一种具有薄壁超高加强筋的整体壁板的制造方法与流程

本发明涉及一种薄壁整体壁板的制造方法，具体涉及一种具有薄壁超高加强筋的整体壁板的制造方法。

背景技术：

在航空、航天和武器装备等领域，实现结构轻量化是追求的最主要目标之一。为了减轻结构重量，需要在满足使用要求的前提下对构件进行优化设计。例如，在火箭或导弹上，存在很多薄壁高筋结构，如火箭燃料储箱的整体壁板、导弹的整流罩等。此类薄壁结构通常由薄壁腹板和加强筋组成，通过合理设置加强筋可以明显提高薄壁腹板的刚度和强度。有时，还需要在加强筋上覆盖薄壁蒙皮以进一步增强结构的连续性和整体刚度。

目前，薄壁整体壁板的截面形状主要有T型、L型、H型和Z型等。此类结构存在以下几个主要特点：纵横筋交错；筋的宽高比差异较大，最大可以达到1:20；筋的厚度存在一定差异，最薄仅2-3mm；壁板整体呈曲面。目前，常采用焊接、精密铸造、精密锻造等方法制备此类构件。但是，焊接时需要进行薄壁坯料的复杂装夹、定位，无法实现具有小尺寸加强筋结构的焊接。更为重要的是，因为焊接热变形的存在，难以获得高精度、高强度的薄壁整体壁板。精密铸造虽可以获得复杂的薄壁结构，但是构件的微观组织、强度等性能往往无法满足要求。采用精密锻造特别是热态等温锻造虽然可以加工具有复杂结构的构件，但是当构件上不同区域的高度差差别较大时，原始坯料上与高度较低区域对应的位置将发生大量的材料流动，该区域的多余材料主要在模具的挤压作用下向外部区域转移。材料的这种远程转移和多方向流动将互相影响、互相耦合，极易因为流动不合理而出现充不满、紊流、穿流及折叠等严重缺陷。同时，热态等温锻造时材料与模具的摩擦阻力大。当构件尺寸较大、局部模腔尺寸小时，即使采用很大吨位的锻造设备也无法获得需要的薄壁深腔结构。由于传统等温锻造技术的上述限制，无法直接采用等温锻造方法制造具有薄壁腹板、超高加强筋的薄壁整体壁板类构件。

随着数控加工技术的快速发展，精密机械加工现已成为制造薄壁构件的主要方法之一，特别是近年来出现的“镜像铣”加工技术，在火箭箭体、导弹弹体及飞机壁板等带有复杂加强筋结构的整体壁板零件制造中得到了成功应用。但是，由于机械加工时坯料将受到较大的局部载荷的作用，在腹板和加强筋上将产生复杂的应力分布及明显的宏观变形。虽然可以采用压板等工装来限制机械加工时坯料的变形，但是当腹板很薄或者当筋的高度明显大于厚度时，即使采用复杂的工装进行约束也无法避免机械加工时在薄壁区域产生明显变形。目前，采用精密机械加工方法制造的整体壁板，其腹板厚度≥3mm，加强筋的厚度和高度近似相等(如筋厚度12mm，筋高度10～16mm)。此外，由于机械切削加工将破坏金属坯料的流线，特别是在加强筋与腹板连接的圆角区域，这将使构件的抗疲劳性能明显降低。机械加工还可能在坯料的不同部位产生复杂分布的残余应力，这种残余应力可能导致零件在服役过程中出现变形甚至开裂。为了解决现有方法无法制造具有薄壁腹板、薄壁超高加强筋结构的薄壁整体壁板类构件的难题，需要开发一种全新的制造方法。

技术实现要素：

本发明是为解决现有的焊接、铸造、锻造及机械加工方法无法制造具有薄壁超高加强筋结构的薄壁整体壁板类构件的问题，提出一种具有薄壁超高加强筋的整体壁板的制造方法。

本发明为解决上述问题采用的技术方案为：一种具有薄壁超高加强筋的整体壁板的制造方法，该方法是按照以下步骤进行的：

步骤一、选取一定厚度的原始板材，通过切割、冲裁方法制得需要板坯；

步骤二、预热坯料，将待成形的板坯放入加热炉中加热到(0.5-0.7)Tm并保温一段时间，使坯料内部温度均匀，Tm为材料的熔点；

步骤三、预热和润滑模具，利用加热元件对上模和下模进行加热，使模具达到设定温度并保温一段时间，在上模和下模的型腔、冲头等部位喷涂润滑剂；

步骤四、模压成形，将预热后的板坯转移到下模上并定位，利用上模对板坯进行挤压获得加强筋及储料区材料；

步骤五、开启上模，顶出缸向上顶出，推动垫块、顶出杆抬起，推动模压成形后带有加强筋及储料区材料的热态模压成形件脱离下模，取出模压得到的壁板状零件并冷却到室温；

步骤六、机械加工，采用切削加工方法将壁板状零件上相邻加强筋之间的储料区材料去除掉，得到最终的薄壁带有超高加强筋的整体壁板。

本发明的有益效果是：

一、热态模压阶段，与加强筋相对应区域的材料只沿着由分隔棱构成的筋槽内部产生单方向流动，而相邻加强筋之间区域的材料将在分隔棱的挤压作用下向尺寸较大的模具空腔区域转移，各区域材料的流动方向都相对简单，互相基本不影响，从而可有效避免传统模压时因材料长程流动、多方向流动而引起的缺陷；

二、热态模压阶段，原始板坯上不论是与加强筋还是与其他区域相对应的材料都只发生短距离的流动或转移，且各部分材料的流动都相对独立，所以材料的变形抗力或变形流动阻力明显小于传统的精密模锻，采用较小吨位的设备即可完成零件的模压成形；

三、热态模压阶段，材料的流动阻力小，坯料与模具之间的接触压力小。因此，模具的厚度或强度可明显减小，模具的尺寸和结构可大大缩小和简化。此外，因为和坯料的接触摩擦小，所以模具寿命长。

四、在热态模压后的脱模阶段，相邻加强筋之间的模具空腔中储料区材料和模具空腔没有紧密贴合，坯料和模具的接触面积小、接触压力小。因此，很容易将成形后的零件从模具中取出并避免因脱模阻力大而引起的零件形状尺寸变化，从而可获得高精度的模压坯料，为后续的精密机械加工提供保证。

五、机械加工阶段，切削刀具只要将相邻加强筋之间的多余材料切除，机械加工区域远离加强筋和薄壁腹板的连接部位，因此该部位的流线能保持连续，避免了直接机械加工时因为切断连接部位的流线而造成该区域应力集中、抗疲劳性能明显降低的问题。

六、机械加工阶段，切削刀具不直接接触或远离超高的加强筋和薄壁腹板等薄壁结构，不会在这些区域产生较大的作用力，从而可以避免传统直接机械加工时加强筋的扭曲变形和腹板的隆起变形，无需采用复杂的工装来对薄壁腹板和加强筋进行约束。

七、机械加工阶段，加强筋及与其相连的腹板上没有较大的作用力，所以也不会在切削加工后产生残余应力。因此，零件在服役条件下可以保证很高的尺寸稳定性及可靠性。

附图说明

图1为本发明具有薄壁超高加强筋的整体壁板模压初始状态示意图；

图2为本发明具有薄壁超高加强筋的整体壁板模压闭合状态示意图；

图3为本发明具有薄壁超高加强筋的整体壁板模压完成后取件过程示意图；

图4为本发明上模区域划分图，其中，③为分隔棱，⑥为模具空腔；

图5为本发明薄壁超高加强筋模压制件区域划分图，其中，①为加强筋，②为储料区材料；

图6为本发明板坯成形区域划分图，其中，④为加强筋成形区，⑤为上模空腔填充区；

图7为本发明具有薄壁超高加强筋的整体壁板；

图8为本发明分体式上模模压过程局部加载示意图；

图9为本发明经过机械加工预处理带凹槽的板坯示意图；

图10为本发明带凹槽板坯预成形过程示意图。

其中，1为上水冷板，2为上隔热板，3为上模，4为板坯，5为下模，6为中间加热板，7为内六角螺栓，8为下隔热板，9为下水冷板，10为顶出缸，11为垫块，12为顶出杆，13为电磁感应加热线圈，14为热态模压成形件，15为薄壁带有超高加强筋的整体壁板，16为分体式上模的左装配体，17为分体式上模的右装配体，18为板坯预成形上模，19为预成形板坯，20为机械加工带凹槽板坯。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-7说明，本实施方式的一种具有薄壁超高加强筋的整体壁板的制造方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、选取一定厚度的原始板材，通过切割、冲裁方法制得需要的平整的板坯4；

步骤二、预热坯料，将待成形的板坯4放入加热炉中加热到(0.5-0.7)Tm，并保温一段时间，使坯料内部温度均匀，Tm为材料的熔点；

步骤三、预热和润滑模具，利用电磁感应加热线圈13和中间加热板6对上模3、下模5进行加热，待上模3和下模5达到预设温度时，在上模3和下模5的型腔部位喷涂润滑剂；

步骤四、模压成形，将预热后的板坯4转移到下模5上并定位，利用上模3对板坯4进行挤压获得加强筋①及储料区材料②；

步骤五、开启上模3，顶出缸10向上顶出，推动垫块11、顶出杆12抬起，推动模压成形后带有加强筋①及储料区材料②的热态模压成形件14脱离下模5，取出模压得到的壁板状零件并冷却到室温；

步骤六、机械加工，采用切削加工方法将壁板状零件上相邻加强筋之间的储料区材料②去除掉，得到最终的薄壁带有超高加强筋的整体壁板15。

本实施方式的超高加强筋：筋高度与筋厚度的比值大于2.5，主要应用于制备铝合金，镁合金整体壁板。步骤一中通过切割、冲裁等板坯通用加工方法制得需要的平整的板坯4，

在步骤二中，优选保温时间10-30分钟，上模3上面装配有上隔热板2，下模5下面安装下隔热板8，下模5通过内六角螺栓7与下隔热板8连接，隔热板导热系数较小，减少上模3和下模5与周围部件的散热，上水冷板1、下水冷板9分别与上隔热板2和下隔热板8相接触，以循环水的形式将传递到上端和下端的热量带走，保证设备和工作台面的温度不致过高。待上模3和下模5达到预设温度时，在上模3和下模5的型腔部位喷涂润滑剂，对于镁、铝合金在500℃左右模压时可以喷涂水剂石墨，对于800℃左右成形的材料可以喷涂M1玻璃润滑剂等。

本实施方式的有益效果是：一、热态模压阶段，板坯4与加强筋成形区④的材料只沿着由相邻近的一对分隔棱③构成的筋槽内部产生单方向流动，而相邻加强筋之间区域⑤的材料将在分隔棱③的挤压作用下向尺寸较大的模具空腔区域⑥转移，各区域材料的流动方向都相对简单，互相基本不影响，从而可有效避免传统模压时因材料长程流动、多方向流动而引起的缺陷。二、热态模压阶段，原始板坯上由于分隔棱③分隔作用材料只产生短程独立流动，材料的变形抗力或变形流动阻力明显降低，对成形设备要求降低，采用较小吨位的设备即可完成零件的模压成形。三、热态模压阶段，材料的流动阻力小，坯料与模具之间的接触压力小。因此，模具的厚度和强度明显减小，模具的尺寸和结构可大大缩小和简化。四、取件过程中，相邻加强筋①之间的模具空腔中的储料区材料②和模具空腔⑥没有紧密贴合，上模开模容易且不致出现抱模问题，下模中顶出缸、垫块、顶出杆的推动方便模压后的壁板状零件便于取出，避免局部拖拽引起的零件形状尺寸变化，尺寸精度可靠。五、机械加工阶段，切削刀具加工区域远离加强筋根部和薄壁腹板的连接部位，无需使用复杂工装和精确定位装置的约束，同时保证模压壁板状零件加强筋底部流线完整性。

具体实施方式二：结合图1说明，当待加工的薄壁超高加强筋的整体壁板尺寸较小且加工温度较低(低于700℃)时，步骤二可以采用将板坯4直接放到下模5中，利用电磁感应加热线圈13和中间加热板6对上模3、下模5加热，通过上模3和下模5的热传导作用加热板坯4到预定温度。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图4、图6和图9说明，步骤一可以通过初期简单机械加工将板坯4中的上模空腔填充区⑤切削掉一小部分，加工后的机械加工带凹槽板坯20作为热态模压初始板坯进行热态模压。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1、图4、图6和图10说明，步骤一模压的板坯4可以先经过初期板坯预成形上模18模压预成形，使获得的预成形板坯19上与最终热态模压成形模具空腔对应的上模空腔填充区⑤中间形成凹槽，将其作为板坯进行薄壁超高加强筋整体壁板的制造加工。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三、四的有益效果是：相比于平板板坯，带凹槽的预成形板坯19、机械加工带凹槽板坯20与最终热态模压成形的模具空腔⑥对应的区域材料减少，在热态模压阶段，相邻加强筋成形区④的材料在分隔棱③的挤压作用下向模具空腔⑥转移时的阻力减小，从而可降低设备所需挤压力，延长模具寿命。

具体实施方式五：结合图1和图8说明，步骤三的上模3可以采用分体式结构，由分体式上模的左装配体16和分体式上模的右装配体17组成，模压成形时，采用局部加载方式加载，先使分体式上模的右装配体17压下，达到预设压下量时停止压下，保持分体式上模的右装配体17的位置不动，然后使分体式上模的左装配体16压下，保证与分体式上模的右装配体17压下量一致，从而完成热态模压成形过程。其他与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图8说明，步骤三的上模3采用分体式结构，由分体式上模的左装配体16和分体式上模的右装配体17组成，模压成形时先采用局部加载后整体加载的方式，分体式上模的左装配体16和分体式上模的右装配体17先后压下，控制压下量略小于薄壁超高加强筋的整体壁板热态模压阶段最终压下量，最后同时使分体式上模的左装配体16和分体式上模的右装配体17压下达到最终压下量。优选地，控制压下量为薄壁超高加强筋的整体壁板热态模压阶段最终压下量的85％-95％。其他与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式五、六的有益效果是：分体式上模结构成形过程中采用局部加热、局部加载方式，本实施方式尤其适用于超大尺寸薄壁超高加强筋的整体壁板的制造，不需要台面尺寸大的专用设备即可实现大尺寸构件的成形，大大降低对设备工作台面的要求，此外零件局部成形区域水平投影面积小，模具垂直方向所需成形力较小，大大降低了对设备合模力的要求。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。