基于輥壓的整體壁板筋肋壓型與彎曲一體化成形方法與流程

本發(fā)明屬于金屬塑性成形領(lǐng)域，尤其涉及一種基于輥壓的整體壁板筋肋壓型與彎曲一體化成形方法。

背景技術(shù)：

整體壁板是廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的由厚蒙皮和長(zhǎng)桁等骨架組成的一體化結(jié)構(gòu)，如機(jī)身壁板、變厚度蒙皮、推進(jìn)劑箱體、箱底瓜瓣、截錐形裙部、過(guò)渡壁板、發(fā)動(dòng)機(jī)推力室等。作為一大類型的帶局部非等厚幾何特征的曲面板殼件,整體壁板具有重量輕、強(qiáng)度高、剛性好、疲勞壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為現(xiàn)代航空航天器普遍采用的一種高效結(jié)構(gòu)以及提高戰(zhàn)機(jī)綜合性能的重要途徑。隨著現(xiàn)代飛行器的速度與載荷能力不斷提升，對(duì)整體壁板的綜合性能要求也越來(lái)越高，導(dǎo)致其幾何結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，制造難度大大增加。迄今為止，整體壁板的制造方法，主要有切削加工、化學(xué)銑、焊接、局部加載成形以及爆炸成形等。

由于整體壁板通常尺寸較大，且筋、肋等形狀分布在曲面上，普通切削加工方法難以應(yīng)用，目前大多采用cnc(計(jì)算機(jī)數(shù)字控制)加工來(lái)制造整體壁板。如中國(guó)專利《一種外網(wǎng)格壁板數(shù)控加工工藝方法》(cn106425297a)提出一種先彎曲，再利用大型cnc機(jī)床加工得到整體壁板的方法。但利用cnc加工整體壁板對(duì)設(shè)備要求很高，特別是加工大尺寸的復(fù)雜制件需要昂貴的大型多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床；此外，切削加工在生產(chǎn)效率、材料利用率等方面也存在很大不足。例如，波音公司在某壁板的加工中，就去除了60％～70％的原材料【丁新玲.高速銑削德?tīng)査?貯箱壁板網(wǎng)格技術(shù).航天制造技術(shù)，2008(5):64】。

化學(xué)銑是將金屬厚板坯料的表面涂覆能夠抵抗腐蝕溶液作用的可剝性保護(hù)涂料，經(jīng)固化后進(jìn)行刻形，然后將需要加工部位的保護(hù)涂料剝?nèi)ィ賹⑴髁辖牖瘜W(xué)腐蝕溶液中，對(duì)裸露表面進(jìn)行腐蝕并去除相應(yīng)位置材料的一種加工方法。化學(xué)銑可以加工鋁、鎂、鈦、鎳、銅、鋼鐵等多種金屬和合金，以及特大尺寸的工件，且不論曲面形狀多復(fù)雜、材料硬度多高，都能進(jìn)行加工，因此成為現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的一種特種加工工藝。但化學(xué)銑對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重、加工效率和精度低，且只能加工寬度大于兩倍深度的溝槽，不利于減重。另外，坯料原有的劃痕、凹坑等缺陷在加工面上還會(huì)再現(xiàn)、甚至擴(kuò)大。

中國(guó)專利《一種用于航天飛行器外貯箱網(wǎng)格壁板的快速制造方法》(cn103639668a)提出了一種采用堆焊在板料平面上形成凸出的網(wǎng)格筋條，得到航天飛行器的外貯箱網(wǎng)格壁板的方法。但焊接成形的質(zhì)量和生產(chǎn)效率均較低。

金屬塑性成形的生產(chǎn)效率和材料利用率高，一定程度上還能提高制件的力學(xué)性能，但對(duì)于整體壁板這類具有變厚度幾何特征的薄殼類零件，卻由于多方面的原因很難直接采用普通沖壓或鍛造等塑性成形工藝進(jìn)行加工。例如，傳統(tǒng)沖壓主要針對(duì)成形前后板坯料的厚度保持不變的情況，而鍛造成形則主要針對(duì)棒料等形式的坯料；同時(shí)，大尺寸平板坯料在普通沖壓或鍛造等的整體成形過(guò)程中水平投影面積很大且會(huì)不斷增加，將導(dǎo)致極大的成形載荷，普通的鍛壓設(shè)備和模具不能承受。此外，整體沖壓或鍛造成形時(shí)，筋肋部位的材料流動(dòng)將十分困難，且難以實(shí)現(xiàn)精確控制。有鑒于此，提出了“局部加載成形”的工藝【李峰.特種塑性成形理論及技術(shù).北京大學(xué)出版社，2011】，即利用專用模具對(duì)厚板坯料的特定區(qū)域施加載荷，使相應(yīng)位置的材料發(fā)生局部的塑性變形，如此反復(fù)在坯料的不同區(qū)域操作，通過(guò)累積局部的變形得到最終制件形狀。該法可在較低的成形力下得到帶筋肋的殼體件，但由于變形是受多因素影響的非均勻和非連續(xù)的復(fù)雜過(guò)程，極易出現(xiàn)填充不滿、錯(cuò)移、流線折疊及變形不均等缺陷，需要精確控制不同施載工具間的作用次序、加載量并保證相互之間的協(xié)調(diào)性，實(shí)際應(yīng)用有限。爆炸成形方法制造整體壁板的變形也很難控制，且生產(chǎn)效率很低，實(shí)踐中較少采用。

整體壁板生產(chǎn)時(shí)，如果先對(duì)平板坯料加工得到筋肋形狀，后續(xù)還需要進(jìn)行彎曲成形。整體壁板的彎曲方法，包括滾彎、增量壓彎、時(shí)效成形、噴丸成形以及激光彎曲等。其中，滾彎是應(yīng)用最早和較多的一種工藝，生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、方法靈活，適合批量生產(chǎn)，但成形時(shí)筋條容易斷裂、扭曲或失穩(wěn)。為此，提出了整體壁板的填料滾彎成形工藝【張士宏，肖寒，劉勁松.整體壁板填料滾彎成形工藝研究.鍛壓技術(shù)，2009，34(2)：54-56】，首先將等厚板利用數(shù)控切削加工得到筋、肋，然后在凹槽中加入填料再進(jìn)行滾彎，彎曲成形后再去除填料。填料滾彎可以保護(hù)筋條、提高成形精度，但操作復(fù)雜、效率低。增量壓彎是累積多道次的局部彎曲實(shí)現(xiàn)整體的彎曲，可在較低載荷下得到大尺寸制件；時(shí)效(或蠕變時(shí)效)成形是利用金屬的蠕變特性，將成形與時(shí)效同步進(jìn)行的一種成形方法；噴丸是利用高速?gòu)椡枇髯矒艚饘侔宀谋砻妫贡砻婕捌湎聦硬牧袭a(chǎn)生少量塑性變形而延伸，并逐步使板材發(fā)生向受?chē)娒嫱蛊鸬膹澢冃?；激光彎曲則是利用激光照射板料，通過(guò)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力實(shí)現(xiàn)彎曲。所有這些方法均存在工序多、加工時(shí)間長(zhǎng)、精度難以保證等不足。

總之，現(xiàn)有的各種材料成形與加工技術(shù)，在制造整體壁板這類帶筋肋的具有變厚度幾何特征的殼體件時(shí)均存在諸多不足，不能滿足眾多輕量化殼體件的生產(chǎn)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于輥壓的整體壁板筋肋壓型與彎曲一體化成形方法，包括以下步驟：

(1)分析所需成形的整體壁板的制件幾何形狀，根據(jù)塑性成形的要求增加工藝補(bǔ)充、拔模斜度與加工余量，得到整體壁板的輥壓坯件圖；

(2)根據(jù)整體壁板的輥壓坯件圖并按塑性變形體積不變的原則，確定整體壁板平板坯料的長(zhǎng)、寬和厚度尺寸；由于輥壓成形過(guò)程的變形特點(diǎn)，所述平板坯料的厚度大于整體壁板坯件的厚度尺寸，長(zhǎng)、寬則小于整體壁板坯件的長(zhǎng)、寬尺寸；

(3)根據(jù)輥壓坯件圖設(shè)計(jì)兩個(gè)主輥輪工作部分的型槽，完成主輥輪和輔助輥輪的加工；

(4)將兩個(gè)主輥輪和輔助輥輪安裝在專用軋機(jī)上；

(5)運(yùn)行專用軋機(jī)，對(duì)平板坯料進(jìn)行輥壓成形，得到具有變厚度幾何特征的筋肋形狀和彎曲形狀的整體壁板坯件；

在該輥壓成形過(guò)程中，平板坯料首先從兩個(gè)對(duì)向旋轉(zhuǎn)的主輥輪的輸入側(cè)送入，利用主輥輪上的型槽對(duì)平板坯料進(jìn)行順序的碾壓并使其發(fā)生逐漸的塑性變形，得到凸起和凹陷的筋肋形狀，同時(shí)由于平板坯料的上、下面在塑性變形時(shí)具有不對(duì)稱性，平板坯料經(jīng)過(guò)輥壓變形后形成彎曲的形狀；預(yù)成形的整體壁板坯件從主輥輪的輸出側(cè)送出，再利用輔助輥輪對(duì)整體壁板坯件進(jìn)行矯正滾彎。

(6)對(duì)整體壁板坯件進(jìn)行校形，完成精加工和熱處理的后續(xù)處理工序，得到滿足最終要求的整體壁板制件。

本發(fā)明具有以下有益效果：可以在較小載荷下對(duì)平板坯料進(jìn)行塑性成形，得到帶凸起或凹陷的筋肋等具有變厚度幾何特征的整體壁板類型的殼體件，大大減少精加工切削量，能夠充分發(fā)揮塑性成形生產(chǎn)效率和材料利用率高的優(yōu)勢(shì)，且制件材料的流線分布合理、力學(xué)性能好。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明基于輥壓的整體壁板筋肋壓型與彎曲一體化成形方法的原理示意圖；

圖2為本發(fā)明的平板坯料輥壓成形前的側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明的整體壁板輥壓與彎曲一體化成形過(guò)程的側(cè)視圖；

圖4為帶網(wǎng)格狀筋肋的整體壁板的示意圖；

圖5為數(shù)值模擬得到的整體壁板沖壓模具成形過(guò)程的載荷－時(shí)間曲線；

圖6為數(shù)值模擬得到的整體壁板輥壓成形過(guò)程的輥壓載荷－時(shí)間曲線。

圖1到圖6中，

1—平板坯料；2—主輥輪；3—整體壁板；4—輔助輥輪；5—支撐架

具體實(shí)施方式

實(shí)施例為圖4所示的整體壁板，長(zhǎng)、寬和厚度尺寸分別為1500mm，1000mm和5mm，需要壓制成形的網(wǎng)格狀筋肋的三角形槽深度為3mm。該整體壁板的材料為6061鋁板，密度為2.89g/mm²，泊松比v為0.33，楊氏模量e為68900mpa，屈服強(qiáng)度σs為65mpa。

如果按照普通沖壓方法對(duì)整體壁板進(jìn)行成形，即利用沖壓模具對(duì)平板坯料進(jìn)行整體壓制得到制件，可根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算成形載荷【王孝培主編.實(shí)用沖壓技術(shù)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2013】：

f＝kσsa

其中，k—應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)，本實(shí)施例中，對(duì)于壓制狀態(tài)可取k＝4；a—坯料在水平面的投影面積。

可計(jì)算出成形載荷大約為0.5×10⁶kn(5×10⁴t)，該數(shù)值超過(guò)了目前塑性成形行業(yè)多數(shù)鍛壓設(shè)備能夠提供的壓力范圍。利用塑性有限元方法對(duì)該沖壓壓制過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到圖5所示的成形“載荷－時(shí)間”曲線?？梢钥闯?，沖壓載荷在后期急劇增大，最大值超過(guò)了3.5×10⁶kn(3.5×10⁵t)?？梢?jiàn)，利用沖壓等普通鍛壓工藝方法是難以完成整體壁板成形的。

利用本發(fā)明的基于輥壓的整體壁板筋肋壓型與彎曲一體化成形的步驟如下：

(1)分析所需成形整體壁板制件的幾何形狀，根據(jù)塑性成形的特點(diǎn)與要求，對(duì)整體壁板制件增加工藝補(bǔ)充、加工余量與拔模斜度，得到整體壁板的輥壓坯件圖；

(2)根據(jù)輥壓坯件圖，按坯料與制件體積相等的原則，確定整體壁板平板坯料的長(zhǎng)、寬和厚度尺寸。本實(shí)施例中，確定平板坯料的厚度為7mm；

(3)根據(jù)輥壓坯件圖設(shè)計(jì)兩個(gè)主輥輪工作部分的型槽，完成主輥輪和輔助輥輪的加工制造；

本實(shí)施例中，兩個(gè)主輥輪的直徑為478mm，輔助輥輪的直徑為100mm。

(4)將兩個(gè)主輥輪和輔助輥輪安裝在專用軋機(jī)上；

(5)運(yùn)行專用軋機(jī)，對(duì)平板坯料進(jìn)行輥壓成形，得到具有變厚度幾何特征的筋肋形狀和彎曲形狀的整體壁板坯件；

本實(shí)施例中，主輥輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為1.5rad/s。

在輥壓成形過(guò)程中，平板坯料首先從兩個(gè)對(duì)向旋轉(zhuǎn)的主輥輪的輸入側(cè)送入，利用主輥輪上的型槽對(duì)平板坯料進(jìn)行順序碾壓并使其發(fā)生逐漸的塑性變形，得到局部凸起和凹陷的筋肋形狀和彎曲形狀；然后，預(yù)成形的坯件從主輥輪的輸出側(cè)送出，利用輔助輥輪對(duì)整體壁板坯件進(jìn)行矯正滾彎，進(jìn)一步保證坯件的彎曲精度。

(6)對(duì)整體壁板坯件進(jìn)行校形，并在cnc機(jī)床上完成精加工，得到滿足最終要求的整體壁板制件。

利用塑性有限元方法對(duì)步驟(5)的輥壓成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到圖6所示帶網(wǎng)格筋肋的整體壁板輥壓成形的載荷－時(shí)間曲線。可見(jiàn)，最大成形載荷保持在1.8×10⁴kn(1.8×10³t)以下，這是塑性成形領(lǐng)域設(shè)備能夠提供的載荷范圍。如果采用加熱成形，還可以進(jìn)一步大幅度降低變形的載荷。

本發(fā)明可以在較小的載荷下對(duì)平板坯料進(jìn)行塑性成形，得到帶凸起或凹陷的筋肋等具有變厚度幾何特征的大尺寸整體壁板類型的制件，不僅生產(chǎn)率和材料利用率高，而且后續(xù)精加工的切削量小，由于制件材料的流線被切斷較少，同時(shí)壓制過(guò)程使得組織更加致密，因此所得整體壁板制件的力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他方法所得的制件。

本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識(shí)。