CN117943793A - 一种多折弯带筋蒙皮的成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，属于塑性加工技术领域，解决了现有技术中阻焊剂区域错位，位置偏差，装配精度低，蒙皮表面质量差，蒙皮表面容易氧化，蒙皮表面产生沟槽的问题。本发明公开的多折弯带筋蒙皮的成形方法，采用超塑成形/扩散连接工艺将多层板材成形，制备涂覆阻焊剂的立体涂覆样板实现阻焊剂区域的精确定位，在成形过程和降温过程中控制气压实现外蒙皮完全贴合模具。本发明提升了蒙皮的表面质量，避免了零件表面氧化。
Description
技术领域
本发明属于塑性加工技术领域，特别涉及一种多折弯带筋蒙皮的成形方法。
背景技术
飞行器对新材料、新结构提出了更高的要求，传统热压+点焊结构形式已经难以满足耐高温、轻量化、高精度气动外形的制造要求。薄壁中空的整体结构形式的蒙皮成为新一代飞行器的首选结构形式，超塑成形/扩散连接技术能够很好实现此类轻量化蒙皮制造，但为了改善隐身性能和气动性能，蒙皮中空结构几何形状为设计为典型变曲率非对称扭曲或波浪形弯曲型面，蒙皮形状极复杂，蒙皮形状为中空波浪形，这种波浪形蒙皮整体成形时有数个折弯，通过涂覆阻焊剂区分超塑区和扩散连接区，涂覆阻焊剂区域进行超塑成形形成筋条，蒙皮成形时涉及热压，扩散焊接及超塑成形等工艺过程。同时大尺寸，超薄与扭曲/弯曲型面结合，也极大提高了构件成形精度及制造难度，需要开展新型先进技术以解决此类问题。
在超塑成形/扩连接蒙皮成形过程中，扭曲和多折弯型面极易引起模具、蒙皮和阻焊剂区域错位，造成位置偏差，上下模具配合精度、阻焊剂涂覆位置及其与坯料装配精度，严重影响了蒙皮表面质量。如扩散连接区域错位后位于模具上对应的空腔区域，会引起很深的沟槽。所以模具和坯料及阻焊剂涂覆区域相统一基准并合适的匹配，对于减少表面沟槽尤为重要。而且超塑成形/扩散连接后蒙皮与模具紧密贴合在降温的过程中模具容易挤压蒙皮容易引起蒙皮表面不平整。再者蒙皮超塑成形/扩散连接整个过程冗长，升温降温高温停留时间较长，表面容易氧化严重，氧化皮处理困难，在表面清理过程中容易引起薄壁蒙皮报废。
发明内容
鉴于以上分析，本发明旨在提供一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，用以解决现有技术中存在的以下技术问题中的至少一个：(1)模具、蒙皮和阻焊剂区域错位，位置偏差，装配精度低，蒙皮表面质量差；(2)蒙皮表面容易氧化；(3)蒙皮表面产生沟槽。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，采用超塑成形/扩散连接工艺将多层板材成形，制备涂覆阻焊剂的立体涂覆样板实现阻焊剂区域的精确定位，在成形过程和降温过程中控制气压实现外蒙皮完全贴合模具。
进一步的，包括：
S1，设计制造模具结构；
S2，对多层板材预成形；
S3，制备涂覆阻焊剂的立体涂覆样板，精确涂覆阻焊剂；
S4，封焊多层板材并焊接通气管路；
S5，整体超塑成形/扩散连接。
进一步的，所述S2包括：
S2.1，预成形后对多层板材进行碱崩酸洗；
S2.2，激光切割外蒙皮上的定位基准孔。
进一步的，所述S3具体包括，在外蒙皮靠近加强筋板的一面喷涂化铣胶，将立体涂覆样板与外蒙皮通过销钉固定，清除超塑筋条部位的化铣胶，喷涂阻焊剂。
进一步的，所述S3中，根据蒙皮上扩散连接区、非扩散连接区的特征，样板在UG中进行展开，得到平面样板，通过模具成形得到立体涂覆样板。
进一步的，所述S2中，多层板材依次为外蒙皮、加强框、加强筋板、覆板。
进一步的，所述S1中，模具包括上模具、下模具，所述上模具、下模具上均有焊接扩散连接管路，所述上模具、下模具上均有焊接扩散连接管路焊接孔，所述上模具、下模具的交界处设有避让槽。
进一步的，所述S5中，超塑成形扩散连接前先抽真空，真空度为5×10-2Pa-5×10- 3Pa，升温至500-600℃。
进一步的，所述S5中，超塑成形扩散连接后降温至350-550℃，对模具充入氩气，取出零件。
本发明还提供了一种多折弯带筋蒙皮，根据上述多折弯带筋蒙皮的成形方法制备得到，所述蒙皮依次由外蒙皮、加强框、加强筋板、覆板构成，所述加强筋板上设有纵横交错连通的筋条。
与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：
1)本发明通过采用立体涂覆样板能够实现对蒙皮上阻焊剂区域的精确定位，实现了模具、立体涂覆样板和坯料装配基准的统一，避免了位置偏差，提升了上下模具配合精度、阻焊剂涂覆位置及其与坯料装配的精度，提升了蒙皮的表面质量，改进了多折弯带筋蒙皮超塑成形/扩散连接质量。
2)本发明通过控制气压能避免了蒙皮起皱和开裂的产生，提高了零件型面质量。
3)通过成形过程中全流程氩气保护措施，避免了零件表面氧化。
4)制定了零件高温取件措施，减少了零件在降温过程中的变形，保证了型面质量。
5)进行激光抛光，减少了常规碱崩酸洗方法可能引起的内部腐蚀，提高了薄壁蒙皮表面质量，所生产的蒙皮无沟槽凸起氧化皮等，同时清除了表面氧化皮和富氧层，抑制了表面裂纹的产生，提高了零件塑性，进而提高了零件使用性能。
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在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
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，相同的附图标记表示相同的部件。
图1为本发明的多折弯带筋蒙皮的示意图；
图2为本发明的多层板材在预成形后的结构示意图；
图3为本发明的立体涂覆样板的示意图；
图4为本发明的立体涂覆样板与模具的安装示意图；
图5为本发明的模具结构示意图；
图6为本发明的上模具的结构示意图；
图7为本发明的下模具的结构示意图。
附图标记：
1-覆板；2-加强筋板；3-加强框；4-外蒙皮；5-扩散连接管路焊接孔；6-避让槽；7-上模具；8-下模具。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种多折弯带筋蒙皮的成形方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
一方面，本发明提供了一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，采用超塑成形/扩散连接工艺将多层板材成形，制备涂覆阻焊剂的立体涂覆样板实现阻焊剂区域的精确定位，在成形过程和降温过程中控制气压实现外蒙皮4完全贴合模具。
在超塑成形/扩散连接蒙皮成形过程中，扭曲和多折弯型面极易引起模具、蒙皮和阻焊剂区域的错位，本发明采用立体涂覆样板能够实现对蒙皮上阻焊剂区域的精确定位，避免了位置偏差，提升了上下模具配合精度、阻焊剂涂覆位置及其与坯料装配的精度，提升了蒙皮的表面质量。通过控制气压能避免了蒙皮起皱和开裂的产生，提高了零件型面质量。
本发明的蒙皮结构为两个折弯三个型面组成的气动型面结构，整个蒙皮采用TA15钛合金板材，成形结束后去除覆板1，整个蒙皮零件的层状结构分为外蒙皮4、加强筋板2、加强框3，加强框3夹在外蒙皮4和加强筋板2之间，蒙皮上具有凸起的筋条，筋条呈现U型加强筋，为超塑成形空心结构，筋条的帽沿与外蒙皮4扩散连接形成整体结构。
具体的，所述成形方法包括：
S1，设计制造模具结构；
S2，对多层板材预成形；
S3，制备涂覆阻焊剂的立体涂覆样板，精确涂覆阻焊剂；
S4，封焊多层板材并焊接通气管路；
S5，整体超塑成形/扩散连接。
蒙皮超塑成形/扩散连接整个过程冗长，升温降温高温停留时间较长，表面容易氧化严重，氧化皮处理困难，在表面清理过程中容易引起薄壁蒙皮报废；本发明通过焊接通气管路，成形过程中抽真空并充入氩气能使蒙皮全面贴合模具，减少蒙皮表面氧化。
具体的，所述S1中，模具包括上模具7、下模具8，所述上模具7、下模具8上均有焊接扩散连接管路焊接孔5，所述上模具7、下模具8的交界处设有避让槽6。
所述上模具7的焊接扩散连接管路焊接孔5，焊接上模具7的通气管路，成形工艺中将气体输送至覆板；所述下模具8的焊接扩散连接管路焊接孔5，焊接下模具8的通气管路，成形工艺中将气体输送至外蒙皮4；在升温过程中通气进行氩气保护，到温后上模具7进行气压加载实现多层板材扩散连接。所述上模具7、下模具8的交界处设有与超塑成形管路对应的避让槽6，避免合模后超塑管路被挤压漏气。
优选的，模具还包括压边梗和压边槽。
压边梗和压边槽保证整个模具在成形过程中的气密性。
优选的，采用凹凸模膨胀系数差异性设计，保证下模具8在弧面方向为负间隙配合，钛合金板材和模具材料在920℃时膨胀系数差异为0.5％，传统设计方式都采用保守设计然后验证首件后进行修模，蒙皮研制周期紧张，无修模周期，需要保证首件研制成功。攻关中将上模具7和下模具8采用不同的膨胀差异性系数，并进行工艺模拟分析，最终将上模具7膨胀差异性系数设计为0.45％，下模具8膨胀系数设计为0.55％，首件成形验证后零件成形精度完全满足设计要求，无需修模。
优选的，所述模具还包括定位销孔和基准孔，用于固定蒙皮和立体涂覆样板上的定位基准孔。
具体的，所述S2中，多层板材为外蒙皮4、加强框3、加强筋板2、覆板1。
外蒙皮4边缘一定范围宽度内为了与框梁进行铆接，进行了增厚，因此在外蒙皮4和加强筋板2之间添加了加强框3。
添加覆板1，能提高扩散连接焊合率，防氧化提高性能。
覆板1与外蒙皮4形状一致，一起预成形，型面贴合加强筋板2内型面。
优选的，所述覆板1的材料可以为：钛合金板材TC4、钛合金板材TA2。
具体的，所述外蒙皮4、加强框3、加强筋板2的材料为钛合金板材TA15。
具体的，所述S2包括：
S2.1，预成形后对多层板材进行碱崩酸洗；
S2.2，激光切割外蒙皮上的定位基准孔。
设定定位基准孔有利于提高上下模具配合精度、阻焊剂涂覆位置及其与坯料装配精度。
具体的，所述S2包括：外蒙皮4、加强筋板2、加强框3和覆板1板材按照展开料多层板材叠加一起进行热成形，热成形时间为700-750℃，保压25-40min，根据板材厚度增加可以适当提高热成形时间，热成形后对多层板材进行碱崩酸洗，在碱液中进行碱崩温度120℃，时间36小时，然后酸洗5min；根据型面利用立体涂覆样板进行划线，划出多层板材的边缘切割线和外蒙皮的定位基准孔，对多层板材进行激光切割去除余量制作定位基准孔，将多层板材进行试装贴合模具型面，外蒙皮4与模具根据定位孔进行定位，其余板材根据边沿对齐进行定位，作为后续蒙皮焊接装配和在模具上定位基准，一端为圆孔一端为长圆孔，长圆孔圆半径与圆孔相同，圆心间距为5mm，防止模具与多层板材的热膨胀系数不同引起的模具与多层板材的装配不协调。
具体的，所述S3中，根据蒙皮上扩散连接区、非扩散连接区的特征，样板在UG中进行展开，得到平面样板，通过模具成形得到立体涂覆样板。
立体涂覆样板起到固定各个加工工序基准的作用，作为装配基准和零件最终切割基准。
优选的，根据蒙皮上筋条成形区域，阻焊剂涂覆样板在UG中进行展开，提取多曲面蒙皮扩散连接区和非扩散连接区的特征，进行一步式展开，得到合理平面样板，并根据模具上基准孔的位置设计样板上定位基准孔，保持一致。对展开的平板进行激光切割下料，再利用模具进行成形，成形出多折弯型面，并根据模具进行修正，得到立体涂覆样板。
优选的，所述样板上的定位基准孔直径为20-30mm。
优选的，立体涂覆样板上阻焊剂涂覆区域相比模型单边增加0.5-1mm，避免引起轻微装配误差引起的错位，错位会引起较为严重沟槽。
具体的，根据蒙皮型面特征进行3D打印，得到立体涂覆样板。
优选的，根据蒙皮型面特征进行3D打印，材料为样板厚度10mm，完成立体涂覆样板制造，阻焊剂涂覆区域增大0.5-1mm，根据立体涂覆样板进行划线进行阻焊剂涂覆，立体涂覆样板上设计有定位基准孔，用于与坯料和模具的定位，并作为切割基准和装配基准。
优选的，所述立体涂覆样板的材料可以为树脂材料，方便3D打印成形。
具体的，所述S3中，在外蒙皮4靠近加强筋板2的一面喷涂化铣胶，将立体涂覆样板与外蒙皮4通过销钉固定，清除超塑筋条部位的化铣胶，喷涂阻焊剂。
具体的，在外蒙皮4靠近加强筋板2的一面喷涂化铣胶，将立体涂覆样板的定位基准孔与外蒙皮4上定位基准孔用销钉定位使两个孔重合作为装配基准，通过立体涂覆样板在化铣胶层上进行刻线，取下立体涂覆样板，揭掉超塑筋条部位的化铣胶，然后喷涂阻焊剂。
通过立体涂覆样板统一定位基准，实现了阻焊剂的精确涂覆，避免误差引起的错位导致表面沟槽。
具体的，所述S4中，将加强框3放在外蒙皮4和加强筋板2之间，首先进行三层板材周圈焊接实现密封，利用铜质压板压紧坯料边缘进行氩弧焊焊接，在外蒙皮4与加强筋板2之间焊接超塑成形管路，然后焊接覆板1，在加强筋板2与覆板1之间焊接气压管路，得到封焊后的坯料。
超塑成形管路用于升温过程中抽真空防止扩散连接界面氧化，到温后进行超塑成形气压加载，对加强筋进行成形。
优选的，将外蒙皮4、加强框3和加强筋板2的边缘进行修配，修配完成后进行周圈手工氩弧焊，在通气位置焊接通气管接头，焊接完成后进行气密检测，保证气密性。
为保证后续坯料的超塑成形/扩散连接质量，获得比较牢固可靠的扩散接头，需要避免板材表面产生油污、氧化层进而降低扩散连接界面的质量，因而不仅需要在蒙皮成形之前进行清理以获得清洁的表面，而且需要在成形过程中对板材表面进行保护以防止表面被污染。
具体的，所述S5中，超塑成形扩散连接前先抽真空，真空度为5×10-2Pa-5×10- 3Pa，升温至500-600℃。
具体的，利用定位销孔将模具进行合模并安装固定在热成形机床上下平台上，利用基准孔将焊接完成的坯料安装在下模具8上，将坯料装配在模具上并入炉升温，升温过程中超塑管路和气压管路进行抽真空，为了防止多折弯坯料受力开裂，升温500摄氏度前不加压力，升温至500-600℃，加载30-50吨的压力，模具上扩散连接管路通气压0.1MPa，加载流动氩气，营造氩气环境保护坯料不被氧化提高表面质量。
具体的，升温到达920-930℃温度后进行超塑成形/扩散连接，
具体的，在超塑成形过程中对模具上的扩散连接管路抽真空，使残留在模具加强筋部位的气体排出，防止影响筋条成形，完成成形后首先将上模具7抬高3-5mm，零件不被挤压，在气压管路加载0.2Mpa压力，使整个蒙皮在降温过程中在气压的作用下一直贴合下模具8，下模具8为光滑的气动型面，蒙皮在降温的过程中不变性。
具体的，所述S5中，超塑成形扩散连接后降温至550℃，对模具充入氩气，取出零件。
防止零件氧化，零件在整个升温成形和降温过程中都进行了氩气保护，减轻氧化。零件降温至550℃，对模具内腔冲入大量流动氩气，使零件加速冷却，并与模具脱离，取下零件。高温取件防止了在降温过程中零件的变形，保证了零件表面平整。
优选的，取出零件后进行激光扫描抛光，初步去除表面氧化皮，再用砂带机进行外表面打磨，得到光洁表面。
进行激光抛光，减少了常规碱崩酸洗方法可能引起的内部腐蚀，提高了薄壁蒙皮表面质量，所生产的蒙皮无沟槽凸起氧化皮等，清除了表面氧化皮和富氧层，抑制了表面裂纹的产生，提高了零件塑性，同时提高了零件使用性能。
另一方面，本发明提供了一种多折弯带筋蒙皮，根据上述多折弯带筋蒙皮的成形方法制备得到，所述蒙皮依次由外蒙皮4、加强框3、加强筋板2、覆板1构成，所述加强筋板2上设有纵横交错连通的筋条。
实施例1：
本发明的一个具体实施例，如图1所示，本实施例提供了一种多折弯带筋蒙皮的成形方法的技术方案。
本发明的外蒙皮4、加强框3、加强筋板2的材料采用TA15钛合金板材，覆板1的材料为钛合金板材TA2，外蒙皮4、加强筋板2材厚度为0.5mm，加强框3采用1.0mm，蒙皮为两个折弯三个型面。
一种多折弯带筋蒙皮的成形方法包括：
S1，设计制造模具结构；如图5-图7所示，模具包括上模具7、下模具8，所述上模具7、下模具8上均有扩散连接管路，所述上模具7、下模具8的交界处设有对应超塑成形管路的避让槽6，模具还包括定位销孔和基准孔，用于固定蒙皮和立体涂覆样板上的定位基准孔。
S2，根据工艺设计尺寸进行激光切割下料，覆板1材料选用钛合金板材TC4，热成形时间为750℃，保压30min，热成形后对多层板材进行碱崩酸洗；根据型面划线进行激光切割去除余量，利用立体涂覆样板在多层板材上制作定位基准孔，将多层板材贴合模具型面，根据模具上的基准孔，激光切割多层板材上的定位基准孔直径25mm，作为后续蒙皮焊接装配和在模具上定位基准，一端为相同圆孔一端为长圆孔，长圆孔圆半径与圆孔相同，圆心间距为5mm，防止模具与多层板材的热膨胀系数不同引起的模具与多层板材的装配不协调，根据工装型面及零件边缘线，画出零件切割边缘线，进行激光切割；
S3，根据蒙皮型面特征进行3D打印，材料为样板厚度10mm，完成立体涂覆样板制造，阻焊剂涂覆区域增大0.5-1mm，根据立体涂覆样板进行划线进行阻焊剂涂覆，立体涂覆样板上设计有定位基准孔；
S4，将加强框3放在外蒙皮4和加强筋板2之间，首先进行三层板材周圈焊接实现密封，然后焊接覆板1，得到封焊后的坯料，在外蒙皮4与加强筋板2之间焊接超塑成形管路，在加强筋板2与覆板1之间焊接气压管路，管路为钛合金TA18，直径为6mm，壁厚1mm，将外蒙皮4、加强框3和加强筋板2的边缘进行修配，修配完成后进行周圈手工氩弧焊，在通气位置焊接通气管接头，焊接完成后进行气密检测，保证气密性。
S5，根据模具使用方案，利用定位销孔将模具进行合模并安装固定在热成形机床上下平台上，利用基准孔将焊接完成的坯料安装在下模具8上，将坯料装配在模具上并入炉升温，升温过程中超塑管路和气压管路进行抽真空，升温至500℃，加载小压力，模具上扩散连接管路通气压0.1MPa，加载流动氩气，使坯料保持氩气环境中不被氧化，继续进行升温，升温后920-930℃，并完成超塑成形扩散连接过程，使蒙皮形成一个整体，在超塑成形过程中对模具上的扩散连接管路抽真空，使残留在模具加强筋部位的气体排出，防止影响筋条成形，完成成形后首先将上模具抬高3-5mm，零件不被挤压，在气压管路加载0.2Mpa压力，使整个蒙皮在降温过程中在气压的作用下一直贴合下模具8，下模具8为光滑的气动型面，蒙皮在降温的过程中不变性。超塑成形扩散连接后降温至550℃，对模具内腔冲入大量流动氩气，使零件加速冷却，并与模具脱离，取下零件，进行激光扫描抛光，初步去除表面氧化皮，再用砂带机进行外表面打磨，得到光洁表面。
经过试验检测，蒙皮平面度不大于0.1mm，零件型面精度高于0.3mm，实现了性能低损耗，性能损耗不大于5％，激光抛光提高了去除氧化皮效率，符合绿色制造要求。
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 (10)
1.一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，其特征在于，采用超塑成形/扩散连接工艺将多层板材成形，制备涂覆阻焊剂的立体涂覆样板实现阻焊剂区域的精确定位，在成形过程和降温过程中控制气压实现外蒙皮完全贴合模具。
2.根据权利要求1所述的一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，其特征在于，包括：
S1，设计制造模具结构；
S2，对多层板材预成形；
S3，制备涂覆阻焊剂的立体涂覆样板，精确涂覆阻焊剂；
S4，封焊多层板材并焊接通气管路；
S5，整体超塑成形/扩散连接。
3.根据权利要求1所述的一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，其特征在于，所述S2包括：
S2.1，预成形后对多层板材进行碱崩酸洗；
S2.2，激光切割外蒙皮上的定位基准孔。
4.根据权利要求1所述的一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，其特征在于，所述S3具体包括：在外蒙皮(4)靠近加强筋板(2)的一面喷涂化铣胶，将立体涂覆样板与外蒙皮(4)通过销钉固定，清除超塑筋条部位的化铣胶，喷涂阻焊剂。
5.根据权利要求1所述的一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，其特征在于，所述S3中，根据蒙皮上扩散连接区、非扩散连接区的特征，样板在UG中进行展开，得到平面样板，通过模具成形得到立体涂覆样板。
6.根据权利要求1所述的一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，其特征在于，所述S2中，多层板材依次为外蒙皮(4)、加强框(3)、加强筋板(2)、覆板(1)。
7.根据权利要求1所述的一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，其特征在于，所述S1中，模具包括上模具(7)、下模具(8)，所述上模具(7)、下模具(8)上均有焊接扩散连接管路焊接孔(5)，所述上模具(7)、下模具(8)的交界处设有避让槽(6)。
8.根据权利要求1所述的一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，其特征在于，所述S5中，超塑成形扩散连接前先抽真空，真空度为5×10-2Pa-5×10-3Pa，升温至500-600℃。
9.根据权利要求1所述的一种多折弯带筋蒙皮的成形方法，其特征在于，所述S5中，超塑成形扩散连接后降温至350-550℃，对模具充入氩气，取出零件。
10.一种多折弯带筋蒙皮，根据权利要求1-9任一项多折弯带筋蒙皮的成形方法制备得到，其特征在于，所述蒙皮依次由外蒙皮(4)、加强框(3)、加强筋板(2)、覆板(1)构成，所述加强筋板(2)上设有纵横交错连通的筋条。
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