CN111136134B - 用于获取弯曲状带筋壁板的成型装置及其成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型装置及其成型工艺，带筋壁板包括壁板100以及焊接于壁板100上的筋条110，成型装置包括凸模1和凹模2，凸模1包括凸模底板11和设于凸模底板11上的凸块12，凹模2包括凹模底座21，凹模底座21上设有与凸块12配合合模的凹腔22，凸块12上设有用于容纳壁板100上筋条110的开口13，开口13在凸模1和凹模2合模后与壁板100的内顶面102形成一闭环腔室14，闭环腔室14内设有用于挤压待成型的带筋壁板使得壁板100的外底面101与凹模底座21上的弧形面211紧密贴合的压紧装置。

Description

用于获取弯曲状带筋壁板的成型装置及其成型工艺
技术领域
本发明涉及钣金成形技术领域，特别是涉及一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型装置及其成型工艺。
背景技术
与传统铆接式壁板相比，整体带筋壁板包括机加整体壁板和焊接整体壁板，可以满足现代飞机对高性能结构的需求，如较高的强度和刚度、较轻的重量、降低加工成本以及提高抗疲劳性能。因此，整体带筋壁板作为主要构件广泛应用于现代航空航天领域。
蠕变时效成形技术是为成形复杂外形零件特别是整体壁板零件而发展起来的一项技术，即利用金属的蠕变特性，将成形与时效同步进行的一种成形方法。在蠕变时效成形工艺过程中，金属零件坯料通过一定的加载方式使之产生弹性变形并固定在具有一定外形型面的工装上，然后将零件和工装一起放入加热炉或热压罐内，在零件材料的人工时效温度内保温一段时间，材料在此过程中受到蠕变(应力松弛)和时效机制的作用，材料的微观组织以及机械性能将发生变化。在保温结束并去掉工装的夹持后，零件发生回弹。如何控制材料性能以及成形后零件外形精度是蠕变时效成形工艺的两个关键性问题。
与传统成形工艺相比，该成形方法提高了材料强度，降低了残余应力，适于成形可时效强化型合金的整体带筋和变厚度大曲率复杂外形和结构的整体壁板构件。该项技术被认为是下一代大型飞机特别重要的金属成形工艺之一。
搅拌摩擦焊(FSW)是利用摩擦热作为热源的一种连续、纯机械化的固相焊接工艺，其凭借可靠、高效、绿色的特点，已广泛应用于铝合金、铜合金、镁合金的焊接。搅拌摩擦焊与蠕变时效成形工艺相结合，在航空、航天铝合金带筋壁板具有独特和广阔的应用前景。
目前针对搅拌摩擦焊带筋壁板构件常采用压弯或滚弯成形技术，但主要针对外形曲率较小的零件较为适用。对于大曲率复杂外形的带筋壁板采用冷弯存在以下问题：由于压弯用压头直接作用在壁板筋条或壁板表面，当外形曲率较大且为复杂外形时，直接加载筋条处常产生失稳、扭曲等缺陷；当变形抗力较大，常出现开裂现象。且采用逐点压弯成形工艺，搅拌摩擦焊带筋壁板经受剧烈塑性变形，成形后有较大的残余拉应力，从而对壁板的使用寿命会产生较大的影响，不能完全满足设计要求。
时效成形作为FSW带筋壁板一种新型成形方法存在诸多优势，但存在筋条与壁板焊接的焊接区与非焊接区的壁板存在变形不协调等问题，影响壁板外型精度。
发明内容
本发明提供一种适用于获取弯曲状带筋壁板的成型装置及其成型工艺，利用凹模与凸模的合模将带筋壁板整体压弯，不仅结构简单，操作方便，还能防止筋条与壁板焊接处发生失稳和扭曲，能承受较大变形抗力，不易开裂。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型装置，所述带筋壁板包括壁板以及焊接于所述壁板上的筋条，其所述成型装置包括凸模和凹模，所述凸模包括凸模底板和设于所述凸模底板上的凸块，所述凹模包括凹模底座，所述凹模底座上设有与所述凸块配合合模的凹腔，所述凸块上设有用于容纳所述壁板上所述筋条的开口，所述开口在所述凸模和凹模合模后与所述壁板的内顶面形成一闭环腔室，所述闭环腔室内设有用于挤压待成型的所述带筋壁板使得所述壁板的外底面与所述凹模底座上的弧形面紧密贴合的压紧装置；
优选地，所述压紧装置包括顶杆以及安装于所述顶杆两端的第一垫片以及第二垫片，所述第二垫片与所述顶杆螺纹连接，所述第一垫片抵接于所述筋条上，所述第二垫片抵接于所述凸块的所述开口内；
优选地，所述凸块与所述凹腔配合合模的一面设有与所述凹模底座上的弧形面具有相同弧形轮廓的贴合面，所述贴合面与所述弧形面在所述凸模与所述凹模合模时相互贴合；
优选地，所述凸模与所述凹模上设有用于调节所述凸模与所述凹模进行开模与合模的调节机构，所述调节机构包括设于所述凹模上的螺母以及设于所述凸模上的螺栓；
优选地，所述凸模底座上设有用于压紧所述凸模底座的压条，所述螺栓穿过所述压条与所述凸模底座连接；
优选地，所述筋条呈L型，所述L型筋条的竖直边设于所述闭环腔室内，且该竖直边的长度要小于所述闭环腔室的最小深度，所述L型筋条的水平边焊接于所述壁板上；
本发明还提供一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型工艺，其特征在于：采用一种用于获取大曲率带筋壁板成型装置来压弯所述带筋壁使其成型，其步骤包括：步骤一：开模即打开凸模与凹模，将所述带筋壁板放置于所述凸模与所述凹模之间，并对准所述筋条与所述开口；步骤二：合模即闭合凸模与凹模，直至凸块与所述壁板的内顶面以及凹模底座与所述壁板的外底面均接触后，停止凸模与凹模的合模动作；步骤三：将压紧装置放入闭环腔室内，且旋转所述压紧装置使得所述凹模底座与所述壁板与所述筋条的焊接区域贴合；
优选地，在步骤一之前，利用搅拌摩擦焊工艺将筋条焊接到一个壁板上得到带筋壁板，在步骤三之后，采用蠕变时效成形工艺对带筋壁板进行加热并保温一段时间后，开模即打开凸模与凹模，待壁板发生回弹变形后，得到弯曲状带筋壁板；
优选地，在步骤一之前，根据获取弯曲状带筋壁板的目标曲率半径值，利用拟合数学公式来选择对应的成型装置，该拟合数学公式的获取包括以下步骤：
步骤一、选择多组搅拌摩擦焊带筋条壁板在不同成型装置来进行曲率半径的多次测试实验；所述不同成型装置的所述凹模底座上的弧形面的半径大小不同；
步骤二、获取步骤一中曲率半径及回弹率的多次测试实验数据，取平均值，并根据不同成型装置的所述凹模底座上的弧形面的半径以及壁板成型后的曲率半径分别用线性或二项式拟合方法来确定所述凹模底座上的弧形面的半径与曲率半径的数学公式，即 Rf＝3.089R0-183.17,Rf为壁板成型后的曲率半径，R0为凹模底座上的弧形面的半径；
优选地，所述步骤一中的多次测试实验的具体步骤包括在搅拌摩擦焊壁板上选取8个测试点，通过压紧装置分别对该8个测试点进行压紧测试，分别使得8个测试点即筋条与壁板的焊接处与凹模底座的弧形面贴合。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
第一、本发明采用凸模与凹模将待成型的带筋条壁板整体夹在两者之间，合模时利用凸模上的开口与壁板形成闭环腔室，通过在闭环腔室内放置压紧装置，调节顶杆在第二垫片内的旋进或旋出距离来压紧筋条与壁板的焊接位置使得该壁板与凹模底座的弧形面贴合，可有效控制筋条与壁板焊接位置的弯曲变形精度，满足壁板外型精度高的要求；
第二、利用螺栓与螺母来调节凸模与凹模之间的间距，可实现对带筋条壁板在与凹模底座的弧形面贴合的过程中的压力进行控制，且通过在凸模底座上防止有压条，可保障对带筋壁板在压弯过程中的压力稳定；
第三、通过测试多组实验数据，得出拟合数学公式，可以根据获取的带筋壁板的大曲率半径值的大小，来选择具有不同半径大小的弧形面的凹模与凸模，具有较强的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明处于开模状态的结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明处于合模状态的结构示意图。
图4是凹模底座的弧形面半径与壁板成形后曲率半径的函数关系图(线性拟合)。
图5是凹模底座的弧形面半径与壁板成形后曲率半径的函数关系图(二项式拟合)。
1、凸模；2、凹模；4、第一垫片；5、顶杆；6、第二垫片；11、凸模底座；12、凸块；13、开口；14、闭环腔室；21、凹模底座；22、凹腔；100、壁板；101、外底面；102、内顶面；110、筋条；111、竖直段；112、水平段；121、贴合面；211、弧形面。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1示出了本发明的具体实施例，本发明提供一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型装置，带筋壁板包括壁板100以及采用搅拌摩擦焊焊接于壁板100上的筋条110，壁板100与筋条110的焊接位置形成焊接区域，壁板10上的非焊接位置形成非焊接区域，成型装置包括凸模1和凹模2，凸模1包括凸模底板11和设于凸模底板11上的凸块12，凹模2 包括凹模底座21，凹模底座21上设有与凸块12配合合模的凹腔22，凸块12上设有用于容纳壁板100与筋条110的焊接区域的开口13，开口13的数量与筋条110的数量相同，开口13在凸模1和凹模2合模后与壁板100的内顶面102形成一闭环腔室14，闭环腔室 14的深度大于筋条110的厚度，闭环腔室14内设有用于挤压待成型的带筋壁板使得壁板 100的外底面101与凹模底座21紧密贴合的压紧装置。本发明采用凸模与凹模将待成型的带筋条壁板夹在两者之间，合模时利用凸模上的开口与壁板形成闭环腔室，通过在闭环腔室内放置压紧装置，调节压紧装置来压紧筋条与壁板的焊接位置使得该壁板与凹模底座的弧形面贴合，可有效控制筋条与壁板焊接位置的弯曲变形精度，满足壁板外型精度高的要求。
如图3所示，该压紧装置包括带螺纹结构的顶杆5以及安装于顶杆5两端的第一垫片 4以及第二垫片6，第二垫片6与顶杆5螺纹连接，该第一垫片4与顶杆5的另一端固定连接，该第一垫片4抵接于壁板100与筋条110连接的焊接区域(即壁板与筋条焊接的位置)，第二垫片6抵接于凸块12，通过旋转顶杆5使得第一垫片4与焊接区域以及第二垫片6与凸模1相互紧贴，将壁板100的外底面101压紧在凹模底座21的弧形面211内并直至两者贴合，为了便于顶杆的旋转操作，可以在顶杆上外套一个固定螺母。该压紧装置不仅结构简单，而且便于操作。
凸模1与凹模2上设有用于调节凸模1与凹模2进行开模与合模的调节机构。调节机构包括设于凹模2上的螺母(图中未示出)以及设于凸模1上的螺栓(图中未示出)，凸模底座11上设有用于压紧凸模底座11的压条(图中未示出)，螺栓穿过压条与凸模底座 11连接。利用螺栓与螺母来调节凸模与凹模之间的间距，可实现对带筋条壁板在与凹模底座21的弧形面211贴合的过程中的压力进行控制，且通过在凸模底座11上防止有压条，可保障对带筋壁板在压弯过程中的压力稳定。
如图2和图3所示，筋条110呈L型，该L型筋条110的竖直边111设于闭环腔室14 内，且该竖直边111的长度要小于闭环腔室14的最小深度，L型筋条110的水平边112 焊接于壁板100上。
本发明还提供一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型工艺，采用上述一种用于获取弯曲状带筋壁板成型装置来压弯所述带筋壁使其成型，具体步骤包括：
步骤一：开模即打开凸模1与凹模2，将带筋壁板放置于凸模1与凹模2之间，并对准筋条110与开口13；
步骤二：合模即闭合凸模1与凹模2，直至凸块11与壁板100的内顶面102以及凹模底座21与壁板100的外底面101均接触后，停止凸模1与凹模2的合模动作；
步骤三：将压紧装置放入闭环腔室内，且旋转压紧装置使得凹模底座21与壁板100与筋条110的焊接区域贴合。利用合模时的凸模上的开口与壁板形成闭环腔室，通过在闭环腔室内放置压紧装置，通过调节压紧装置来压紧筋条与壁板的焊接位置使得该壁板与凹模底座的弧形面贴合，可有效控制筋条与壁板焊接位置的弯曲变形精度，满足壁板外型精度高的要求。
在开模即上述步骤一之前，利用搅拌摩擦焊工艺将筋条110焊接到一个壁板100上得到带筋壁板，在上述步骤三之后，对该带筋壁板上由壁板100与筋条110因焊接而在壁板100上形成的焊接区域与凹模底座21贴合的状态进行蠕变时效成形工艺对贴合部位进行加热并保温一段时间后，再将凸模1与凹模2打开，此时受热的带筋壁板会回弹变形，从而得到弯曲状带筋壁板。具体而言，本发明的筋条选取L型筋条。采用蠕变时效成形工艺相比现有技术中的压弯成型工艺而言，使得筋条不会产生失稳、扭曲等缺陷。
在开模即上述步骤一之前，根据获取弯曲状带筋壁板的目标曲率值，利用拟合数学公式来选择对应的成型装置，该拟合数学公式的获取包括以下步骤：
步骤一、选择多组搅拌摩擦焊带筋条壁板在不同成型装置内来进行曲率半径及回弹率大小的测试实验；所述不同成型装置所包括的凸模与凹模的合模曲面的半径大小不同；
步骤二、获取该步骤一中曲率半径及回弹率的多次测试实验数据(如下表1所示)，取平均值，并根据不同成型装置的所述凹模底座上的弧形面的半径以及壁板成型后的曲率半径分别用线性或二项式拟合方法来确定所述凹模底座上的弧形面的半径与曲率半径的数学公式，即Rf＝3.089R0-183.17,Rf为壁板成型后的曲率半径，R0为凹模底座上的弧形面的半径。
表1 4件试验件成形后曲率半径数据(单位mm)
Figure BDA0002355358290000061
Figure BDA0002355358290000071
其中表1中的R180、R330、R480以及R630指的是凹模底座21上的弧形面211的半径大小分别为180mm、330mm、480mm以及630mm。
于该拟合数学公式的获取的步骤一中的多次测试实验的具体步骤包括在搅拌摩擦焊壁板上选取8个测试点，通过压紧装置分别对该8个测试点进行压紧测试，分别使得8个测试点即筋条与壁板的焊接处与凹模底座的弧形面贴合。
通过测试多组实验数据，得出拟合数学公式，可以根据获取的带筋壁板的外型曲率半径值的大小，来选择具有不同半径大小的弧形面的凹模与凸模，具有较强的适应性。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型装置，所述带筋壁板包括壁板(100)以及焊接于所述壁板(100)上的筋条(110)，其特征在于，所述成型装置包括凸模(1)和凹模(2)，所述凸模(1)包括凸模底座 (11)和设于所述凸模底座 (11)上的凸块(12)，所述凹模(2)包括凹模底座(21)，所述凹模底座(21)上设有与所述凸块(12)配合合模的凹腔(22)，所述凸块(12)上设有用于容纳所述壁板(100)上所述筋条(110)的开口(13)，所述开口(13)在所述凸模(1)和凹模(2)合模后与所述壁板(100)的内顶面(102)形成一闭环腔室(14)，所述闭环腔室(14)内设有用于挤压待成型的所述带筋壁板使得所述壁板(100)的外底面(101)与所述凹模底座(21)上的弧形面(211)紧密贴合的压紧装置，所述压紧装置包括顶杆(5)以及安装于所述顶杆(5)两端的第一垫片(4)以及第二垫片(6)，所述第二垫片(6)与所述顶杆(5)螺纹连接，所述第一垫片(4)抵接于所述筋条(110)上，所述第二垫片(6)抵接于所述凸块(12)的所述开口(13)内，所述凸模(1)与所述凹模(2)上设有用于调节所述凸模(1)与所述凹模(2)进行开模与合模的调节机构，所述调节机构包括设于所述凹模(2)上的螺母以及设于所述凸模(1)上的螺栓，所述凸模底座(11)上设有用于压紧所述凸模底座(11)的压条，所述螺栓穿过所述压条与所述凸模底座(11)连接，所述筋条(110)呈L型，所述L型筋条(110)的竖直边(111)设于所述闭环腔室(14)内，且该竖直边(111)的长度要小于所述闭环腔室(14)的最小深度，所述L型筋条(110)的水平边(112)焊接于所述壁板(100)上。
2.根据权利要求1所述的一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型装置，其特征在于：所述凸块(12)与所述凹腔(22)配合合模的一面设有与所述凹模底座(21)上的弧形面(211)具有相同弧形轮廓的贴合面(121)，所述贴合面(121)与所述弧形面(211)在所述凸模(1)与所述凹模(2)合模时相互贴合。
3.一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型工艺，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种用于获取弯曲状带筋壁板成型装置来压弯所述带筋壁使其成型，其步骤包括：
步骤一：开模即打开凸模(1)与凹模(2)，将所述带筋壁板放置于所述凸模(1)与所述凹模(2)之间，并对准所述筋条(110)与所述开口(13)；
步骤二：合模即闭合凸模(1)与凹模(2)，直至凸块(11)与所述壁板(100)的内顶面(102)以及凹模底座(21)与所述壁板(100)的外底面(101)均接触后，停止凸模(1)与凹模(2)的合模动作；
步骤三：将压紧装置放入闭环腔室内，且旋转所述压紧装置使得所述凹模底座(21)与所述壁板(100)与所述筋条(110)的焊接区域贴合。
4.根据权利要求3所述的一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型工艺，其特征在于：在步骤一之前，利用搅拌摩擦焊工艺将筋条焊接到一个壁板（ 100 ） 上得到带筋壁板，在步骤三之后，采用蠕变时效成形工艺对带筋壁板进行加热并保温一段时间后，开模即打开凸模(1)与凹模(2)，待壁板（ 100 ） 发生回弹变形后，得到弯曲状带筋壁板。
5.根据权利要求3所述的一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型工艺，其特征在于：在步骤一之前，根据获取弯曲状带筋壁板的目标曲率半径值，利用拟合数学公式来选择对应的成型装置，该拟合数学公式的获取包括以下步骤：
步骤一、选择多组搅拌摩擦焊带筋条壁板在不同成型装置来进行曲率半径的多次测试实验；所述不同成型装置的所述凹模底座上的弧形面的半径大小不同；
步骤二、获取步骤一中曲率半径及回弹率的多次测试实验数据，取平均值，并根据不同成型装置的所述凹模底座上的弧形面的半径以及壁板成型后的曲率半径分别用线性或二项式拟合方法来确定所述凹模底座上的弧形面的半径与曲率半径的数学公式，即Rf＝3.089R0-183.17,Rf为壁板成型后的曲率半径，R0为凹模底座上的弧形面的半径。
6.根据权利要求5所述的一种用于获取弯曲状带筋壁板的成型工艺，其特征在于：所述步骤一中的多次测试实验的具体步骤包括在搅拌摩擦焊壁板上选取8个测试点，通过压紧装置分别对该8个测试点进行压紧测试，分别使得8个测试点即筋条与壁板的焊接处与凹模底座的弧形面贴合。
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