CN113843370B - 一种异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，属于热超塑成形加工领域，解决了现有异形曲面中空蒙皮加工时间长、加工成本高以及产品质量低的技术问题。该方法包括：步骤1、对于异形曲面中空蒙皮模型进行数字化展开，获得展开料尺寸；步骤2、根据获得的展开料尺寸进行下料，并利用三维数控机床在坯料上铣出内型面的筋和型腔；步骤3、热超塑成形；将铣完内型面的筋和型腔的坯料，进行热超塑成形，得到型面贴合在加工制造模具上的工序件；步骤4、三维数控铣去除余量；利用三维数控机床去除热超塑成形后工序件的余量，得到满足尺寸要求的异形曲面中空蒙皮；步骤5、效果检测。本发明降低了异形曲面中空蒙皮的加工成本及生产周期。

Description

一种异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法

技术领域

本发明涉及热超塑成形加工技术领域，尤其涉及一种异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法。

背景技术

随着航空航天零部件日益向复杂化方向发展，航空航天零部件轻量化的要求越来越引起人们的重视，尤其是航空航天用飞行器结构件逐渐向着轻量化、高强度的研究方向发展。

对于异形曲面类蒙皮，为了减轻重量和增加强度，结构多采用纵横内筋结构，而这种结构的加工制造一直是瓶颈问题。

常规方法是先将异形曲面中空蒙皮热成形，然后再利用五轴数控机床加工内型面的筋和腔体。但是常规方法存在几点不足：(1)先热成形再加工内型面，由于其结构为异形曲面，所以在机加铣内型面的时候难度很大；另外，利用五轴数控机床加工一个产品需要300个小时，加工周期比较长；(2)首先对于定位找基准比较困难，而且异形曲面中空蒙皮的只能采用五轴数控机床进行加工，对于设备要求比较高，使用设备的加工成本也较高；(3)机加工生产的产品型面表面质量一般。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，用以解决现现有异形曲面中空蒙皮加工时间长、加工成本高以及产品质量低的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，加工制造方法包括以下步骤：

步骤1、对于异形曲面中空蒙皮模型进行数字化展开，获得展开料尺寸；

步骤2、根据步骤1获得的展开料尺寸进行下料，并利用三维数控机床在坯料上铣出内型面的筋和型腔；

步骤3、热超塑成形；

加工制造模具的上模具与热压机的上平台连接，加工制造模具的下模具与热压机的下平台连接，加工制造模具安装好后，将铣完内型面的筋和型腔的坯料置于加工制造模具中，利用加工制造模具的第一限位板和第二限位板进行限位固定，然后进行热超塑成形，得到型面贴合在加工制造模具上的坯料；

步骤4、三维数控铣去除余量；

利用三维数控机床去除热超塑成形后坯料的余量，得到满足尺寸要求的异形曲面中空蒙皮；

步骤5、效果检测。

进一步地，在步骤1中，工艺参数包括：坯料厚度方向、材料牌号、网格设置、冲压方向和成形方式定义。

进一步地，在步骤2中，选择水切割、激光切割、线切割或铣加工中的一种下料方式进行下料，下料后直接利用三维数控机床在异形曲面中空蒙皮的坯料内型面上加工筋和型腔。

进一步地，在步骤2中，加工筋和型腔时，在坯料的内型面的四周加工一圈用于密封气体的凸梗；凸梗的高度大于内型面的筋的高度。

进一步地，在步骤3中，热超塑成形过程依次包括预热阶段和加热阶段；

所述预热阶段为：将热成形机的上平台降低到比加工制造模具总高度高出10-20cm的高度；然后将热成形机上平台温度从100℃阶段升温至500℃，阶段温差为100℃，预热的升温时间15-20h。即按照100℃-200℃、300℃-400℃-500℃阶段升温至500℃。

进一步地，在步骤3中，加热阶段为：超塑成形温度为480-500℃，保温时间为30-35min，保压时间为10-30Min，成形时上模具与下模具的压力为50-90MPa，成形时的气体压力为5-100MPa。

进一步地，在步骤3中，加工制造模具至少包括两个热电偶；

在异形曲面中空蒙皮的坯料进行热超塑成形时，先利用热电偶将上模具和下模具加热到设定温度，然后对异形曲面中空蒙皮的坯料进行热成形。

进一步地，在步骤3中，加工模具包括上模具和下模具，上模具上设有弧形凹槽，下模具顶部设有弧形凸起，弧形凹槽与弧形凸起形状匹配，异形曲面中空蒙皮的坯料设于上模具与下模具之间。

进一步地，在步骤3中，下模具的弧形凸起的弧形面上设有多个内凹且相互连通的通气道，通气道呈田字型分布，异形曲面中空蒙皮的坯料在进行热超塑成形时，通气道用于坯料通气；通气道与坯料的内型面的筋的位置对应，通气道的深度大于坯料内型面的筋的高度；通气道的宽度大于坯料内型面的筋的宽度。

进一步地，在步骤3中，第一限位板和第二限位板的结构相同；

第一限位板包括长方体状的限位本体，限位本体上的两端设有第一凸块和第二凸块，第一凸块和第二凸块与限位本体一体成形；

限位主体通过螺栓固定在下模具的弧形凸起上，第一凸块和第二凸块通过螺栓被固定在上模具上，以防止设于上模具与下模具之间的异形曲面中空蒙皮的坯料的移动。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)现有技术在制作异形曲面中空蒙皮时，先热成形，再在坯料内型面上铣出筋和型腔；而本发明将异形曲面中空蒙皮成形过程中的难点工序即加工内型面的筋和型腔前移，即先在坯料上铣出筋和型腔，然后进行热成形和热超塑成形，降低了异形曲面中空蒙皮的成形难度，缩短了加工周期和成本，降低了对于加工设备的要求。

(2)本发明将热成形和热超塑成形合为一起，热成形后产品内型面会出现凹陷，热超塑成形可以使得产品外型面和上模具贴合，使得产品表面质量获得较大提升；并且将热成形和超塑成形合为一步，减少了热成形和热超塑成形工序之间的待加工产品出入模的工序，节约的模具降温、升温和定位操作等的时间，缩短了加工周期和成本。

(3)现有技术为了坯料通气，会选择在坯料内型面上设置通气道；本发明通过在下模具的弧形凸起的弧形面上设置通气道，坯料内型面上筋的位置与通气道相对应，可以实现热成形和超塑成形一体成形，并且减少由于没有通气道进行超塑成形时对于产品内型面的损伤。

(4)现有技术中利用五轴数控机床进行机加工坯料的筋和型腔，加工一个异形曲面中空蒙皮的时间为300h，本发明先在坯料上机加工出内型面再热超塑成形，加工周期由300h降为了27h，加工时间节省了11倍以上，大大提高了生产效率。

(5)本发明的热超塑成形方法的制备得到的异形曲面中空蒙皮内型面上无凹陷和深坑，提高了蒙皮表面质量。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点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说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

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，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为热超塑模具的结构示意图；

图2为上模具的主视图；

图3为上模具的俯视图；

图4为上模具的左视图；

图5为下模具的主视图；

图6为下模具的俯视图；

图7为下模具的左视图；

图8为实施例1的双曲率异形曲面中空带筋蒙皮的零件模型图；

图9为实施例1提供的双曲率异形曲面中空带筋蒙皮的零件模型的展开图一；

图10为实施例1提供的双曲率异形曲面中空带筋蒙皮的零件模型的展开图二；

图11为实施例1提供的双曲率异形曲面中空带筋蒙皮的零件模型的展开图三。

附图标记：

1-上模具；2-下模具；3-T型槽；4-定位销孔；5-电加热孔；6-定位销；7-基准传递孔；8-成形边缘线；9-取件槽；10-通气道，11-螺栓，12-第一限位板；13-成形线；14-凸梗；15-L型通气孔。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

但是现有技术存在几点不足：(1)先进行热成形过程，然后再在坯料上加工出内型面，由于坯料的结构为异形曲面，所以在机加铣内型面的时候难度很大，其必须采用五轴数控机床，而五轴数控机床属于贵重设备，不仅造成加工设备的成本高而且加工周期比较长，平均加工一个异性曲面中空蒙皮需要一周的时间，即加工一个异性曲面中空蒙皮的时间大概为300个小时。另外，由于异形曲面中空蒙皮的坯料内型面为深腔多筋结构，现有技术并未在模具上设置通气道导致气路不连通，为了通气，现有做法是在坯料内型面的筋上开设气孔槽进行通气，而在筋上开设气孔会破坏筋的结构及其强度。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，该加工制造方法包括以下步骤：

步骤1、对于异形曲面中空蒙皮模型进行数字化展开，获得展开料尺寸；

对于异形曲面中空蒙皮的数字化展开，常规利用UG对于模型展开的办法无法展开异形曲面，所以需要利用forming suite进行展开。在UG中抽出iges格式的产品模型中间层片体，然后导出iges格式文件到forming suite中，根据要求输入工艺参数，包括坯料厚度、坯料的材料牌号、网格设置、冲压方向和成形方式定义，得到展开料尺寸；

步骤2、根据展开料尺寸进行下料，并利用三维数控机床在坯料上铣出内型面的筋和型腔；

选择水切割、激光切割、线切割或铣加工中的一种下料方式进行下料，下料后直接利用三维数控机床在异形曲面中空蒙皮的坯料内型面上加工筋和型腔；在步骤2中，加工筋和型腔时，在坯料的内型面的四周边缘位置加工一圈用于密封气体的凸梗14，凸梗14的高度大于坯料内型面的筋的高度。

具体地，如图8至图11所示，异形曲面中空蒙皮的坯料形状为长方体状，在长方体状的坯料的内型面上靠近边缘位置设有长方形状的凸梗14，长方形状的凸梗14将其内部的“田”字状的筋围起来，凸梗14的高度大于坯料内型面中筋的高度；另外，坯料内型面上的筋与下模具2上的通气道10的位置对应，且通气道10的深度大于筋的高度。

步骤3、热超塑成形；

将步骤2铣完内型面的筋和型腔的坯料，进行热超塑成形，得到型面贴合在模具上的工序件，其内型面没有凹陷和深坑。热超塑成形的具体操作内容如图1所示，所述热超塑成形流程图如图2所示；热超塑成形的具体过程为：

步骤31、进行热成形准备；

步骤311、包括来料复验；对于来料要求手续齐全，尺寸符合要求，坯料目视无裂纹、毛刺、锐边、分层裂口和卷边等缺陷。

步骤312、备好常用的工、量具与防护服。

步骤313、保护及润滑；

①配置保护涂料：在通风处，调制水剂石墨，并用滤网过滤后待用。②清理坯料表面：在通风处，用无水乙醇擦拭去除坯料表面油污、灰尘等污物，去除后晾干。③涂刷保护涂料：涂刷水剂石墨，晾干后去除堆积、硬点。

步骤314、设备与模具准备；

①开机，检查冷却水机、开关门、上下移动上平台及设备声音等，确定设备可以正常使用；②清理平台：在室温下将热成形机梭车移出，清扫平台上的残余物，清扫后用吹气管将平台上的颗粒与尘埃吹离平台；③检查吊车：对吊车及吊装用链条进行检查，并按照使用规程进行操作；④清理模具：确认模具及紧固件可以有效且安全使用，用砂纸、锉刀等打磨模具模型腔至见金属色，在通风处用乙醇等擦拭模具模腔，晾干；涂刷水剂石墨，晾干后去除积点、硬点，待吊装；⑤安装模具：用吊车将模具整体吊装至平台上，居中放置；退回梭车；上平台下移压紧模具，用抬轿的方式将上模具1固定在上平台上，用压板将下模具2固定在下平台上；⑥安装热电偶：选择测温热电偶插入电加热孔5中，上模具1、下模具2至少各装一个热电偶，将热电偶的顶端插入模具的电加热孔5，并将其固定牢靠。

步骤32、加热；

①将热成形机的上平台降低到比模具总高高出10-20cm的高度；②关闭四门，热成形机的上平台和下平台温度按阶段升温，100℃，200℃，直至加工制造模具达到成形温度500℃，预热时间为15-20h。

步骤33、热超塑成形；

①当模具到温后打开四门，并升起前门，将坯料(板料)放入下模定位销6位置，梭车回复到初始位置预热，关闭前门。②连接气瓶，操作热压力机，使热压力机上平台以1mm/s速度下压，直至达到要求吨位，气压设置为0.6MPa，并在5min内逐渐增加到1.5MPa，并保压5min。

需要说明的是，对于5A06铝合金，其最佳超塑成形温度为480-500℃，保温最佳时间等于料厚的1.5倍，所以此处保温时间选择35min。成形最佳压力范围为：20MPa以下；保压时间范围为：0-30min；成形压力范围为：20-100MPa。

步骤34、取件；

结束程序，操作人员双手按下控制按钮，穿上热防护服并带上放热手套，待前门升起后，取出工件，注意零件受力均匀，防止变形；

步骤4、三维数控铣去除余量；

本发明利用三维数控机床去除热超塑成形后工序件的余量，得到最终满足尺寸要求的异形曲面中空蒙皮；需要注意的是，此处去除余量，没有内型腔体的筋和深腔，只有四周的多余量，操作起来比较简单，利用三位数控机床就可以完成。

步骤5、三维扫描，效果检测。

由于异形曲面中空蒙皮的坯料内型面为深腔多筋结构，现有技术并未在模具上设置通气道10导致气路不连通，为了通气，现有做法是在坯料内型面的筋上开设气孔槽进行通气，而在筋上开设气孔会破坏筋的结构及其强度。

与现有技术相比，本发明将热成形和热超塑成形一体成形，减少的操作步骤和操作时间。现有技术采用采用五轴数控机床，而五轴数控机床属于贵重设备，不仅造成加工设备的成本高而且加工周期比较长，平均加工一个异性曲面中空蒙皮需要一周的时间。本发明在热超塑成形前将坯料铣出内型面的筋和型腔，然后进行热超塑成形，减少了热成形和热超塑成形工序之间出入模及升温降温的过程，极大的简化了加工步骤，节约了加工时间。

本发明通过在下模具2上设置通气道10，可以实现热成形和超塑成形一体成形；现有技术由于没有设置通气道10，而在筋上设通气道，这在热成形时会对产品内型面的损伤；通过利用通气道和通气孔进行吹气，保证了产品内型面无凹陷和深坑，提高了产品表面质量。

现有技术在加工制造异形曲面中空蒙皮时，其采用的加工方法为：先进行热成形过程，然后再在坯料上加工出内型面，由于坯料的结构为异形曲面，所以在机加铣内型面的时候难度很大，加工一个异性曲面中空蒙皮的时间大概为300个小时。本发明先机加工出内型面，然后再热超塑成形，加工周期由300h降为了27h，提高了11倍以上，大大提高了生产效率。本发明针对于异形曲面中空蒙皮先进行下料，然后利用进行机加工，铣出内型面的筋和型腔，降低了加工难度，降低了对于设备的要求，极大的节约了加工成本，减小了加工周期。

本发明还提供了一种实施上述方法的异形曲面中空蒙皮的加工制造模具，如图1至图11所示，包括上模具1和下模具2；上模具1为长方体状，上模具1底部设有弧形凹槽(贯穿上模具1厚度)；下模具2包括压板和弧形凸起，弧形凸起设于压板的上方且两者一体成形；下模具2的弧形凸起与上模具1的弧形凹槽形状匹配，异形曲面中空蒙皮的坯料设于弧形凹槽与弧形凸起之间；下模具2的弧形凸起的弧形面上设有多个内凹且相互连通的通气道10，需要说明的是，单条通气道10以凹槽的形式设于弧形面上；多条通气道10交错后呈田字型分布，异形曲面中空蒙皮的坯料在进行热超塑成形时，通气道10用于坯料通气；通气道10与坯料的内型面的筋的位置对应，通气道10的深度大于坯料内型面的筋的高度；通气道10的宽度大于坯料内型面的筋的宽度。

具体地，本发明的异形曲面中空蒙皮的加工制造模具包括上模具1和下模具2，上模具1为长方体状，在上模具1的底部设有贯穿上模具1底部的弧形凹槽，即上模具1为上凹模具；下模具2包括压板和弧形凸起，弧形凸起设于压板的上方，压板的长度大于弧形凸起的底部长度，两者一体成形，即下模具2为凸模具；下模具2的弧形凸起与上模具1的弧形凹槽的形状匹配，异形曲面中空蒙皮的坯料设于上模具1的弧形凹槽与下模具2的弧形凸起之间。需要说明的是，在下模具2的弧形凸起上设有多个连通且内凹的通气道10，上述通气道10呈田字型分布，如图5和图6所示，异形曲面中空蒙皮的坯料在进行热超塑成形时，通气道10用于坯料通气，通气以防止坯料与上模具1分离，形成塌陷，而通过通气道10对坯料进行吹气即吹型面，一方面能够防止坯料塌陷，同时通过吹气还能够吹出坯料的内型面，保证了内型面的质量。

与现有技术相比，本发明通过在下模具2的弧形凸起上设置多个相互连通且内凹的通气道10，在进行热超塑成形时，下模具2上的通气道10保证了坯料的内型面上的气路连通，并且，由于通气道10的深度大于坯料内型面的筋的高度，且通气道10的宽度大于内型面的筋的宽度，因此，在进行热成形时，通气道10与异形曲面中空蒙皮的内型面的筋的位置对应，能够容纳坯料内型面的筋；另外，通过通气道10吹气，保证了异形曲面中空蒙皮内型面无凹陷和深坑，提高了异形曲面中空蒙皮的表面质量。

为了便于表达和理解，本发明以下模具的中垂线上的中点为圆心，以加工制造模具的长度方向为X轴，厚度方向为Y轴，高度方向为Z轴进行定义坐标系。

为了将加工制造模具与热成形机连接，沿X轴方向上，如图2至图4所示，上模具1的两侧面上设有T型槽3，T型槽3用于与热成形机的上平台固定连接；下模具2的压板与热成形机的下平台固定连接；热成形机通过上平台带动上模具1、下平台带动下模具2进行挤压坯料。

具体地，在本发明的上模具1的两侧面上，设有两个T型槽3，利用T型槽3将上模具1以抬轿的方式将上模具1固定到热成形机的上平台上；用压板将下模具2的弧形凸起固定在热成形机的下平台上，热成形机通过上平台带动上模具1移动(下压)，通过下平台带动下模具2移动，以挤压坯料。

为了对与下模具2接触的内型面进行吹气，沿Z轴方向上，如图5至图7所示，本发明在下模具2的弧形凸起的两端各设有一个L型通气孔15，L型通气孔15用于向坯料内型面通气。

具体地，L型通气孔15的竖向部分与气缸连接，L型通气孔15底部的横向部分与由凸梗与下模具的弧形面形成的密闭空间连通，气缸通过L型通气孔将气体输入到密闭空间内的型腔与下模具弧形凸起之间的间隙中，通过通气道在坯料与下模具2的弧形凸起之间流动，并进行保压。需要说明的是，凸梗的整体形状为长方形状，凸梗设于坯料的内型面上且靠近边缘位置，当进行热成形时，上模具1与下模具2对压，将平板状的坯料压成异形曲面形状，此时，坯料上的凸梗与下模具会形成封闭空间。

为了对坯料加热，本发明的加工制造模具至少包括两个热电偶，沿Y轴方向上，上模具1和下模具2各至少设有一个电加热孔5，热电偶的顶端插入在电加热孔5中；在异形曲面中空蒙皮的坯料进行热超塑成形时，利用热电偶将上模具1和下模具2加热到设定温度，然后对异形曲面中空蒙皮的坯料进行成形。

具体地，如图1所示，本发明的异形曲面中空蒙皮的加工制造模具还包括至少两个热电偶，沿Y轴方形上，上模具1和下模具2各至少设有一个电加热孔5，热电偶能够插入到电加热孔5中；在将坯料放置到上模具1和下模具2之间前，先对上模具1和下模具2进行升温加热，此时，将热电偶的顶端插入电加热孔5内，并将其固定牢靠，通过热电偶将上模具1和下模具2加热到设定温度，然后将异形曲面中空蒙皮的坯料放入到上模具1和下模具2之间，开始进行热塑成形。

为了能够将坯料精准定位放置到上模具1与下模具2之间，沿Z轴方向上，上模具1设有定位销6；下模具2上设有定位销孔4，定位销6插入定位销孔4中，实现下模具2与上模具1的定位。

另外，沿Z轴方向上，上模具1设有基准传递孔7，基准传递孔7用于传递统一基准，将机加工序与热超塑成形工序形成统一基准。在上模具1的顶面上，还设有两条以上模具顶面的中线为对称轴的成形边缘线8，当异形曲面中空蒙皮脱模时，拔模角度从成形边缘线8开始。

为了防止坯料在上模具1与下模具2之间移动，本发明的下模具2的弧形凸起顶部的前侧和后侧均设有第一限位板12，第二限位板第一限位板12第一限位板12第二限位板用于防止坯料在热超塑成形过程中移动；下模具2的弧形凸起的顶面上设有成形线13，成形线13与上模具1的成形边缘线8的位置相对应。

具体地，如图5-7所示，本发明的下模具2的顶部设有第一限位板12第一限位板12和第二限位板，第一限位板12第一限位板12设于下模具2的前侧，第二限位板设于下模具2的后侧，第一限位板12第一限位板12和第二限位板的顶部高于下模具2的部分为凸出部分，当将异形曲面中空蒙皮的坯放置于两者之间后，利用上述凸出部分卡住上模具1，进而防止坯料在两者之间移动。另外，在下模具2的弧形凸起上还设有成形线13，该成形线13的设置目的是使其能够与上模具1的成形边缘线8对齐或者匹配。

为了固定第一限位板12第一限位板12和第二限位板，本发明的加工制造模具还包括多个固定件，固定件用于固定第一限位板12第一限位板12和第二限位板。

具体地，本发明的固定件为固定螺栓11，固定螺栓11将第一限位板12第一限位板12和第二限位板固定在上模具1和下模具2上。

为了更牢固的限位坯料，防止坯料移动，本发明的第一限位板12第一限位板12和第二限位板的结构相同；第一限位板12第一限位板12包括长方体状的限位本体，限位本体上面的两端设有第一凸块和第二凸块，第一凸块和第二凸块与限位本体一体成形；限位主体通过固定件固定在下模具2的弧形凸起上，第一凸块和第二凸块通过固定件被固定在上模具1上，以防止设于上模具1与下模具2之间的异形曲面中空蒙皮的坯料的移动。

具体地，本发明的第一限位板12和第二限位板的结构相同，以第一限位板12为例，第一限位板12的形状为倒放的固定电话状，包括长方体状的限位本体，在限位本体上面的两端分别设有第一凸块和第二凸块，第一凸块、第二凸块与限位本体一体成形，当将坯料放置于上模具1和下模具2后，通过固定螺栓11将限主体固定在下模具2的弧形凸起上，并利用固定螺栓11将第一凸块和第二凸块固定在上模具1上，坯料被夹持在上模具1和下模之间，无法产生滑动，进到达到防止坯料移动的目的。

为了方便取件，本发明的下模具的两端设有取件槽9，当异形曲面中空蒙皮加工完毕后，先将上模具撤去，然后将取件工具插入取件槽9中进行取件，使下模具与异形曲面中空蒙皮分离。

实施例1

本实例1提供了一种异形曲面中空蒙皮热超塑成形方法；该零件的材料为5A06铝合金，厚度为20mm，长宽高310mm×160mm×100mm，零件模型如图7所示，为双曲率异形曲面中空带筋蒙皮。

具体方法步骤如下：

步骤1、坯料数字化展开。此产品为双曲率异形曲面，常规利用UG(钣金展开模型的软件)展开模型的方法无法展开此模型；需要先在UG中抽出模型片体，导出iges模型文件，然后再将此iges格式文件导入forming suite中进行模拟成形过程及展开尺寸；得到展开料尺寸如图8；

步骤2、根据步骤1得到的展开料尺寸进行下料，本实施例利用水切割下料，然后利用三维数控机床铣内型面的筋和型腔。

步骤3、热超塑成形；

步骤31、进行热成形准备：

步骤31、进行热成形准备；

步骤311、包括来料复验；对于来料要求手续齐全，尺寸符合要求，坯料目视无裂纹、毛刺、锐边、分层裂口和卷边等缺陷。

步骤312、备好常用的工、量具与防护服。

步骤313、保护及润滑；

①配置保护涂料：在通风处，调制水剂石墨，并用滤网过滤后待用。②清理坯料表面：在通风处，用无水乙醇擦拭去除坯料表面油污、灰尘等污物，去除后晾干。③涂刷保护涂料：涂刷水剂石墨，晾干后去除堆积、硬点。

步骤314、是设备与模具准备；

①开机，检查冷却水机、开关门、上下移动上平台及设备声音等，确定设备可以正常使用；②清理平台：在室温下将热成形机梭车移出，清扫平台上的残余物，清扫后用吹气管将平台上的颗粒与尘埃吹离平台；③检查吊车：对吊车及吊装用链条进行检查，并按照使用规程进行操作；④清理模具：确认模具及紧固件可以有效且安全使用，用砂纸、锉刀等打磨模具模型腔至见金属色，在通风处用乙醇等擦拭模具模腔，晾干；涂刷水剂石墨，晾干后去除积点、硬点，待吊装；⑤安装模具：用吊车将模具整体吊装至平台上，居中放置；退回梭车；上平台下移压紧模具，用抬轿的方式将上模具1固定在上平台上，用压板将下模具2固定在下平台上；⑥安装热电偶：选择测温热电偶插入电加热孔5中，上模具1、下模具2至少各装一个热电偶，将热电偶的顶端插入模具的电加热孔5，并将其固定牢靠。

步骤32、加热；

①将平台降低到比模具总高高出10-20cm的高度；②关闭四门，平台温度按阶段升温，100℃，200℃，直至模具达到成形温度500℃。

步骤33、进行热超塑成形；

①当模具到温后打开四门，并升起前门，将板料放入下模具2定位销6位置，梭车回复到初始位置预热，关闭前门。②连接气瓶，操作压力机，使上平台以1mm/s速度下压，直至达到要求吨位，气压设置为0.6MPa，并在5Min内逐渐增加到1.5MPa，并保压5min。此处对于参数的选取做更加详细的说明：对于5A06铝合金，其最佳超塑成形温度为480-500℃，保温最佳时间等于料厚的1.5倍，所以此处保温时间选择35min。成形最佳压力范围为：20MPa以下；保压时间范围为：0-30min；成形压力范围为：20-100MPa。

步骤34、取件：结束程序，操作人员双手按下控制按钮，穿上热防护服并带上放热手套，待前门升起后，取出工件，注意零件受力均匀，防止变形。

步骤4、三维数控铣去除余量；

本发明利用三维数控机床去除热超塑成形后工序件的余量，得到最终满足尺寸要求的异形曲面中空蒙皮；需要注意的是，此处去除余量，没有内型腔体的筋和深腔，只有四周的多余量，操作起来比较简单，利用三位数控机床就可以完成。

步骤5、三维扫描，效果检测。

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 (7)

1.一种异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，其特征在于，所述加工制造方法包括以下步骤：

步骤1、对于异形曲面中空蒙皮模型进行数字化展开，获得展开料尺寸；

步骤2、根据所述步骤1获得的展开料尺寸进行下料，并利用三维数控机床在坯料上铣出内型面的筋和型腔；

加工筋和型腔时，在坯料的内型面的四周加工一圈用于密封气体的凸梗；所述凸梗的高度大于坯料的内型面上筋的高度，凸梗的宽度大于坯料内型面上筋的宽度；

步骤3、热超塑成形；

将加工制造模具的上模具与热压机的上平台连接，加工制造模具的下模具与热压机的下平台连接，加工制造模具安装好后，将铣完内型面的筋和型腔的坯料置于加工制造模具中，利用加工制造模具的第一限位板和第二限位板进行限位固定，然后进行热超塑成形，得到型面贴合在加工制造模具上的坯料；

在所述步骤3中，所述加工制造模具包括上模具和下模具，所述上模具上设有弧形凹槽，所述下模具顶部设有弧形凸起，所述弧形凹槽与弧形凸起形状匹配，异形曲面中空蒙皮的坯料设于上模具与下模具之间；

所述下模具的弧形凸起的弧形面上设有多个内凹且相互连通的通气道，单条通气道以凹槽的形式设于弧形面上；多条通气道交错后呈田字型分布，异形曲面中空蒙皮的坯料在进行热超塑成形时，所述通气道用于坯料通气；所述通气道与坯料的内型面的筋的位置对应，所述通气道的深度大于坯料内型面的筋的高度；所述通气道的宽度大于坯料内型面的筋的宽度；

所述下模具的两端各设有一个L型通气孔，在进行热超塑成形时，所述L型通气孔用于对异形曲面中空蒙皮的坯料进行通气；

L型通气孔的竖向部分与气缸连接，L型通气孔底部的横向部分与由凸梗与下模具的弧形面形成的密闭空间连通，气缸通过L型通气孔将气体输入到密闭空间内的型腔与下模具弧形凸起之间的间隙中，通过通气道在坯料与下模具的弧形凸起之间流动，并进行保压；所述异形曲面中空蒙皮的坯料形状为长方体状，所述凸梗为长方形状，所述凸梗设于所述长方体状的坯料的内型面上且靠近边缘位置，长方形状的凸梗将其内部的“田”字状的筋围起来，凸梗的高度大于坯料内型面中筋的高度；坯料内型面上的“田”字状筋与下模具上呈田字型分布的通气道的位置对应，且通气道的深度大于筋的高度；当进行热成形时，上模具与下模具对压，将长方体状的坯料压成异形曲面形状，此时，坯料上的凸梗与下模具会形成封闭空间；

步骤4、三维数控铣去除余量；

利用三维数控机床去除热超塑成形后坯料的余量，得到满足尺寸要求的异形曲面中空蒙皮；

步骤5、效果检测。

2.根据权利要求1所述的异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，其特征在于，在所述步骤1中，工艺参数包括：坯料厚度方向、材料牌号、网格设置、冲压方向和成形方式定义。

3.根据权利要求1所述的异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，其特征在于，在所述步骤2中，选择水切割、激光切割、线切割或铣加工中的一种下料方式进行下料，下料后直接利用三维数控机床在异形曲面中空蒙皮的坯料内型面上加工筋和型腔。

4.根据权利要求1所述的异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述热超塑成形过程依次包括预热阶段和加热阶段；

所述预热阶段为：将热成形机的上平台降低到比加工制造模具总高度高出10-20cm的高度；然后将热成形机上平台温度按照100℃-200℃-300℃-400℃-500℃阶段升温至500℃，预热的升温时间15-20h。

5.根据权利要求3所述的异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述加热阶段为：热超塑成形温度为480-500℃，保温时间为30-35min，保压时间为10-30Min，成形时上模具与下模具的压力为50-90MPa，成形时的气体压力为5-100MPa。

6.根据权利要求1至5任一项所述的异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述加工制造模具至少包括两个热电偶；

在异形曲面中空蒙皮的坯料进行热超塑成形时，先利用热电偶将上模具和下模具加热到设定温度，然后对异形曲面中空蒙皮的坯料进行热成形。

7.根据权利要求6所述的异形曲面中空蒙皮的热超塑成形方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述第一限位板和第二限位板的结构相同；

所述第一限位板包括长方体状的限位本体，所述限位本体上的两端设有第一凸块和第二凸块，所述第一凸块和第二凸块与限位本体一体成形；

所述限位本体通过螺栓固定在所述下模具的弧形凸起上，所述第一凸块和第二凸块通过螺栓被固定在所述上模具上，以防止设于所述上模具与所述下模具之间的异形曲面中空蒙皮的坯料的移动。

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