CN111804786B - 一种整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法，采用真空柔性装夹技术将整体壁板平板状态的原始坯料装夹在三轴数控机床上，进行带超高加强筋、超大法兰及其网格进行数控铣削加工，随后采用振动消除应力技术，消除了材料内应力对加工变形的影响，然后通过等刚度补强技术和分步级进热成形与热校形一体化技术，解决了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的成形时，壁板加强筋和法兰成形抗力存在较大差别，容易发生严重的不均匀变形，法兰周围的过渡区在变形过程中极易产生断裂，成形难度非常大的难题，实现了带超高加强筋和超大法兰的整体薄壁壁板结构的低应力制造。

Description

一种整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法

技术领域

本发明涉及一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法，属于大型空间航天器制造技术领域。

背景技术

现有薄壁整体壁板由于自身带的法兰比较大，法兰的高度比较高，自身的加强筋比较高，法兰和加强筋之间的高度差比较大，法兰、加强筋和蒙皮存在突变位置和厚度差，同时形成了较大的刚度差，该类壁板成形过程中，不同位置的成形抗力存在较大差别，超大法兰和加强筋以及壁板蒙皮在变形过程中受力极其不均衡，容易发生严重的不均匀变形，加强筋比较高极易产生失稳，法兰周围的过渡区在变形过程中极易产生断裂，成形难度非常大。另外采用该方法所需要的压力机吨位大，超高加强筋极易产生失稳，常规的成形方法难以成形，因此必须寻找一种新的成形方法来成形这类薄壁壁板。

现有工艺主要是通过聚氨酯橡胶板填充带法兰的整体壁板，然后在室温下将整体壁板放在压力机上然后进行压弯成形，该工艺方法对于普通的带法兰薄壁整体壁板的成形有效可靠，可以成形普通带法兰薄壁整体壁板。但是该方法采用聚氨酯橡胶填充整体壁板网格，然后采用室温成形的工艺方法，只能解决普通带法兰的整体壁板成形，而无法解决带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板成形中加强筋失稳和蒙皮与加强筋的连接处、法兰与加强筋的连接处容易产生断裂的问题。该方法采用的室温成形，铝合金整体壁板在室温成形过程中，铝合金的延伸率非常低，塑性非常差，成形性能较差，加工硬化严重，成形过程中，超高的加强筋变形过程中，由于塑性差而难以变形而造成扭曲或者断裂等失稳，另外，采用聚氨酯橡胶板进行等刚度处理，不同位置的成形抗力仍然存在差别，法兰、蒙皮和加强筋变形难以保持一致，不均匀变形严重，蒙皮与加强筋的连接处、法兰与加强筋的连接处极易产生断裂，造成整体壁板成形的合格率极低，而且室温加工硬化严重，成形后的壁板残余应力非常大。

因此，为了解决现有方法无法制造带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板以及成形合格率低的难题，需要开发一种全新的成形方法进行成形。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法，实现了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的精密成形，实现了整体薄壁壁板的低应力制造。

本发明解决的技术方案为：一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形方法，步骤如下:

(1)建立带加强筋和法兰的薄壁整体壁板的三维设计模型，得到成形工艺参数；

(2)采用有限元分析软件或者利用中性层原理，将整体壁板的三维设计模型展开为二维平面模型；

(3)根据后续成形的工艺性，将展开后的二维平面模型上预留工艺余量实现对展开后的二维平面模型进行尺寸修正，得到修正后的二维平面模型；

(4)准备板材，按照修正后的二维平面模型，在三轴数控铣床编程***里进行编程，编程完成后利用三轴数控铣床对准备的板材进行数铣加工，得到一面有凸起网格和法兰，另一面有蒙皮的整体壁板；根据带加强筋和法兰的薄壁整体壁板的三维设计模型，铣加工成形凸凹模的模具；

(6)根据整体壁板一侧的网格形状和法兰形状制作成形填料，将成形填料固定在整体壁板的网格中压紧填实；

(7)通过使用与步骤(4)的板材材料相同、厚度相同的板材，将该板材加工成辅助工艺板，将辅助工艺板与步骤(4)一面有凸起网格和法兰的板材的两侧，利用螺栓进行连接形成延长后的壁板，工艺板与一面有凸起网格和法兰的整体壁板中间增加隔热材料；

(8)对步骤(8)延长后的壁板以及凸凹模与延长后的壁板接触的型面用丙酮清洗，然后利用石墨高温润滑脂进行润滑；

(9)将凹模和，凸模位置固定，在凹模的侧边安装挡板，延长后的壁板放置在凸模上，有网格一侧面向凹模；延长后的壁板侧边与凹模的侧边安装挡板能够接触，防止延长后的壁板放歪或者放斜，影响其成形效果；

(10)对凹模和凸模分别进行加热，将凹模和凸模加热到设定的温度后保持稳定，对凹模和凸模分别进行加热的同时，对整体壁板进行加热使其达到设定的温度后保持稳定，将整体壁板迅速移动到凸模上；使凹模向凸模运动，实现整体壁板的成形；

(11)成形后，将凹模和凸模取下，更换成热校形凸凹模，使热校形凸凹模的温度升温到设定的温度并保持稳定，同时将成形完成后的整体壁板放到热校形凸模中，待温度均匀后，热校型凸凹合模，实现整体壁板的校形；

(12)取出校形后的整体壁板，然后利用检测样板测量成形后的曲率半径，如果曲率半径不满足要求，重复步骤(10)和(11)，如果曲率半径满足要求，进行步骤(13)；

(13)清洗整体壁板上的石墨高温润滑脂后，实现带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的分布级进热成形。

优选的，整体壁板是指不需要连接技术而将蒙皮与加强筋、桁条这些加强部分制成的一个整体加筋板件。

优选的，整体加筋板件主要包括蒙皮、加强筋等若干结构要素组成的承力结构件。

优选的，同时带有法兰、加强筋和减轻孔结构的整体壁板满足航天器性能的要求。

优选的，带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板优选是指薄壁整体壁板的法兰的最大尺寸L1与同一方向的网格的尺寸L2的比值大于等于2，即：L1/L2≧2。

优选的，加强筋的高度H1与蒙皮的厚度H2的比值大于等于5，即：H1/H2≧5。

优选的，整体壁板一侧上分布有横竖交替的加强筋，另一侧为光滑曲面蒙皮。

优选的，整体壁板形状为圆柱形或者圆锥形。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明是将整体壁板在平板状态下进行带超高加强筋、超大法兰及其网格的铣削加工，然后再利用分步级进热成形的方法进行成形。该方法简单、方便，无需大型五轴数控机床，加工成本低，加工效率高，加工周期短；

(2)本发明采用真空柔性装夹技术，解决了大型整体壁板的加工装夹难题，显著提高了壁板加工精度和加工效率(壁板表面粗糙度达到Ra0.8微米，同板厚度差0.05毫米；加工效率提高3-5倍)；

(3)本发明采用振动消除应力技术，消除了材料内应力对加工变形的影响，解决了整体壁板加工变形的难题，实现了整体壁板结构的低应力制造。

(4)本发明通过等刚度补强技术和分步级进热成形的技术，将带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板进行等刚度补强，可以解决了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的成形时，壁板加强筋和法兰成形抗力存在较大差别，容易发生严重的不均匀变形，法兰周围的过渡区在变形过程中极易产生断裂，成形难度非常大的难题，实现了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的精密成形。

(5)本发明采用分步级进热成形与热校形一体化技术，可以显著降低整体壁板成形过程中的变形抗力，降低设备的成形吨位，提高铝合金的成形性能，解决了超高的加强筋变形过程中，由于塑性差而难以变形而造成扭曲或者断裂等失稳的问题，克服了成形后的壁板加工硬化严重，残余应力大的缺陷，实现了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的低应力制造。

附图说明

图1是本发明的一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法的工艺流程图；

图2是一种圆柱形的整体壁板示意图；

图3是圆柱形的整体壁板截面示意图；

图4是一种带法兰的普通的圆柱形薄壁整体壁板示意图；

图5是一种带法兰的普通的圆锥形薄壁整体壁板示意图；

图6是带法兰的薄壁整体壁板的截面主要参数示意图；

图7是一种带超高加强筋和超大法兰的锥段薄壁整体壁板示意图；

图8是一种带超高加强筋和超大法兰的柱段薄壁整体壁板展开示意图；

图9是一种带超高加强筋和超大法兰的柱段薄壁整体壁板修正后的二维平面模型示意图；

图10是一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板成形模具示意图

图11是一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板修正后的二维平面模型及按照辅助工艺板后示意图；

图12是一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形工艺顺序示意图；

图13是一种带超高加强筋和超大法兰的柱段薄壁整体壁板检测样板示意图；

图14是一种带超高加强筋和超大法兰的锥段薄壁整体壁板检测样板示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明的一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形方法，采用真空柔性装夹技术将整体壁板平板状态的原始坯料装夹在三轴数控机床上，进行带超高加强筋、超大法兰及其网格进行数控铣削加工，随后采用振动消除应力技术，消除了材料内应力对加工变形的影响，然后通过等刚度补强技术和分步级进热成形的技术，解决了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的成形时，壁板加强筋和法兰成形抗力存在较大差别，容易发生严重的不均匀变形，法兰周围的过渡区在变形过程中极易产生断裂，成形难度非常大的难题，解决带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板成形中加强筋失稳和蒙皮与加强筋的连接处、法兰与加强筋的连接处容易产生断裂的问题，同时采用分步级进热成形与热校形一体化技术，可以显著降低整体壁板成形过程中的变形抗力，降低设备的成形吨位，提高铝合金的成形性能，解决了超高的加强筋变形过程中，由于塑性差而难以变形而造成扭曲或者断裂等失稳的问题，克服了成形后的壁板加工硬化严重，残余应力大的缺陷，实现了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的精密成形，实现了整体薄壁壁板结构的低应力制造。

本发明中整体壁板优选为不需要连接部件而将蒙皮与加强筋、桁条等加强部分制成的一个整体加筋板件，主要由蒙皮、加强筋等若干结构要素组成的承力结构件，具有结构重量轻、强度高、刚性好、装配简单、所需结构件项目少、等诸多优点，成为大型空间航天器结构轻量化而广泛采用的结构形式之一，整体壁板三维图如附图2所示，其截面图如图3所示。随着大型空间航天器相关性能的不断提高，对整体壁板的结构和强度提出了新的要求，而同时带有法兰、加强筋和减轻孔等结构的整体壁板可以满足航天器性能的要求，同时兼顾结构效率和成本，成为大型空间航天器重要的结构形式之一。这类带法兰整体壁板一侧上分布有横竖交替的加强筋，另一侧为光滑曲面蒙皮，形状优选为圆柱形或者圆锥形，其三维图如附图4所示，带法兰的整体壁板截面图如附图5所示。

带法兰的整体壁板主要分为普通的带法兰整体壁板、带法兰的整体薄壁壁板和带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板。带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板优选是指薄壁整体壁板的法兰的最大尺寸L1与同一方向的网格的尺寸L2的比值大于等于2，即：L1/L2≧2，且加强筋的高度H1与蒙皮的厚度H2的比值大于等于5，即：H1/H2≧5。

空间站密封舱主要是由整体壁板焊接而成，组成空间站的大部分壁板都是带法兰的整体壁板，其中有一部分带法兰的整体壁板为带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板，这类壁板比普通的带法兰薄壁壁板结构更复杂，其加强筋比普通的带法兰薄壁壁板更高，加强筋高度优选达到30-35mm，而加强筋厚度及蒙皮厚度优选仅为4-6mm，加强筋的高度H1与蒙皮的厚度H2的比值(H1/H2)优选达到6-8，另外这类薄壁整体壁板的不同部位分布着形式多样、大小不一的法兰，并且最大法兰的厚度往往比壁板的主体厚度高，外形尺寸非常大，法兰厚度优选达到35-45mm，尺寸大小优选达到400-500mm，法兰的最大尺寸L1与同一方向的网格的尺寸L2的比值(H1/H2)优选达到2.5-3。

本发明提出的一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的成形制造方法，解决了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的成形时，壁板加强筋和法兰成形抗力存在较大差别，容易发生严重的不均匀变形，法兰周围的过渡区在变形过程中极易产生断裂，成形难度非常大以及成形合格率低的难题。

整体壁板优选为不需要连接部件而将蒙皮与加强筋、桁条等加强部分制成的一个整体加筋板件，主要由蒙皮、加强筋等若干结构要素组成的承力结构件，形状为圆柱形或者圆锥形，蒙皮位于圆柱形或者圆锥形的内表面、加强筋一侧位于圆柱形或者圆锥形的外表面，如附图2、附图3所示。而带法兰整体壁板是指整体壁板一侧为光滑曲面蒙皮，而另一侧上分布有横竖交替的加强筋和形式多样、大小不一的法兰，法兰的外形尺寸比加强筋的宽度大，法兰的厚度往往比壁板加强筋的高度高，形状为圆柱形或者圆锥形，圆柱形没有两侧端面，其三维图如附图4、圆锥形没有底面，其三维图如附图5所示，其截面主要参数示意图如附图6所示。

本发明成形的一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板，涉及的是一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板，主要是指薄壁整体壁板的法兰的最大尺寸L1与同一方向的网格的尺寸L2的比值优选大于等于2，即：L1/L2≧2，且加强筋的高度H1与蒙皮的厚度H2的比值优选大于等于5，即：H1/H2≧5，如图7是一种带超高加强筋和超大法兰的锥段薄壁整体壁板示意图。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，如图1所示为本发明的工艺流程示意图，本发明一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的分布级进热成形方法，步骤如下:

(1)建立带加强筋和法兰的薄壁整体壁板的三维设计模型，然后分析整体壁板的成形工艺参数，优选方案具体如下：

1.1根据整体壁板产品的性能要求、使用工况等需求条件，进行计算分析，确定整体薄壁壁板的空间曲面的曲率、整体壁板的尺寸、加强筋的宽度、厚度和高度以及法兰的尺寸及高度等参数；

1.2利用三维设计软件Pro/E进行设计，建立带加强筋和法兰的薄壁整体壁板的三维设计模型；

1.3读取复杂的带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板三维设计模型，进行结构分析，主要分析整体壁板的成形工艺性，主要分析整体壁板的空间曲面的曲率(圆柱形壁板为圆柱底面半径，圆锥形壁板为圆锥上)、整体壁板的尺寸、加强筋的宽度、厚度和高度以及法兰的尺寸及高度等因素，确定该整体壁板的成形工艺性满足要求；

(2)采用有限元分析软件或者利用中性层原理，将整体壁板的三维设计模型展开为二维平面模型，优选方案具体如下：

2.1提取既能够反映零件结构又可以进行展开计算的展开要素，同时充分考虑具体成形工艺参数例如空间曲面的曲率、整体壁板的尺寸、加强筋的厚度和高度以及法兰的尺寸及高度等因素，以确保展开过程尽可能地与实际工况相吻合；

2.2对整体壁板初始展开面进行塑性展开的要素分析，展开时考虑充分考虑具体成形工艺过程、材料属性等，以确保展开过程尽可能地与实际工况相吻合，得到整体壁板初始展开平面；

2.3采用有限元分析软件，或者利用中性层原理，将整体壁板的三维设计模型展开为二维平面模型，如图8所示为一种带超高加强筋和超大法兰的柱段薄壁整体壁板展开示意图；

中性层展开的原理是采用包络算法的逆向工程方法，展开过程中需要选择待展开的三维设计模型和展开的基准中性层平面，然后通过控制展开精度，完成空间三维模型的精确展开。中性层优选定义为整体壁板厚度的35％-48％处的截面层，根据整体壁板的加强筋的高度来设计，进一步优选方案为材料厚度的42-46％处的截面层，进一步提高壁板的性能；

(3)根据后续成形的工艺性要求，将展开后的二维平面模型上预留工艺余量来对展开后的二维平面模型进行尺寸修正，得到修正后的二维平面模型，优选方案具体如下：

将带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板展开后的模型进行整理、检查、校对，根据后续成形的工艺性，对整体壁板展开后的平面板材进行尺寸方面的修正，在步骤2展开后平面板材上面预留工艺余量，然后布置定位工艺孔，以确保其满足辅助工艺板安装要求。

(4)按照步骤3修正后的二维平面模型准备整体壁板平板状态的原始坯料，利用真空吸盘，将原始坯料固定于三轴数控铣床上，保证坯料与真空吸盘贴实，在三轴数控铣床编程***里进行编程，编程完成后利用三轴数控铣床对准备的板材进行数铣加工，得到一面有凸起网格和法兰，另一面有蒙皮的整体壁板，然后振动消除应力，优选方案具体要求如下：

4.1根据需要成形的带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的尺寸，优选厚度比要求法兰尺寸厚5mm的平板作为整体壁板平板状态的原始坯料，优选原始坯料的外形尺寸比步骤3修正后的二维平面模型单边大10mm；原始坯料的原材料优选5A06铝合金，优选为5A06-H112态，抗拉强度为315MPa；

4.2利用真空吸盘，将原始坯料固定于数控铣加工中心上，保证原始坯料与真空吸盘贴实，在三轴数控铣床编程***里进行编程，编程完成后利用三轴数控铣床对原始坯料进行数铣加工，分粗铣、半精铣、精铣多道次铣加工，得到薄壁整体壁板修正后的二维平面模型实物，如图9所示；

4.3振动消除应力，消除材料内应力对加工变形的影响，保证加工完成后薄壁壁板尺寸精度的稳定性。

(5)根据带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的形状设计并制造成形模具和校形模具，并且加工成形模具和校形模具，优选方案具体如下；

5.1成形模具材料优选采用耐热钢，并进行淬火及回火处理，硬度要求优选为HRC32～42，成形凸凹模设计时，需要在成形凸凹模上面设置相应的连接接口，可利用该接口将其固定在压力机工作台上，凸凹模上表面需要加工来保证跟液压机的连接精度要求。

5.2成形凸凹模外形尺寸根据整体壁板的尺寸以及整体壁板的法兰尺寸来设计，在纵向尺寸方面，成形凸凹模外形尺寸与整体壁板的展开尺寸相同，优选的，在横向尺寸方面，凹模尺寸宽度尺寸B1和凸模尺寸宽度尺寸B2优选为展开后整体壁板的法兰宽度尺寸b的(1/2～2/3)，即B1＝B2＝(1/2～2/3)b(mm)，更好保证法兰在压弯过程中不会产生开裂，如图10所示。

5.3在凸模或者凹模的侧面安装挡板，确保待成形的平面板材可完全放置在凸模上，并可直接固定在凸模上面。

5.4为保证生产安全，设计支撑箱来来增加模具的总高度，可以满足整体壁板在渐进成形过程中，大型整体壁板的两侧不会碰到支撑箱的上表面或者压力机的下工作台上，为了减少机械加工量和节约成本，该支撑箱整体采用铸式结构，优选为II类铸件，上表面和凸台采用加械加工，保证跟凸凹模连接要求，并且同锥段壁板成形具有相同的接口，可以共用。支撑箱的长度和宽度跟整体壁板的长度和宽度一致，高度根据整体壁板的曲面来设计。该支撑箱下方采取凸台加压板同液压机连接，上方通过螺栓同凸模连接，为减重和节约的需要，中间掏空，经计算能够保证各方面的强度要求，在吊装过程中采用铸6-φ30的通孔穿钢丝或者圆柱杆的形式起吊，可以完成起吊运输要求。

5.5凸凹模的圆弧尺寸根据整体壁板的曲率半径进行设计并且提前预留出回弹量，为零件成形后后续的热处理校形提供必要的条件。成形凸凹模端面的圆角半径r优选取R10～R20；

5.6校形模具材料优选采用耐热钢，并进行淬火及回火处理，硬度要求优选为HRC32～42，校形模具的圆弧尺寸整体壁板的曲率半径一致，不预留出回弹量，尺寸能够涵盖这个壁板的尺寸。

(6)对步骤(4)得到的薄壁整体壁板修正后的二维平面模型实物采用化学除油处理，然后对整体壁板进行完全退火处理，在箱式电阻炉中进行，优选方案具体如下：

6.1选择碱溶液，溶液成份为氢氧化钠，氢氧化钠含量优选为15g/L～70g/L，将选用的碱溶液优选加热至65℃～95℃。

6.2化学除油溶液到温后，将整体壁板整体浸入碱溶液中，无法整体浸入碱溶液的，需掉头进行化学除油。

6.3控制化学除油时间，使用秒表进行计时，对于整体壁板持续时间优选取30～90s，当零件形状复杂时，应采用持续时间的中、上限。当化学除油次数多时，应采用持续时间的中、下限。

6.4整体壁板完全退火热处理制度为：优选的加热温度T＝300～320℃，保温时间优选为0.5h～1.5h，采取到温入炉和空冷的冷却方式。

(7)根据整体壁板一面的网格形状和法兰形状制作成形填料，将成形填料固定在整体壁板的网格中压紧填实；通过使用与步骤(4)的板材材料相同、厚度相同的板材，将该板材加工成辅助工艺板，将辅助工艺板与步骤(4)一面有凸起网格和法兰的板材的两侧利用螺栓进行连接形成延长后的整体壁板，工艺板与一面有凸起网格和法兰的整体壁板中间增加隔热材料，如图11所示，具体如下：

7.1成形填料的材料为跟整体壁板牌号相同的铝合金或者力学性能相同的材料，要求填料的力学性能σ_s≦σ_壁板MPa，δ≧σ_壁板；

7.2成形填料按照网格形状和法兰形状进行设计和加工，成形填料和网格为过渡配合，保证成形过程中，填料不会掉出；

7.3加工完成后，将成形填料填充到每个网格中，压紧填实，保证每个填料四边与网格紧贴，不可过紧或过松，严格保证填料高出网格筋表面优选达到0.5mm，壁板网格厚度不一致，装填料时注意与壁板网格匹配；壁板四周无网格筋的长条在装填料时，为防止填料脱落，优选的，允许在壁板理论轮廓线外侧20～30mm的范围加工出螺纹孔，填料配打沉头孔，用工艺沉头螺钉紧固，确保螺钉头部不高出填料，尾部不高出壁板。螺钉数量自定。

7.4通过使用与整体壁板材料相同、厚度相同的板材，将该板材加工成辅助工艺板，将辅助工艺板与整体壁板利用螺栓进行连接，工艺板与整体壁板中间增加隔热材料，主要目的是对延长壁板，并且在操作过程中，可以手持辅助工艺板对整体壁板进行操作，如图10所示；

(8)利用石墨高温润滑脂对步骤(7)填充完填块以及延长后的整体壁板的上下工作型面进行润滑，该工作型面指整体壁板与成形模具的凸凹面接触的型面，具体要求如下：

首先将填充完填块以及延长后的整体壁板放在工作架上，将石墨高温润滑脂均匀的喷涂在整体壁板的上工作表面，待石墨略干后，将整体壁板翻转，将石墨高温润滑脂均匀的喷涂在整体壁板的下工作表面。

(9)将凹模和凸模安装在液压机上，在凸模的侧边安装挡板，然后将填充完填块以及延长后的整体壁板放置在凸模上，有网格和法兰的一侧面向凹模；填充完填块以及延长后的壁板侧边与凸模的侧边安装的挡板能够接触，用来控制壁板的位置和方向，具体如下：

9.1将凹模连接到液压机的上主缸上，凸模连接铸造支撑箱上，支撑箱连接到液压机的下主缸上；

9.2优选利用2XM12的螺钉将挡板安装到凸模侧面上，挡板的长度尺寸L与凸模宽度尺寸B1的关系优选满足B1/3≦L≦B1/2，高度能够优选高于凸模工作面40-80mm，厚度优选为15-30mm

9.3将步骤(8)润滑完的整体壁板放置在凸模上，整体壁板的侧边靠在凸模的侧边安装的挡板旁，主要用来控制壁板的位置和方向。

(10)对凹模和凸模分别进行加热，将凹模和凸模加热到设定的温度后保持稳定，对凹模和凸模分别进行加热的同时，对整体壁板进行加热使其达到设定的温度后保持稳定，将整体壁板迅速移动到凸模上；使凹模向凸模运动，实现整体壁板的成形，具体如下：

10.1开启凸凹模的加热装置，加热凸凹模，使凸凹模的温度升温到优选的400-420℃，并保持稳定；

10.2将整体壁板放到加热炉中，对整体壁板进行加热，使整体壁板升温到400-430℃，并保持稳定，然后将整体壁板迅速移动到凸模上；

10.3待温度均匀后，控制压力机的上工作台下降，进而带动凹模下降，从而实现整体壁板的成形。

成形按照如图12所示的分步级进式成形顺序(优选从位置1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-位置11)进行成形，即：首先成形位置1-壁板法兰的中心，然后位置2、3-壁板法兰与壁板加强筋的过渡处，其次位置4、5壁板法兰的其余部分，然后位置6、7整体壁板的加强筋部分，最后位置8、9、10、11壁板的其余部分。每次成形的时候需要目视检查整体壁板的成形状态，如果出现加强筋失稳或者断裂的现象，需要及时停止以进一步保证预成形时板料不发生皱曲，进一步提高成形质量。在成形过程中，通过依次增加成形力，按预设成形顺序，重复实施逐点分步级进式成形。

(11)成形完成后，将成形模具的凹模和凸模取下，更换成热校形凸凹模，使热校形凸凹模的温度升温到设定的温度并保持稳定，同时将成形完成后的整体壁板放到热校形凸模中，待温度均匀后，热校型凸凹合模，实现整体壁板的校形，具体如下：

11.1将热成形凸凹模从压力机上卸下，更换成热校形凸凹模，开启热校形凸凹模的加热装置，使热校形凸凹模的温度升温到320±10℃，并保持稳定；

11.2将成形完成后的整体壁板放到热校形凸模中，使整体壁板的温度升温到320±10℃，并保持稳定

11.3待温度均匀后，控制压力机的上工作台下降，进而带动热校形凹模下降，热校形凸与凹模合模，然后施加合模压力F，优选的合模力F＝5×H3×A(H3为壁板最大厚度，A为壁板校形时的投影面积)，然后优选在320±10℃下保压保温1.5小时，进行热处理去应力，从而实现整体壁板的热校形。

(12)取出校形后的整体壁板，然后利用检测样板测量成形后的曲率半径，如果曲率半径不满足要求，重复步骤(9)和(10)，如果曲率半径满足要求，进行步骤(13)，具体如下：

12.1柱段壁板的检测样板优选是利用1-2mm厚的铝板采用激光切割而成，如图13所示，检测样板的圆弧半径跟柱段壁板的圆弧的理论数值一致，样板宽度大于柱段壁板的弦长的一半。

12.2锥段壁板的检测样板优选为半锥台结构，圆台底面主要是由上圆弧面和下圆弧面组成，检测样板的上圆弧半径跟锥段壁板的上圆弧半径的理论数值一致，检测样板的下圆弧半径跟锥段壁板的下圆弧半径的理论数值一致，上下圆弧面优选是利用1-2mm厚的铝板采用激光切割而成，然后中间增加一块竖向隔板将上下弧面连接起来，连接方式采用焊接或者铆接形式，如图14所示。

(13)清洗整体壁板上的石墨高温润滑脂后，实现带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的分步级进热成形，优选方案具体如下：

13.1选择碱溶液，溶液成份为氢氧化钠，氢氧化钠含量为15～70g/L，将选用的碱溶液优选加热至65℃～95℃。

13.2化学除油溶液到温后，将整体壁板整体浸入碱溶液中，无法整体浸入碱溶液的，需掉头进行化学除油。

13.3控制化学除油时间，使用秒表进行计时，对于整体壁板持续时间优选取30～90s，当零件形状复杂时，应采用持续时间的中、上限。当化学除油次数多时，应采用持续时间的中、下限。

通过以上优选的方案进一步显著的提高了壁板加工精度和加工效率。

通过本发明的方案，本发明将整体壁板在平板状态下进行带超高加强筋、超大法兰及其网格的铣削加工，然后再利用分步级进热成形的方法进行成形。该方法简单、方便，无需大型五轴数控机床，加工成本低，加工效率高，加工周期短；且本发明采用真空柔性装夹技术，解决了大型整体壁板的加工装夹难题，显著提高了壁板加工精度和加工效率，使壁板表面粗糙度达到Ra0.8微米，同板厚度差0.05毫米；加工效率提高3-5倍；

本发明采用振动消除应力技术，消除了材料内应力对加工变形的影响，解决了整体壁板加工变形的难题，实现了整体壁板结构的低应力制造，且本发明通过等刚度补强技术和分步级进热成形的技术，将带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板进行等刚度补强，可以解决了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的成形时，壁板加强筋和法兰成形抗力存在较大差别，容易发生严重的不均匀变形，法兰周围的过渡区在变形过程中极易产生断裂，成形难度非常大的难题，实现了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的精密成形。

本发明采用分步级进热成形与热校形一体化技术，可以显著降低整体壁板成形过程中的变形抗力，降低设备的成形吨位，提高铝合金的成形性能，解决了超高的加强筋变形过程中，由于塑性差而难以变形而造成扭曲或者断裂等失稳的问题，克服了成形后的壁板加工硬化严重，残余应力大的缺陷，实现了铝合金带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的低应力制造。

Claims (6)

1.一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法，所述带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板是指薄壁整体壁板的法兰的最大尺寸L1与同一方向的网格的尺寸L2的比值大于等于2，即：L1/L2≧2；加强筋的高度H1与蒙皮的厚度H2的比值大于等于5，即：H1/H2≧5；其特征在于步骤如下:

(1)建立带加强筋和法兰的薄壁整体壁板的三维设计模型，得到成形工艺参数；

(2)采用有限元分析软件或者利用中性层原理，将整体壁板的三维设计模型展开为二维平面模型；

(3)根据后续成形的工艺性，将展开后的二维平面模型上预留工艺余量实现对展开后的二维平面模型进行尺寸修正，得到修正后的二维平面模型；

(4)准备板材，按照修正后的二维平面模型，在三轴数控铣床编程***里进行编程，编程完成后利用三轴数控铣床对准备的板材进行数铣加工，得到一面有凸起网格和法兰，另一面有蒙皮的整体壁板；

(5)、根据带加强筋和法兰的薄壁整体壁板的三维设计模型，铣加工成形凸凹模的模具；

(6)根据整体壁板一侧的网格形状和法兰形状制作成形填料，将成形填料固定在整体壁板的网格中压紧填实；成形填料的材料为跟整体壁板牌号相同的铝合金或者力学性能相同的材料，要求填料的力学性能σ_s≦σ_壁板MPa，δ≧σ_壁板；

(7)通过使用与步骤(4)的板材材料相同、厚度相同的板材，将该板材加工成辅助工艺板，将辅助工艺板与步骤(4)一面有凸起网格和法兰的板材的两侧，利用螺栓进行连接形成延长后的壁板，工艺板与一面有凸起网格和法兰的整体壁板中间增加隔热材料；

(8)对步骤(7)延长后的壁板以及凸凹模与延长后的壁板接触的型面用丙酮清洗，然后利用石墨高温润滑脂进行润滑；

(9)将凹模和凸模位置固定，在凹模的侧边安装挡板，延长后的壁板放置在凸模上，有网格一侧面向凹模；延长后的壁板侧边与凹模的侧边安装挡板能够接触；

(10)对凹模和凸模分别进行加热，将凹模和凸模加热到设定的温度后保持稳定，对凹模和凸模分别进行加热的同时，对整体壁板进行加热使其达到设定的温度后保持稳定，将整体壁板迅速移动到凸模上；使凹模向凸模运动，实现整体壁板的成形；

(11)成形后，将凹模和凸模取下，更换成热校形凸凹模，使热校形凸凹模的温度升温到设定的温度并保持稳定，同时将成形完成后的整体壁板放到热校形凸模中，待温度均匀后，热校型凸凹模合模，实现整体壁板的校形；

(12)取出校形后的整体壁板，然后利用检测样板测量成形后的曲率半径，如果曲率半径不满足要求，重复步骤(10)和(11)，如果曲率半径满足要求，进行步骤(13)；

(13)清洗整体壁板上的石墨高温润滑脂后，实现带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板的分布级进热成形，分布级进热成形为：首先成形壁板法兰的中心，然后成形壁板法兰与壁板加强筋的过渡处，其次成形壁板法兰的其余部分，然后成形整体壁板的加强筋部分，最后成形壁板的其余部分，每次成形的时候需要目视检查整体壁板的成形状态，如果出现加强筋失稳或者断裂的现象，需要及时停止以进一步保证预成形时板料不发生皱曲，进一步提高成形质量，在成形过程中，通过依次增加成形力，按预设成形顺序，重复实施逐点分步级进式成形。

2.根据权利要求1所述的一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法，其特征在于：整体壁板是指不需要连接技术而将蒙皮与加强筋、桁条这些加强部分制成的一个整体加筋板件。

3.根据权利要求2所述的一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法，其特征在于：整体加筋板件主要包括蒙皮、加强筋等若干结构要素组成的承力结构件。

4.根据权利要求1所述的一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法，其特征在于：整体壁板带有法兰、加强筋和减轻孔结构，能够满足航天器性能的要求。

5.根据权利要求1所述的一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法，其特征在于：整体壁板一侧上分布有横竖交替的加强筋，另一侧为光滑曲面蒙皮。

6.根据权利要求1所述的一种带超高加强筋和超大法兰的薄壁整体壁板分步级进热成形与热校形一体化方法，其特征在于：整体壁板形状为圆柱形或者圆锥形。

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