蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置及成形方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空航天航海蒙皮壁板材料加工领域，具体是一种利用磁脉冲成形实现蒙皮壁板成形的装置及方法。主要用于金属蒙皮壁板精确成形，解决蒙皮壁板常规成形技术的难成形、成形质量差或成形效率低的问题。
【背景技术】
[0002]蒙皮壁板是航空航天领域，特别是飞机整体壁板制造中重要零部件，其成形技术我国大飞机制造关键技术之一。这类构件一般几何尺寸大，多采用性能优良但加工困难的材料，如铝合金、钛合金等，除了具有复杂的外形曲线外，还通过布置复杂形式的筋条来实现既满足结构性能需求，又减轻重量、较少零件数量的目的。蒙皮壁板的特点是由整块板坯制造而成，包括筋条和腹板两部分，整体弯曲曲率小。由于筋条的存在，蒙皮壁板的弯曲成形过程要比普通平板材料弯曲过程复杂得多。传统的蒙皮壁板弯曲成形工艺主要是压弯、滚弯、喷丸及蠕变时效成形等。压弯成形依靠压力头作用于筋条顶部实现局部逐点弯曲成形，虽然通过控制下压力、下压进给量等工艺参数等方法累积成形出所需的曲率，将压弯成形用于成形高筋板，但由于压头直接作用于筋条顶端，贴模性差，残余应力大，特别是当筋条过高时，筋条及其根部易发生应力集中而出现顶部扭曲、底部断裂等缺陷，影响了结构件整体性能，这种成形方法在先进军机生产中不作为主要成形方法;滚弯成形与压弯类似，不同之处是滚弯利用滚动的辊轴进行三支点连续弯曲，且为了保护筋条，辊轴与工件之间多采用添加垫板或填料的形式，但结构稳定性差，尤其不适于高筋板成形;喷丸成形是利用金属弹丸流撞击工件表面使得受喷表层产生延伸塑性变形而实现成形，由于成形后工件表层存在残余压应力而提高了材料疲劳性能，已经在C919大飞机机翼壁板上得到成功应用，但喷丸成形后工件表面质量不高，成形控制复杂;对于蠕变时效成形，可同时完成工件的成形与时效处理过程，但其成形过程准备周期长，效率低，模具成本高，且成形后回弹量大。综上所述，蒙皮壁板传统成形工艺在弯曲成形中存在难成形或成形质量差、效率低的问题，限制了它们在蒙皮壁板成形中的广泛应用。随着整体类构件在航空航天等领域发展需要，在不影响这些薄壁壳体外表气动性能的前提下，蒙皮壁板成形领域迫切需要探索新的成形工艺来实现该类构件高效、可靠成形。
[0003]本发明所涉及的磁脉冲成形，是一种特种成形工艺方法，具有成形能量小且易于控制、成形过程无机械接触、模具简单、制件尺寸质量高、生产效率高等特点，为带筋整体结构件成形提供了新的途径。磁脉冲成形的基本原理是利用磁场力实现金属坯料塑性变形的高能率快速成形。具体说就是成形线圈与坯料之间因为电磁感应原理产生相互作用的磁场，使得处在磁场中的导电坯料会受到磁场力的作用，当这个磁场力足够大以至超过坯料屈服强度时，将会迫使坯料产生塑性变形，从而获得相应形状的制件的成形方法。该技术在上世纪六十年代被提出，近年来在国际上得到广泛的研究。作者V.Psyk，D.Risch等在文献((Electromagnetic forming一A review》中对平板、管件的磁脉冲成形中的理论研究、数值模拟和实验研究进行了较为全面的综述。
[0004]现有磁脉冲成形方法一般用于平板、管坯件的成形，较少将该技术用到复杂带筋壁板构件成形领域。在公开号为CN201310397820.4的发明创造中公开了一种利用磁脉冲力实现筋板件成形的装置及方法，其优点是利用不同成形线圈作用到筋板的不同位置，筋线圈用于筋条的变形，而腹板线圈用于腹板的变形，通过这两种线圈在竖直或水平方向的移动，避免了因工件与线圈间隙增大而磁场力迅速降低而导致的贴模不充分的缺陷，从而实现筋板的弯曲成形。该发明的缺点是该方法仅局限于小规格尺寸的单筋板的成形，成形件曲率也比较简单，并不适用于大型复杂筋条结构整体壁板的成形。
[0005]对于大型尺寸零件，鉴于固定位置的磁脉冲成形通常无法实现工件达到所需的形状要求，实际成形过程中多采用渐进增量成形的方法来实现。在公开号为CN100447690C的发明专利中公开了一种板材动圈电磁渐进成形方法及装置，该装置利用集成计算机控制系统与电磁发生系统，根据模型轮廓等高线数据实现线圈由上而下运动，最终达到逐层渐进成形的目的。其优点是提高了成形过程的柔性，并根据不同部位变形程度的不同改变磁场力的大小，实现大型复杂三维形状的零件成形。该发明的缺点是其成形对象是薄壳简单零件，对于薄板上带有复杂形式筋条的结构件，腹板的变形与筋条的变形相互影响，需要根据成形件结构特点设计合理的成形参数，单纯采用该发明中的线圈按照成形模型轮廓等高线移动的方法并不能实现所需的成形。
[0006]有鉴于此，本发明提出了一种利用磁脉冲局部加载成形实现大型蒙皮壁板成形装置及方法，不但利用磁脉冲成形这种高速变形方式提升变形能力和显著提高成形效率，而且通过合理的工艺选择，使得筋条与腹板协调变形，有效控制成形质量，实现大型复杂结构蒙皮壁板成形。
【发明内容】
[0007]为克服现有蒙皮壁板弯曲成形技术中存在的难成形、成形效率低、贴模不充分及成形后回弹量大等不足，结合磁脉冲成形所具有的优势，本发明提出了一种利用小线圈低能量实现蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置及成形方法。
[0008]本发明包括放电电源、成形线圈、凹模、壁板定位块、线圈调节装置、两个压边块、两个线圈支撑块;其中:所述两个线圈支撑块位于凹模的上方，并组成了成形线圈安放槽；所述成形线圈位于所述的成形线圈安放槽内；所述线圈压块位于所述成形线圈的上表面，并将该线圈压块与所述成形线圈固定在支撑块上；在所述线圈压块上安装有线圈调位螺栓;在所述凹模的四角分别安装有壁板定位块;所述两个压边块分别位于凹模长度方向的两侧上方，当所述待成形的蒙皮壁板安放在该凹模上之后，通过所述压边块将该待成形的蒙皮壁板压紧;所述调位压板位于该压边块的上表面，并通过两个调位压板定位块和定位块螺栓定位;所述放电电源包括导线、放电开关和储能电容器;所述导线的两端分别与成形线圈的接头连接;在该导线上串连有放电开关和储能电容器。
[0009]所述线圈压块上安装有线圈调位螺栓时，将该线圈调位螺栓的上端装入调位压板内；当需要调整两个线圈支撑块下表面与成形的蒙皮壁板之间的间隙时，通过所述线圈调位螺栓下端的螺母使线圈压块上下移动，以实现调整支撑块下表面与成形的蒙皮壁板之间的间隙。
[0010]所述的成形线圈包括线圈树脂和线圈导线;所述线圈导线为螺旋缠绕而成，在每一圈导线之间固封有绝缘树脂，并且在该线圈导线的上表面与下表面亦固封有绝缘树脂，通过该绝缘树脂将线圈导线固封包裹起来;将所述线圈导线的两个接线端分别与放电电源电容器串联而组成放电回路，并通过串连在该放电开关控制电容器的放电，从而实现成形线圈电流的加载。
[OO11 ] 成形线圈的外径为10?500mm;该成形线圈径向的Bi数为5?50，轴向的缠绕层数为I?5层，线圈阻间距为I?20mm。
[0012]所述的调位压板下表面两端分别有安装调位压板定位块的凹槽;所述凹槽宽度方向的中心线均与该调位压板宽度方向的中心线重合;在所述凹槽内的几何中心处有定位块螺栓的安装孔。
[0013]两个线圈支撑块的一侧加工有弧形凹槽;在所述弧形凹槽的一侧有沉头螺栓孔；使用时，将两个线圈支撑块通过线圈固定螺栓与线圈压块固连成一体，并使两个线圈支撑块上的弧形凹槽相对，组成了成形线圈安放槽。
[0014]所述的凹模为双曲率凹模;该凹模的曲率半径为10?2000mm，凹模弯曲方向与工件弯曲方向一致，凹模凹槽深度为5?100mm;凹模长度方向和宽度方向的曲率曲率半径为50?2000mm，凹模凹槽深度为3?100mm;在该凹模的四个角上开有螺纹孔，用于连接壁板定位块。
[0015]本发明还提出了一种利用所述磁脉冲局部加载装置实现蒙皮壁板弯曲成形的方法，包括以下步骤:
[0016]步骤I，确定成形工位:所述确定成形工位是确定成形线圈的工作位置;根据壁板的长宽两个方向筋条最大的长度与成形线圈导线外径之比，即长径比来确定沿壁板纵向和横向的成形工位;壁板纵向和横向的长径比的值按照余数进位的方法确定一个整数值，作为此方向的成形工位；当沿某一方向筋条长度小于线圈导线外直径时，则在此方向工位数为;沿壁板纵向的工位数记为M，横向的工位数记为N，则总的成形工位数为M X N;
[0017]步骤2，确定成形路径:成形路径即完成所有工位加工线圈所前进的路径;对于MXN个工位，具体的成形路径确定方法为:当M或N中的一个为I时，按照“顺序前进”的原则确定路径成形，即由一侧的工位开始，对称的另一侧工位结束；当M和N均大于I时，按照“对角-纵向平行”的原则布置路径，即第一工位与二工位之间呈对角线关系，第二工位与第三工位之间呈平行关系且沿壁板纵向，依次类推;如果M或N中的一个大于2，则第二工位的对角线位于距离第一工位最远处的对角线工位上，然后再按照纵向平行的原则确定离第二工位最近的平行与纵向的工位为第三工位，依次类推;成形路径上，每个工位均只经过一次，没有重复；
[0018]步骤3，确定成形线圈初始位置:当工位数确定后，则由长径比的准确数值确定每个工位的具体位置关系;所述的铝合金网格筋壁板磁脉冲局部加载成形装置在安装完毕后的线圈初始位置为:成形线圈的底面距离蒙皮壁板的筋条顶部间隙为I?8mm;线圈导线在壁板投影应至少1/2在壁板内，且投影区域要覆盖一部分纵向或横向筋条；
[0019]步骤4，放电电压的设置:当采用“顺序前进”的成形路径时，电容器工作时的电压要随工位进行而逐渐增大，第一工位电压为3?8kV，后续电压按照等差数列的形式要比前一个高出0.5?5kV，；当采用“对角-纵向平行”成形