CN114799756B - 一种高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置及使用方法，属于航空飞机铝合金钣金加工技术领域。本发明将蒙皮拉伸成形与壁板喷丸成形两者优点结合到一起，设计一种全新的高筋条铝合金壁板零件复合成形工艺流程及一种全新的复合成形工装，通过数控铣切、蒙皮拉伸成形和喷丸成形三种不同的成形方式及工艺流程加工出合格的零件。本发明可以用于制造大曲率高筋条壁板类零件，成形后零件筋条不发生断裂、扭曲，表面不产生粗晶、“橘皮”、锤痕等表面缺陷，零件抗疲劳以及抗腐蚀能力增强。此外，本发明采用薄壁板料作为原材料加工零件，避免使用厚板以及减少了机械加工铣切量，降低原材料成本和加工成本。
Description
技术领域
本发明属于航空飞机铝合金钣金加工技术领域，涉及一种高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置及方法。
背景技术
新研机型前置油箱采用高筋条铝合金整体壁板的设计方案，蒙皮厚度1.5mm，分布高度15mm、壁厚1.5mm的长桁。与传统三代机油箱壁板曲度较小不同的是，此类壁板整体曲度大，曲率达到R600mm以上，若采用传统的机加工艺方案，需采购1米左右厚度的铝板，且需申请专用机加铣切用夹具，工艺装备设计和制造周期长、成本巨大，机加后零件变形量无法控制。若采用先按数模展开状态进行机加工再进行钣金成形的方式，则成形时需靠反复“收料”、“放料”以及“收放料结合”的方式迫使材料流动，容易出现筋条失稳、筋条压裂；腹板失稳、腹板压裂；零件型面无法精准制造等问题，且大量锤击造成零件表面质量差。此外，该零件涉及飞机油箱的气密性及疲劳寿命，大量手工修整以及打磨，易影响使用性能，造成飞机飞行安全隐患，因此该类壁板具有较大的加工难度。
发明内容
本发明提供了一种高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置(简称工装)及方法，设计了一种全新的高筋条铝合金壁板零件复合成形工艺流程及一种全新的复合成形工装，通过数控铣切、蒙皮拉伸成形和喷丸成形三种不同的成形方式及工艺流程加工出合格的零件。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置，包括压脚1、定位孔衬套2、调节压板3、内六角螺钉4、筋条躲避槽5、定位基准孔6、螺纹吊环7和检验压块8。
所述的压脚1在工装四角各设置一处，压脚1为正方形，边长在80-150mm之间，用于蒙皮拉伸成形时，使用压块将工装固定在平台上，保证蒙皮拉伸成形过程中工装相对位置不发生移动；两个压脚1之间各安装两个定位孔衬套2，定位孔衬套2位置选在不影响第一步蒙皮拉伸成形的方向上，可根据工艺方法的不同而选择在不同的位置；每个定位孔衬套2旁边各设置一个调节压板3，用于喷丸成形时施加预应力，保证在喷丸成形前蒙皮拉伸成形产生的型面保持不变，防止零件与工装分离；调节压板3中间为长方形开孔，里面安装内六角螺钉4，用于调节压板3与零件之间的距离，保证足够的预应力；工装表面根据零件筋条的位置，沿零件筋条方向设置筋条躲避槽5，蒙皮拉伸成形时零件所附筋条向下放置在工装表面筋条躲避槽5内进行拉伸成形，筋条躲避槽5根据实际零件筋条宽度两侧各留出10-15mm加工余量，便于筋条嵌入；工装最上面的筋条躲避槽5旁中心轴线方向两端各设置一处定位基准孔6，用于保证蒙皮拉伸成形的定位与喷丸成形的定位基准保持一致，减少成形过程中的偏差对零件最终型面造成的影响；在工装没有安装定位孔衬套2的两边对称位置各设置两处检验压块8，检验压块8与工装表面间隙设置为零件厚度再加上根据设计要求设定的距离，用于零件最终成形后检验零件与压块之间的间隙来判断是否符合设计的间隙要求；在工装两侧表面筋条躲避槽5下方，沿工装底边方向各对称设置两个螺纹吊环7，用于工装吊装和搬运。
进一步的，所述的高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置选用金属材料或树脂材料。
一种高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1，确定高筋条薄壁铝合金壁板的数控铣切毛坯所需要的尺寸，用于第二步数控铣切毛坯使用，拉伸方向毛坯长度L按简化公式确定：
L＝l+2(S1+S2+S3) (1)
式中，l表示高筋条薄壁铝合金壁板在最大截面内的展开长度，单位为毫米(mm)；S1表示工装外形至零件边缘线的距离，为50mm-70mm；S2表示毛坯夹持部分和工装在端部的截面形状的不符合性协调余量，为50mm-100mm，取决于拉伸时毛坯的最终变形；S3表示毛坯夹持部分的余量，为50mm-100mm，该余量与夹钳构造有关。
毛坯宽度则按零件净尺寸宽度即可。
步骤2，采用数控铣切加工的方式，铣切出高筋条薄壁铝合金壁板在展开状态下的平直外形，包含所有筋条，得到毛坯，该毛坯长度即为第一步工序确定的毛坯拉伸方向长度L，宽度则为零件净尺寸宽度。
步骤3，蒙皮拉伸前准备：
(1)使用吊钩挂在螺纹吊环7中，将工装吊运并放在蒙皮拉伸机中间的工作平台上，调整定位基准孔6与平台的中心轴线X轴方向保持水平，公差控制在正负3mm均可，调整完毕后使用四个压板压在工装四个压脚1上，保证工装在拉伸成形过程中不发生移动。
(2)将铣切完的毛坯筋条向下放置在工装表面筋条躲避槽5内，毛坯两侧部分放入蒙皮拉伸机钳口中，按夹具轴线对称安装毛坯；若钳口夹紧板材宽度小于蒙皮拉伸机钳口宽度h的75％，则应在钳口的空闲处增加与毛坯相同材料牌号、厚度的垫片，目的是保证毛坯与钳口接触的所有面积均匀夹紧，防止毛坯边缘拉断、损坏钳口。
步骤4，启动蒙皮拉伸机沿筋条长度方向进行拉伸成形，完成拉伸应确定拉伸力，计算拉伸力应按拉伸力等于使毛坯断裂所需的力来计算，简单拉伸成形所需的拉伸力按下式确定：
式中，P表示拉伸力，单位为牛(N)；σb表示抗拉强度，单位为兆帕(MPa)；b0表示毛坯宽度，单位为毫米(mm)；h0表示毛坯厚度，单位为毫米(mm)；α表示零件的拉伸成形弧度；Kp表示无量纲系数，该系数考虑到拉伸成形时应力-应变状态图的非线性影响。
步骤5，毛坯完成拉伸成形后，将两侧多余部分剪切去掉，获得高筋条薄壁铝合金壁板的净尺寸，即半成品，外形公差控制在正负0.5mm，半成品与工装间隙在无压力自由状态下控制在20mm以内；将工装和半成品吊运至下一步工序喷丸成形机工作平台上，再次使用定位基准孔6调整工装与工作平台的X轴方向保证公差在正负3mm之内；调整完毕后使用销钉插入半成品表面耳片孔与工装表面定位孔衬套2中，对半成品进行定位，并安装调节压板3使用内六角螺钉4进行压紧，保证半成品与工装表面贴合。
步骤6，使用喷丸成形机对半成品进行喷丸成形，获得零件最终外形：
(1)检查弹丸外形，外形检查前，弹丸样本的取样规定为：弹丸样本从机床内的喷嘴里选取，将弹丸取样桶清空，放置在机床内的工作台上；将喷嘴移动至桶口上方，使喷嘴对准取样桶并最少保持100mm的高度，运行机床使喷嘴向桶内喷射弹丸，关闭机床取出取样桶，选取弹丸进行检查，球体和椭球体为合格；
(2)检查弹流量，每个喷嘴单独计算，弹流量单位定为kg/min或lbs/min，各喷嘴设定流量值与实测值之差不应超过±10％，通常可设置在8kg/min±10％；
(3)操作者佩戴手套，避免半成品上产生手印，使用P-68胶布或其他胶布及专用保护物对半成品的筋条进行保护，检查固定后半成品是否发生窜动；上述检查工作结束后使用手动喷丸成形机对半成品表面非筋条位置进行喷丸成形，喷丸成形的时间和速度是由高筋条薄壁铝合金壁板材料在饱和参数下获得100％覆盖率决定的，工人按要求执行喷丸成形操作；喷丸成形结束后，手工及压缩空气去除多余物和残留弹丸，丙酮擦拭去除保护用的胶布残留；在喷丸成形过程中可多次使用检验压块8对成形效果进行检查，保证贴合间隙，直至获得零件最终外形。
本发明的有益效果：本发明将蒙皮拉伸成形与壁板喷丸成形两者优点结合到一起，可以制造大曲率高筋条壁板类零件，实现高筋条薄壁铝合金壁板类零件的高质量加工，成形后零件筋条不发生断裂、扭曲，表面不产生粗晶、“橘皮”、锤痕等表面缺陷，零件抗疲劳以及抗腐蚀能力增强。此外，采用薄壁板料作为原材料加工零件，避免使用厚板以及减少了机械加工铣切量，降低了原材料成本和加工成本。
附图说明
图1为零件结构图。
图2为复合工装俯视图。
图3为复合工装侧视图。
图4为毛坯尺寸示意图。
图5为毛坯在夹具中的安装示意图。
图中：1压脚；2定位孔衬套；3调节压板；4内六角螺钉；5筋条躲避槽；6定位基准孔；7螺纹吊环；8检验压块；l高筋条薄壁铝合金壁板在最大截面内的展开长度；S1工装外形至零件边缘线的距离；S2毛坯夹持部分和工装在端部的截面形状的不符合性协调余量；S3毛坯夹持部分的余量；h蒙皮拉伸机钳口宽度；L毛坯长度。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例：
一种高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置，包括压脚1、定位孔衬套2、调节压板3、内六角螺钉4、筋条躲避槽5、定位基准孔6、螺纹吊环7和检验压块8。
在工装四角各设置一处压脚1，压脚1为正方形，边长为100mm，用于蒙皮拉伸成形时，使用压块将工装固定在平台上，保证蒙皮拉伸成形过程中工装相对位置不发生移动；两个压脚1之间各安装两个定位孔衬套2，定位孔衬套2位置选在不影响第一步蒙皮拉伸成形的方向上，可根据工艺方法的不同而选择在不同的位置；每个定位孔衬套2旁边各设置一个调节压板3，用于喷丸成形时施加预应力，保证在喷丸成形前蒙皮拉伸成形产生的型面保持不变，防止零件与工装分离；调节压板3中间为长方形开孔，里面安装内六角螺钉4，用于调节压板3与零件之间的距离，保证足够的预应力；工装表面根据零件筋条的位置，沿零件筋条方向设置筋条躲避槽5，蒙皮拉伸成形时零件所附筋条向下放置在工装表面筋条躲避槽5内进行拉伸成形，筋条躲避槽5根据实际零件筋条宽度两侧各留出10-15mm加工余量，便于筋条嵌入；工装最上面的筋条躲避槽5旁中心轴线方向两端各设置一处定位基准孔6，用于保证蒙皮拉伸成形的定位与喷丸成形的定位基准保持一致，减少成形过程中的偏差对零件最终型面造成的影响；在工装没有安装定位孔衬套2的两边对称位置各设置两处检验压块8，检验压块8与工装表面间隙设置为零件厚度再加上根据设计要求设定的距离，用于零件最终成形后检验零件与压块之间的间隙来判断是否符合设计的间隙要求；在工装两侧表面筋条躲避槽5下方，沿工装底边方向各对称设置两个螺纹吊环7，用于工装吊装和搬运。
所述的高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置选用金属材料。
一种高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1，确定高筋条薄壁铝合金壁板的数控铣切毛坯所需要的尺寸，用于第二步数控铣切毛坯使用，拉伸方向毛坯长度L按简化公式确定：
L＝l+2(S1+S2+S3) (1)
式中，l表示高筋条薄壁铝合金壁板在最大截面内的展开长度，单位为毫米(mm)；S1表示工装外形至零件边缘线的距离，为60mm；S2表示毛坯夹持部分和工装在端部的截面形状的不符合性协调余量，为80mm；S3表示毛坯夹持部分的余量，为80mm。
毛坯宽度则按高筋条薄壁铝合金壁板实际宽度即可。
步骤2，采用数控铣切加工的方式，铣切出高筋条薄壁铝合金壁板在展开状态下的平直外形，包含所有筋条，得到毛坯，该毛坯长度即为第一步工序确定的毛坯拉伸方向长度L，宽度则为零件净尺寸宽度。
步骤3，蒙皮拉伸前准备：
(1)使用吊钩挂在螺纹吊环7中，将工装吊运并放在蒙皮拉伸机中间的工作平台上，调整定位基准孔6与平台的中心轴线X轴方向保持水平，公差控制在正负3mm均可，调整完毕后使用四个压板压在工装四个压脚1上，保证工装在拉伸成形过程中不发生移动。
(2)将铣切完的毛坯筋条向下放置在工装表面筋条躲避槽5内，毛坯两侧部分放入蒙皮拉伸机钳口中，按夹具轴线对称安装毛坯；若钳口夹紧板材宽度小于蒙皮拉伸机钳口宽度h的75％，则应在钳口的空闲处增加与毛坯相同材料牌号、厚度的垫片，目的是保证毛坯与钳口接触的所有面积均匀夹紧，防止毛坯边缘拉断、损坏钳口。
步骤4，启动蒙皮拉伸机沿筋条长度方向进行拉伸成形，完成拉伸应确定拉伸力，计算拉伸力应按拉伸力等于使毛坯断裂所需的力来计算，简单拉伸成形所需的拉伸力按下式确定：
式中，P表示拉伸力，单位为牛(N)；σb表示抗拉强度，单位为兆帕(MPa)；b0表示毛坯宽度，单位为毫米(mm)；h0表示毛坯厚度，单位为毫米(mm)；α表示零件的拉伸成形弧度；Kp表示无量纲系数，根据下表1选取Kp值：
表1常用无量纲系数表(补充系数)
| 零件材料牌号 | Kp |
| 30CrMnSiA | 1.1 |
| 2D12 | 1.02 |
| 7B04 | 1.02 |
| LF6 | 1 |
步骤5，毛坯完成拉伸成形后，将两侧多余部分剪切去掉，获得高筋条薄壁铝合金壁板的净尺寸，即半成品，外形公差控制在正负0.5mm，半成品与工装间隙在无压力自由状态下控制在20mm以内；将工装和半成品吊运至下一步工序喷丸成形机工作平台上，再次使用定位基准孔6调整工装与工作平台的X轴方向保证公差在正负3mm之内；调整完毕后使用销钉插入半成品表面耳片孔与工装表面定位孔衬套2中，对半成品进行定位，并安装调节压板3使用内六角螺钉4进行压紧，保证半成品与工装表面贴合。
步骤6，使用喷丸成形机对半成品进行喷丸成形，获得零件最终外形：
(4)检查弹丸外形，外形检查前，弹丸样本的取样规定为：弹丸样本从机床内的喷嘴里选取，将弹丸取样桶清空，放置在机床内的工作台上；将喷嘴移动至桶口上方，使喷嘴对准取样桶并最少保持100mm的高度，运行机床使喷嘴向桶内喷射弹丸，关闭机床取出取样桶，选取弹丸进行检查，球体和椭球体为合格；
(5)检查弹流量，每个喷嘴单独计算，弹流量单位定为kg/min或lbs/min，各喷嘴设定流量值与实测值之差不应超过±10％，通常可设置在8kg/min±10％；
(6)操作者佩戴手套，避免半成品上产生手印，使用P-68胶布或其他胶布及专用保护物对半成品的筋条进行保护，检查固定后半成品是否发生窜动；上述检查工作结束后使用手动喷丸成形机对半成品表面非筋条位置进行喷丸成形，喷丸成形的时间和速度是由高筋条薄壁铝合金壁板材料在饱和参数下获得100％覆盖率决定的，工人按要求执行喷丸成形操作；喷丸成形结束后，手工及压缩空气去除多余物和残留弹丸，丙酮擦拭去除保护用的胶布残留；在喷丸成形过程中可多次使用检验压块8对成形效果进行检查，保证贴合间隙，直至获得零件最终外形。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造方法，其特征在于，所采用的高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置包括压脚(1)、定位孔衬套(2)、调节压板(3)、内六角螺钉(4)、筋条躲避槽(5)、定位基准孔(6)、螺纹吊环(7)和检验压块(8)；
所述的压脚(1)在工装四角各设置一处，压脚(1)为正方形，边长在80-150mm之间；两个压脚(1)之间各安装两个定位孔衬套(2)，定位孔衬套(2)位置选在不影响步骤1蒙皮拉伸成形的方向上，根据工艺方法的不同而选择在不同的位置；定位孔衬套(2)旁设置调节压板(3)；调节压板(3)中间为长方形开孔，用于安装内六角螺钉(4)；工装表面根据零件筋条的位置，沿零件筋条方向设置筋条躲避槽(5)，蒙皮拉伸成形时零件所附筋条向下放置在工装表面筋条躲避槽(5)内进行拉伸成形，筋条躲避槽(5)根据实际零件筋条宽度两侧各留出10-15mm加工余量；工装最上面的筋条躲避槽(5)旁中心轴线方向两端各设置一处定位基准孔(6)；在工装没有安装定位孔衬套(2)的两边对称位置设置检验压块(8)，检验压块(8)与工装表面间隙设置为零件厚度再加上根据设计要求设定的距离；在工装两侧表面筋条躲避槽(5)下方，沿工装底边方向各对称设置两个螺纹吊环(7)；
所述方法包括以下步骤：
步骤1，确定高筋条薄壁铝合金壁板的数控铣切毛坯所需要的尺寸，用于步骤2数控铣切毛坯使用，拉伸方向毛坯长度L按简化公式确定：
L＝l+2(S1+S2+S3) (1)
式中，l表示高筋条薄壁铝合金壁板在最大截面内的展开长度，单位为毫米；S1表示工装外形至零件边缘线的距离，为50mm-70mm；S2表示毛坯夹持部分和工装在端部的截面形状的不符合性协调余量，为50mm-100mm；S3表示毛坯夹持部分的余量，为50mm-100mm；毛坯宽度则按零件净尺寸宽度即可；
步骤2，采用数控铣切加工的方式，铣切出高筋条薄壁铝合金壁板在展开状态下的平直外形，包含所有筋条，得到毛坯，该毛坯长度即为步骤1工序确定的毛坯拉伸方向长度L，宽度则为零件净尺寸宽度；
步骤3，蒙皮拉伸前准备：
(1)使用吊钩挂在螺纹吊环(7)中，将工装吊运并放在蒙皮拉伸机中间的工作平台上，调整定位基准孔(6)与平台的中心轴线X轴方向保持水平，公差控制在正负3mm，调整完毕后使用四个压板压在工装四个压脚(1)上，保证工装在拉伸成形过程中不发生移动；
(2)将铣切完的毛坯筋条向下放置在工装表面筋条躲避槽(5)内，毛坯两侧部分放入蒙皮拉伸机钳口中，按夹具轴线对称安装毛坯；若钳口夹紧板材宽度小于蒙皮拉伸机钳口宽度h的75％，则应在钳口的空闲处增加与毛坯相同材料牌号、厚度的垫片；
步骤4，启动蒙皮拉伸机沿筋条长度方向进行拉伸成形，完成拉伸应确定拉伸力，计算拉伸力应按拉伸力等于使毛坯断裂所需的力来计算，简单拉伸成形所需的拉伸力按下式确定：
式中，P表示拉伸力，单位为牛；σb表示抗拉强度，单位为兆帕；b0表示毛坯宽度，单位为毫米；h0表示毛坯厚度，单位为毫米；α表示零件的拉伸成形弧度；Kp表示无量纲系数；
步骤5，毛坯完成拉伸成形后，将两侧多余部分剪切去掉，获得高筋条薄壁铝合金壁板的净尺寸，即半成品，外形公差控制在正负0.5mm，半成品与工装间隙在无压力自由状态下控制在20mm以内；将工装和半成品吊运至步骤6工序喷丸成形机工作平台上，再次使用定位基准孔(6)调整工装与工作平台的X轴方向保证公差在正负3mm之内；调整完毕后使用销钉插入半成品表面耳片孔与工装表面定位孔衬套(2)中，对半成品进行定位，并安装调节压板(3)使用内六角螺钉(4)进行压紧，保证半成品与工装表面贴合；
步骤6，使用喷丸成形机对半成品进行喷丸成形，获得零件最终外形：
1)检查弹丸外形，外形检查前，弹丸样本的取样规定为：弹丸样本从机床内的喷嘴里选取，将弹丸取样桶清空，放置在机床内的工作台上；将喷嘴移动至桶口上方，使喷嘴对准取样桶并最少保持100mm的高度，运行机床使喷嘴向桶内喷射弹丸，关闭机床取出取样桶，选取弹丸进行检查，球体和椭球体为合格；
2)检查弹流量，每个喷嘴单独计算，弹流量单位定为kg/min或lbs/min，各喷嘴设定流量值与实测值之差不应超过±10％；
3)操作者佩戴手套，避免半成品上产生手印，并对半成品的筋条进行保护，检查固定后半成品是否发生窜动；检查工作结束后对半成品表面非筋条位置进行喷丸成形，喷丸成形的时间和速度由高筋条薄壁铝合金壁板材料在饱和参数下获得100％覆盖率决定的；喷丸成形结束后，去除多余物、残留弹丸、胶布残留；在喷丸成形过程中可多次使用检验压块(8)对成形效果进行检查，保证贴合间隙，直至获得零件最终外形。
2.根据权利要求1所述的一种高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造方法，其特征在于，所述的高筋条薄壁铝合金壁板零件复合制造装置选用金属材料或树脂材料。
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