CN111215844B - 一种双曲率金属蜂窝板制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双曲率金属蜂窝板制备方法，属于金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理领域，本发明的方法主要包括：金属板切割，隔离剂喷涂，金属板层叠焊接，层叠金属板拉伸，以及校形钎焊的步骤；本发明方法可以有效减少双曲率蜂窝板成形时弯曲力对蜂窝芯以及焊缝造成的影响；成形的蜂窝芯胞体法向与曲面垂直，蜂窝板各处力学性能较为平均；同时利用扩散连接拉伸法进行制备，蜂窝芯的连接紧密，生产效率高。
Description
技术领域
本发明属于金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理领域，具体是一种金属制成的具有特定形状的蜂窝芯的制备方法。
背景技术
蜂窝板又称蜂窝夹层结构，是一种应用广泛的复合结构，与普通金属板相比，金属蜂窝板的比强度，隔热隔音和减振性能都有着明显的优势。蜂窝板在航空器外壳，隔热板以及航空发动机等部位具有广泛的应用前景，但其构件多为复杂曲率构件，这对金属蜂窝板构件的制造技术提出了极高要求。
目前，已经有一些方法制备带曲率蜂窝芯以及蜂窝板。CN106903357A公开的专利申请中采用切削加工的方式对平面蜂窝芯进行加工，通过去除一部分结构来得到曲面蜂窝芯，为了减少切削时蜂窝芯的受力以及变形，设计了一种新型的加工工艺，通过采用新型刀具，设计刀具的角度和切削路径等，使加工过程对蜂窝芯的损伤降到最低，同时延长了刀具寿命，提高了加工效率。该专利通过改进工艺进行加工，得到了质量较好的曲面蜂窝芯，但是由于是从平面蜂窝芯切割而来，蜂窝芯胞体的法向一致，与曲面并不垂直，在焊接面板后曲面各区域性能并不相同。
CN110014058A公开的专利申请中利用滚弯的方式成形单曲率蜂窝板。首先制备平面蜂窝芯并连接面板得到蜂窝板，将平面蜂窝板送入对称三轴滚弯机进行滚弯，将平面蜂窝板加工成带曲率蜂窝板。该专利将平面蜂窝板直接加工成曲面蜂窝板，通过蜂窝芯的变形，单个蜂窝芯胞体的法向与曲面垂直，曲面蜂窝芯各处性能较为一致，但该方法在蜂窝板焊接完成以后进行弯曲，弯曲时蜂窝芯的受力会作用在面板与蜂窝芯的焊缝上，对焊缝造成影响，同时蜂窝芯本身也可能会发生失稳起皱。
CN102950820A公开的专利申请中通过设计蜂窝成形带的形状，将特定形状的成形带折叠成蜂窝的波纹形状，通过将多层折叠好的成形带进行连接。由于成形带尺寸形状经过设计，折叠连接后可使蜂窝芯呈现出单曲率的外形，蜂窝胞体形状为六棱台，胞体法向与曲面垂直，蜂窝芯成形时受力较小，但该种方法只能成形出单曲率蜂窝芯，而且加工效率较低。
对于采用上述方法进行制备的蜂窝板，其可能会出现曲面强度分布不均匀或者蜂窝出现缺陷的情况，同时在双曲率面的制备上存在一定的局限。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种双曲率金属蜂窝板制备方法，本发明的方法采是用扩散连接拉伸法进行双曲率蜂窝芯的制备，该方法可以制备双曲率六边形金属蜂窝芯，增强蜂窝芯板料之间连接处的连接强度，减小双曲率蜂窝板制备时的结构内部应力，优化双曲率蜂窝板力学性能，能够降低蜂窝芯制备的模具成本，提高生产效率。
本发明是这样实现的：
本发明的一种双曲率金属蜂窝板制备方法，其主要包括：金属板切割，隔离剂喷涂，金属板层叠焊接，层叠金属板拉伸，以及校形钎焊的步骤。具体为：
步骤一、根据制备的双曲率蜂窝板外形，以双曲率蜂窝板的曲率为基础切割金属板；
步骤二、将切割好的金属板按照特定喷涂方式进行隔离剂的喷涂并层叠，为了配合扩散连接和蜂窝芯加工特性而设计的喷涂方式，其可以最大程度保证连接的质量；将层叠好的金属板送入真空扩散连接机床中进行扩散连接，连接完成后取出层叠金属板；采用真空扩散连接的方式连接质量好，连接处焊缝紧密，焊缝强度与母材相当，且可进行多处同时焊接，提高了生产效率；步骤三、对取出层叠金属板进行拉伸，使其呈现自然双曲率外形；由于切割的金属板的形状，拉伸后蜂窝芯胞体呈现六棱台的形状，其组成的蜂窝芯会自然呈现出双曲率的形状，在后续加工时蜂窝芯的受力较小；
步骤四、将拉伸完成的蜂窝芯与钎料以及面板层叠后送入校形模具加压进行钎焊以及校形；钎焊完成后取出蜂窝板，切割得到双曲率蜂窝板成品；由于拉伸后在蜂窝芯周围有质量不好的部分，但是单独切割蜂窝芯并不容易，所以在制备蜂窝芯时使其面积大于设计面积，钎焊成蜂窝板以后进行切割得到设计尺寸。
进一步，所述的步骤一具体为：
1.1、选择曲率半径为弧R1作为金属板切割的尺寸依据，以弧线R1圆心为圆心，另作半径为R3的圆弧，其中，R1大于R3；
1.2、从圆心引一条直线，使直线与弧R3、弧R1依次交于C、A两点，从A点对弧R1作割线；设定直线被弧R1截断的长度为蜂窝芯外表面六边形边长L，割线与圆弧另一交点为B，连接B点和圆心，其与弧R3交于D，连接ABCD四点构成蜂窝芯胞体侧面梯形；H为蜂窝芯胞体侧面高度，其中R1＝R3+H，H为蜂窝芯胞体侧面高度；
1.3、以BD为边继续绘制侧面梯形，重复上述过程绘制4n+1个侧面梯形，其外轮廓构成的与两弧线相接的多边形即为单层蜂窝芯金属板形状；
1.4、从蜂窝芯金属板上切割出偶数片此多边形，对表面进行打磨，除去氧化层备用。
进一步，所述的步骤二具体为：
2.1、以两个侧面梯形为一个单元对金属板上对应区域进行喷涂，金属板上下表面喷涂与未喷涂区域存在对应关系，并且由于金属板由4n+1个侧面梯形拼接而成，其喷涂到最后会有一个单侧面梯形的喷涂/未喷涂区域；
2.2、对所有金属板进行步骤2.1的操作，并都以同一种喷涂分布朝上放置，喷涂完成后进行层叠；
2.3、取两份金属板，其中一份以另外一份为参照物，以另外一份的中线为轴翻转180°，叠放在不进行操作的金属板上；再取两份金属板，其中一份叠放在已经层叠好的金属板上，另外一份翻转180°进行层叠；将所有金属板按照上述方式进行层叠；完成后送入真空扩散焊接炉中进行扩散焊接，完成后取出。
进一步，所述的步骤三具体为：
3.1、设定蜂窝板外表面曲率R2，蜂窝板内表面曲率为R4；根据蜂窝芯拉开以后的尺寸绘制以R2为半径的对应尺寸的圆弧；其中，切割时的金属板弧R1大于R3，同时R1也应当大于R2；切割时需要选择曲面两曲率半径中较大的一个，在拉伸时蜂窝芯的变形使得蜂窝芯两曲率相近，选择较大的曲率半径进行金属板的切割目的是为了后续钎焊以及校形的效果。
3.2、将半径R2的圆弧划分为等距的三段，以直线连接分割的三段弧的端点得到一段折线，将此折线从中部水平段的中点打断，得到两段对称的折线，每段折线由一条水平线段和一条斜线组成，将两段水平线段分别减去焊接后层叠金属板一半厚度的距离，最终得到的折线即为拉伸时蜂窝芯上表面的拉伸轨迹；
3.3、将层叠金属板按照此折线轨迹进行拉伸，拉伸力始终垂直于蜂窝板表面，得到蜂窝芯毛坯。
进一步，所述的步骤3.3中若蜂窝芯周边区域胞体非六边形的情况下，在后续加工中进行切割，移除形状不好的部分，维持蜂窝芯周边区域胞体呈六边形。
进一步，所述的步骤四具体为：将预处理好的蜂窝板上面板、蜂窝板下面板和蜂窝芯以蜂窝板下面板-钎料-蜂窝芯-钎料-蜂窝板上面板的顺序组成待钎焊蜂窝板放置在校形模上模具、校形模下模具之间，对校形模上模具压施加压力，对模具进行加温，对蜂窝板进行钎焊，并且利用高温高压完成蜂窝板的校形过程；校形钎焊完成后移除模具，取出蜂窝板，即得到设计曲率半径的双曲率蜂窝板，将蜂窝板进行切割即可得到设计尺寸的双曲率蜂窝板成品。
进一步，所述的步骤四中的预处理为：蜂窝板上面板、蜂窝板下面板均为双曲率面，在钎焊前已经进行预成形，对蜂窝板上面板、蜂窝板下面板进行表面处理，除去氧化层；蜂窝芯在钎焊前进行酸洗，将蜂窝芯上下表面与蜂窝板上面板、蜂窝板下面板接触区域处理至光亮。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明的扩散连接拉伸法是通过设计特定的喷涂方式在金属板料上喷涂隔离剂，层叠后送入真空扩散炉中进行扩散连接得到连接完成的层叠板半成品，对层叠板切割后进行拉伸即可得到蜂窝芯成品；
扩散连接的连接处强度与母材相近，制备得到的蜂窝芯强度较好，同时层叠时可以根据需要的蜂窝芯尺寸进行任意层数的金属板料的层叠，在拉伸时一次即可成型得到任意尺寸蜂窝芯，生产效率较高；
通过设计蜂窝板料的形状尺寸，使其在连接拉伸后自然呈现双曲率的形状，后续在钎焊面板时通过校形模具得到更为精确的双曲率面，钎焊完成即得到金属蜂窝板成品。
利用本发明方法进行双曲率金属蜂窝板的制备，可以有效减少双曲率蜂窝板成形时弯曲力对蜂窝芯以及焊缝造成的影响；成形的蜂窝芯胞体法向与曲面垂直，蜂窝板各处力学性能较为平均；同时利用扩散连接拉伸法进行制备，蜂窝芯的连接紧密，生产效率高。
附图说明
图1为双曲率蜂窝板外表面尺寸示意图；
图2为蜂窝芯单层金属板尺寸示意图；
图3为切割完成的单片金属板示意图；
图4为金属板喷涂以及层叠方式示意图；
图5为多层金属板层叠的立体图；
图6为真空扩散焊接完成后的未拉伸蜂窝芯示意图；
图7为蜂窝芯拉伸路径设计示意图；
图8为蜂窝芯拉伸示意图；
图9为蜂窝芯拉伸完成后示意图；
图10为蜂窝板结构示意图；
图11为蜂窝板校形钎焊示意图；
其中，1-蜂窝板上面板，2-双曲率蜂窝芯，3-蜂窝板下面板，4-校形模上模具，5-待钎焊蜂窝板，6-校形模下模具。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，图1为双曲率蜂窝板外表面尺寸示意图；其中R1和R2为曲面两个曲率半径；图2为蜂窝芯单层金属板尺寸示意图；其中H为蜂窝芯胞体侧面高度，L是蜂窝芯外表面六边形边长，∠a为蜂窝芯胞体梯形两侧边夹角。首先根据需要制备的双曲率蜂窝板外表面的曲率半径，选择曲率半径较大的弧R1作为金属板切割的尺寸依据；本发明中以蜂窝板下面板3-钎料-蜂窝芯2-钎料-蜂窝板上面板1的顺序钎焊得到的结构即为双曲率蜂窝板。以该弧线圆心为圆心，作一半径为R3的圆弧，使R1＝R3+H，从圆心引一条直线，使直线与两弧交于C、A两点。从A点对该弧线作割线，使直线被弧截断的长度为蜂窝芯外表面六边形边长L，割线与圆弧另一交点为B，连接B点和圆心，其与半径R3的圆弧交于D，连接ABCD构成蜂窝芯胞体侧面梯形，以BD为边继续绘制侧面梯形，重复上述过程绘制4n+1个侧面梯形，其外轮廓构成的与两弧线相接的多边形即为单层蜂窝芯金属板形状，如图3所示。
从金属板上切割出偶数片此多边形，对表面进行打磨，除去氧化层备用。取一片已经进行表面打磨去除氧化膜的金属片，对其进行喷涂。喷涂示意图见图4，以两个侧面梯形为一个单元对金属板上对应区域进行喷涂，金属板上下表面喷涂与未喷涂区域存在对应关系，并且由于金属板由4n+1个侧面梯形拼接而成，其喷涂到最后会有一个单侧面梯形的喷涂/未喷涂区域。对所有金属板进行如上操作，并使其都以同一种喷涂分布朝上放置，喷涂完成后进行层叠，如图4所示，取两份金属板，其中一份不进行操作，另外一份以其中线为轴翻转180°，叠放在不进行操作的金属板上。再取两份金属板，其中一份叠放在已经层叠好的金属板上，重复上述操作进行层叠，将所有金属板按照上述方式进行层叠，其相互关系如图5所示，完成后送入真空扩散焊接炉中进行扩散焊接，完成后取出，如图6所示。
对焊接完成的蜂窝芯进行拉伸，由于蜂窝芯形状为双曲面，需要对拉伸路径进行设计。取蜂窝板外表面曲率R2，并根据蜂窝芯拉开以后的尺寸绘制以R2为半径的对应尺寸的圆弧，如图7所示，其中R2为蜂窝板外表面曲面中较小的曲率半径，R4为蜂窝板内表面曲率半径。将半径R2的圆弧划分为等距的三段，以直线连接分割的三段弧的端点得到一段折线，将此折线从中部水平段的中点打断，得到两段对称的折线，每段折线由一条水平线段和一条斜线组成，将两段水平线段分别减去焊接后层叠金属板一半厚度的距离，最终得到的折线即为拉伸时蜂窝芯上表面的拉伸轨迹。如图8所示，将层叠金属板按照此折线轨迹进行拉伸，拉伸力始终垂直于蜂窝板表面(由于拉伸方法的不同，可能会出现蜂窝芯周边区域胞体并不是六边形的情况，此时可以对蜂窝芯进行切割，移除形状不好的部分)，得到蜂窝芯毛坯如图9所示。
由于蜂窝芯胞体自身形状，拉伸时的变形以及回弹，拉伸完成后的蜂窝芯曲率半径会略微偏离设计半径，所以需要对蜂窝芯进行校形。而蜂窝芯拉伸后还需要钎焊上面板，需要将面板，钎料和蜂窝芯层叠好加压加温进行钎焊。如图10所示为蜂窝板结构示意图，其蜂窝板上面板1、蜂窝板下面板3均为双曲率面，在钎焊前已经进行预成形，面板进行表面处理，除去氧化层。蜂窝芯在钎焊前需要进行酸洗，将蜂窝芯上下表面与蜂窝板上面板1、蜂窝板下面板3接触区域处理至光亮。如图11所示，将处理好的面板和蜂窝芯以下面板-钎料-蜂窝芯-钎料-上面板的顺序组成待钎焊蜂窝板5放置在校形模下模具6上，校形模上模具4压施加压力，对模具进行加温，对蜂窝板进行钎焊，并且利用高温高压完成蜂窝板的校形过程。校形钎焊完成后移除模具，取出蜂窝板，即得到设计曲率半径的双曲率蜂窝板，将蜂窝板进行切割即可得到设计尺寸的双曲率蜂窝板成品。
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，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种双曲率金属蜂窝板制备方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
步骤一、根据制备的双曲率蜂窝板外形，按照尺寸切割金属板；所述的步骤一具体为：
1.1，选择曲率半径为R1的弧作为金属板切割的尺寸依据，以弧线R1圆心为圆心，另作半径为R3的圆弧，其中，R1大于R3；
1.2，从圆心引一条直线，使直线与弧R3、弧R1依次交于C、A两点，从A点对弧R1作割线；设被弧R1截断的线段长度为蜂窝芯外表面六边形边长L，割线与圆弧另一交点为B，连接B点和圆心，其与弧R3交于D，连接ABCD四点构成蜂窝芯胞体侧面梯形；其中R1=R3+H，H为蜂窝芯胞体侧面高度；
1.3，以BD为边继续绘制侧面梯形，重复上述过程绘制4n+1个侧面梯形，4n+1的数量满足蜂窝芯尺寸大于设计尺寸的要求，其外轮廓构成的与两弧线相接的多边形即为单层蜂窝芯金属板形状；
1.4，从蜂窝芯金属板上切割出偶数片此多边形，对表面进行打磨，除去氧化层备用；
步骤二、将切割好的金属板按照喷涂方式进行隔离剂的喷涂并层叠；将层叠好的金属板送入真空扩散连接机床中进行扩散连接，连接完成后取出层叠金属板；所述的步骤二具体为：
2.1、以两个侧面梯形为一个单元对金属板上对应区域进行喷涂，金属板上下表面喷涂与未喷涂区域存在对应关系，并且由于金属板由4n+1个侧面梯形拼接而成，其喷涂到最后会有一个单侧面梯形的喷涂/未喷涂区域；
2.2、对所有金属板进行步骤2.1的操作，并都以同一种喷涂分布朝上放置，喷涂完成后进行层叠；
2.3、取两份金属板，其中一份以另外一份为参照物，以另外一份的中线为轴翻转180°，叠放在不进行操作的金属板上；再取两份金属板，其中一份叠放在已经层叠好的金属板上，另外一份翻转180°进行层叠；将所有金属板按照上述方式进行层叠；完成后送入真空扩散焊接炉中进行扩散焊接，完成后取出；
步骤三、对取出层叠金属板进行拉伸，使其呈现自然双曲率外形；
步骤四、将拉伸完成的蜂窝芯与钎料以及面板层叠后送入校形模具加压进行钎焊以及校形；钎焊完成后取出蜂窝板，切割得到双曲率蜂窝板成品。
2.根据权利要求1所述的一种双曲率金属蜂窝板制备方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：
3.1，设定蜂窝板外表面曲率R2，蜂窝板内表面曲率为R4；根据蜂窝芯拉开以后的尺寸绘制以R2为半径的对应尺寸的圆弧；其中，R2小于切割时的金属板弧R1；
3.2，将半径R2的圆弧划分为等距的三段，以直线连接分割的三段弧的端点得到一段折线，将此折线从中部水平段的中点打断，得到两段对称的折线，每段折线由一条水平线段和一条斜线组成，将两段水平线段分别减去焊接后层叠金属板一半厚度的距离，最终得到的折线即为拉伸时蜂窝芯上表面的拉伸轨迹；
3.3，将层叠金属板按照此折线轨迹进行拉伸，拉伸力始终垂直于蜂窝板表面，得到蜂窝芯毛坯。
3.根据权利要求2所述的一种双曲率金属蜂窝板制备方法，其特征在于，所述的步骤3.3中若蜂窝芯周边区域胞体非六边形的情况下，在后续加工中进行切割，移除形状不好的部分，维持蜂窝芯周边区域胞体呈六边形。
4.根据权利要求1所述的一种双曲率金属蜂窝板制备方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：将预处理好的蜂窝板上面板（1）、蜂窝板下面板（3）和蜂窝芯（2）以蜂窝板下面板（3）-钎料-蜂窝芯（2）-钎料-蜂窝板上面板（1）的顺序组成待钎焊蜂窝板（5）放置在校形模上模具（4）、校形模下模具（6）之间，对校形模上模具（4）压施加压力，对模具进行加温，对蜂窝板进行钎焊，并且利用加温加压完成蜂窝板的校形过程；校形钎焊完成后移除模具，取出蜂窝板，即得到设计曲率半径的双曲率蜂窝板，将蜂窝板进行切割修整，即可得到设计尺寸的双曲率蜂窝板成品。
5.根据权利要求4所述的一种双曲率金属蜂窝板制备方法，其特征在于，所述的步骤四中的预处理为：蜂窝板上面板（1）、蜂窝板下面板（3）均为双曲率面，在钎焊前已经进行预成形，对蜂窝板上面板（1）、蜂窝板下面板（3）进行表面处理，除去氧化层；蜂窝芯在钎焊前进行酸洗，将蜂窝芯上下表面与蜂窝板上面板（1）、蜂窝板下面板（3）接触区域处理至光亮。
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