CN114136156B - 一种中空网格结构翼舵的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中空网格结构翼舵的制备方法，属于翼舵制备技术领域，解决了现有技术中的制备翼舵的方法工艺复杂、制备的翼舵性能差的问题。该制备方法包括：a.根据翼舵结构，沿着对弦平面将翼舵分为上下对称的两部分，设计上网格板模型和下网格板模型；b.按照设计模型，制备上网格板和下网格板；c.将上网格板与下网格板装配后进行扩散连接。该方法步骤简单，实施难度小，成形的翼舵性能好、精度高。
Description
技术领域
本发明涉及翼舵制备技术领域，尤其涉及一种中空网格结构翼舵的制备方法。
背景技术
随着飞行器朝高速度、长射程、强突防方向发展，其主体结构轻量化显得越来越迫切。结构轻量化无外乎材料的最轻化、结构最优化及连接形式的最简化。材料重量由其自身密度决定，在满足服役性能前提下，低密度为基本选材原则，现有的金属轻质结构材料中以镁、铝、钛合金为常用结构材料，从材料本身耐高温(≥500℃)性能上只有钛合金具备耐高温特性。结构最优化由设计方案决定，尽可能发挥材料最大效能，除去结构冗余为最佳设计原则，空心拓扑优化结构形式为最优化结构形式。
翼舵类构件一般设计成空心骨架类结构形式，这种空心翼舵常规制造方法有蒙皮+骨架形式。其中，蒙皮和骨架连接形式有沉头铆接、电阻点焊及激光穿透焊接三种连接方法。
上述三种连接方式中铆接形式增加结构重量，其连接为断续局部连接，连接强度并不高；电阻点焊虽然不增加结构重量，但大量焊点形成的凹坑影响表面质量，蒙皮和骨架四周连接还需结合其他焊接方式，工艺路线上较为复杂，焊接形式为局部断续连接，连接强度并不高，焊接还会存在焊接变形和残余应力，需要后续校形和退火处理；激光穿透焊接为目前应用较多的连接形式，这种形式无结构增重，效率高，但这种方法存在焊接变形和热应力，需要校形和退火处理；随着近几年3D打印技术发展，整体3D打印技术也能够制备空心结构翼舵，但是3D打印封闭结构中容易残留粉末，成形后需要做后续热处理，3D打印的铸件组织性能有损失、工艺效率低、成本高。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种中空网格结构翼舵的制备方法，用以解决现有的制备中空网格结构翼舵的方法工艺复杂、制备的翼舵性能差的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种中空网格结构翼舵的制备方法，该制备方法包括：
a.根据翼舵结构，沿着对弦平面将翼舵分为上下对称的两部分，设计上网格板模型和下网格板模型；
b.按照设计模型，制备上网格板和下网格板；
c.将上网格板与下网格板装配后进行扩散连接。
优选地，所述制备方法还包括：在所述上网格板和所述下网格板上设置相对应的导向孔，制备与所述导向孔相匹配的导向柱，在装配上网格板和下网格板时，将所述导向柱插入所述导向孔中，通过所述导向柱连接上网格板和所述下网格板上的导向孔。
优选地，所述上网格板的导向孔为通孔，所述下网格板的导向孔为盲孔。
优选地，所述导向柱的长度使得所述导向柱放置所述导向孔中时导向柱的上端低于上网格板的上表面。
优选地，所述上网格板和所述下网格板的厚度t2＝(t1+α)/2，mm；其中，t1为翼舵最厚处的厚度，mm；α为机加找平余量，mm。
优选地，所述上网格板和所述下网格板的加强筋上设置有豁口，所述上网格板和下网格板的边缘设置有相对应的开口，使得制备的翼舵中的每个网格都与翼舵外部连通。
优选地，所述豁口的深度为0.5-0.7mm，宽度为1.5-2mm，所述开口的深度为1.5-2.0mm，宽度为2-3mm。
优选地，步骤c中，所述扩散连接在真空炉中进行，所述扩散连接的条件包括：真空度不高于10-2Pa，温度为910-970℃，压力为75-100t，时间为90-120min。
优选地，在两个所述压力板之间放置限位块。
优选地，所述制备方法还包括步骤d：机械加工去除工艺余量。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明将翼舵分为上下两部分并结合扩散连接的方法制备中空网格结构翼舵，该方法步骤简单，实施难度小，成形的翼舵性能好、精度高，无需后处理。
2、本发明的方法采用的是扩散连接，扩散连接为面连接，连接强度接近母材，连接强度高，无增重。
3、本发明的方法不受翼舵内部结构限制，可根据承载特性，设计各种中空结构，适合不同宽度加强筋，加强筋宽度可以小于1mm，设计自由度高，且整体重量完全可控。
4、采用本发明的方法制备翼舵时，多件翼舵可叠放成型，一炉次成形多件产品，成形效率高。
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为上网格板的结构示意图；
图2为下网格板的结构示意图；
图3为上网格板与下网格板装配后的结构示意图；
图4为导向柱与导向孔的结构示意图；
图5为扩散连接示意图；
图6为扩散连接后成形产品的示意图；
图7为去除工艺余量后最终的翼舵示意图；
图8为一次制备多个翼舵的叠加放置示意图；
图9为实施例1制备的翼舵产品样品的金相检测图；
图10为实施例2制备的翼舵产品样品的金相检测图；
图11为实施例3制备的翼舵产品样品的金相检测图。
附图标记：
1-上网格板；2-下网格板；3-导向柱；4-通孔；5-盲孔；6-加强筋；7-豁口；8-开口；9-压力板；10-限位块；11-装配好的上下网格板。
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，附图构成本申请一部分，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。
本发明提供了一种中空网格结构翼舵的制备方法，该制备方法包括：
a.根据翼舵结构，沿着对弦平面将翼舵分为上下对称的两部分，设计上网格板模型和下网格板模型；
b.按照设计模型，制备上网格板1和下网格板2，如图1-2所示；
c.将上网格板1与下网格板2装配后进行扩散连接，如图3和图5所示。
需要说明的是，本发明中，所述对弦平面是指翼舵的上平面和下平面之间的中间平面，即，图7中的C-C面。所述中空网格结构是指由翼舵内部的加强筋互相交错形成的结构，对该结构没有特别的限定。
本发明将翼舵分为上下两部分并结合扩散连接的方法制备中空网格结构翼舵，该方法步骤简单，实施难度小，成形的翼舵性能好、精度高，无需后处理；并且，本发明的方法不受翼舵内部结构限制，可根据承载特性，设计各种中空结构，适合不同宽度加强筋，加强筋宽度可以小于1mm，设计自由度高，且整体重量完全可控。
本发明中，为了提高上网格板1和下网格板2的装配精确度，避免上网格板1上的网格与下网格板2上的网格对接错位，优选地，所述制备方法还包括：在所述上网格板1和所述下网格板2上设置相对应的导向孔，制备与所述导向孔相匹配的导向柱3，在装配上网格板1和下网格板2时，将所述导向柱3插入所述导向孔中，通过所述导向柱3连接上网格板1和所述下网格板2上的导向孔。在该优选实施方式中，导向柱3起到导向和定位作用，通过导向孔和导向柱3的配合对上网格板1和下网格板2进行精确定位，使得上下网格板装配时上下网格板的网格相互对应贯通，进而使上下网格板的加强筋对接精确。
本发明中，考虑到导向柱3在导向孔中的稳定性，优选地，所述上网格板1的导向孔为通孔4，所述下网格板2的导向孔为盲孔5。如图4所示，导向柱3贯穿插入通孔4和盲孔5中，并与盲孔5的底部接触，导向孔位置优选设置在网格板最终加工余量部位。
本发明中，考虑到后续扩散连接中需要对上网格板1和下网格板2施加压力，优选地，所述导向柱3的长度使得所述导向柱3放置所述导向孔中时导向柱3的上端低于上网格板1的上表面。优选地，所述导向柱3的上端与上网格板1的上表面之间的距离为3-5mm。
本发明中，所述导向孔的直径优选为20-25mm，盲孔5的深度为10-15mm。
本发明中，所述导向柱3与所述导向孔如果是间隙配合，会引起上下网格板错位，如果是过盈配合，导向柱3难以装配到导向孔中。因此，所述导向柱3与所述导向孔优选采用过渡配合。过渡配合可以进一步提高导向柱3的稳定性以及上下网格板的装配精确度。
本发明中，优选地，所述导向柱3的材料与翼舵的材料相同。
本发明中，对所述导向孔的数量没有特别的限定，但是，为了能够进一步提高上网格板1和下网格板2的装配精确度，优选地，每个网格板上设置至少两个导向孔，且所述导向孔设置在所述网格板的不同边上。
本发明中，考虑到翼舵的轻量化性能，上网格板1和下网格板2在保证加工余量的前提下，厚度应尽可能小，优选地，所述上网格板1和所述下网格板2的厚度t2＝(t1+α)/2，mm；其中，t1为翼舵最厚处的厚度，mm；α为机加找平余量，mm；进一步优选地，α为2-4mm。上网格板1与下网格板2的厚度公差为±0.05mm。翼舵尺寸较小时，α可以取较小值，翼舵尺寸较大时，α可以取较大值。
本发明中，制备上网格板1和下网格板2时，应保证上下网格板的平行度，优选地，所述上网格板1和所述下网格板2的平行度≤0.1mm，以进一步保证上下网格板装配精确度。
所述上网格板1和下网格2的平行度是指上网格板1和下网格2平行的程度，即，指上网格板1相对于下网格2平行的误差最大允许值。
本发明中，采用机械加工方法制备上网格板1、下网格板2和导向柱3，制备完成上网格板1、下网格板2和导向柱3之后，在装配之前，清洗上网格板1、下网格板2和导向柱3，以去除油污。
本发明的扩散连接为面连接，连接强度接近母材，连接强度高，无增重。为了提高上网格板1和下网格板2扩散连接后扩散界面的连接效果，优选地，所述上网格板1和下网格板2的扩散连接接触面的表面粗糙度≤0.8mm。
本发明中，所述网格是由加强筋互相交错形成，为了保证成型后翼舵内部的各个网格跟翼舵外部连通，优选地，所述上网格板1和所述下网格板2的加强筋6上设置有豁口7，所述上网格板1和下网格板2的边缘设置有相对应的开口8，上网格板1的开口8与下网格板2的开口8位置相对应，使得制备的翼舵上形成一个通孔，通过该通孔和豁口7，每个网格都与翼舵外部连通，从而使得翼舵的内部与外部连通。采用该优选方法制备的翼舵内部和外部连通，使得内部压力与外部压力相等，可以避免翼舵在使用过程中因为内外压力差导致翼舵变形，同时，也可以保证在扩散连接过程中内外气压平衡，进一步提高扩散连接效果。
本发明中，所述豁口7设置在网格每边的加强筋中间位置，豁口7的方向垂直于加强筋，以便网格内的气流能够顺利与翼舵外部连通，保证内外压力平衡。
本发明中，优选地，所述豁口7的深度为0.5-0.7mm，宽度为1.5-2mm，所述开口8的深度为1.5-2.0mm，宽度为2-3mm。
所述深度是指沿着垂直于网格板的方向的深度，所述宽度是指平行于网格板方向的宽度。
示例性地，如图1所示，翼舵的中空网格结构是由加强筋互相交错形成，其中加强筋包括曲率半径依次增大的第一弧形加强筋、第二弧形加强筋和第三弧形加强筋，以及以第一弧形加强筋外凸面为基点沿远离第一弧形加强筋外凸面方向延伸至翼舵边缘的第一散射筋和以第三弧形加强筋外凸面为基点沿远离第三弧形加强筋外凸面方向延伸至翼舵边缘的第二散射筋，其中第一散射筋的数量为6条，第二散射筋的数量为2条，弧形加强筋与散射筋相间分布，不同弧形加强筋的端点在翼舵边缘的位置不重叠，同理，不同散射筋的端点在翼舵边缘的位置不重叠。
对于上述中空网格结构的翼舵，散射筋和弧形加强筋间形成网格，豁口7设置在网格每边的加强筋中间位置。豁口7的数量可为19个，基于气动外形和气体动力学考虑，其中，第一弧形加强筋和第二弧形加强筋之间的散射筋、第二弧形加强筋和第三弧形加强筋之间的散射筋上不设置豁口7。
本发明中，扩散温度根据翼舵材料选择相应的扩散连接温度，压力可以通过扩散连接温度下的材料蠕变抗力与扩散连接面积的乘积计算得到。为了进一步提高翼舵性能以及扩散连接效果，优选地，步骤c中，所述扩散连接在真空炉中进行，所述扩散连接的条件包括：真空度不高于10-2Pa，温度为910-970℃，压力为：75-100t，时间为90-120min。
本发明中，所述压力优选为机械压力，将装配好的上网格板1和下网格板2置于两个压力板9之间，所述压力板9向相对方向施压，如图5所示。
本发明中，所述压力板9的上下表面不小于网格板的表面，优选压力板9的上下表面大于网格板的表面。上网格板1和下网格板2置于上下压力板之间的中间位置，以避免设备加载时偏载。
本发明中，扩散连接的具体操作步骤为：先加热升温至910-970℃，保持真空度不高于10-2Pa，保温1-2h后，施压75-100t压力，保压90-120min。
本发明中，为了防止压力板9过度施压而破坏网格板，优选地，在两个所述压力板9之间放置限位块10。所述限位块10的高度为2t2-0.2mm，从而防止压力板9施压过度。所述限位块10可以设置多个，对称放置在零件(装配后的网格板)的周围，离零件边缘距离≥10mm。
所述限位块10可以采用磨床磨削加工，加工精度±0.02mm。所述限位块10的材料为硬度和耐温性能都大于翼舵的材料，例如，所述限位块10的材料为镍基高温合金GH4099。
本发明中，在扩散连接后得到的产品(如图6所示)边缘切取样品，用金相法检测样品，判断扩散界面连接情况。可以检测不同位置的多个样品，例如从四个角切取样品。金相法检测的具体步骤如下；
金相试样可切割成10×10小块，按照金相试样制备方法进行磨制抛光，采用低倍光学显微观察扩散连接界面有无分层或者空洞。
本发明中，优选地，所述制备方法还包括步骤d：进行机械加工去除工艺余量。机械加工时可以以上网格板1的导向孔中心作为加工基准。最终得到的翼舵如图7所示。
采用本发明的扩散连接方法制备翼舵时，多件翼舵可叠放成型，如图8所示，从下到上一次叠放下网格板、上网格板、下网格板、上网格板、下网格板、上网格板，图8中，标号11表示一个装配好的上下网格板整体，图8中一共有3层，表示同时制备3个翼舵产品，限位块10的高度应该根据翼舵叠加高度进行选择。一炉次成形多件产品，成形效率高。叠放成型时，上网格板的表面需要涂覆涂料(例如氮化硼涂料)，以防止上网格板与其上面叠加的下网格板发生粘连。
下面，通过具体实施例进一步说明本发明的中空网格结构翼舵的制备方法。
实施例1
a.根据翼舵结构(弦长500mm，展长400mm，根部最大厚度t1＝32mm，加强筋宽度1.5mm，材料为Ti2AlNb)，加强筋包括深度0.5mm、宽度1.5mm的豁口，豁口位置在加强筋中间位置，沿着对弦平面将翼舵分为上下对称的两部分，设计上网格板模型和下网格板模型；
b.按照设计模型，机械加工制备上网格板和下网格板，厚度为17mm(α为2)，上网格板和下网格板的导向孔的直径为20mm，下网格板的盲孔深12mm；
机械加工制备导向柱(材料为Ti2AlNb)，导向柱长25mm，导向柱的直径为20mm；
上下网格板的加强筋上的豁口分布在加强筋中间位置，深0.5mm，宽1.5mm；网格板边缘的开口分布在一条边上，深度为1.5mm，宽度为2mm。
制备限位块，材料为镍基高温合金GH4099，数量为6个，高度为33.8mm。
c.清洗上网格板、下网格板和导向柱，去除表面油污；
d.装配上网格板、下网格板和导向柱，并压紧各部件；
e.将装配后的零件置于真空炉中的两个压力板之间，在零件的周围对称放置限位块，先加热升温至960℃，保持真空度不高于10-2Pa，保温1h后，施压90t压力，保压2h进行扩散连接。
f.从步骤e得到的产品的切取样品，用金相法检测样品，判断扩散界面连接情况。结果如图9所示，扩散连接面连接完好。
g.以上网格板的导向孔中心作为加工基准，进行机械加工去除工艺余量，得到中空网格结构翼舵。
实施例2
a.根据翼舵结构(弦长450mm，展长400mm，根部最大厚度t1＝40mm，加强筋宽度1.2mm，材料为Ti2AlNb)，沿着对弦平面将翼舵分为上下对称的两部分，设计上网格板模型和下网格板模型；
b.按照设计模型，机械加工制备上网格板和下网格板，厚度为22mm(α为4)，上网格板和下网格板的导向孔的直径为25mm，下网格板的盲孔深15mm；
机械加工制备导向柱(材料为Ti2AlNb)，导向柱长35mm，导向柱的直径为25mm，加工时取负差，最大负差-0.5。
上下网格板的加强筋上的豁口深0.7mm，宽2mm；网格板边缘的开口深度为2mm，宽度为3mm。
制备限位块，材料为镍基高温合金GH4099，数量为8个，高度为43.8mm。
c.清洗上网格板、下网格板和导向柱，去除表面油污；
d.装配上网格板、下网格板和导向柱，并压紧各部件；
e.将装配后的零件置于真空炉中的两个压力板之间，在零件的周围对称放置限位块，先加热升温至970℃，保持真空度不高于10-2Pa，保温2h后，施压100t压力(该温度下材料蠕变抗力约为20MPa，扩散连接面积50000mm2)，保压2h进行扩散连接。
f.在步骤e得到的产品的四个角切取样品，用金相法检测样品，判断扩散界面连接情况。结果如图10所示，扩散连接面连接完好
g.以上网格板的导向孔中心作为加工基准，进行机械加工去除工艺余量，得到中空网格结构翼舵。
实施例3
a.根据翼舵结构(弦长300mm，展长20mm，根部最大厚度t1＝20mm，加强筋宽度0.8mm，材料为Ti2AlNb)，沿着对弦平面将翼舵分为上下对称的两部分，设计上网格板模型和下网格板模型；
b.按照设计模型，机械加工制备上网格板和下网格板，厚度为11mm(α为2)，上网格板和下网格板的导向孔的直径为20mm，下网格板的盲孔深8mm；
机械加工制备导向柱(材料为Ti2AlNb)，导向柱长18mm，导向柱的直径为20mm；
上下网格板的加强筋上的豁口深0.6mm，宽1.7mm；网格板边缘的开口深度为1.7mm，宽度为2.5mm。
制备限位块，材料为镍基高温合金GH4099，数量为8个，高度为21.8mm。
c.清洗上网格板、下网格板和导向柱，去除表面油污；
d.装配上网格板、下网格板和导向柱，并压紧各部件；
e.将装配后的零件置于真空炉中的两个压力板之间，在零件的周围对称放置限位块，先加热升温至910℃，保持真空度不高于10-2Pa，保温1h后，施压75t压力，保压2h进行扩散连接。
f.在步骤e得到的产品的四个角切取样品，用金相法检测样品，判断扩散界面连接情况。结果如图11所示，扩散连接面连接完好。
g.以上网格板的导向孔中心作为加工基准，进行机械加工去除工艺余量，得到中空网格结构翼舵。
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 (4)
1.一种中空网格结构翼舵的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
a.根据翼舵结构，沿着对弦平面将翼舵分为上下对称的两部分，设计上网格板模型和下网格板模型；
b.按照设计模型，制备上网格板(1)和下网格板(2)；
c.将上网格板(1)与下网格板(2)装配后进行扩散连接；
所述制备方法还包括：在所述上网格板(1)和所述下网格板(2)上设置相对应的导向孔，制备与所述导向孔相匹配的导向柱(3)，在装配上网格板(1)和下网格板(2)时，将所述导向柱(3)插入所述导向孔中，通过所述导向柱(3)连接上网格板(1)和所述下网格板(2)上的导向孔；所述导向柱(3)与所述导向孔采用过渡配合；
所述上网格板(1)的导向孔为通孔(4)，所述下网格板(2)的导向孔为盲孔(5)；
所述导向柱(3)的长度使得所述导向柱(3)放置所述导向孔中时导向柱(3)的上端低于上网格板(1)的上表面；所述导向孔位置设置在网格板最终加工余量部位；
所述上网格板(1)和所述下网格板(2)的加强筋(6)上设置有豁口(7)，所述上网格板(1)和下网格板(2)的边缘设置有相对应的开口(8)，使得制备的翼舵中的每个网格都与翼舵外部连通；所述豁口(7)的深度为0.5-0.7mm，宽度为1.5-2mm，所述开口(8)的深度为1.5-2.0mm，宽度为2-3mm；
所述上网格板(1)和所述下网格板(2)的厚度t2＝(t1+α)/2，mm；其中，t1为翼舵最厚处的厚度，mm；α为机加找平余量，mm；
所述翼舵的中空网格结构是由加强筋互相交错形成，所述加强筋包括曲率半径依次增大的第一弧形加强筋、第二弧形加强筋和第三弧形加强筋，以及以第一弧形加强筋外凸面为基点沿远离第一弧形加强筋外凸面方向延伸至翼舵边缘的第一散射筋和以第三弧形加强筋外凸面为基点沿远离第三弧形加强筋外凸面方向延伸至翼舵边缘的第二散射筋；
所述加强筋宽度小于1mm；
所述扩散连接在真空炉中进行，所述扩散连接的条件为：先加热升温至910-970℃，保持真空度不高于10-2Pa，保温1-2h后，施压75-100t压力，保压90-120min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述豁口的深度为0.5-0.7mm，宽度为1.5-2mm，所述开口的深度为1.5-2.0mm，宽度为2-3mm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，将装配好的上网格板(1)和下网格板(2)置于两个压力板(9)之间，所述压力板(9)向相对方向施压；在两个所述压力板(9)之间放置限位块(10)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤d：机械加工去除工艺余量。
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