三层空心结构成形方法与流程

本发明涉及超塑成形/扩散连接技术领域，特别是涉及一种采用超塑成形/扩散连接技术的三层空心结构成形方法。

背景技术：

超塑成形/扩散连接(简称spf/db)技术是利用材料的超塑性和扩散连接性，制备具有空心夹层的轻量化结构，该结构在结构减重、高刚度、净近成形具有突出优势，在航空、航天结构件上应用广泛，尤其是钛合金空心夹层结构的制备。

spf/db整体构件中按所用板材层数分为单层、两层、三层和四层等常规工艺结构。其中三层结构制造过程中，通常采用对内层直接通入高纯氩气，使蒙皮面板和中间芯板逐渐变形，从而形成空心夹层结构。三层结构应用较少主要是由于其成形过程中易产生表面缺陷，需增加面板的蒙皮厚度来获得较好的表面质量，但导致整体结构重量增加，减重效果不明显，限制了结构设计范围。随着航空、航天对轻量化整体结构的需求不断增加，薄壁的spf/db三层结构的表面成形质量的控制是该技术急需解决的问题，其中成形加压曲线的设计尤为重要。

目前，spf/db三层结构成形过程中采用对内层逐渐增大气压的方法成形，如图1所示的常规的几种加压曲线，该方法通常可以通过检测外层排出的气泡来判断成形情况，对于空腔高度较高的零件，采用该方法成形表面易产生沟槽缺陷，需要增加蒙皮厚度来获得较好的表面质量，不能满足设计要求。

因此，为解决现有技术的缺陷，发明人提供了一种三层空心结构成形方法。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种三层空心结构成形方法，在超塑成形/扩散连接技术时采用了背压控制成形的方法，利用材料在一定的气压差下进行自适应变形，使蒙皮面板和中间芯板逐渐变形，提高了成形质量，并能通过在线监控系统进一步控制表面成形质量。

本发明的实施例提出了一种三层空心结构成形方法，该方法包括：

扩散连接后增压，在中间芯板与两侧面板叠层并完成扩散连接后，保持面板的外层气压为扩散连接的压强p0，向中间的空心结构内匀速通气增压，使面板的内层气压达到p0时停止增压，并保温、保压预定时间t；

第一次卸压，将外层气压减小δp1，此时，内外层之间存在气压差δp1，中间芯板和面板在内层高压下向外延伸变形，变形用时t1后，内外层气压达到平衡状态，此时，内外层的气压均为p0-δp1/2；

第二次卸压，对面板的内外层同步通气增压，使面板内外层的压强均恢复至p0，进一步将外层气压减小δp2进行卸压，且δp1<δp2，此时，内外层之间存在气压差δp2，中间芯板和面板在内层高压下向外延伸变形，变形用时t2后，内外层气压达到平衡状态，此时，内外层的气压均为p0-δp2/2；

第n-1次卸压，对内外层的气压同步增加，使面板内外层的压强均再次恢复至p0，将外层气压减小δpn-1进行卸压,此时，内外层之间存在气压差δpn-1，中间芯板和面板在内层高压下向外延伸变形，变形用时tn-1后，内外层气压达到平衡状态，此时，内外层的气压均为p0-δpn-1/2；

第n次卸压后塑性成形，对内外层的气压同步增加，使面板内外层的压强均再次恢复至p0，如此循环第n次时，直到将外层气压减小δpn，当1/4p0≦δpn≦1/3p0时，且δpn-1<δpn，保持内层气压为p0，开始线性减小外层气压至压强为0，中间芯板和面板在内层高压下向外延伸变形用时tn后，外侧的面板与成形模具型面完全贴合，实现三层空心结构的塑性成形。

进一步地，所述成形方法还包括在线控制气压，即通过在线控制系统控制所述面板的内外层气压。

进一步地，所述在线控制系统包括相连接的控制单元和可视化显示单位，所述控制单元分别连接并控制所述面板的内层气路与外层气路的开关阀，所述可视化显示单元用于显示所述面板的内外层气压大小与时间的关系曲线图。

进一步地，所述在线控制系统还包括数据分析单元和监测单元，所述数据分析单元用于分析内外层气压与时间的关系，绘制成压强p与时间t的关系曲线图，所述监测单元用于监测面板外层气压的变化状况，并基于监测的气压变化状况判断塑性成形的完整程度。

进一步地，在扩散连接之前，还需要进行表面处理，即对中间芯板与两侧面板均进行除油、清洁，使所述中间芯板和两侧面板均达到扩散连接要求的表面状态。

进一步地，在表面处理之后，基于三层空心结构的成形要求，对所述中间芯板的两侧表面涂敷止焊剂图形。

进一步地，将两侧面板分别叠加在涂敷止焊剂后的芯板两侧，对叠加后的三层结构的四周施焊，预留气孔，并通过所述气孔对该三层结构的内部进行抽真空处理。

进一步地，将抽真空后的三层结构加热至两侧面板与中间芯板扩散连接的温度后，对该三层结构的表面施加一定的压力，使所述两侧面板和所述中间芯板实现扩散连接。

综上，本发明在在中间芯板与两侧面板扩散连后，采用背压控制塑性成形的方法，通过内外层保压平衡后逐次卸压，使面板内外层每次卸压后均形成气压差，利用材料在一定的气压差下的自适应变形，渐进式逐次塑性成形，直到外侧的面板与成形模具型面完全贴合，实现了在三层空心结构的成形方法中采用超塑成形/扩散连接技术的同时，提高了结构的成形质量，尤其适用于在航空、航天领域的三层空心结构的成形。此外，本发明还可以通过在线控制系统控制气压以及监测气压变化，能够进一步判断并控制结构的成形质量，显著减少试验次数和周期，降低了成本，提高了生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是采用对内层逐渐增大气压的几种常规加压曲线示意图。

图2是本发明采用对外层施加背压后循环卸压的流程示意图。

图3是三层空心结构的内外层自适应变形的压强-时间曲线示意图。

图4是中间芯板和两侧面板的叠加形式示意图。

图5是中间芯板和两侧面板的扩散连接示意图。

图6是中间芯板和两侧面板在内外层压强作用下的成形示意图。

图7是经spf/db成形为三层空心结构零件的示意图。

图中：

1-中间芯板；2-面板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在航空航天整体结构件中，采用spf/db技术制备三层空心结构时，根据构件加强要求的形式将正反面涂敷止焊剂的中间芯板与上下两张面板(蒙皮面板)先进行封边焊接，然后面板和芯板在一定温度和压力条件下进行扩散连接，最后在超塑成形温度和压力下，完成面板外形的成形，同时芯板完成加强筋的成形。spf/db三层结构成形过程中，现有技术方案中采用对内层逐渐增大气压的方法成形，如图1所示的常规的几种加压曲线，该方法通常可以通过检测外层排出的气泡来判断成形情况，对于空腔高度较高的零件，采用该方法成形表面易产生沟槽缺陷，需要增加蒙皮面板厚度来获得较好的表面质量，不能满足设计要求。

本发明针对薄壁spf/db三层空心结构，采用背压控制成形方法，利用材料在一定的气压差下进行自适应变形，能够获得最佳的压力-时间曲线，从而控制表面成形质量。该成形方法还可以拓展应用在spf/db单层、两层和多层结构的成形方法过程中。

如图2是本发明采用对外层施加背压后循环卸压的流程示意图。本发明的三层空心结构成形方法包括以下步骤s210～步骤s250：

步骤s210为扩散连接后增压，在中间芯板1与两侧面板2叠层并完成扩散连接后(参见图4、图5)，保持面板的外层气压为扩散连接的压强p0，向中间的空心结构内匀速通气增压，使面板的内层气压达到p0时停止增压，并保温、保压预定时间t。

步骤s220为第一次卸压，将外层气压减小δp1，此时，内外层之间存在气压差δp1，由于材料的塑性性能，中间芯板和面板在内层高压下向外延伸变形，变形用时t1后，内外层气压达到平衡状态，此时，内外层的气压均为p0-δp1/2。

步骤s230为第二次卸压，对面板的内外层同步通气增压，使面板内外层的压强均恢复至p0，进一步将外层气压减小δp2进行卸压，且δp1<δp2，此时，内外层之间存在气压差δp2，中间芯板和面板在内层高压下向外延伸变形，变形用时t2后，内外层气压达到平衡状态，此时，内外层的气压均为p0-δp2/2。

步骤s240为第n-1次卸压，对内外层的气压同步增加，使面板内外层的压强均再次恢复至p0，将外层气压减小δpn-1进行卸压,此时，内外层之间存在气压差δpn-1，中间芯板和面板在内层高压下向外延伸变形，变形用时tn-1后，内外层气压达到平衡状态，此时，内外层的气压均为p0-δpn-1/2。

步骤s250为第n次卸压后塑性成形，对内外层的气压同步增加，使面板内外层的压强均再次恢复至p0，如此循环第n次时，直到将外层气压减小δpn，当1/4p0≦δpn≦1/3p0时，且δpn-1<δpn，保持内层气压为p0，开始线性减小外层气压至压强为0，中间芯板和面板在内层高压下向外延伸变形用时tn后，外侧的面板与成形模具型面完全贴合，实现三层空心结构的塑性成形(参见图6和图7所示)。

由于在逐次卸压成形过程中，随着塑性成形变形程度变大，相应的在背压卸压时减小的压强δpn也随着卸压循环次数逐次增大，符合材料塑性变形的特点，进一步提升了塑性成形质量。

进一步地，成形方法还包括在线控制气压，即通过在线控制系统控制所述面板的内外层气压。其中，在线控制系统包括相连接的控制单元和可视化显示单位，所述控制单元分别连接并控制所述面板的内层气路与外层气路的开关阀，所述可视化显示单元用于显示所述面板的内外层气压大小与时间的关系曲线图。

此外，在线控制系统还包括数据分析单元和监测单元，所述数据分析单元用于分析内外层气压与时间的关系，绘制成压强p与时间t的关系曲线图，该压强-时间的关系曲线图参见图3所示。监测单元用于监测面板外层气压的变化状况，并基于监测的气压变化状况判断塑性成形的完整程度。例如，在前述步骤s250中，线性减小外层气压至0mpa后，面板是否完全贴模即可通过监测外层气压变化情况判断，从而实现准确判断成形完整性。

需要说明的是，本发明的在线控制系统可以搭载在计算机等硬件设备上，通过在线控制监控系统，在逐渐减小外层背压进行成形时，能够获得最佳的压力-时间曲线，便于在线实时监控成形过程并进行相应控制，解决了现有技术中成形可控性差，只能通过工程经验或者试错法来获得合适的加压曲线的问题，本发明采用背压控制成形方法尤其能够有效控制表面成形质量，同时缩短了试验周期，降低了成本，结构成形效率高。

参见图4-图7所示，在扩散连接之前，还需要进行表面处理，即对中间芯板1与两侧面板2均进行除油、清洁，使所述中间芯板1和两侧面板2均达到扩散连接要求的表面状态。

进一步地，如图4所示，在表面处理之后，基于三层空心结构的成形要求，对所述中间芯板1的两侧表面涂敷止焊剂图形。将两侧面板2分别叠加在涂敷止焊剂后的芯板两侧，对叠加后的三层结构的四周施焊，预留气孔，并通过所述气孔对该三层结构的内部进行抽真空处理。参见图5所示，将抽真空后的三层结构加热至两侧面板2与中间芯板1扩散连接的温度后，对该三层结构的表面施加一定的压力，使所述两侧面板2和所述中间芯板1实现扩散连接。参见图6所示，在扩散连接后采用前述方法的步骤s110～步骤s150，对中间芯板1和两侧面板2塑性成形，获得成如图7所示成形后的三层空心结构零件示意图。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。