CN112659674A - 一种带通道的点阵拓扑结构及其制备方法及舱段壁板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带通道的点阵拓扑结构及其制备方法及舱段壁板，属于精密钣金加工技术领域，解决了现有技术中线缆或管路明线设置、舱段需要多个点阵拓扑结构零件等问题。本发明带通道的点阵拓扑结构，包括上面板，下面板，通道和点阵结构；所述通道和点阵结构设置在所述上面板和下面板之间。本发明实现了舱段壁板的结构功能一体化以及点阵拓扑结构的一体化成形。

Description

一种带通道的点阵拓扑结构及其制备方法及舱段壁板

技术领域

本发明属于精密钣金加工技术领域，特别涉及一种带通道的点阵拓扑结构及其制备方法及舱段壁板。

背景技术

为满足武器装备性能的不断提升，航空航天零部件的整体化和轻量化成为了一个重要的发展趋势。钛合金点阵结构为一种新型的中空夹层结构，可在满足零部件的性能的前提下最大限度实现减重。

但目前的点阵结构主要是作为结构零部件使用，即大多数情况下按照设计结构制造出满足力学性能的零件结构。

现有的点阵结构零件只能实现轻量化要求，无法实现功能化设置，线缆或管路需在舱段内壁进行明线设置，采用卡箍、支架等进行固定，需要零件较多且制备方法较为复杂。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种带通道的点阵拓扑结构及其制备方法及舱段壁板，用以解决现有技术中的点阵结构零件无法实现功能化、线缆或管路明线设置等问题，实现了舱段壁板的结构功能一体化以及点阵拓扑结构的一体化成形。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种带通道的点阵拓扑结构，包括上面板，下面板，通道和点阵结构；所述通道和点阵结构设置在所述上面板和下面板之间。

进一步的，所述通道截面为六边形结构，所述通道的上边与上面板固定连接，所述通道的下边与下面板固定连接。

进一步的，所述通道设置有一层以上；

所述点阵结构设置有一层以上；

所述通道和点阵结构的层数相同。

进一步的，所述点阵结构为金字塔点阵结构、四面体点阵结构或X型点阵结构。

进一步的，所述金字塔点阵结构包括上顶点、下顶点和连接杆；相邻的上顶点和下顶点通过连接杆进行连接。

进一步的，所述上顶点与上面板固定连接，所述下顶点与下面板固定连接。

一种带通道的点阵拓扑结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.进行上面板、下面板、通道和点阵结构的坯料准备；

步骤2.将坯料进行装配，然后将上面板和下面板进行封边封焊；

步骤3.将封焊后的零件放入两个平板模具之间进行刚性扩散连接；

步骤4.将扩散连接后的零件放入成形模具中进行超塑成形。

另一种带通道的点阵拓扑结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.进行上面板、下面板、通道和点阵结构的坯料准备；

步骤2.将坯料进行装配，然后将上面板和下面板进行封边封焊，焊接过程中在上面板和下面板之间焊接一根通气管；

步骤3.将封焊后的零件放入成形模具中，在零件上表面与上模具形成的上模腔和零件下表面与下模具形成的下模腔中均通入高压气体，进行气压扩散连接，上模腔与下模腔的压强相等；

步骤4.通过通气管在上面板和下面板之间通入高压气体，进行超塑成形。

进一步的，所述通道的坯料包括上层板和下层板；

所述上层板与上面板固定连接的部位和上层板与下层板固定连接的部位不涂抹隔离剂，上层板其余部位涂抹隔离剂；

所述下层板与下面板固定连接的部位和上层板与下层板固定连接的部位不涂抹隔离剂，下层板其余部位涂抹隔离剂；

所述隔离剂用于防止不需要固定连接的部位产生扩散连接。

进一步的，所述点阵结构的坯料为网格板；

所述网格板上表面与上面板固定连接的部位不涂抹隔离剂；

所述网格板下表面与下面板固定连接的部位不涂抹隔离剂；

所述网格板其余部位涂抹隔离剂。

一种舱段壁板，包括带通道的点阵拓扑结构。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)本发明的带通道的点阵拓扑结构可实现结构功能的一体化。本发明带通道的点阵拓扑结构应用在舱体壁板上时，通道可用于穿线缆，走管路；通道也可用于燃料舱内的燃料通过，飞行器飞行过程中会产生热量，舱体壁板温度升高，将冷的燃料储油通过通道流动，一方面可对舱体壁板起到主动冷却的作用，另一方面也可起到暂存燃油的作用，增大燃油储备。为新型武器装备的研发提供新的选择。

2)本发明采用扩散焊方式进行连接。扩散焊连接可实现带通道的点阵拓扑结构的一次性成形；且扩散焊在高温高压下进行连接，内部不存在应力，不易发生形变。

3)本发明带通道的点阵拓扑结构的制备方法可实现通道点阵结构的一次整体成形，可使生产周期缩短约20％，大大提高了生产效率。随炉冷却使得产品处于淬火状态，无变形应力，保证产品无变形，从而提高产品的精度。

4)本发明采用气压扩散连接，通过通入高压气体施加压力，不需要保证坯料平整。不用确保网格板的厚度与上层板和下层板的厚度之和相等，对坯料的精度要求较低。

5)采用气压扩散连接时，扩散连接和超塑成形均在成形模具中进行操作，成形温度也相同，不需要更换模具，温度也不需要变化，一个热循环即可完成带通道的点阵拓扑结构的制备，操作简便，降低成本，缩短时间、提高效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1单层通道点阵拓扑结构主视图；

图2单层通道点阵拓扑结构立体图；

图3双层通道点阵拓扑结构主视图；

图4双层通道点阵拓扑结构立体图；

图5三层通道点阵拓扑结构主视图；

图6三层通道点阵拓扑结构立体图；

图7单层通道点阵拓扑结构拆分示意图；

图8坯料装配示意图；

图9网格板、上层板和下层板示意图；

图10实施例2中的网格板扩散连接区域示意图；

图11实施例2中的上层板和下层板的扩散连接区域示意图。

附图标记：

1-上面板；2-下面板；3-通道；4-点阵结构；401-上顶点；402-下顶点；403-连接杆；5-上层板；6-下层板；7-网格板。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种带通道的点阵拓扑结构及其制备方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

一种带通道的点阵拓扑结构，包括上面板1，下面板2，通道3和点阵结构4；通道3和点阵结构4设置在上面板1和下面板2之间。

本发明的带通道的点阵拓扑结构可实现结构功能的一体化。本发明带通道的点阵拓扑结构应用在舱体壁板上时，通道3可用于穿线缆，走管路；通道3也可用于燃料舱内的燃料通过，飞行器飞行过程中会产生热量，舱体壁板温度升高，将冷的燃料储油通过通道3流动，一方面可对舱体壁板起到主动冷却的作用，另一方面也可起到暂存燃油的作用。为新型武器装备的研发提供新的选择。

示例性的，带通道的点阵拓扑结构可以是钛合金点阵拓扑结构。

具体的，通道3截面为六边形的薄壁结构，通道3的上边与上面板1固定连接，通道3的下边与下面板2固定连接。

通道3设置有一层以上，点阵结构4设置有一层以上，通道3的层数和点阵结构4的层数相同。如图1-图6所示，可以是单层通道3点阵拓扑结构，双层通道3点阵拓扑结构或三层通道3点阵拓扑结构。单层带通道3的点阵拓扑结构，包含1个上面板1，1个下面板2，1层通道3和1层点阵结构4。双层通道3点阵拓扑结构包含1个上面板1，1个下面板2，2层通道3和2层点阵结构4；三层通道3点阵拓扑结构包含1个上面板1，1个下面板2，3层通道3和3层点阵结构4，其他类型依次类推。

点阵结构4可以为金字塔点阵结构、四面体点阵结构、X型点阵结构等结构。示例性的，金字塔点阵结构包括上顶点401、下顶点402和连接杆403；上顶点401和下顶点402间隔设置，上顶点401和相邻的下顶点402通过连接杆403进行连接。位于中间部位的每个上顶点401和下顶点402均与四根连接杆403连接，位于边缘的每个上顶点401和下顶点402均与三根连接杆403连接，位于四个角的每个上顶点401和下顶点402均与二根连接杆403连接。上顶点401与上面板1固定连接，下顶点402与下面板2固定连接。

一种舱段壁板，包括带通道的点阵拓扑结构。

一种带通道的点阵拓扑结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.进行上面板1、下面板2、通道3和点阵结构4的坯料准备。

如图7-图9所示，上面板1和下面板2为平板；通道3的坯料为两层平板，上层板5和下层板6；点阵结构4的坯料为网格板7。通道3由两层平板之间以及与上、下面板2扩散连接得到，点阵结构4由网格板7与上、下面板2扩散连接得到。

上面板1和下面板2坯料准备：上面板1和下面板2采用激光切割等方法下料，并采用酸洗液进行酸洗处理，去除表面氧化层。

点阵结构4的坯料准备：网格板7酸洗处理，之后如图10所示，网格板7上表面与上面板1固定连接的部位S(即会形成上顶点401的部位)不涂抹隔离剂；网格板7下表面与下面板2固定连接的部位X(即会形成下顶点402的部位)不涂抹隔离剂，网格板7其余部位涂抹隔离剂。隔离剂用于防止不需要固定连接的部位产生扩散连接，示例性的，隔离剂可以是氮化硼。

通道3的坯料准备：通道3的坯料包括上层板5和下层板6，上层板5和下层板6送酸洗处理，之后如图11所示，上层板5与上面板1固定连接的部位S(即会形成通道3的上边的部位)和上层板5与下层板6固定连接的部位Z不涂抹隔离剂，上层板5其余部位涂抹隔离剂；下层板6与下面板2固定连接的部位X(即会形成通道3的下边的部位)和上层板5与下层板6固定连接的部位Z不涂抹隔离剂，下层板6其余部位涂抹隔离剂。

步骤2.将坯料进行装配，然后将上面板1和下面板2进行封边封焊。

将所有坯料按图8所示进行装配：将下面板2设置在下方；上层板5和下层板6上下重叠设置在下面板2上方，网格板7设置在下面板2上方，上层板5和下层板6与网格板7相邻设置；然后将上面板1设置在上层板5和下层板6以及网格板7的上方，且上下位置与下面板2重叠。然后采用手工氩弧焊等方式将上面板1和下面板2的四周进行封边焊接。

焊接过程中包括在上、下面板2之间设置一根通气管的焊接，通气管用于超塑成形过程中通入高压气体，例如氩气。

当通道3和点阵结构4设有多层时，在上面板1和下面板2之间设置多套上层板5、下层板6和网格板7。

步骤3.将封焊后的零件放入两个平板模具之间进行连接。

上面板1、下面板2与通道3和点阵结构4的连接方式可以为扩散焊，激光焊，胶接等方式。优选的，本发明采用扩散焊方式进行连接。扩散焊连接可实现带通道的点阵拓扑结构的一次性成形；且扩散焊在高温高压下进行连接，内部不存在应力，不易发生形变。

本实施例中，采用刚性扩散连接，条件为：温度910～930℃，扩散连接压力6～8MPa，保压时间1～2h。

采用两个平板模具进行刚性扩散连接，需要保证坯料平整。所以，在本实施例方法中，网格板7的厚度应与上层板5和下层板6的厚度之和相等。

步骤4.将扩散连接后的零件放入成形模具中进行超塑成形。通过通气管向上面板1和下面板2之间通入高压气体，成形温度910～930℃，成形气压2～2.5MPa，保压时间1～2h。

随炉冷却后将产品取出即得到带通道3的点阵拓扑结构。

本发明带通道3的点阵拓扑结构的制备方法可实现通道3点阵结构4的一次整体成形，可使生产周期缩短约20％，大大提高了生产效率。随炉冷却使得产品处于淬火状态，无变形应力，保证产品无变形，从而提高产品的精度。

另一种带通道的点阵拓扑结构的制备方法，步骤1、步骤2与上述方法中的步骤1、步骤2相同，还包括以下步骤：

步骤3.将封焊后的零件放入成形模具中，在零件上表面与上模具形成的上模腔和零件下表面与下模具形成的下模腔中均通入高压气体，进行气压扩散连接，上模腔与下模腔的压强相等。

气压扩散连接条件为：温度910～930℃，上模腔与下模腔的气压2～2.5MPa，保压时间1～2h。

步骤4.通过通气管在上面板1和下面板2之间通入高压气体，进行超塑成形。通过通气管向上面板1和下面板2之间通入高压气体，成形温度910～930℃，成形气压2～2.5MPa，保压时间1～2h。

采用本实施例方法制备带通道的点阵拓扑结构，一方面由于扩散连接为气压扩散连接，通过通入高压气体施加压力，不需要保证坯料平整。不用确保网格板7的厚度与上层板5和下层板6的厚度之和相等，对坯料的精度要求较低；另一方面，步骤3、步骤4均在成形模具中进行操作，成形温度也相同，不需要更换模具，温度也不需要变化，一个热循环即可完成带通道的点阵拓扑结构的制备，操作简便，降低成本，缩短时间、提高效率。

实施例1

本实施例中为单层通道钛合金点阵拓扑结构，图7为单层通道3点阵拓扑结构图，包括1个上面板1，1个下面板2，1层通道3和1层点阵结构4。点阵结构4的上顶点401与上面板1连接，点阵结构4的下顶点402与下面板2连接，通道3与上面板1和下面板2连接，通道3和点阵结构4相互间隔分布。

本实施例中的点阵结构4为金字塔点阵结构4，通道3的截面为六边形。

实施例2

本实施例为实施例1中的单层通道钛合金点阵拓扑结构的制备方法。

单层通道钛合金点阵拓扑结构的材料为TA15钛合金，厚度为上面板1和下面板2的厚度均为2mm，通道3的上层板5和下层板6厚均为1mm，网格板7厚度为2mm。网格板7为水平连杆与竖直连杆构成的格栅结构，水平连杆与竖直连杆的交点中与上面板1连接的交点形成上顶点401，交点中与下面板2连接的交点形成下顶点402。

本实例的具体方法步骤如下：

步骤1.上面板1和下面板2采用激光切割制备，并进行酸洗处理，平板下料。

网格板7准备：本实施例中，对网格板7进行酸洗处理。

点阵结构4由网格板7与上、下面板2扩散连接得到，其中扩散连接位置均在网格板7的交点处，如图10所示，图中S处交点为网格板7与上面板1的扩散连接处，X处交点为网格板7与下面板2的扩散连接处。所以网格板7上表面与上面板1接触的一侧S处不涂抹隔离剂，而该侧其余部位全部涂隔离剂，以防止发生扩散连接。同理网格板7下表面与下面板2接触的一侧X处不涂抹隔离剂，而该侧其余部位全部涂隔离剂，以防止发生扩散连接。

上层板5和下层板6准备：对上层板5和下层板6进行酸洗处理。

如图11所示，左侧为与上面板1接触的上层板5，右侧为与下面板2接触的下层板6。上层板5、下层板6分别分成了五个区域，其中S区域为上层板5与上面板1的扩散连接区域，X区域为下层板6与下面板2的扩散连接区域，Z区域为上层板5和下层板6之间扩散连接区域，即上层板5分成了两侧边缘的与下层板6扩散连接区域、中间的与上面板1扩散连接区域以及位于中间区域和边缘区域之间的两个过渡区域组成的五个区域；下层板6分成了两侧边缘的与上层板5扩散连接区域、中间的与下面板2扩散连接区域以及位于中间区域和边缘区域之间的两个过渡区域组成的五个区域。所以成形时应在上层板5与上面板1接触一侧的S区域不涂抹隔离剂，且在上层板5与下层板6接触一侧的Z区域不涂隔离剂，在上层板5双面的其他区域全部涂抹隔离剂。同理，在下层板6与下面板2接触一侧的X区域不涂抹隔离剂，且在下层板6与上层板5接触一侧的Z区域不涂隔离剂，在下层板6双面的其他区域全部涂抹隔离剂。

步骤2.将所有坯料按图8所示的形式进行装配，然后采用手工氩弧焊的方式进行封边焊接。焊接过程包括一根通气管的焊接，用于超塑成形过程中向上面板1与下面板2之间通入高压氩气。

步骤3.将封焊的零件放于两个平板模具之间进行刚性扩散连接，温度920℃，扩散连接压力6MPa，保压时间2h。

步骤4.将扩散连接后的零件放于模具中进行超塑成形，成形温度920℃，成形压力2MPa，保压时间2h。

将零件随炉冷却，即可制得实施例1中的单层通道钛合金点阵拓扑结构。

实施例3

本实施例中为三层通道3钛合金点阵拓扑结构，图5、图6所示，包括1个上面板1，1个下面板2，3层通道和3层点阵结构。3层通道为下层通道、中间通道和上层通道，3层点阵结构为下层点阵结构、中间点阵结构和上层点阵结构。

下层点阵结构的下顶点402与下面板2连接，下层点阵结构的上顶点401与中间点阵结构的下顶点402连接；上层点阵结构的上顶点401与上面板1连接，上层点阵结构的下顶点402与中间点阵结构的上顶点401连接。下层点阵结构和上层点阵结构的结构相同，中间点阵结构与下层点阵结构和上层点阵结构相反(即下层点阵结构和上层点阵结构为下顶点402的位置对应的中间点阵结构为上顶点401)。

下层通道的下层板6的下边与下面板2连接，下层通道的上层板5的上边与中间通道的下层板6的下边连接；上层通道的上层板5的上边与上面板1连接，上层通道的下层板6的下边与中间通道的上层板5的上边连接。下层通道的上面板1和下面板2的两侧边缘连接，中间通道的上面板1和下面板2的两侧边缘连接，上层通道的上面板1和下面板2的两侧边缘连接。

本实施例中的点阵结构4为金字塔点阵结构，通道3的截面为六边形。

实施例4

本实施例为实施例3中的三层通道钛合金点阵拓扑结构的制备方法，步骤如下：

步骤1.上面板1和下面板2采用激光切割制备，并进行酸洗处理，平板下料。

网格板准备：本实施例中，包括下层网格板、中间网格板和上层网格板，对网格板进行酸洗处理。

1个下层网格板、1个中间网格板和1个上层网格板为一组。下层网格板、中间网格板和上层网格板均为：上表面形成上顶点401的部位不涂抹隔离剂，该侧其余部位全部涂隔离剂；下表面形成下顶点402的部位不涂抹隔离剂，该侧其余部位全部涂隔离剂。

上层板5和下层板6准备：对上层板5和下层板6进行酸洗处理。

下层通道的下层板6与下面板2连接的区域、下层通道的上层板5与中间通道下层板6连接的区域、上层通道的上层板5与上面板1连接的区域、上层通道的下层板6与中间通道上层板5连接的区域均不涂抹隔离剂。下层通道、中间通道和上层通道对应的上层板5和下层板6之间连接的区域均不涂抹隔离剂。

步骤2.将所有坯料进行装配，然后采用手工氩弧焊的方式进行封边焊接。焊接过程包括一根通气管的焊接，用于超塑成形过程中向上面板1与下面板2之间通入高压氩气。

步骤3.将封焊的零件放于成形模具中，在零件上表面与上模具形成的上模腔和零件下表面与下模具形成的下模腔中均通入高压气体，进行气压扩散连接。气压扩散连接条件为：温度920℃，上模腔与下模腔的气压2MPa，保压时间2h。

步骤4.通过通气管在上面板1和下面板2之间通入高压气体，进行超塑成形。成形温度920℃，成形气压2MPa，保压时间2h。

将零件随炉冷却，即可制得实施例3中的三层通道钛合金点阵拓扑结构。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带通道的点阵拓扑结构，其特征在于，包括上面板，下面板，通道和点阵结构；所述通道和点阵结构设置在所述上面板和下面板之间。

2.根据权利要求1所述的带通道的点阵拓扑结构，其特征在于，所述通道截面为六边形结构，所述通道的上边与上面板固定连接，所述通道的下边与下面板固定连接。

3.根据权利要求1所述的带通道的点阵拓扑结构，其特征在于，

所述通道设置有一层以上；

所述点阵结构设置有一层以上；

所述通道的层数和点阵结构的层数相同。

4.根据权利要求1所述的带通道的点阵拓扑结构，其特征在于，所述点阵结构为金字塔点阵结构，所述金字塔点阵结构包括上顶点、下顶点和连接杆；相邻的上顶点和下顶点通过连接杆进行连接。

5.根据权利要求4所述的带通道的点阵拓扑结构，其特征在于，所述上顶点与上面板固定连接，所述下顶点与下面板固定连接。

6.一种权利要求1-5所述的带通道的点阵拓扑结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.进行上面板、下面板、通道和点阵结构的坯料准备；

步骤2.将坯料进行装配，然后将上面板和下面板进行封边封焊；

步骤3.将封焊后的零件放入两个平板模具之间进行刚性扩散连接；

步骤4.将扩散连接后的零件放入成形模具中进行超塑成形。

7.一种权利要求1-5所述的带通道的点阵拓扑结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.进行上面板、下面板、通道和点阵结构的坯料准备；

步骤2.将坯料进行装配，然后将上面板和下面板进行封边封焊，焊接过程中在上面板和下面板之间焊接一根通气管；

步骤3.将封焊后的零件放入成形模具中，在零件上表面与上模具形成的上模腔和零件下表面与下模具形成的下模腔中均通入高压气体，进行气压扩散连接，上模腔与下模腔的压强相等；

步骤4.通过通气管在上面板和下面板之间通入高压气体，进行超塑成形。

8.根据权利要求6或7所述的带通道的点阵拓扑结构的制备方法，其特征在于，所述通道的坯料包括上层板和下层板；

所述上层板与上面板固定连接的部位和上层板与下层板固定连接的部位不涂抹隔离剂，上层板其余部位涂抹隔离剂；

所述下层板与下面板固定连接的部位和上层板与下层板固定连接的部位不涂抹隔离剂，下层板其余部位涂抹隔离剂；

所述隔离剂用于防止不需要固定连接的部位产生扩散连接。

9.根据权利要求6或7所述的带通道的点阵拓扑结构的制备方法，其特征在于，所述点阵结构的坯料为网格板；

所述网格板上表面与上面板固定连接的部位不涂抹隔离剂；

所述网格板下表面与下面板固定连接的部位不涂抹隔离剂；

所述网格板其余部位涂抹隔离剂。

10.一种舱段壁板，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的带通道的点阵拓扑结构。

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