CN112338052B - 一种机械加载铝合金构件蠕变时效成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械加载铝合金构件蠕变时效成形装置，包括加载组件，所述加载组件包括加载杆、加载连接件、蜗杆和加载轴，加载轴水平设置，所述加载杆包括两根竖杆和横杆，所述加载连接件包括在上的涡轮环和在下的连杆，所述涡轮环用于套设在所述加载轴上，每根加载杆至少与同组的两个所述加载连接件匹配连接，每组加载连接件在加载轴的轴向上错位排列，且蜗杆与涡轮环顶部的涡轮齿配合调节能使得每个加载杆的竖杆与水平面所呈的角度不同。本发明的加载方案中，可以根据铝合金板材长度尺寸或者板材厚度而调节加载杆之间的角度，从而使受力更加均匀，紧密贴合模具型面。与现有技术相比能制备出精度更高的铝合金构件产品。

Description

一种机械加载铝合金构件蠕变时效成形装置

技术领域

本发明属于大型铝合金构件蠕变时效成形技术领域，尤其涉及一种航空航天用大型薄壁铝合金构件蠕变时效成形装置。

背景技术

蠕变时效成形是一种新型的钣金成形技术，能够使构件同时实现成形和强度提高，广泛应用于航空航天大型薄壁构件制造。蠕变时效成形过程可以分为三个阶段：加载阶段、蠕变时效阶段、卸载阶段，其中构件弯曲加载方法主要有机械加载以及真空袋加载两种方法。机械加载方法需要凹、凸两套模具，但存在升温时间长、空间体积大等问题，一般只适用于实验室小型构件；真空袋加载方法适用于大型尺寸构件，但操作复杂、真空袋很容易被吸入构件与模具型面之间组成的空隙中，从而划破，导致成形失败。本领域技术人员也对构件的机械加载以及真空加载方面提出了很多新方案。

如实用新型CN208960708U公布了一种构件预加载方法，但该方法只是通过中间一根加载杆人工手动加载，存在人工加载费力、加载能力有限，并且加载过程中存在构件危险，另外加载后的构件中间位置会存在明显的塑性变形，在构件上留下明显的痕迹，不利于保证构件外形质量。专利CN 106978578 A公布了一种机械-真空复合加载方法，但其中只提到了一种机械加载方法，没有具体详细说明，功能较少。而专利CN104561848A和ZL201810858666.9是通过滚弯降低铝合金构件的弦高，使得真空更容易加载。

本发明的申请人在先提出一种机械加载蠕变时效成形装置(CN201911159303)以及一种基于机械加载的蠕变时效成形方法(CN201911157801.8)。所述机械加载蠕变时效成形装置包括机架、设置在机架上的加载装置和设置在加载装置下方的模具；加载装置包括多组加载液压缸，其中相邻两组加载液压缸的活塞杆伸出方向不同，同一组中多个加载液压缸的活塞杆伸出方向相同且多个活塞杆下端共同连接一根压杆；模具包括模具形板和用于支撑该模具形板的多个支撑装置。该发明通过对不同组加载液压缸活塞杆的伸缩长度进行控制，以及通过调节各个支撑装置的高度来调节模具型面的曲率，使得成形装置能够成形多种不同曲率的制件；采用压杆形式给待成形制件施加加载力，降低了制件因加载过程产生内部缺陷的可能性。其结构简单，可操作性强，实用性高，成形制件质量稳定。所述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。该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。

但发明人在实践研究中发现，该装置和方法仍然有其弊端需要改进。因此，本领域需要一种新的航空航天用大型薄壁铝合金构件蠕变时效成形装置及方法。

发明内容

因此，本发明提供一种机械加载铝合金构件蠕变时效成形装置，所述装置包括支座(1)、横梁(2)、加载组件和模具组件，所述支座用于支撑横梁，所述横梁上设置有所述加载组件，所述加载组件包括三个以上的加载杆(3)、三组以上的加载连接件(4)、三组以上的蜗杆(11)和加载轴(6)，每组加载连接件(4)包含连接在同一加载杆上的两个以上的加载连接件，每组蜗杆(11)包含与同一组加载连接件匹配连接的两个以上的蜗杆，所述加载轴水平设置，所述加载杆包括两根竖杆(31)和连接在两根竖杆的底部且用于向铝合金构件施加机械压力的横杆(32)，所述加载连接件(4)用于连接加载杆(3)和加载轴(6)，所述加载连接件(4)包括在上的涡轮环(43)和在下的连杆(42)，所述连杆与所述竖杆套合匹配设置，且通过液压控制所述竖杆的伸出长度，所述涡轮环用于套设在所述加载轴上，每根加载杆至少与同组的两个所述加载连接件匹配连接，每组所述加载连接件(4)在所述加载轴的轴向上错位排列，且蜗杆与涡轮环顶部的涡轮齿(431)配合调节能使得每个加载杆(3)的竖杆与水平面所呈的角度不同；所述模具组件设置在加载组件下方且用于支撑铝合金构件。

在一种具体的方式中，所述加载组件还包括用于驱动蜗杆前后移动而使得蜗杆与涡轮齿在不同位置匹配固定从而使得相应加载杆(3)的竖杆与水平面所呈的角度不同的步进电机(10)。

在一种具体的方式中，所述横梁(2)上设置有升降定位机构，使得所述横梁及设置在横梁上的加载组件能够整体上下移动。

在一种具体的方式中，所述加载杆(3)的个数和加载连接件(4)的组数均为5～7。

在一种具体的方式中，所述竖杆为实心杆，所述连杆为套设在竖杆上端的套杆。

在一种具体的方式中，所述模具组件包括板面竖直且其顶面用于直接支撑铝合金构件的卡板(7)、用于设置在卡板和铝合金构件上方的固定杆(8)以及用于将固定杆和卡板连接的螺栓(9)。

在一种具体的方式中，所述加载杆(3)的数量为奇数，且所述卡板和固定杆的个数均比加载杆的个数多一个。

本发明至少具备如下有益效果：

1、本发明提出了一种大型构件自动加载装备，该方法只需凹模，可以根据要求实现构件自动加载贴膜，然后再机械固定，避免了蠕变时效过程真空袋松动漏气导致的成形精度不准确问题。同时也避免了传统机械方法升温时间长、空间体积大的问题。其装置成本大幅降低，适合大型铝合金构件的成型。

2、本发明的加载方案中，可以根据铝合金板材长度尺寸或者板材厚度而调节加载杆之间的角度，从而使受力更加均匀，紧密贴合模具型面。与现有技术相比能制备出精度更高的铝合金构件产品。

附图说明

图1为本发明所述成形装置的整体结构示意图。

图2为本发明实施例1所述成形装置的部分结构示意图。

图3为本发明实施例1所述成形装置的部分结构示意图。

图4为本发明实施例1所述成形装置中加载连接件的结构示意图。

图5为本发明所述成形装置中部分结构示意图。

图6为经本发明所述成形装置加载后的铝合金构件结构示意图。

图7为经本发明所述成形装置加载弯曲后的铝合金构件机械固定示意图。

图8为实施例2的成形装置整体结构示意图。

图9为实施例2的成形装置局部放大图，即图8中的A处放大图。

图10为实施例2中加载组件使用涡轮蜗杆配合的结构示意图。

图中：1.支座，2.横梁，3.加载杆，31.竖杆，32.横杆，4.加载连接件，41.齿槽环，411.凹槽，42.连杆，43.涡轮环，431.涡轮齿，5.固定销，6.加载轴，61.底槽，7.卡板，8.固定杆，9.螺栓，10.步进电机，11.蜗杆，01.铝合金板。

具体实施方式

实施例1

本发明提供一种大型铝合金构件蠕变时效成形装置，所述装置包括支座(1)、横梁(2)、加载组件和模具组件，所述支座用于支撑横梁，所述横梁上设置有所述加载组件，所述加载组件包括三个以上的加载杆(3)、三组以上的加载连接件(4)、固定销(5)和加载轴(6)，每组加载连接件(4)包含连接在同一加载杆上的两个以上的加载连接件，所述加载轴水平设置，且加载轴的底部设置有至少在其长度方向的一端为通槽的底槽(61)，所述底槽用于固定销的上侧从水平方向插入加载轴中，所述加载杆包括两根竖杆(31)和连接在两根竖杆的底部且用于向铝合金构件施加机械压力的横杆(32)，所述加载连接件(4)用于连接加载杆(3)和加载轴(6)，所述加载连接件(4)包括在上的齿槽环(41)和在下的连杆(42)，所述连杆与所述竖杆套合匹配设置，且通过液压控制所述竖杆的伸出长度，所述齿槽环用于套设在所述加载轴上，所述齿槽环上包括至少三个以上凹槽(411)，每根加载杆至少与同组的两个所述加载连接件匹配连接，所述固定销(5)呈长条状，且其上侧嵌插在所述加载轴(6)的底槽(61)中，固定销(5)的下侧嵌插在所述加载连接件(4)的凹槽(411)中，每组所述加载连接件(4)在所述加载轴的轴向上错位排列，且所述固定销与每组加载连接件(4)连接的凹槽(411)不同使得每个加载杆(3)的竖杆与水平面所呈的角度不同；所述模具组件设置在加载组件下方且用于支撑铝合金构件。

模具组件中的卡板7可以上下移动，所以在长度方向上可以形成不同曲率的模具型面，把铝合金平板坯料放到模具型面上，首先控制横梁2下移，当中间位置的加载杆3接触到平板铝合金坯料时，停止横梁2下行，然后通过控制加载杆3逐渐伸出，给铝合金构件施加压力，使构件弯曲直到铝合金构件的所有位置都接触到卡板7顶部，加载后构件如图6，最后通过螺栓9连接固定杆8和卡板7，从而把铝合金构件完全固定在模具组件上，横梁上移，然后包含铝合金构件的模具整体就可以进入热压罐中进行蠕变时效成形。

本发明装置避免了使用传统的凸模加载，本发明可以通过模具卡板、横梁以及加载杆的调整实现复杂曲率构件的加载，对不同形状的铝合金构件具有良好的通用性。同时构件的固定方法简单牢固，避免了真空袋在高温高压下的漏气、破裂等问题，因此该方法不仅能大幅缩短人工操作时间，降低生产成本，而且还能提高构件成形精度。

实施例2

一种机械加载铝合金构件蠕变时效成形装置，所述装置包括支座(1)、横梁(2)、加载组件和模具组件，所述支座用于支撑横梁，所述横梁上设置有所述加载组件，所述加载组件包括三个以上的加载杆(3)、三组以上的加载连接件(4)、三组以上的蜗杆(11)和加载轴(6)，每组加载连接件(4)包含连接在同一加载杆上的两个以上的加载连接件，每组蜗杆(11)包含与同一组加载连接件匹配连接的两个以上的蜗杆，所述加载轴水平设置，所述加载杆包括两根竖杆(31)和连接在两根竖杆的底部且用于向铝合金构件施加机械压力的横杆(32)，所述加载连接件(4)用于连接加载杆(3)和加载轴(6)，所述加载连接件(4)包括在上的涡轮环(43)和在下的连杆(42)，所述连杆与所述竖杆套合匹配设置，且通过液压控制所述竖杆的伸出长度，所述涡轮环用于套设在所述加载轴上，每根加载杆至少与同组的两个所述加载连接件匹配连接，每组所述加载连接件(4)在所述加载轴的轴向上错位排列，且蜗杆与涡轮环顶部的涡轮齿(431)配合调节能使得每个加载杆(3)的竖杆与水平面所呈的角度不同；所述模具组件设置在加载组件下方且用于支撑铝合金构件。

本实施例可以根据构件长度自动调整和控制加载组件的展开角度，即可以实时调节每个加载杆的竖杆与水平面所呈的角度，装置整体示意图如图8。本方案中用于套设在加载轴上的加载连接件的圆环设置成涡轮环形式，在横梁中设置插入蜗杆11，使得蜗杆与涡轮进行啮合，蜗杆的前后移动由步进电机10控制。因此可以通过步进电机控制蜗杆移动进而带动加载连接件的涡轮环转动，当蜗杆的展开螺旋角小于涡轮蜗杆接触的摩擦角时，蜗轮蜗杆会发生自锁，即涡轮上受力有旋转趋势，但由于有自锁作用蜗杆不会移动，从而起到固定加载组件的作用。本方案相对实施例1来说，更方便调节加载杆的展开角度。

本发明的申请人在先提出一种机械加载蠕变时效成形装置(CN201911159303)以及一种基于机械加载的蠕变时效成形方法(CN201911157801.8)。其中，加载液压缸固定在裙形支架内腔侧壁上，因此加载液压缸的活塞杆伸缩的方向固定不变。另外，该方案容易使得加载杆与铝合金板材倾斜，容易打滑，系统不够稳定。

而本发明实施例1和实施例2的加载方案中，均可以根据铝合金板材长度尺寸或者板材厚度而调节加载杆之间的角度，从而使受力更加均匀，紧密贴合模具型面。

本发明实施例1的加载组件中通过固定销5与固定轴6和齿槽环之间的匹配连接，固定销5与每一组加载连接件匹配连接的凹槽411不同，因而加载杆可以呈5种不同的展开角度，可以满足本发明中不同尺寸类型的铝合金板材。

本发明实施例2则通过蜗杆11与加载连接件4的涡轮环43配合，可实现加载杆所处的平面与加载轴6成任意角度，因此对不同尺寸和厚度的铝合金板材的适用范围更广；而且加载过程中可以通过步进电机10精确调节角度使得加载杆3的竖杆31与铝合金板材型面受力垂直，系统更加稳定。

此外，本发明实施例1和实施例2的方案中，铝合金板材在长度方向上自身对称，中间位置的一根加载杆所处平面往往在竖直方向上，本发明对模具组件中的卡板数和位置进行设置，使得刚好避开了中间位置的加载杆，不会干涉。

本发明中，加载杆3的个数和加载连接件4的组数越多，则装置越精密准确。但因加载连接件4的齿槽环41或涡轮环43相互错位套设在加载轴6上，需要考虑其占据的空间，因而其组数不能太多。另外，在实施例1中加载连接件4的组数越多则每个齿槽环41上凹槽411的数量也相应越多，这也是限制加载连接件4组数的要素。因此，一般将加载杆3的个数和加载连接件4的组数设置为三到十组即可。

本发明图中横杆32是直杆，适用于单向弯曲的铝合金板材，该横杆同样可以设置为弯杆，以适用于双向弯曲的铝合金板材。

上述实施例仅为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。在不改变本发明基本构思和实质的情况下，任何其它等同技术特征的变换或修改，都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种机械加载铝合金构件蠕变时效成形装置，所述装置包括支座(1)、横梁(2)、加载组件和模具组件，所述支座用于支撑横梁，所述横梁上设置有所述加载组件，所述加载组件包括三个以上的加载杆(3)、三组以上的加载连接件(4)、三组以上的蜗杆(11)和加载轴(6)，每组加载连接件(4)包含连接在同一加载杆上的两个以上的加载连接件，每组蜗杆(11)包含与同一组加载连接件匹配连接的两个以上的蜗杆，所述加载轴水平设置，所述加载杆包括两根竖杆(31)和连接在两根竖杆的底部且用于向铝合金构件施加机械压力的横杆(32)，所述加载连接件(4)用于连接加载杆(3)和加载轴(6)，所述加载连接件(4)包括在上的涡轮环(43)和在下的连杆(42)，所述连杆与所述竖杆套合匹配设置，且通过液压控制所述竖杆的伸出长度，所述涡轮环用于套设在所述加载轴上，每根加载杆至少与同组的两个所述加载连接件匹配连接，每组所述加载连接件(4)在所述加载轴的轴向上错位排列，且蜗杆与涡轮环顶部的涡轮齿(431)配合调节能使得每个加载杆(3)的竖杆与水平面所呈的角度不同；所述模具组件设置在加载组件下方且用于支撑铝合金构件。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述加载组件还包括用于驱动蜗杆前后移动而使得蜗杆与涡轮齿在不同位置匹配固定从而使得相应加载杆(3)的竖杆与水平面所呈的角度不同的步进电机(10)。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述加载杆(3)的个数以及加载连接件(4)的组数均为5～7。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述竖杆为实心杆，所述连杆为套设在竖杆上端的套杆。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述模具组件包括板面竖直且其顶面用于直接支撑铝合金构件的卡板(7)、用于设置在卡板和铝合金构件上方的固定杆(8)以及用于将固定杆和卡板连接的螺栓(9)。

6.根据权利要求5所述装置，其特征在于，所述加载杆(3)的数量为奇数，且所述卡板和固定杆的个数均比加载杆的个数多一个。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述装置，其特征在于，所述横梁(2)上设置有升降定位机构，使得所述横梁及设置在横梁上的加载组件能够整体上下移动。

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