CN106180247B - 一种高筋铝合金壁板制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明金属塑形加工领域，具体的说是一种高筋铝合金壁板制造方法。首先采用上下多点模具将铝合金平面厚板对压成形出所需要的曲面形状，再用高速铣削加工的方法，在曲面厚板上沿平行于曲面的加工路径铣削出需要的筋条结构，从而得到设计的高筋铝合金壁板。该方法运用可重构多点模具型面快速可调的特点，使用一套多点模具就可以成形出不同几何形状、不同厚度、不同材质的双曲率铝合金厚板零件，并可以通过多次校正控制铝合金厚板成形中的回弹，提高成形精度；该发明既能够得到高精度的高筋条铝合金壁板零件，又不破坏铝合金板料的纤维结构，保证壁板零件的强度要求，解决了大飞机制造中的技术难题，能够推广应用于航天器、火箭等其它零件的制造中。

Description

一种高筋铝合金壁板制造方法

技术领域

本发明金属塑形加工领域，具体的说是一种高筋铝合金壁板制造方法。

背景技术

随着航空航天工业的快速发展，人们对现代飞行器性能的要求不断提高。高筋铝合金整体壁板以其重量轻、刚性好、疲劳寿命长的特点在航空航天领域得到了广泛应用。目前整体壁板成形的方法主要有：闸压成形，时效蠕变成形，喷丸成形等。时效蠕变成形对材料有特殊要求，而且需要大型热压罐装备，制造周期长、生产成本高；喷丸成形则受到变形量和壁板结构的限制，适用于筋条不高的壁板成形；闸压成形对产品外形尺寸的适应性强，加工成本低，被广泛应用。但是，高筋铝合金整体壁板在闸压成形中易出现筋条失稳、断裂以及整体回弹大等问题，其制造过程一直是生产中的难题。

在整体壁板闸压成形中，首先根据整体壁板数模进行平面展开，应用高速铣削的方法，在轧制后的铝合金平面厚板上去除80％以上的材料，铣削得到一体的腹板和筋条结构，然后通过压弯成形的方式渐进压弯成形，最终得到具有曲面形状的整体壁板零件。在成形过程中，由于腹板和筋条厚度小、腹板厚度与壁板总厚度比值小，在闸压成形中，筋条及腹板易产生应力集中而导致屈曲失稳甚至断裂，进而使得整块壁板报废。有学者研究试验用厚度更大的铝合金平板，直接铣削加工总体厚度较薄的曲面整体壁板。但是该方法需要厚度超过整体壁板最大变形量的大块平板，不但造成材料的巨大浪费，而且现有技术无法轧制出厚度太大的专用航空铝合金板；更重要的是，上述制造方法在铣削加工中，破坏了铝合金厚板轧制过程形成的纤维结构，降低了零件的结构强度，无法满足现代飞机制造对整体壁板的高强度要求。为了满足高筋铝合金壁板的制造需求，迫切需要其它有效的制造方法。

多点成形技术将传统的实体模具离散化为紧密排列的冲头群，通过数控调整每个冲头的高度，冲头群端部形成所需要的成形模面，代替传统模具进行板料对压成形。应用一套多点模具，可以实现不同材料、不同厚度、不同几何形状曲面零件的柔性成形。该技术已经被用于飞机、造船、建筑等不同行业的曲面零部件成形中，实现了金属板料的曲面零件柔性成形。

根据资料查询及专利检索，将多点成形技术应用于铝合金整体壁板成形方面的专利有“铝合金飞机整体壁板多点成形方法”ZL201510096716.0，该专利应用多点模具对压带有筋条的铝合金平面壁板，最终得到目标曲面的整体壁板的方法。它能够实现铣削后带筋整体壁板的柔性、快速三维曲面成形，但对于高筋条的铝合金壁板，在成形中也会产生筋条失稳及断裂。为此，本专利改变整体壁板制造过程中先铣削再成形的传统思路，提出了一种新的高筋铝合金壁板制造方法。

发明内容

本发明发挥多点成形的柔性、快速特点，在铣削筋条及腹板结构之前先将轧制后的铝合金厚板多点对压成形为所需要的曲面形状，再通过铣削加工的方法去除多余材料，得到曲面形状的高筋整体壁板零件，实现整体壁板的柔性快速制造。该方法不破坏铝合金板料的纤维结构，保证零件强度。多点对压后的机械去除可以通过控制铣削路径来控制残余应力的均匀释放，保证铝合金飞机整体壁板的制造效率和精度，解决现有铝合整体壁板单纯通过多点成形或闸压成形的缺点。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种高筋铝合金壁板制造方法，该高筋铝合金壁板是带有I型或T型高筋条的双曲度壁板，该制造方法包括以下步骤：

步骤一、根据高筋铝合金壁板的目标形状、所用板料厚度计算出厚板的目标曲面形状，预测回弹量，并通过工艺计算得到上、下多点模具型面数据，自动调整上、下多点模具1、4 的型面；

步骤二、在铝合金平面厚板3上、下两端分别放置一个弹性垫2，再将弹性垫2和铝合金平面厚板3放置于上、下多点模具1、4之间，使用液压机加载并保压，卸载后得到曲面形状的铝合金厚板零件；

步骤三、对步骤二所得到的曲面形状的铝合金厚板零件的形状进行测量，并与目标形状进行曲面配准，根据曲面误差进行调整，直至曲面形状的铝合金厚板零件的曲面误差符合要求；

步骤四、固定曲面形状的铝合金厚板零件，根据高筋铝合金壁板数模数控加工出壁板腹板侧型面，并使用专用工装再次刚性固定曲面形状的铝合金厚板零件，进行筋条侧数控加工；

步骤五、根据高筋铝合金壁板的筋条结构，沿平行于腹板曲面形状的切削路径，追层、分区域地去除曲面形状的铝合金厚板零件上的多余材料，铣削出所需要的筋条结构，得到带有高筋条的铝合金整体壁板；

步骤六、将带有高筋条的铝合金整体壁板从专用工装上卸载，测量所得到的带有高筋条的铝合金整体壁板的形状，得到型面误差后进行形状校正。

步骤四中所述的专用工装为双曲率型面的真空吸附工装，在不对腹板曲面造成损伤的情况下固定型面，使得筋条在加工过程中曲面形状的铝合金厚板零件固定不动；所述的专用工装腹板侧安装有检测曲面形状的铝合金厚板零件在铣削过程中是否脱离工装的接触测量传感器。

步骤五中所述的切削路径是根据曲面形状的铝合金厚板零件的形状、材质以及成形过程状态进行的优化设计，控制残余应力均匀释放，控制零件精度。

本发明的有益效果为：

1、本发明使用多点成形的方法对压成形铝合金厚板。由于多点模具具有快速可重构的特点，能够应用一套多点模具加工具有不同几何形状的双曲率整体厚板零件。同时，可以应用多点模具快速可变的特点，通过多次调型校正的方法，提高厚板曲面成形的精度，降低厚板成形后的残余应力，为后续三维铣削加工筋条结构提供条件。在三维铣削去除加工中，通过优化铣削路径、铣削量、加工速度等不同的工艺参数，控制残余应力的均匀释放，确保最终壁板零件的制造精度。同时所优化的铣削路径平行于曲面形状，保证不破坏材料纤维层。本发明相对于应用超厚铝合金板料直接机械加工整体壁板的方法，不破坏铝合金板料纤维结构，充分保证壁板的机械强度，这一点对飞机整体壁板至关重要，而且节省大量材料费用。

2、本发明相对于传统闸压成形中下压量、下压路径难以确定，受力不均匀造成筋条及腹板产生应力集中，筋条腹板屈曲失稳断裂的缺陷，本发明提高了高筋铝合金整体壁板的成形质量和成形效率，具有明显有点。而对于铣削完成后，壁板零件可能产生回弹的问题，可以在铣削完成后，再应用多点模具进行局部校正，获得高精度的高筋铝合金整体壁板零件。

附图说明

图1a为本发明中铝合金平面厚板的结构示意图；

图1b为本发明中多点对压成形后的曲面厚板的结构示意图；

图1c为本发明中曲面厚板经机械铣削加工后的结构示意图；

图1d为本发明中铝合金高筋壁板零件的结构示意图；

图2a为本发明铝合金平面厚板多点成形前示意图；

图2b为本发明铝合金平面厚板多点成形后示意图；

图2c为本发明本发明铝合金平面厚板多点成形过程示意图；

图3a为本发明曲面形状的铝合金厚板零件三维铣削加工第一时刻示意图；

图3b为本发明曲面形状的铝合金厚板零件三维铣削加工第二时刻示意图；

图3c为本发明曲面形状的铝合金厚板零件三维铣削加工第三时刻示意图；

图3d为本发明曲面形状的铝合金厚板零件三维铣削加工第四时刻示意图；

图4为本发明高筋铝合金壁板制造方法流程图。

图中：1、上多点模具；2、弹性垫；3、铝合金平面厚板；4、下多点模具；5、上基本体冲头；6、下基本体冲头。

具体实施方式

参阅图1a、图1b、图1c、图1d、图4，其中图1a—图1d依次为高筋铝合金壁板制造过程的结构示意图，一种高筋铝合金壁板，该高筋铝合金壁板是带有I型或T型高筋条的双曲度壁板，其制造方法具体步骤如下：

步骤一、根据高筋铝合金壁板的目标形状、板料厚度及材料参数预测回弹量，通过计算得到上、下多点模具型面数据，自动调整上、下多点模具1、4的型面；

其具体步骤如下：

11)成形准备过程

根据被制造整体壁板零件的尺寸、最大厚度，在板料周边及厚度方向留有机械加工余量的情况下，确定航空铝合金平面厚板的尺寸及厚度；为防止带火状态的铝合金厚板在多点成形中发生断裂，需要手工处理，去除板料表面及四周的微裂纹缺陷。

12)多点对压成形

根据铝合金壁板的目标形状，重新计算铝合金厚板成形的目标形状，并根据板料厚度及材料参数利用有限元分析预测回弹量，在考虑回弹补偿的情况下，进行多点成形工艺计算，获得第一次厚板成形所需要的上下多点模具型面数据，并传递给多点成形设备的软件***，上下多点模具在计算机的控制下，自动调整到所需要的型面；

步骤二、在铝合金平面厚板3上、下两端分别放置一个弹性垫2，再将弹性垫2和铝合金平面厚板3放置于上、下多点模具1、4之间，使用液压机加载并保压，卸载后得到曲面形状的铝合金厚板零件；

对压成形过程中使用的多点可变模具，包括上多点模具1和下多点模具4，分别包含 13×10个紧密排列的上、下基本体冲头5、6，每个基本体冲头的横截面积为80×80mm，整个多点模具的成形面积为1040×800mm。其中基本冲头由方体、螺杆和数控单元组成。数控单元的电机带动螺杆旋转，从而带动具有内螺纹的冲头方体上下移动，实现高度调整，并能在任意位置定位。上多点模具1和下多点模具4分别安装在液压机的上横梁和下平台上，成形时上多点模具1随着上横梁一起向下移动，提供铝合金平面厚板3成形时的加载力，与固定在下横梁上的基本体对压成形铝合金平面厚板3。

参阅图2a—2c，为防止多点模具成形铝合金厚板时出现压痕缺陷，在平板上下两侧分别放置弹性垫2，将铝合金平面厚板3夹在中间，并将其一起置于下多点模具4上，调整厚板毛坯件位置，使其中心对齐下多点模具4的中心位置。然后上多点模具1缓慢向下移动至毛坯件上表面位置处，将铝合金平面厚板3固定后停住，观察铝合金平面厚板3是否有偏移，若有偏移，升起上多点模具1，重新固定铝合金平面厚板3，若没有偏移，则液压机加压并保压，按照所设计的压下量和加载力对压成形铝合金板料。抬起上多点模具1，铝合金零件卸载并产生回弹。

步骤三、对步骤二所得到的曲面形状的铝合金厚板零件的形状进行测量，并与目标形状进行曲面配准，根据曲面误差进行调整，直至曲面形状的铝合金厚板零件的曲面误差符合要求；

误差的调整可以调整多点模具型面，进行多次对压成形，直至厚板曲面误差符合要求。并通过反复对压成形，减小铝合金厚板内的残余应力分布，控制回弹量。

在成形后，也可以通过靠模检验的传统方法，检测曲面厚板的成形精度，并进行多点成形校正。

步骤四、固定曲面形状的铝合金厚板零件，根据高筋铝合金壁板数模数控加工出腹板侧型面，并使用专用工装再次刚性固定曲面形状的铝合金厚板零件，进行筋条侧数控加工；

通过夹具，将成形后的曲面厚板零件凸面向上刚性固定在5轴数控加工中心的平台上；根据目标整体壁板形状进行数控编程，去除曲面零件凸面侧尽量少的材料，数控加工出腹板侧型面，将加工后的零件卸载。

将壁板零件腹板侧向下，使用专用工装再次将零件通过真空吸附的方式固定在加工平台上，进行筋条侧的铣削加工。专用工装为双曲率型面的真空吸附工装，工装四周边框型面与待加工壁板零件腹板侧的型面相吻合。框架下侧为封闭空间，通过施加真空将壁板固定在专用工装上，并保护腹板曲面，不造成表面损伤。同时为了防止在铣削加工过程中，由于吸附力不够导致壁板脱离工装，在工装腹板侧安装有接触测量传感器阵列，检测壁板零件在铣削过程中是否脱离工装，从而保证铣削后的壁板整体曲面精度。

参阅图3a—3d为曲面零件三维铣削加工的流程示意图，步骤五、根据高筋铝合金壁板的筋条结构，沿平行于腹板曲面形状的切削路径，追层、分区域地去除曲面形状的铝合金厚板零件上的多余材料，铣削出所需要的筋条结构，得到带有高筋条的铝合金整体壁板；

铣削筋条的过程分为粗铣和精铣两个过程，根据残余应力均匀释放的原则设计粗铣加工路径，将约80％待去除材料铣削去除，使得板内大部分残余应力得到释放，并得到大致的筋条结构；然后进行精细加工，铣削出所需要的筋条结构。精铣采用双摆头型五轴数控加工设备，其主轴加工灵活，适合加工复杂三维曲面结构。图3a — 3d 所示为一种由内向外螺旋式的铣削路径，可以保证铣削的连续性。

步骤六、将带有高筋条的铝合金整体壁板从专用工装上卸载，测量所得到的带有高筋条的铝合金整体壁板的形状，得到型面误差后进行形状校正。

将整体壁板零件从工装卸载，壁板零件在残余应力的作用下产生回弹。将卸载的壁板零件进行曲面测量或者靠模检测，如果形状误差满足要求，则制造过程结束，得到合格的铝合金整体壁板零件；如果壁板零件不满足设计曲面要求，在筋条之间放置填料，在筋条侧及腹板侧分别放置弹性垫，利用上、下多点模具1、4对铝合金壁板进行形状校正。

本发明充分应用多点成形技术的快速、柔性特点，改变整体壁板制造过程中先铣削再成形的传统方法，发明了一种高筋铝合金壁板制造方法。首先将铝合金平面厚板对压成形出所需要的曲面形状，再用高速铣削加工的方法，在曲面厚板上沿平行于曲面的加工路径逐层、分区域去除多余部分，铣削出需要的筋条结构，最后经过曲面测量和局部校正，制造出合乎要求的高筋铝合金壁板，解决了传统闸压成形制造铝合金高筋整体壁板过程中易产生的筋条和腹板失稳、断裂等问题，而且制造方法不破坏铝合金板料的纤维层结构，充分了保证零件强度。该发明能够提高飞机整体壁板的成形效率和成形精度，在航空航天领域具有广阔的应用前景。

Claims (1)

1.一种高筋铝合金壁板制造方法，该高筋铝合金壁板是带有I型或T型高筋条的双曲度壁板，其特征在于，该制造方法包括以下步骤：

步骤一、根据高筋铝合金壁板的目标形状、所用板料厚度计算出厚板的目标曲面形状，预测回弹量，并通过工艺计算得到上、下多点模具型面数据，自动调整上、下多点模具(1、4)的型面；

步骤二、在铝合金平面厚板(3)上、下两端分别放置一个弹性垫(2)，再将弹性垫(2)和铝合金平面厚板(3)放置于上、下多点模具(1、4)之间，使用液压机加载并保压，卸载后得到曲面形状的铝合金厚板零件；

步骤三、对步骤二所得到的曲面形状的铝合金厚板零件的形状进行测量，并与目标形状进行曲面配准，根据曲面误差进行调整，直至曲面形状的铝合金厚板零件的曲面误差符合要求；

步骤四、固定曲面形状的铝合金厚板零件，根据高筋铝合金壁板数模数控加工出壁板腹板侧型面，并使用专用工装再次刚性固定曲面形状的铝合金厚板零件，进行筋条侧数控加工；

步骤五、根据高筋铝合金壁板的筋条结构，沿平行于腹板曲面形状的切削路径，追层、分区域地去除曲面形状的铝合金厚板零件上的多余材料，铣削出所需要的筋条结构，得到带有高筋条的铝合金整体壁板；

步骤六、将带有高筋条的铝合金整体壁板从专用工装上卸载，测量所得到的带有高筋条的铝合金整体壁板的形状，得到型面误差后进行形状校正；步骤四中所述的专用工装为双曲率型面的真空吸附工装，在不对腹板曲面造成损伤的情况下固定型面，使得筋条在加工过程中曲面形状的铝合金厚板零件固定不动；所述的专用工装腹板侧安装有检测曲面形状的铝合金厚板零件在铣削过程中是否脱离工装的接触测量传感器；步骤五中所述的切削路径是根据曲面形状的铝合金厚板零件的形状、材质以及成形过程状态进行的优化设计，控制残余应力均匀释放，控制零件精度。