质材料，易加工，制造成本低，容易推广实现。3)该成形方法构造了一个初始工序件，解决了一次橡皮成形深筋结构成形极限小，成形质量及材料变形不易控制等难题，提高了零件成形准确度。4)该组合橡皮成形方法，提高了常规铝合金薄板的材料变形极限，摆脱了长期以往加强面板落压成形垄断市场的局面，降低了对人操作技能的依赖，提高了生产效率和产品质量。

以下结合实施例附图对本申请作进一步详细描述。

附图说明

图1多环绕深筋结构加强面板零件整体结构图

图2多环绕深筋结构加强面板零件截面示意图

图3支撑压板内部开口角度尺寸确定方法示意

图4含支撑压板及成形凸模的首道压型模结构示意图1

图5含支撑压板及成形凸模的首道压型模结构示意图2

图6含支撑压板及成形凸模的首道压型模结构示意图3

图7是成形凹模结构示意

图8是首次橡皮液压成形各部件装配位置示意

图9是初始工序件结构示意

图10是二次橡皮液压成形各部件装配位置示意

图11是带有工艺余量的半成品结构示意

图中编号说明：1加强面板零件、2加强筋、3减轻孔、4内型面、5外型面、6支撑压板、7成形凸模、8首道压型模、9成形凹模、10展开毛坯线、11定位耳片、12定位孔、13外轮廓线、14展开毛坯、15初始工序件、16半成品、17凸梗

具体实施方式

参见附图，实施例提供的飞机钣金零件如图1所示，该加强面板零件1设置有多个环绕加强筋2，每个环状加强筋2内部都设有一个与之外形对应的减轻孔3。铝合金加强面板零件1壁薄，加强筋2排列密集、深度大。采用传统落压成形的弊病是加工周期长，手工修正量大、失稳起皱及变薄开裂严重，装配现场也时有裂纹产生，成形质量制约了后续胶接工作的正常开展。

如图2～图11所示，一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法，包括以下步骤：

步骤1制作加强面板零件1的橡皮成形模具，成形模具包括成形凸模7、成形凹模9和支撑压板6；

成形凸模7是一个与待成形加强面板零件1匹配的板状模块，成形凸模7的上表面为工作面，其与待成形加强面板零件1上的加强筋2凹陷内型面4相匹配，成形凸模7的工作高度h等于加强面板零件1上加强筋2的设计高度H减去加强面板零件1的材料厚度δ，当加强面板零件1上加强筋2设计高度H超过20mm时，成形凸模7的工作高度h以待成形加强面板零件1内型面4为基准加深1mm-2mm，即成形凸模7的工作高度

成形凸模7上画有加强面板零件1的展开毛坯线10以及定位耳片线11，同时设置有成形修整用的三个定位孔12。成形凹模9为一个与成形凸模7外轮廓保持一致的板状模块，成形凹模9的上表面为工作面，其与待成形加强面板零件1上加强筋2凸起外型面5相匹配，成形凹模9上画有加强面板零件1最终的外轮廓线13以及内部减轻孔3孔位线，并设置有与成形凸模7相匹配的展开毛坯线10、定位耳片线11以及三个定位孔12。

支撑压板6为一内部空心的环状装置，支撑压板6的外廓尺寸大于待成形加强面板零件1展开毛坯14外轮廓15mm-25mm，支撑压板6的整体高度与成形凸模7的工作高度h保持一致，支撑压板6下底面与成形凸模7工作型面相匹配，支撑压板6上表面为一水平平面，设置有加强面板零件1的展开毛坯线10，支撑压板6需与成形凸模7配套使用，合成首道压型模8，支撑压板6下底面内部开孔边界与待成形加强面板零件1的多个加强筋2整体外轮廓L相匹配，在外轮廓L上任选一点B，依据过一点做圆弧切线的作图法则，得到一条过B点且与成形凸模7上相对应凸梗17半圆弧相切的线段n，斜切角度为θ，线段n的垂直高度需与h保持一致，线段n以斜切角度θ绕着外轮廓L扫略一周，就形成了一个内部开口且带有一定斜切角度θ的支撑压板6，支撑压板6上表面内部开孔边界小于下底面内部开孔边界，两者之间投影距离d＝h×tg(θ-90°)，d是支撑压板6与成形凸模7上凸梗17不发生碰撞的极限距离，当加强面板零件1上加强筋2设计高度H为25mm、斜切角度θ为135°时，按照圆弧切线做图法则，支撑压板6上表面内部开孔边界与下底面内部开孔边界投影的极限距离d为26mm。支撑压板6材质不限但需承受不小于10Mpa的单位压力，且适用于橡皮囊式液压机，可选可加工塑料或90邵氏硬度以上的聚氨酯橡皮。

步骤2制作展开毛坯14

2-1确定展开毛坯14外廓尺寸；利用常用有限元分析软件计算加强面板零件1理论展开形状，沿其外边缘周圈增加10mm-15mm工艺余量作为展开毛坯14外廓尺寸，注意展开毛坯14的大小不应超过支撑压板6外边缘；

2-2确定展开毛坯14内部开孔尺寸；在理论展开形状内部开孔尺寸周圈增加8mm-10mm工艺余量，作为展开毛坯14内部开孔尺寸；

2-3确定展开毛坯14；综合2-1和2-2得到内部设孔的展开毛坯14，开孔周圈仔细去除毛刺，防止成形开裂，展开毛坯14正反两面贴敷塑料薄膜，增加材料的延展；

步骤3首次橡皮液压成形

3-1安装首道压型模8；将成形凸模7平稳放置于液压机工作平台，支撑压板6下底面内开口形状与成形凸模7上外轮廓L相匹配，将支撑压板6放置于成形凸模7之上，与成形凸模7配合使用，支撑压板6与成形凸模7合成为首道压型模8。在首道压型模8工作型面刷涂润滑油；

3-2展开毛坯14定位；将贴膜保护的展开毛坯14置于首道压型模8上表面，按照支撑压板6的展开毛坯线10调整展开毛坯14放置位置，使其四周余量均匀。在展开毛坯14上表面刷涂润滑油；

3-3首次橡皮液压成形；首次成形压力设定为8Mpa，成形结束得到初始工序件15；

步骤4二次橡皮液压成形

4-1定位初始工序件15；取下支撑压板6，按成形凸模7上展开毛坯线10均匀余量放置初始工序件15，初始工序件15已成形部分与成形凸模7相匹配，在成形凸模7与初始工序件15相接触面间刷涂润滑油；

4-2二次橡皮液压成形；二次成形压力设定为10Mpa，成形结束得到外形近似加强面板零件1的半成品16；

步骤5橡皮液压校形

5-1调整成形凹模9；取下成形凸模7，将成形凹模9平稳放置液压机工作台，按成形凹模9上展开毛坯线10均匀余量放置半成品16，半成品16已成形部分与成形凹模9相匹配，在成形凹模9与半成品16相接触面间刷涂润滑油；

5-2橡皮液压校形；校形压力设定为12Mpa-15Mpa，目的是提高半成品16成形质量和贴合精度，校形结束得到加强筋2深度符合图纸要求且带有工艺余量的半成品16；

5-3制激光切割定位孔；成形凹模9上设有三个补加定位孔12，用于后续激光切割时数据定位，取下带有余量的半成品16上塑料薄膜，制出三个定位孔12；

步骤6修切外形；利用激光切割机完成半成品16四周及内部开孔余量的切割，制出半成品16上所有锁孔，便得到符合图纸要求的加强面板零件1。需要说明的是，视加强面板零件结构难易程度，若零件结构相对复杂，筋槽密集且深度大，可以在橡皮液压校形工序前增交一次退火工序，以改善材料冷作硬化，提高材料延展性。该种橡皮成形方法需要对零件和模具进行足够的润滑，尤其是塑料薄膜的贴敷，可有效地提高材料的延展性。

Claims (5)

1.一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1制作加强面板零件的橡皮成形模具，成形模具包括成形凸模、成形凹模和支撑压板；

步骤2制作展开毛坯

2-1确定展开毛坯外廓尺寸；利用常用有限元分析软件计算加强面板零件理论展开形状，沿其外边缘周圈增加10mm-15mm工艺余量作为展开毛坯外廓尺寸，注意展开毛坯的大小不应超过支撑压板外边缘；

2-2确定展开毛坯内部开孔尺寸；在理论展开形状内部开孔尺寸周圈增加8mm-10mm工艺余量，作为展开毛坯内部开孔尺寸；

2-3确定展开毛坯；综合2-1和2-2得到内部设孔的展开毛坯，开孔周圈仔细去除毛刺，防止成形开裂，展开毛坯正反两面贴敷塑料薄膜，增加材料的延展；

步骤3首次橡皮液压成形

3-1安装首道压型模；将成形凸模平稳放置于液压机工作平台，支撑压板下底面内开口形状与成形凸模上外轮廓L相匹配，将支撑压板放置于成形凸模之上，与成形凸模配合使用，支撑压板与成形凸模合成为首道压型模。在首道压型模工作型面刷涂润滑油；

3-2初始毛坯定位；将贴膜保护的展开毛坯置于首道压型模上表面，按照支撑压板的展开毛坯线调整展开毛坯放置位置，使其四周余量均匀。在展开毛坯上表面刷涂润滑油；

3-3首次橡皮液压成形；首次成形压力设定为8Mpa，成形结束得到初始工序件；

步骤4二次橡皮液压成形

4-1定位初始工序件；取下支撑压板，按成形凸模上展开毛坯线均匀余量放置初始工序件，初始工序件已成形部分与成形凸模相匹配，在成形凸模与初始工序件相接触面间刷涂润滑油；

4-2二次橡皮液压成形；二次成形压力设定为10Mpa，成形结束得到外形近似加强面板的半成品；

步骤5橡皮液压校形

5-1调整成形凹模；取下成形凸模，将成形凹模平稳放置液压机工作台，按成形凹模上展开毛坯线均匀余量放置半成品，半成品已成形部分与成形凹模相匹配，在成形凹模与半成品相接触面间刷涂润滑油；

5-2橡皮液压校形；校形压力设定为12Mpa-15Mpa，目的是提高半成品成形质量和贴合精度，校形结束得到加强筋深度符合图纸要求且带有工艺余量的半成品；

5-3制激光切割定位孔；成形凹模上设有三个补加定位孔，用于后续激光切割时数据定位，取下带有余量的半成品上塑料薄膜，制出三个定位孔；

步骤6修切外形；利用激光切割机完成半成品四周及内部开孔余量的切割，制出半成品上所有锁孔，便得到符合图纸要求的加强面板零件。

2.根据权利要求1所述的一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法，其特征在于所述的成形凸模是一个与待成形加强面板零件匹配的板状模块，成形凸模的上表面为工作面，其与待成形加强面板零件上的加强筋凹陷内型面相匹配，成形凸模的工作高度h等于加强面板零件上加强筋的设计高度H减去加强面板零件的材料厚度δ，当加强面板零件上加强筋设计高度H超过20mm时，成形凸模的工作高度h以待成形加强面板零件内型面为基准加深1mm-2mm，即成形凸模的工作高度

成形凸模上画有加强面板零件的展开毛坯线以及定位耳片线，同时设置有成形修整用的三个定位孔。

3.根据权利要求1所述的一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法，其特征在于所述的成形凹模为一个与成形凸模外轮廓保持一致的板状模块，成形凹模的上表面为工作面，其与待成形加强面板零件上加强筋凸起外型面相匹配，成形凹模上画有加强面板最终的零件外轮廓线以及内部减轻孔孔位线，并设置有与成形凸模相匹配的展开毛坯线、定位耳片线以及三个定位孔。

4.根据权利要求1所述的一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法，其特征在于所述的支撑压板为一内部空心的环状装置，支撑压板的外廓尺寸大于待成形加强面板零件展开毛坯外轮廓15mm-25mm，支撑压板的整体高度与成形凸模的工作高度h保持一致，支撑压板下底面与成形凸模工作型面相匹配，支撑压板上表面为一水平平面，设置有加强面板零件的展开毛坯线，支撑压板需与成形凸模配套使用，合成首道压型模，支撑压板下底面内部开孔边界与待成形加强面板零件的多个加强筋整体外轮廓L相匹配，在外轮廓L上任选一点B，依据过一点做圆弧切线的作图法则，得到一条过B点且与成形凸模上相对应凸梗半圆弧相切的线段n，斜切角度为θ，线段n的垂直高度需与h保持一致，线段n以斜切角度θ绕着外轮廓L扫略一周，就形成了一个内部开口且带有一定斜切角度θ的支撑压板，支撑压板上表面内部开孔边界小于下底面内部开孔边界，两者之间投影距离d＝h÷cos(θ-90°)，d是支撑压板与成形凸模凸梗不发生碰撞的极限距离，加强面板零件上加强筋设计高度H为25mm，按照圆弧切线做图法则，支撑压板上表面内部开孔边界与下底面内部开孔边界投影的极限距离d为26mm。

5.根据权利要求4所述的一种多环绕深筋结构薄壁加强面板零件的橡皮成形方法，其特征在于所述的支撑压板材质不限但需承受不小于10Mpa的单位压力，且适用于橡皮囊式液压机，可加工塑料或90邵氏硬度以上的聚氨酯橡皮。

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