CN113579062A - 一种航天薄壁口框零件摩擦3d增量成形装置及方法 - Google Patents

一种航天薄壁口框零件摩擦3d增量成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航天薄壁口框类零件摩擦3D增量成形装置及方法，包括成形工具头、待成形板材、夹具、模具和随动应力协调与增塑装置。加工过程中，该模具配合工具头按照预定的螺旋线轨迹可完成各型号口框零件的加工；待加工完成后对工件进行短时间的高温保温强化。该方法既缩短了热处理时间，又保证了板材加工时所需的塑性和最终的强度，同时避免了传统成形工艺中零件固溶淬火变形翘曲等问题。模具在成形时为待成形板料提供背压，改变其法向和切向的应力状态，将拉深应力状态转变为挤压状态，使成形中不易产生起皱破裂等缺陷。增塑装置更利于材料流动，便于加工局部细微特征、保证成形精度，同时单一模具可加工多种口框零件，降低了成本。

Description

一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形装置及方法
技术领域
本发明属于板料加工技术领域，具体涉及一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形装置及方法。
背景技术
航空产品因刚度、强度及结构配合等需要时常要使用口框类零件，常见的零件加工方法有铣削加工、落压及充液成形等，铣削成形材料损耗较大且成形精度难以控制，而落压或者充液成形非常容易出现如局部破裂和不贴模等缺陷。
增量成形是一种局部动态加载、逐层累积不均匀变形的新形无模无拘束柔性板料成形技术，通过特定的成形工具，按照预定成形轨迹对板料进行逐层成形，最终累积得到所需的零件形状，可进行无模或半模加工，相比于传统板料冲压成形具有快速、柔性、绿色、低成本等优势，适合定制化和小批量零件的制造。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形装置及方法，成形时，固溶后经过预强化的板料待加工完成后再进行短时间的高温保温强化，既缩短了热处理时间，又保证了板材加工时所需的塑性和最终的强度，同时避免了传统成形工艺中，零件固溶淬火变形翘曲等问题；采用随动应力协调与增塑装置为板料成形提供支撑，支撑板在成形工具头成形时为其提供即时的支撑，为待成形板料提供背压，改变其法向和切向的应力状态，将拉深应力状态转变为挤压状态，使成形中不易产生起皱破裂等缺陷。提高板料成形性能和成形精度，还可加工复杂结构零件，同时降低了成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形装置，包括成形工具头、待成形板材、夹具、模具和随动应力协调与增塑装置；
所述待成形板材固定在所述夹具上，成形工具头设置在所述待成形板材上方；所述模具固定连接在所述随动应力协调与增塑装置上方，所述随动应力协调与增塑装置带动所述模具升降和旋转运动配合所述成形工具头对所述待成形板材进行3D增量成形。
进一步，所述随动应力协调与增塑装置包括控制杆、连接销、驱动杆、旋转盘、驱动盘、推力球轴承、底座、电机、滑槽和滑杆，其中所述驱动盘与所述底座通过推力球轴承连接，所述驱动盘相对于所述底座可以转动，所述旋转盘与驱动盘固定连接，所述旋转盘上中心对称设置两组滑槽，所述滑槽底部固接在所述旋转盘上，所述滑槽中滑动设置滑杆，所述滑杆上方通过圆柱销转动连接模具，同时旋转盘底部固定连接两组电机，所述电机的电机轴依次铰接驱动杆和控制杆，所述驱动杆和控制杆之间通过连接销连接，所述控制杆的顶部铰接在所述模具上的另一侧，驱动盘内有内置电机。
进一步，所述电机反向旋转相同角度时，驱动杆、旋转销和控制杆使模具的高度发生变化，滑杆在滑槽中上下运动；当电机不以此方式工作时，驱动杆、旋转销和控制杆使得模具绕滑杆的圆柱销旋转一定角度使所述模具发生倾斜。
进一步，所述成形工具头为滚珠式，滚珠与板材接触进行滚动摩擦3D增量成形。
进一步，所述成形工具头为旋转扎入式，使用该工具头加工时，工具头头部表面带有螺纹的搅拌针会扎入板材内部并进行摩擦3D增量成形。
本发明还提供一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形方法，使用上述的3D增量成形装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1.对待成形板材进行预强化处理；
步骤S2.将所述待成形板材固定在所述夹具上；
步骤S3.调整模具各壁面的高度、角度及位置与所述成形工具头配合完成局部细微特征的成形；
步骤S4.工具头按照预定的螺旋线轨迹完成口框零件的加工；
步骤S5.待加工完成后对工件进行短时间的高温保温强化。
进一步，所述步骤S1中具体包括：板材为7xxx铝合金时，480℃固溶处理35min后预强化，预强化方式为预时效，预时效温度为70-120℃，时间为3小时；板材为6xxx铝合金时，530℃固溶处理35min后预强化，预强化方式为预时效，预时效温度为110-150℃，时间为4小时；板材为2xxx铝合金时，490℃固溶处理35min后预强化，预强化方式为预时效，预时效温度为100-200℃，时间为4小时。
进一步，所述步骤S5中具体包括：板材为7xxx铝合金时，加工完成后保温温度为180-300℃，保温时间为5分钟；板材为6xxx铝合金时，加工完成后保温温度为180-300℃，保温时间为10分钟；板材为2xxx铝合金时加工完成后保温温度为220-350℃，保温时间为10分钟。
本发明相对于现有技术取得了以下有益的技术效果：
本发明方法既缩短了热处理时间，又保证了板材加工时所需的塑性和最终的强度，同时避免了传统成形工艺中，零件固溶淬火变形翘曲等问题。在成形工具头成形时模具为待成形板料提供背压，改变其法向和切向的应力状态，将拉深应力状态转变为挤压状态，使成形中不易产生起皱破裂等缺陷。增塑装置更利于材料流动，便于加工局部细微特征，可以保证成形精度，同时单一模具可加工多种口框零件，降低了成本。
附图说明
图1是本发明增量成形装置的结构示意图；
图2是本发明随动应力协调与增塑装置的剖面图；
图3是本发明实施例1模具示意图；
图4是本发明实施例1内槽加工示意图；
图5是本发明增量成形方法流程示意图；
图6是本发明实施例2模具示意图；
图7是本发明实施例3模具示意图；
图8是本发明滚动式工具头截面图；
图9是本发明搅拌摩擦式工具头示意图；
图中，1-成形工具头、2-待成形板材、3-夹具、4-支撑板、5-控制杆、6-连接销、7-驱动杆、8-旋转盘、9-驱动盘、10-推力球轴承、11-底座、12-电机、13-滑槽、14-滑杆。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。
如图1-2所示，本发明增量成形装置包括成形工具头1、待成形板材2、夹具3、模具和随动应力协调与增塑装置；随动应力协调与增塑装置包括控制杆5、连接销6、驱动杆7、旋转盘8、驱动盘9、推力球轴承10、底座11、电机12、滑槽13和滑杆14，其中所述驱动盘9与所述底座11通过推力球轴承10连接，所述驱动盘9相对于所述底座11可以转动，所述旋转盘8与驱动盘9固定连接，所述旋转盘8上中心对称设置两组滑槽13，所述滑槽13底部固接在所述旋转盘8上，所述滑槽13中滑动设置滑杆14，所述滑杆14上方通过圆柱销转动连接模具，同时旋转盘8底部固定连接两组电机12，所述电机12的电机12轴依次铰接驱动杆7和控制杆5，所述驱动杆7和控制杆5之间通过连接销6连接，所述控制杆5的顶部铰接在所述模具上的另一侧，驱动盘9内有内置电机12。
在上述实施例中，当两个电机12反向旋转相同角度时，驱动杆7、旋转销和控制杆5使支撑板4的高度发生变化，滑杆14在滑槽13中上下运动；当电机12不以此方式工作时，驱动杆7、旋转销和控制杆5使得支撑板4绕滑杆14的圆槽旋转一定角度。这样可在成形工具头1成形时模具为待成形板料提供背压，改变其法向和切向的应力状态，将拉深应力状态转变为挤压状态，使成形中不易产生起皱破裂等缺陷。增塑装置利于材料流动，便于加工局部细微特征，可以保证成形精度，同时单一模具可加工多种口框零件，降低了成本。
进一步优选的实施例中，当待加工零件较大时，底座11与成形工具头1按相同轨迹运动，支撑板4仅为耐高温的板料，变化角度、高度及位置与工具头随动为板料提供支撑完成大形零件的加工。当待加工零件较小时，底座11固定不动，支撑板4可为零件模具，加工时模具可进行角度及高度的变化配合工具头完成复杂结构零件的加工。
进一步优选的实施例中，成形工具头1为滚珠式或旋转扎入式。滚珠式工具头头部内置有一滚珠，滚珠与板材接触进行滚动摩擦3D增量成形，可以减小成形时的摩擦力，提高表面质量。滚珠为经过热处理强化的钢珠滚珠或其他硬质材料。滚珠中心有通孔，可绕同样内置于工具头头部的中心轴旋转。此外，为避免成形时滚珠以外部分与板材发生干涉，工具头前部设计为斜面。使用旋转扎入式工具头加工时，工具头头部表面带有螺纹的搅拌针会扎入板材内部，搅拌针体积较小，仅起到细化表面晶粒强化断裂性能的作用，工具头头部的圆弧部分挤压板材，使其发生塑性变形，进而进行摩擦3D增量成形。
如图5所示，本发明还提供一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形方法，使用上述的3D增量成形装置，其包括如下步骤：
步骤S1.对待成形板材2进行预强化处理；
步骤S2.将所述待成形板材2固定在所述夹具3上；
步骤S3.调整模具各壁面的高度、角度及位置与所述成形工具头1配合完成局部细微特征的成形；
步骤S4.工具头按照预定的螺旋线轨迹完成口框零件的加工；
步骤S5.待加工完成后对工件进行短时间的高温保温强化。
实施例1
以加工其中一种零部件为例进行说明，成形时，待加工板材为7075铝合金，480℃固溶35min后进行100℃3小时预时效，此时板料伸长率为19％，塑性较好。后将已预强化的待加工板材2通过夹具3装夹在模具4上。模具的截面图如图3所示，加工过程中，先加工上部的开放槽部分；当需要加工内槽部分时，将模具旋转角度使得内槽部分的轴线与工具头轴线重合如图4所示，然后工具头1按照预定螺旋线轨迹对板材加工，加工过程中底座11固定不动，随动应力协调与增塑装置通过改变角度及高度与工具头1配合完成复杂零件的加工，加工结束后对工件进行230℃保温5min强化处理，强化后材料抗拉强度为511MPa，屈服强度为457MPa。
实施例2
以加工其中一种零部件为例进行说明，成形时，待加工板材为6061铝合金，530℃固溶35min后进行130℃4小时预时效，后将已预强化的待加工板材2通过夹具3装夹在模具4上。模具如图6所示，加工过程中，先加工出零件的大概轮廓；当需要加工棱边、壁面等局部细微特征时，工具头1按照预定螺旋线轨迹对板材加工，加工过程中底座11固定不动，随动应力协调与增塑装置通过改变角度及高度与工具头1配合完成复杂零件的加工，加工结束后对工件进行250℃保温10min强化处理。
实施例3
以加工其中一种零部件为例进行说明，成形时，待加工板材为2024铝合金，490℃固溶35min后进行150℃4小时预时效，后将已预强化的待加工板材2通过夹具3装夹在模具4上。模具的截面图如图7所示，加工过程中，先加工其中一个口框，加工过程与实施例2相同。加工完成后，随动应力协调与增塑装置移动位置，完成接下来口框的加工。加工结束后对工件进行280℃保温10min强化处理。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变形和修改，这些变形和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形装置，其特征在于:包括成形工具头、待成形板材、夹具、模具和随动应力协调与增塑装置；
所述待成形板材固定在所述夹具上，成形工具头设置在所述待成形板材上方；所述模具固定连接在所述随动应力协调与增塑装置上方，所述随动应力协调与增塑装置带动所述模具升降和旋转运动配合所述成形工具头对所述待成形板材进行3D增量成形。
2.根据权利要求1所述的一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形装置，其特征在于:所述随动应力协调与增塑装置包括控制杆、连接销、驱动杆、旋转盘、驱动盘、推力球轴承、底座、电机、滑槽和滑杆，其中所述驱动盘与所述底座通过推力球轴承连接，所述驱动盘相对于所述底座可以转动，所述旋转盘与驱动盘固定连接，所述旋转盘上中心对称设置两组滑槽，所述滑槽底部固接在所述旋转盘上，所述滑槽中滑动设置滑杆，所述滑杆上方通过圆柱销转动连接模具，同时旋转盘底部固定连接两组电机，所述电机的电机轴依次铰接驱动杆和控制杆，所述驱动杆和控制杆之间通过连接销连接，所述控制杆的顶部铰接在所述模具上的另一侧，驱动盘内有内置电机。
3.根据权利要求1所述的一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形装置，其特征在于：所述电机反向旋转相同角度时，驱动杆、旋转销和控制杆使模具的高度发生变化，滑杆在滑槽中上下运动；当电机不以此方式工作时，驱动杆、旋转销和控制杆使得模具绕滑杆的圆柱销旋转一定角度使所述模具发生倾斜。
4.根据权利要求1所述的一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形装置，其特征在于：所述成形工具头为滚珠式，滚珠与板材接触进行滚动摩擦3D增量成形。
5.根据权利要求1所述的一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形装置，其特征在于：所述成形工具头为旋转扎入式，使用该工具头加工时，工具头头部表面带有螺纹的搅拌针会扎入板材内部并进行摩擦3D增量成形。
6.一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形方法，使用权利要求1-5任一项所述的3D增量成形装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1.对待成形板材进行预强化处理；
步骤S2.将所述待成形板材固定在所述夹具上；
步骤S3.调整模具各壁面的高度、角度及位置与所述成形工具头配合完成局部细微特征的成形；
步骤S4.工具头按照预定的螺旋线轨迹完成口框零件的加工；
步骤S5.待加工完成后对工件进行短时间的高温保温强化。
7.根据权利要求6所述的一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形方法，其特征在于，所述步骤S1中具体包括：板材为7xxx铝合金时，480℃固溶处理35min后预强化，预强化方式为预时效，预时效温度为70-120℃，时间为3小时；板材为6xxx铝合金时，530℃固溶处理35min后预强化，预强化方式为预时效，预时效温度为110-150℃，时间为4小时；板材为2xxx铝合金时，490℃固溶处理35min后预强化，预强化方式为预时效，预时效温度为100-200℃，时间为4小时。
8.根据权利要求6所述的一种航天薄壁口框零件摩擦3D增量成形方法，其特征在于，所述步骤S5中具体包括：板材为7xxx铝合金时，加工完成后保温温度为180-300℃，保温时间为5分钟；板材为6xxx铝合金时，加工完成后保温温度为180-300℃，保温时间为10分钟；板材为2xxx铝合金时加工完成后保温温度为220-350℃，保温时间为10分钟。
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