CN114985598A - 铝合金马鞍形蒙皮零件的制造模具及加工方法 - Google Patents

铝合金马鞍形蒙皮零件的制造模具及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空钣金技术领域，具体涉及一种铝合金马鞍形蒙皮零件的制造模具及加工方法，包括拉伸模和铣切模，拉伸模用于马鞍形蒙皮拉伸成形；铣切模用于数控铣切马鞍形蒙皮边缘；铝合金马鞍形蒙皮零件成形方法保证了零件的外形型面及边缘精度符合图纸制造要求，运用此技术方法制造零件，实现零件外形贴胎度公差±0.5㎜，边缘制造精度公差±0.2㎜。

Description

铝合金马鞍形蒙皮零件的制造模具及加工方法
技术领域
本发明属于航空钣金技术领域，涉及铝合金马鞍形蒙皮零件的制造模具及加工方法。
背景技术
蒙皮是航空器空气动力外形的钣金件及内部框架结构的包覆件，既是气动外形的重要部件，同时也可承受和传递相应的气动载荷。对于航空飞机来说，蒙皮类零件占全机钣金零件的17％～20％，如机身蒙皮、前缘蒙皮、尾翼蒙皮、舱门蒙皮及口盖等。蒙皮零件具有三维曲面气动外形，外形尺寸及曲率大，其制造精度直接影响着航空器的气动外形，同时又必须与内部构件相协调，因此这些特点使对蒙皮的成形精度、表面质量及工艺控制要求更高，其成形方法可分为拉伸成形、滚弯成形及闸压成形等。双曲度马鞍形蒙皮零件是垂直尾翼上缘的重要气动构件，对成形精度及成形质量要求很高，在进行横向拉伸成形过程中，由于马鞍形横、纵向圆角处曲率变化大，横向R角50mm，纵向R角2500mm，零件鞍峰与下边缘最低端间高度差，鞍峰-最低＝89mm，横向宽度差422-406＝16mm，拉形过程中板料受拉力作用由鞍峰向鞍谷方向滑移形成皱褶，鞍峰部位未参与变形，R角处变形量较大，鞍谷两侧夹边出现滑移线、粗晶或桔皮等表面缺陷。拉伸成形后，振动剪初切割，手工修整后划线精切边缘，边缘制造精度0.5㎜＞0.2㎜，手工铣切的边缘造精度无法保证零件外形精准制造。
发明内容
本发明要解决铝合金马鞍形蒙皮拉伸成形过程中出现滑移线、粗晶或桔皮等缺陷，提高零件外形边缘精准制造,提出了一种马鞍形蒙皮制造的加工方法，有效抑制材料成形过程中的延伸率变化，设计专用适合马鞍蒙皮加工的组合模具，该成形方法可用于铝合金各种材料、不同规格的马鞍形蒙皮成形的制造方法。
本发明的技术方案如下：
铝合金马鞍形蒙皮零件的制造模具，包括：拉伸模和铣切模，拉伸模用于马鞍形蒙皮拉伸成形；铣切模用于数控铣切马鞍形蒙皮边缘；
所述的拉伸模包括胎体1，减轻槽2，环氧胶砂层3，基准孔4，排气孔5，胶注式钻套6，手柄式插销7，定位槽8，吊棒9和圆包角10；胎体1为马鞍形，胎体1内腔均匀分布设置有减轻槽2，减轻槽2纵向顶部形状与胎体1顶部外型面弧形一致；
环氧胶砂层3覆盖在胎体1基体顶部外表面；基准孔4位于胎体1顶部端头两侧，用于返修模具及定期检测模具时数控加工基准定位；排气孔5分布于前后的鞍谷处，排气孔5要贯穿胎体1的顶部；胶注式钻套6与手柄式插销7配合使用，胶注式钻套6用于限定手柄式插销7的轴线位置，手柄式插销7用于防止零件与拉伸模之间相互移动，手柄式插销7插入环氧胶砂层3及胎体1；定位槽8设置在胎体1非成形端两侧，拉伸模通过定位槽8与拉伸机设备上的平台定位连接，定位槽8的中心线与胎体1的中心线一致；
吊棒9位于定位槽8上方，吊棒9嵌入胎体1内部，其余部分置于胎体1外部；圆包角10与胎体1胶粘连接，呈圆形结构，顶端高度与鞍峰高度相同，与胎体1水平角度成30°夹角，圆包角10用于降低R角处变形量，减少鞍谷两侧夹边出现滑移线、粗晶或桔皮缺陷；
所述的铣切模模具包括基体11、靠模铣切模板12、铝制边条13，钻套14和圆柱插销15；基体11外形型面与拉伸模加上零件料厚之后的外形型面一致；靠模铣切模板12设置在基体11上表面，四周边缘镶铝制边条13；铝制边条13四边设置有通孔，通孔的位置不对等，钻套14与圆柱插销15配合使用，圆柱插销15插入通孔中，用于零件的定位和防错。
铝合金马鞍形蒙皮零件的制造模具加工零件的方法，步骤如下：
第一步：安装专用平台，使用轨道式吊车将拉伸所需的专用平台放置于拉伸机中心位置；
第二步：安装拉伸模，使用专业的吊装绳索分别套住吊棒9，再次使用轨道式吊车将拉伸模放在平台中心位置，保证拉伸模与平台固定良好，按拉伸方向摆好拉伸模位置，使之与钳口方向一致；
第三步：装夹毛料，将零件毛料两端放置于拉伸机钳口中，使端头与钳口底端接触，保证两侧钳口夹持量不少于50㎜；
第四步：关闭钳口且夹紧毛料，检查钳口毛料夹持状态，保证钳口完全夹紧毛料；
第五步：横向预拉伸成形，拉伸模上升与毛料接触，材料开始受力弯曲；当材料弯曲至60％面积接触到拉伸模型面上时，松开钳口，取出预拉伸毛料；拉伸所需的机床吨位可以按毛料单位面积产生0.9σb的应力计算，所以横拉时工作台面上顶力为P，板料在预拉伸时，由于蒙皮结构，在拉伸最后阶段两侧接近垂直，机床顶力最大；
Figure BDA0003622823220000031
其中，P为拉伸机拉力,单位N；T＝0.9σb；F为板料剖面积，单位㎜；σb为抗拉强度，单位Mpa；α为板料与模具间夹角，单位°；
第六步：将预拉伸毛料进行热处理，将预拉伸毛料从钳口中取出，使用硝盐炉或空气炉对预拉伸毛料进行淬火处理，淬火后的预拉伸毛料为“W”或“AQ”状态，AQ是固溶热处理后的新淬火状态；W固溶处理后在自然时效状态中的一种不稳定状态，性能随着时效时间而变化；
第七步：重复操作第三步和第四步加工步骤，进行第二次拉伸成形，钳口夹持预拉伸毛料全部包住拉伸模工作表面，直至拉伸毛料与拉伸模胎体1完全贴合，使用木榔头或橡皮打板敲击零件表面，检查零件是否贴合胎体1，拉伸过程中控制拉伸吨，拉伸率使用延伸率试纸测试，板料在新淬火状态拉伸；
第八步：钻制胎体1鞍峰上定位孔，使用手柄式插销7配合胶注式钻套6插入拉伸料及胎体1，检测定位孔位置是否正确；打开钳口，将零件从钳口中取出，注意保护零件表面，防止划伤或擦伤；
第九步：数控铣切外形，为了保证制造定位精度，使用相同的定位孔进行定位，按照验证合格后的数控加工程序铣切零件所有边缘及孔；
第十步：检验零件的外形型面及边缘精度。
本发明的有益效果：
铝合金马鞍形蒙皮零件成形方法保证了零件的外形型面及边缘精度符合图纸制造要求，运用此技术方法制造零件，实现零件外形贴胎度公差±0.5㎜，边缘制造精度公差±0.2㎜。
附图说明
图1为本发明马鞍形蒙皮零件制造的拉伸模主视图简图。
图2为本发明马鞍形蒙皮零件制造的拉伸模左视图简图。
图3为本发明马鞍形蒙皮零件制造的铣切模简图。
图4为本发明马鞍形蒙皮零件制造的铣切模局部剖视图B-B简图。
图中：胎体-1，减轻槽-2，环氧胶砂层-3，基准孔-4，排气孔-5，胶注式钻套-6，手柄式插销-7，定位槽-8，吊棒-9，圆包角-10，基体-11，靠模铣切模板-12，铝制边条-13，钻套-14，圆柱插销-15
具体实施方式
一种铝合金马鞍形蒙皮零件的制造模具，其特征在于，包括：拉伸模和铣切模，拉伸模用于马鞍形蒙皮拉伸成形；铣切模用于数控铣切马鞍形蒙皮边缘；
所述的拉伸模包括胎体1，减轻槽2，环氧胶砂层3，基准孔4，排气孔5，胶注式钻套6，手柄式插销7，定位槽8，吊棒9，圆包角10；其中，拉伸模中的胎体1基体材料为珠光体类型的灰铸铁HT250，尺寸为1380×500×365㎜，从安全和强度角度考虑适当减重为马鞍形，胎体1内腔均匀制出若干个分布设置有减轻槽2，每个减轻槽2横向间隔间距不小于50㎜，纵向顶部形状与胎体1顶部外型面弧形一致，间距不小于55㎜；
环氧胶砂层3覆盖在胎体1基体顶部外表面，涂层厚度不少于30毫米；2-φ10H7基准孔4位于胎体1顶部端头两侧，深度50㎜，用于返修模具及定期检测模具时数控加工基准定位；排气孔5分布于前后的鞍谷处，孔径为φ5～φ10，数量不等，可以均匀分布，排气孔5贯穿胎体1的顶部；胶注式钻套6与手柄式插销7配合使用，胶注式钻套6选用标准HB995-89，数量为4个，胶注深度为28㎜，手柄式插销插入环氧胶砂层3及胎体1，手柄式插销7选用标准HB1866-87，数量4个，长度50㎜，直径φ5H6；定位槽8设置在胎体1非成形端两侧，距离胎体-1底端底部110㎜，槽长240㎜。槽宽100㎜，槽内四周倒角R10，定位槽8的中心线与胎体1的中心线一致；
吊棒9位于定位槽8上方，数量共4个，分别置于胎体-1非成形端两侧，每侧数量2个，主要用于吊装胎体-1，每两个吊棒-9中心间隔200㎜。每个吊棒9呈φ50圆柱形结构，圆柱形轴中心与定位槽-8顶部距离100㎜，端头蘑菇型，蘑菇型底端直径φ80，高度16㎜，蘑菇型顶端倒圆弧R53㎜，吊棒9总长度110㎜，嵌入胎体1内部50㎜，其余60㎜部分置于胎体1外部，所有边缘倒角R3；圆包角10材料为环氧胶砂，与胎体1胶粘连接，呈圆形结构，顶端高度与鞍峰高度相同，与胎体1水平角度成30°夹角；
所述的铣切模模具包括基体11、靠模铣切模板12、铝制边条13，钻套14和圆柱插销15。基体11材料与胎体1相同，都是珠光体类型的灰铸铁HT250，外观尺寸为270×220×60㎜，基体11外形型面与拉伸模加上零件料厚之后的外形型面一致；靠模铣切模板12设置在基体11上表面，玻璃钢材质，厚度6㎜，四周边缘镶LY12材质铝制边条13，靠模铣切模板12与铝制边条13用铆钉连接，制造精度±0.2㎜，铝制边条13外缘按靠模铣切模板12内缩3㎜，铣刀半径3㎜；铝制边条13四边设置有通孔，位置不对等，钻套14与圆柱插销15配合使用，圆柱插销15插入通孔中，数量都是4个，分别位于零件的四个边，位置不对等，用于零件的定位和防错。
根据零件的结构特性，以铝合金7075材料δ2.29㎜马鞍形蒙皮零件为例具体加工方法实施步骤如下：
第一步：安装专用平台，使用轨道式吊车将拉伸所需的专用平台放置于拉伸机中心位置。
第二步：安装拉伸模，使用专业的吊装绳索分别套住4个吊棒9，再次使用轨道式吊车将拉伸模放在平台中心位置，保证拉伸模与平台固定良好，按拉伸方向摆好拉伸模位置，使之与钳口方向一致。
第三步：装夹毛料，将零件毛料两端放置于拉伸机钳口中，使端头与钳口底端接触，保证两侧钳口夹持量不少于50㎜。
第四步：关闭钳口且夹紧毛料，检查钳口毛料夹持状态，保证钳口完全夹紧毛料。
第五步：横向预拉伸成形，拉伸模上升与毛料接触，材料开始受弯曲。当材料弯曲至60％面积接触到拉伸模型面上时，松开钳口，取出预拉伸毛料。拉伸所需的机床吨位可以按毛料单位面积产生0.9σb的应力计算，所以横拉时工作台面上顶力P,板料在预拉伸时，抗拉强度取σb＝203MPa，板料的剖面积取F＝2.29mm×1220mm＝2793.8mm2，由于蒙皮结构，在拉伸最后阶段两侧接近垂直，机床顶力最大，取α＝0°。因此，拉伸退火状态板料过程所需的吨位约为105t。
Figure BDA0003622823220000071
第六步：将预拉伸毛料进行热处理，将预拉伸毛料从钳口中取出，使用硝盐炉或空气炉对预拉伸毛料进行淬火处理，淬火后的预拉伸毛料为“W”或“AQ”状态。
第七步：第二次拉伸成形，重复操作第三步和第四步加工步骤，进行第二次拉伸成形，钳口夹持预拉伸毛料全部包住拉伸模工作表面，直至拉伸毛料与拉伸模胎体1完全贴合，使用木榔头或橡皮打板敲击零件表面，检查零件是否贴合胎体1，拉伸过程中控制拉伸吨位保证拉伸率不超过6％，拉伸率使用延伸率试纸测试，板料在新淬火状态拉伸，抗拉强度取σb＝337MPa，拉伸新淬火状态板料过程所需的吨位约为173t。
第八步：钻制胎体1鞍峰上2-φ5.2定位孔，使用手柄式插销7插入拉伸料及胎体1，检测定位孔位置是否正确。打开钳口，将零件从钳口中取出，注意保护零件表面，防止划伤或擦伤。
第九步：数控铣切外形，为了保证制造定位精度，使用相同的2-φ5.2定位孔进行定位，按照验证合格后的数控加工程序铣切零件所有边缘及孔。
第十步：检验零件的外形型面及边缘精度，外形贴胎度公差±0.5㎜，边缘制造精度公差±0.2㎜。

Claims (2)

1.铝合金马鞍形蒙皮零件的制造模具，其特征在于，包括：拉伸模和铣切模，拉伸模用于马鞍形蒙皮拉伸成形；铣切模用于数控铣切马鞍形蒙皮边缘；
所述的拉伸模包括胎体(1)，减轻槽(2)，环氧胶砂层(3)，基准孔(4)，排气孔(5)，胶注式钻套(6)，手柄式插销(7)，定位槽(8)，吊棒(9)和圆包角(10)；胎体(1)为马鞍形，胎体(1)内腔均匀分布设置有减轻槽(2)，减轻槽(2)纵向顶部形状与胎体(1)顶部外型面弧形一致；
环氧胶砂层(3)覆盖在胎体(1)基体顶部外表面；基准孔(4)位于胎体(1)顶部端头两侧，用于返修模具及定期检测模具时数控加工基准定位；排气孔(5)分布于前后的鞍谷处，排气孔(5)要贯穿胎体(1)的顶部；胶注式钻套(6)与手柄式插销(7)配合使用，胶注式钻套(6)用于限定手柄式插销(7)的轴线位置，手柄式插销(7)用于防止零件与拉伸模之间相互移动，手柄式插销(7)插入环氧胶砂层(3)及胎体(1)；定位槽(8)设置在胎体(1)非成形端两侧，拉伸模通过定位槽(8)与拉伸机设备上的平台定位连接，定位槽(8)的中心线与胎体(1)的中心线一致；
吊棒(9)位于定位槽(8)上方，吊棒(9)嵌入胎体(1)内部，其余部分置于胎体(1)外部；圆包角(10)与胎体(1)胶粘连接，呈圆形结构，顶端高度与鞍峰高度相同，与胎体(1)水平角度成30°夹角，圆包角(10)用于降低R角处变形量，减少鞍谷两侧夹边出现滑移线、粗晶或桔皮缺陷；
所述的铣切模模具包括基体(11)、靠模铣切模板(12)、铝制边条(13)，钻套(14)和圆柱插销(15)；基体(11)外形型面与拉伸模加上零件料厚之后的外形型面一致；靠模铣切模板(12)设置在基体(11)上表面，四周边缘镶铝制边条(13)；铝制边条(13)四边设置有通孔，通孔的位置不对等，钻套(14)与圆柱插销(15)配合使用，圆柱插销(15)插入通孔中，用于零件的定位和防错。
2.采用权利要求1所述的铝合金马鞍形蒙皮零件的制造模具加工零件的方法，其特征在于，步骤如下：
第一步：安装专用平台，使用轨道式吊车将拉伸所需的专用平台放置于拉伸机中心位置；
第二步：安装拉伸模，使用专业的吊装绳索分别套住吊棒(9)，再次使用轨道式吊车将拉伸模放在平台中心位置，保证拉伸模与平台固定良好，按拉伸方向摆好拉伸模位置，使之与钳口方向一致；
第三步：装夹毛料，将零件毛料两端放置于拉伸机钳口中，使端头与钳口底端接触，保证两侧钳口夹持量不少于50㎜；
第四步：关闭钳口且夹紧毛料，检查钳口毛料夹持状态，保证钳口完全夹紧毛料；
第五步：横向预拉伸成形，拉伸模上升与毛料接触，材料开始受力弯曲；当材料弯曲至60％面积接触到拉伸模型面上时，松开钳口，取出预拉伸毛料；拉伸所需的机床吨位可以按毛料单位面积产生0.9σb的应力计算，所以横拉时工作台面上顶力为P，板料在预拉伸时，由于蒙皮结构，在拉伸最后阶段两侧接近垂直，机床顶力最大；
Figure FDA0003622823210000021
其中，P为拉伸机拉力,单位N；T＝0.9σb；F为板料剖面积，单位㎜；σb为抗拉强度，单位Mpa；α为板料与模具间夹角，单位°；
第六步：将预拉伸毛料进行热处理，将预拉伸毛料从钳口中取出，使用硝盐炉或空气炉对预拉伸毛料进行淬火处理，淬火后的预拉伸毛料为“W”或“AQ”状态，AQ是固溶热处理后的新淬火状态；W固溶处理后在自然时效状态中的一种不稳定状态，性能随着时效时间而变化；
第七步：重复操作第三步和第四步加工步骤，进行第二次拉伸成形，钳口夹持预拉伸毛料全部包住拉伸模工作表面，直至拉伸毛料与拉伸模胎体(1)完全贴合，使用木榔头或橡皮打板敲击零件表面，检查零件是否贴合胎体(1)，拉伸过程中控制拉伸吨，拉伸率使用延伸率试纸测试，板料在新淬火状态拉伸；
第八步：钻制胎体(1)鞍峰上定位孔，使用手柄式插销(7)配合胶注式钻套(6)插入拉伸料及胎体(1)，检测定位孔位置是否正确；打开钳口，将零件从钳口中取出，注意保护零件表面，防止划伤或擦伤；
第九步：数控铣切外形，为了保证制造定位精度，使用相同的定位孔进行定位，按照验证合格后的数控加工程序铣切零件所有边缘及孔；
第十步：检验零件的外形型面及边缘精度。
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