专利名称：带筋整体壁板挤轧复合成形装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种带筋整体壁板的加工成形装置及方法，具体涉及一种带筋整体壁板挤轧复合成形装置及方法，属于塑性加工领域。
背景技术：
随着科技的不断进步，运载火箭、飞机等均朝着高速、高机动性能方向发展，其中，整体壁板是现代飞行器设计中经常采用的重要结构之一。整体壁板的加工制造关系到航空航天事业的发展，并成为衡量世界各国先进制造水平的重要标志之一。壁板通常是由蒙皮和加强件通过铆接、胶接或点焊等装配而成，这种装配式结构的刚度、强度、密封性都较差，后来逐渐被整体壁板所替代。整体壁板是由蒙皮和加强筋等要素构成的，其中，蒙皮外形为单曲率或复杂的双曲率，而加强筋呈纵横交错分布的整体壁板称为网格式整体壁板。它具有材料分配合理、减重效果好、表面光滑、比强度与比刚度高、增加载油量、气动外形和密封性能好、装配劳动量低等优点而在航空航天领域得到广泛应用。对整体壁板而言，蒙皮与加强筋为一整体，结构特征较复杂，与铆接壁板相比，制造工艺难度加大。目前整体壁板成形方法主要有滚弯成形、压弯成形、喷丸成形、蠕变时效成形、化铣等。滚弯成形具有生产效率高、设备简单、方法灵活、适于批量生产等优点是网格整体壁板制造过程中应用较多的成形方法之一。主要实施途径有两种:一是通过先滚弯成等厚板后化铣成网格式带筋壁板。这种方法劳动强度比较高、生产周期长，但化铣时很难精确控制圆角半径大小，化铣后的网格式整体壁板圆角半径大且不均匀，会增加壁板重量，造成壁板尺寸精度差，导致材料浪费；二是把等厚板机械加工成网格形状，然后再滚弯成形。这种方法可精确控制圆角半径且减重效果明显，但是滚弯成形时容易造成筋条断裂、扭曲或失稳等缺陷，使得成形后的壁板满足不了工艺要求。与滚弯成形一样，压弯成形为避免筋部变形需在网格式型腔中进行填料处理起到传递力及保护筋条的作用。但增加了辅助工序，填料研制也较为复杂，因此，效率较低，生产周期长；利用喷丸成形方法已成功试制了 ARJ21飞机机翼下中整体壁板零件，而大型整体壁板用喷丸成形和蠕变时效成形时需要配套大型的成形设备且显著增加了制造成本。
发明内容
本发明的目的是为解决现有带筋整体壁板采用滚弯和压弯成形时存在制造周期长、材料利用率低及成形精度难以保证的问题；采用喷丸成形和蠕变时效成形则需要专用装备且成本较高的问题，进而提供一种带筋整体壁板挤轧复合成形装置及方法。本发明为解决上述问题采取的技术方案是:本发明的一种带筋整体壁板挤轧复合成形装置包括冲头、挤压筒、两个圆柱形轧辊和两个驱动机构，所述挤压筒为方形结构，挤压筒的中空腔的上下端为敞口端，中空腔下端的两侧设置有两个圆柱形轧辊，且两个圆柱形轧辊的外圆周侧面贴靠挤压筒的下端面，两个圆柱形轧辊的轴线位于同一平面上，两个圆柱形轧辊的截面圆的中心至中空腔的竖向中心线的水平距离相等，两个圆柱形轧辊中至少有一个圆柱形轧辊的外圆周侧面上设置有多个凹槽，每个凹槽的形状与待成形件的形状相匹配，每个圆柱形轧辊4上连接有一个能控制该轧辊转动的驱动机构。利用上述成形装置的带筋整体壁板挤轧复合成形方法是按照以下步骤实现:步骤一、将加工好的两个圆柱形轧辊分别定位在中空腔下端的两侧，两个圆柱形轧辊外圆周侧面贴靠挤压筒下端面，使两个圆柱形轧辊的轴线位于同一水平面上，两个圆柱形轧辊的截面圆的中心至中空腔的竖向中心线的水平距离相等；步骤二、在挤压筒的中空腔的壁面上涂上润滑剂；步骤三、将坯料涂好润滑剂后放入挤压筒的中控腔中；步骤四、将冲头下移至坯料的上端；步骤五、两个驱动机构分别同时驱动相应的圆柱形轧辊转动，两个圆柱形轧辊的转动方向相反，转速均为:10r/min 30r/min ;步骤六、在压力机的作用下冲头向还料施加压力，坯料下移的过程，在转动的两个圆柱形轧辊的作用下进行挤轧复合成形，将坯料挤出；步骤七、移出冲头，制得成形的带筋整体壁板。本发明的一种带筋整体壁板挤轧复合成形装置包括冲头、挤压筒、两个圆柱形轧辊和两个驱动机构，所述挤压筒为方形结构，挤压筒的中空腔的上下端为敞口端，两个圆柱形轧辊竖直方向错位设置在中空腔下端的两侧，且两个圆柱形轧辊的外圆周侧面贴靠挤压筒的下端面，两个圆柱形轧辊的截面圆的中心至中空腔的竖向中心线的水平距离相等，两个圆柱形轧辊中至少有一个圆柱形轧辊的外圆周侧面上设置有多个凹槽，每个凹槽的形状与待成形件的形状相匹配，每个圆柱形轧辊上连接有一个能控制该轧辊转动的驱动机构。利用上述成形装置的带筋整体壁板挤轧复合成形方法是按照以下步骤实现:步骤一、将加工好的两个圆柱形轧辊沿竖直方向错位定位在中空腔下端的两侧，两个圆柱形轧辊外圆周侧面贴靠挤压筒下端面，使两个圆柱形轧辊的截面圆的中心至中空腔的竖向中心线的水平距离相等；步骤二、在挤压筒的中空腔的壁面上涂上润滑剂；步骤三、将坯料涂好润滑剂后放入挤压筒的中控腔中；步骤四、将冲头下移至坯料的上端；步骤五、两个驱动机构分别同时驱动相应的圆柱形轧辊转动，两个圆柱形轧辊的转动方向相反，转速均为:10r/min 30r/min ;步骤六、在压力机的作用下冲头向还料向还料施加压力,还料下移的过程，并在转动的两个圆柱形轧辊的作用下进行挤轧复合成形，将坯料挤出；步骤七、移出冲头，制得成形的带筋整体壁板。本发明的有益效果是:一、本发明装置结构简单可靠，制造技术成熟，易于在生产中实施、推广和应用；二、本发明提了一种挤压-轧制复合成形的新方法用于整体壁板的加工制造，塑性变形区材料因处于三向压应力状态而得到充分细化，性能也随之提高；三、轧辊转动相当于施加了有益摩擦促进了金属的挤出成形，不仅降低了整体挤压载荷，使挤出流动均匀性得到提高，成形精度也得以保证，成本也显著降低，不需要专用设备进行成形，材料利用率也大大提高，约提高20% 30% ;四、通过在轧辊表面加工出不同特征的凹槽结构，获得不同形状的单侧或双侧带筋整体壁板；五、通过轧辊位置的调整，可直接制成不同曲率形状的带筋整体壁板；六、本发明的方法成形带筋整体壁板所需工艺流程比滚弯和压弯成形缩短了 20% 50% ;本发明装置制造成本相比喷丸成形和蠕变时效成形约降低了 30% 70% ;七、本发明方法的创新之处在于挤压和轧制两种塑性体积成形工艺的复合使用突破了传统整体壁板加工过程中如采用先弯板后成形筋方案时加工精度难于保证或采用先成形筋后弯板方案时筋部易变形等技术难题。采用此方法成形时塑性变形区为三向压应力状态对组织性能均有重要影响，理论上成形整体壁板的长度和筋的形状均不受限制。与传统挤压工艺相比，作为芯模的轧辊转动相当于对塑性区材料施加了有益摩擦，利于挤出金属流动均匀性的提高且显著降低了成形载荷；与传统轧制工艺相比，避免了制坯工序的严格要求及轧制时坯料变形存在不均匀性而引起的附加应力等缺陷，进而使整体壁板的品质性能得到了有效改善；本发明的装置是设计并制造了带一定凹槽的轧辊(根据壁板形状特征的需要选择在两轧辊异侧同时或单侧加工)作为挤压芯模，然后将坯料放入挤压筒中，冲头下行施载过程中，同时转动两轧辊开始进行挤-轧复合成形获得所需形状或一定曲率的整体壁板。
图1是本发明的立体结构示意图，图2是本发明的具体实施方式
二的主视结构示意图，图3是本发明的具体实施方式
三的主视结构示意图，图4是本发明的具体实施方式
六的主视结构示意图，图5是本发明的具体实施方式
七的主视结构示意图，图6是本发明的具体实施方式
九制备单侧带筋整体壁板时的工作状态示意图，图7是本发明具体实施方式
九制备双侧带筋整体壁板时的工作状态示意图，图8是本发明具体实施方式
十制备单侧带筋弯曲整体壁板时的工作状态示意图，图9是本发明具体实施方式
十制备双侧带筋弯曲整体壁板时的工作状态示意图，图10是采用具体实施方式
二的成形装置和具体实施方式
九的成形方法制得的一种单侧带筋整体壁板，图11是图10的B-B剖视图，图12是采用具体实施方式
二的成形装置和具体实施方式
九的成形方法制得的另一种单侧带筋整体壁板，图13是图12的C-C剖视图，图14是采用具体实施方式
四的成形装置和具体实施方式
九的成形方法制得的一种双侧带筋整体壁板，图15是图14的D-D剂视图，图16是米用具体实施方式
四的成形装置和具体实施方式
九的成形方法制得的另一种双侧带筋整体壁板，图17是图16的E-E的剖视图，图18是采用具体实施方式
六的成形装置和具体实施方式
十的成形方法制得的一种单侧带筋弯曲整体壁板，图19是图18的F-F剖视图，图20采用具体实施方式
六的成形装置和具体实施方式
十的成形方法制得的一种单侧带筋弯曲整体壁板，图21是图20的1-1剖视图，图2具体实施方式
八的成形装置和具体实施方式
十的成形方法制得的一种双侧带筋弯曲整体壁板，图23是图22的H-H剖视图，图24是具体实施方式
八的成形装置和具体实施方式
十的成形方法制得的一种双侧带筋弯曲整体壁板，图25是图24的1-ι剖视图。
具体实施例方式具体实施方式
一:结合图1 图3说明本实施方式，本实施方式的一种带筋整体壁板挤轧复合成形装置包括冲头1、挤压筒2、两个圆柱形轧辊4和两个驱动机构5，所述挤压筒2为方形结构，挤压筒2的中空腔2-1的上下端为敞口端，中空腔2-1下端的两侧设置有两个圆柱形轧辊4，且两个圆柱形轧辊4的外圆周侧面贴靠挤压筒2的下端面，两个圆柱形轧辊4的轴线位于同一平面上，两个圆柱形轧辊4的截面圆的中心至中空腔2-1的竖向中心线的水平距离相等，两个圆柱形轧辊4中至少有一个圆柱形轧辊4的外圆周侧面上设置有多个凹槽4-1，每个凹槽4-1的形状与待成形件的形状相匹配，每个圆柱形轧辊4上连接有一个能控制该轧辊4转动的驱动机构5。本实施方式的驱动机构5可以采用电机和减速器直接驱动，也可以采用电机、减速器和齿轮传动相结合的方式进行驱动。
具体实施方式
二:结合图2说明本实施方式，本实施方式的两个圆柱形轧辊4中的其中一个圆柱形轧辊4的外圆周侧面上设置有多个凹槽4-1，每个凹槽4-1为长方形凹槽，凹槽4-1的长度方向与圆柱形轧辊4的轴向一致或垂直或成一定角度。如此设置，满足不同形状带筋整体壁板的成形需要。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三:结合图3说明本实施方式，本实施方式的两个圆柱形轧辊4的外圆周侧面上均设置有多个凹槽4-1。如此设置，满足不同形状带筋整体壁板的成形需要。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四:结合图3说明本实施方式，本实施方式的每个凹槽4-1为长方形凹槽，凹槽4-1的长度方向与圆柱形轧辊4的轴向一致或垂直或成一定角度。如此设置，满足不同形状带筋整体壁板的成形需要。其它与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五:结合图1、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的一种带筋整体壁板挤轧复合成形装置包括冲头1、挤压筒2、两个圆柱形轧辊4和两个驱动机构5，所述挤压筒2为方形结构，挤压筒2的中空腔2-1的上下端为敞口端，两个圆柱形轧辊4沿竖直方向错位设置在中空腔2-1下端的两侧，且两个圆柱形轧辊4的外圆周侧面贴靠挤压筒2的下端面，两个圆柱形轧辊4的截面圆的中心至中空腔2-1的竖向中心线的水平距离相等，两个圆柱形轧棍4中至少有一个圆柱形轧棍4的外圆周侧面上设置有多个凹槽4-1,每个凹槽4-1的形状与待成形件的形状相匹配，每个圆柱形轧辊4上连接有一个能控制该轧辊4转动的驱动机构5。本实施方式的驱动机构可以采用电机和减速器直接驱动，也可以采用电机、减速器和齿轮传动相结合的方式进行驱动。
具体实施方式
六:结合图4说明本实施方式，本实施方式的两个圆柱形轧辊4中的其中一个圆柱形轧辊4的外圆周侧面上设置有多个凹槽4-1，每个凹槽4-1为长方形凹槽，凹槽4-1的长度方向与圆柱形轧辊4的轴向一致或垂直或成一定角度。如此设置，满足不同形状带筋整体壁板的成形需要。其它与具体实施方式
五相同。
具体实施方式
七:结合图5说明本实施方式，本实施方式的两个圆柱形轧辊4的外圆周侧面上均设置有多个凹槽4-1。如此设置，满足不同形状带筋整体壁板的成形需要。其它与具体实施方式
五相同。
具体实施方式
八:结合图5说明本实施方式，本实施方式每个凹槽4-1为长方形凹槽，凹槽4-1的长度方向与圆柱形轧辊4的轴向一致或垂直或成一定角度。如此设置，满足不同形状带筋整体壁板的成形需要。其它与具体实施方式
七相同。
具体实施方式
九:结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式利用具体实施方式
一、二、三或四中任意一个具体实施方式
所述的挤轧复合成形装置进行带筋整体壁板成形方法，带筋整体壁板挤轧复合成形方法是按照以下步骤实现:步骤一、将加工好的两个圆柱形轧辊4分别定位在中空腔2-1下端的两侧，两个圆柱形轧辊4外圆周侧面贴靠挤压筒2下端面，使两个圆柱形轧辊4的轴线位于同一水平面上，两个圆柱形轧辊4的截面圆的中心至中空腔2-1的竖向中心线的水平距离相等；步骤二、在挤压筒2的中空腔2-1的壁面上涂上润滑剂；步骤三、将坯料3涂好润滑剂后放入挤压筒2的中控腔2-1中；步骤四、将冲头I下移至坯料3的上端；步骤五、两个驱动机构5分别同时驱动相应的圆柱形轧辊4转动，两个圆柱形轧棍4的转动方向相反,转速均为:10r/min 30r/min ;步骤六、在压力机的作用下冲头I向坯料施加压力，坯料3下移的过程，在转动的两个圆柱形轧辊4的作用下进行挤轧复合成形，将坯料I挤出；步骤七、移出冲头，制得成形的带筋整体壁板。本实施方式的冲头通过压力机提供动力。图中箭头表示轧辊旋转方向利用具体实施方式
二的成形装置和本实施方式的成形方法制得的一种单侧带筋整体壁板6如图10、图11、图12和图13所示；利用具体实施方式
四的成形装置和本实施方式的成形方法制得另一种双侧带筋整体壁板6如图14、图15、图16和图17所示。
具体实施方式
十:结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式利用具体实施方式
五、六、七或八中任意一个具体实施方式
所述的挤轧复合成形装置进行带筋整体壁板成形方法，带筋整体壁板挤轧复合成形方法是按照以下步骤实现:步骤一、将加工好的两个圆柱形轧辊4沿竖直方向错位定位在中空腔2-1下端的两侧，两个圆柱形轧辊4外圆周侧面贴靠挤压筒2下端面，使两个圆柱形轧辊4的截面圆的中心至中空腔2-1的竖向中心线的水平距离相等；步骤二、在挤压筒2的中空腔2-1的壁面上涂上润滑剂；步骤三、将坯料3涂好润滑剂后放入挤压筒2的中控腔2-1中；步骤四、将冲头I下移至坯料3的上端；步骤五、两个驱动机构5分别同时驱动相应的圆柱形轧辊4转动，两个圆柱形轧辊4的转动方向相反，转速均为:10r/min 30r/min ;步骤六、在压力机的作用下冲头I向还料向还料施加压力，坯料下移的过程，并在转动的两个圆柱形轧辊4的作用下进行挤轧复合成形，将坯料3挤出；步骤七、移出冲头1，制得成形的带筋整体壁板。本实施方式的冲头通过压力机提供动力。图中箭头表示轧辊旋转方向。利用具体实施方式
六的成形装置和本实施方式的成形方法制得的一种单侧带筋弯曲整体壁板6如图18、图19、图20和图21所示；利用具体实施方式
八的成形装置和本实施方式的成形方法制得另一种双侧带筋弯曲整体壁板6如图22、图23、图24和图25所示。
权利要求
1.一种带筋整体壁板挤轧复合成形装置，其特征在于:所述装置包括冲头(I)、挤压筒(2)、两个圆柱形轧辊(4)和两个驱动机构(5)，所述挤压筒⑵为方形结构，挤压筒(2)的中空腔(2-1)的上下端为敞口端，中空腔(2-1)下端的两侧设置有两个圆柱形轧辊(4)，且两个圆柱形轧辊(4)的外圆周侧面贴靠挤压筒(2)的下端面，两个圆柱形轧辊(4)的轴线位于同一平面上，两个圆柱形轧辊(4)的截面圆的中心至中空腔(2-1)的竖向中心线的水平距离相等，两个圆柱形轧辊(4)中至少有一个圆柱形轧辊(4)的外圆周侧面上设置有多个凹槽(4-1)，每个凹槽(4-1)的形状与待成形件的形状相匹配，每个圆柱形轧辊(4)上连接有一个能控制该轧辊(4)转动的驱动机构(5)。
2.根据权利要求1所述的带筋整体壁板挤轧复合成形装置，其特征在于:两个圆柱形轧辊(4)中的其中一个圆柱形轧辊(4)的外圆周侧面上设置有多个凹槽(4-1)，每个凹槽(4-1)为长方形凹槽，凹槽(4-1)的长度方向与圆柱形轧辊(4)的轴向一致或垂直或成一定角度。
3.根据权利要求1所述的带筋整体壁板挤轧复合成形装置，其特征在于:两个圆柱形轧辊(4)的外圆周侧面上均设置有多个凹槽(4-1)。
4.根据权利要求3所述的带筋整体壁板挤轧复合成形装置，其特征在于:每个凹槽(4-1)为长方形凹槽，凹槽(4-1)的长度方向与圆柱形轧辊(4)的轴向一致或垂直或成一定角度。
5.一种带筋整体壁板挤轧复合成形装置，其特征在于:所述装置包括冲头(I)、挤压筒(2)、两个圆柱形轧辊(4)和两个驱动机构(5)，所述挤压筒⑵为方形结构，挤压筒(2)的中空腔(2-1)的上下端为敞口端，两个圆柱形轧辊(4)沿竖直方向错位设置在中空腔(2-1)下端的两侧，且两个圆柱形轧辊(4)的外圆周侧面贴靠挤压筒(2)的下端面，两个圆柱形轧辊(4)的截面圆的中心至中空腔(2-1)的竖向中心线的水平距离相等，两个圆柱形轧辊(4)中至少有一个圆柱形轧棍(4)的外圆周侧面上设置有多个凹槽(4-1),每个凹槽(4-1)的形状与待成形件的形状相 匹配，每个圆柱形轧辊(4)上连接有一个能控制该轧辊(4)转动的驱动机构(5)。
6.根据权利要求5所述的带筋整体壁板挤轧复合成形装置，其特征在于:两个圆柱形轧辊(4)中的其中一个圆柱形轧辊(4)的外圆周侧面上设置有多个凹槽(4-1)，每个凹槽(4-1)为长方形凹槽，凹槽(4-1)的长度方向与圆柱形轧辊(4)的轴向一致或垂直或成一定角度。
7.根据权利要求5所述的带筋壁整体板挤轧复合成形装置，其特征在于:两个圆柱形轧辊4的外圆周侧面上均设置有多个凹槽(4-1)。
8.根据权利要求7所述的带筋整体壁板挤轧复合成形装置，其特征在于:每个凹槽(4-1)为长方形凹槽，凹槽(4-1)的长度方向与圆柱形轧辊(4)的轴向一致或垂直或成一定角度。
9.一种利用权利要求1、2、3或4中任意一项权利要求所述的挤轧复合成形装置进行带筋整体壁板成形方法，其特征在于:所述方法是按照以下步骤实现:步骤一、将加工好的两个圆柱形轧(4)分别定位在中空腔(2-1)下端的两侧，两个圆柱形轧辊(4)外圆周侧面贴靠挤压筒(2)下端面，使两个圆柱形轧辊(4)的轴线位于同一水平面上，两个圆柱形轧辊(4)的截面圆的中心至中空腔(2-1)的竖向中心线的水平距离相等；步骤二、在挤压筒(2)的中空腔(2-1)的壁面上涂上润滑剂；步骤三、将坯料(3)涂好润滑剂后放入挤压筒(2)的中控腔(2-1)中；步骤四、将冲头(I)下移至坯料(3)的上端；步骤五、两个驱动机构(5)分别同时驱动相应的圆柱形轧辊(4)转动，两个圆柱形轧辊(4)的转动方向相反，转速均为:10r/min 30r/min ;步骤六、在压力机的作用下冲头(I)向还料施加压力，还料(3)下移的过程，在转动的两个圆柱形轧辊(4)的作用下进行挤轧复合成形，将坯料(I)挤出；步骤七、移出冲头，制得成形的带筋整体壁板。
10.一种利用权利要求5、6、7或8中任意一项权利要求所述的挤轧复合成形装置进行带筋整体壁板成形方法，其特征在于:所述方法是按照以下步骤实现:步骤一、将加工好的两个圆柱形轧辊(4)沿竖直方向错位定位在中空腔(2-1)下端的两侧，两个圆柱形轧辊(4)外圆周侧面贴靠挤压筒(2)下端面，使两个圆柱形轧辊(4)的截面圆的中心至中空腔(2-1)的竖向中心线的水平距离相等；步骤二、在挤压筒(2)的中空腔(2-1)的壁面上涂上润滑剂；步骤三、将坯料(3)涂好润滑剂后放入挤压筒(2)的中控腔(2-1)中；步骤四、将冲头(I)下移至坯料(3)的上端；步骤五、两个驱动机构(5)分别同时驱动相应的圆柱形轧棍(4)转动，两个圆柱形轧棍(4)的转动方向相反,转速均为:10r/min 30r/min ;步骤六、在压力机的作用下冲头(I)向坯料向坯料施加压力，坯料下移的过程，并在转动的两个圆柱形轧辊⑷的作用下进行挤轧 复合成形，将坯料⑶挤出；步骤七、移出冲头⑴，制得成形的带筋整体壁板。
全文摘要
带筋整体壁板挤轧复合成形装置及方法，它涉及一种带筋整体壁板的加工成形装置及方法，以解决现有带筋整体壁板采用滚弯和压弯成形时存在制造周期长、材料利用率低及成形精度难以保证的问题；采用喷丸成形和蠕变时效成形则需要专用装备且成本较高的问题，它包括冲头、挤压筒、两个圆柱形轧辊和两个驱动机构，中空腔下端的两侧设置有两个圆柱形轧辊，两个圆柱形轧辊的轴线位于同一平面上，两个圆柱形轧辊的截面圆的中心至中空腔的竖向中心线的水平距离相等，两个圆柱形轧辊中至少有一个圆柱形轧辊的外圆周侧面上设置有多个凹槽，每个圆柱形轧辊上连接有一个能控制该轧辊转动的驱动机构。本发明用于带筋整体壁板的成形。
文档编号B23P15/00GK103192266SQ201310116069
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者李峰, 初冠南, 李巍, 张鑫龙 申请人:哈尔滨理工大学