结构部件及制造方法与流程

本发明总体上涉及结构部件的领域，更具体地，本发明的实施例涉及改进的结构部件及其制造方法，所述结构部件包括基底构件和固定至所述基底构件的至少一个加强构件。

背景技术：
包括航空航天工业在内的各工业部门都需要复杂的结构部件，所述复杂的结构部件相对而言没有残余应力并且能够在不失效情况下进行机加工。具体地，存在对于具有通常为L形或U形横截面轮廓的弯曲的成品机加工部件的需要，该机加工部件通常包括沿所述部件的长度在所述横截面轮廓上引起不一致的各种特征，诸如角撑板、翼片和调整片。遗憾地是，将L形或U形轮廓的零件成形为弯曲的部件并利用传统方法（诸如锻造、激光焊、氧炔焊及其他已知方法）添加角撑板、翼片和调整片会导致这样的成品部件，所述成品部件具有残留于所述部件中的不可接受的残余应力水平，这是因为在主要部分中部件在成形和制造过程期间经受了不均匀的变型而导致的。具有残余应力的部件在进一步加工或使用期间易于失效和/或形状改变，并且在基底零件与结合元件之间具有低于预期的更弱的联结。由于这些缺陷，这些部件必须通过利用在零件的整个长度上包括附加特征的初始挤出或轧制型材（profile）形成，并根据需要用从所述零件去除材料以限定期望特征。这种方法不仅显著地增加了制造部件所需的原材料的重量和成本，而且还实质地增加了制造部件所需的时间，因为在最终机加工期间从剩余的横截面去除不需要的材料是需要相对昂贵的机器和 技术人员的耗时工艺。因此，仍需要能够减少所需原材料的量以及随后的机加工操作的改进结构部件和结构部件的制造方法。

技术实现要素：
本发明提供了结构部件和相关联的制造方法。根据一个实施例，用于制造结构部件的方法包括：形成一基底构件，使得基底构件包括至少两个侧壁和位于所述至少两个侧壁之间的空间。基底构件被热拉伸成形，以使基底构件具有预定的曲线形构造。至少一个加强构件被线性摩擦焊接于所述至少两个侧壁，使得加强构件至少部分位于所述至少两个侧壁之间的空间内。根据本发明的另一实施例，用于制造结构部件的方法包括：将包括至少两个侧壁和位于所述至少两个侧壁之间的空间的型材放置在绝热外壳中，该绝热外壳中设置有模具，以使型材成形得与所述模具近似。通过使经电流流过型材而电阻加热型材至工作温度。在型材处于工作温度时使所述型材和模具相对于彼此移动，从而形成具有预定的曲线形构造的基底构件。将曲线形基底构件安装到安装组件上。利用线性摩擦焊接将加强构件固定至所述至少两个侧壁，使得所述加强构件至少部分位于所述至少两个侧壁之间的空间内。在一个实施例中，固定步骤包括：将加强构件定位成与基底构件相接触，以在加强构件与第一侧壁之间限定第一界面以及在加强构件与第二侧壁之间限定第二界面；相对于第一焊接界面成一角度地施加第一锻造（forge）载荷，并相对于第二焊接界面成一角度地施加第二锻造载荷，第一锻造载荷和第二锻造载荷具有预定的量级；使加强构件以预定的振幅振动，以加热加强构件和基底构件；将振幅减小至零；将第一锻造载荷和第二锻造载荷增大到预定的设定点，并保持一预定的时间段；以及将第一锻造载荷和第二锻造载荷减小至零。根据本文此处公开的方法的一个实施例，基底构件和加强构件中的至少一个由钛或钛合金构成。根据本文此处公开的方法的另一实施例，基底 构件和加强构件中的至少一个由铝或铝合金构成。根据本文此处公开的方法的又一实施例，基底构件和加强构件由相同的材料构成。根据本文此处公开的方法的再一实施例，基底构件和加强构件由不同的材料构成。根据本发明的一个实施例，结构部件包括基底构件，该基底构件包括至少两个侧壁和位于所述至少两个侧壁之间的空间，基底构件具有利用热拉伸成形而形成的预定的曲线形构造。结构部件进一步包括至少一个加强构件，该加强构件被线性摩擦焊接至所述至少两个侧壁，使得加强构件至少部分位于所述至少两个侧壁之间的空间内。根据本发明的另一实施例，结构部件包括基底构件，其中基底构件通过以下步骤形成：将包括至少两个侧壁和位于所述至少两个侧壁之间的空间的型材放置在绝热外壳中，该绝热外壳中设置有模具，以使型材成形得与所述模具近似；通过使电流流过型材而电阻加热型材至工作温度；并且在型材处于工作温度时使型材和模具相对于彼此移动。结构部件包括固定至所述基底构件的至少一个加强构件，其中加强构件通过以下步骤固定：将加强构件定位成与基底构件相接触，以在加强构件与第一侧壁之间限定第一界面以及在加强构件与第二侧壁之间限定第二界面；相对于第一焊接界面成一角度地施加第一锻造载荷，并相对于第二焊接界面成一角度地施加第二锻造载荷，所述第一锻造载荷和第二锻造载荷具有预定的量级；使加强构件以预定的振幅振动，以加热加强构件和基底构件；将振幅减小至零；将第一锻造载荷和第二锻造载荷增大到预定的设定点，并保持一预定的时间段；并将第一锻造载荷和第二锻造载荷减小至零。根据本发明的一个实施例，基底构件和加强构件中的至少一个由钛或钛合金构成。根据本发明的另一实施例，基底构件和加强构件中的至少一个由铝或铝合金构成。根据本发明的又一实施例，基底构件和加强构件由相同的材料构成。根据本发明的再一实施例，基底构件和加强构件由不同的材料构成。由此，提供了减少所需原材料的量以及随后的机加工操作的改进的结构部件及结构部件的制造方法。附图说明图1是示出了根据本发明的一个实施例的结构部件的立体图；图2是示出了根据本发明的一个实施例的型材的立体图；图3是示出了根据本发明的一个实施例的可用于形成图2所示型材的拉伸成形设备的立体图；图4是示出了根据本发明的一个实施例的设置在图3拉伸成形设备的模具外壳内的模具的局部剖视图；图5是示出了根据本发明的一个实施例的线性摩擦焊接机的立体图；图6是示出了图1所示线性摩擦焊接机的立体图；和图7是示出了施加到加强构件上的锻压力的立体图，所述加强构件待直角焊接至已经成形的型材上。具体实施方式在下文中将参照附图更充分地描述本发明的实施例，附图中示出了本发明的一些（而不是全部）实施例。实际上，本发明可以许多不同的形式实施，并不应被解释成受限于本文所列举的实施例；此外，提供这些实施例，以使得本公开内容将满足可应用的法律规定。全文中，相同的数字表示相同的元件。参照图1，提供了根据本发明实施例的结构部件10。根据一些实施例，并且如图1中所示，结构部件10包括基底构件12和至少一个加强构件14。在一些实施例中，结构部件10包括多个加强构件14。在一些实施例中，结构部件10由金属构成。例如，基底构件12和/或至少一个加强构件14可由钛或钛合金构成。在另一实施例中，基底构件12和/或至少一个加强构件14可由铝或铝合金构成。在一些实施例中，基底构件12包括底壁16和一个或多个侧壁18，使得基底构件12的横截面轮廓为L形、U形、C形、T形或者限定开口区域的任何其他形状，在该开口区域内加强构件14可固定至基底构件12上。虽然术语“底壁”和“侧壁”在本文中用于表示基底构件12的一些部分，但是这些术语不用于指示基底构件的任何特定的方向取向，即，“底壁”和/或“侧壁”均包括普通“侧壁”，在基底构件被安装在其预期的操作环境和取向中时该普通“侧壁”可包括横向侧壁、顶壁或底壁。根据一些实施例，并且如图1中所示，基底构件12具有曲线形形状，使得基底构件12围绕垂直于底壁16的平面的一个或多个轴线弯曲，其中所述底壁16保持为基本平面形的。在一些实施例中，结构部件10可进一步包括一个或多个调整片22或翼片24或其他突出部分。这些调整片22和翼片24或突出部分可与基底构件12整体形成，或者可固定至基底构件12，如下文中更详细地描述的。根据一些实施例，通过对型材20（即，一片材料，诸如金属）应用拉伸成形工艺而形成基底构件12。型材20可通过挤出、滚锻法或其他制造工艺形成。由此，在一些实施例中，基底构件12由具有用于基底构件12的期望横截面形状的型材形成，该横截面形状由底壁16和一个或多个侧壁18限定。如图2中所示，型材20在成形之前具有基本笔直的形状。为了获得基底构件12的曲线形形状，型材20在拉伸成形设备中被加热并成形。参见Polen等人的总体上描述拉伸成形的美国专利No.7,669,452，其全部内容通过引用并入本文中。根据一些实施例，并且如图3中所示，拉伸成形设备30包括主框架32、模具安装表面34、第一和第二相对摆动臂36A和36B（在本文中还被表示为摆动臂36）。摆动臂36枢转地安装至主框架32并联接至液压成形气缸（cylinder，缸体）38A、38B或38，并且承载液压张紧气缸40A、40B（在本文中还被表示为张紧气缸40），液压张紧气缸又具有安装在其上的能够液压操作的相对夹爪组件42A、42B（在本文中还被表示为夹爪42）。可设置合适的泵、阀和控制部件以用于将加压的液压流体供应到成形气缸38、张紧气缸40和夹爪42A、42B。除上述的部件之外，绝热模具外壳44被安装到夹爪组件42A和42B之间的模具安装表面34上。在一些实施例中，模具外壳44包括第一和第二对齐且相对的开口，所述开口被构造成用于容纳型材20的端部。此外，模具外壳44可被打开以将型材20放置到模具外壳44中以及将所述型材从所述模具外壳中取出，但在所述模具外壳关闭时，除了用于型材20的端部的两个开口之外所述模具外壳被完全封闭。在一些实施例中，并且参照图4，模具46被设置在模具外壳44中。模具46是具有工作面48的相对块状本体（massivebody），所述工作面被定形为，当型材20围绕模具46弯曲时，选定的曲线施加于型材20上，如下文中更详细描述的。根据一些实施例，工作面48的横截面通常与型材20的横截面形状一致，使得型材20可贴合模具46的工作面48放置。根据一些实施例，为了利用拉伸成形设备30将型材20成形为结构部件10的基底构件12，将型材20放置在模具外壳44中以成形得与模具46的工作面48近似。型材20被放置在模具外壳44中，使得型材20的相对端部延伸穿过模具外壳44的相应的第一和第二开口，并且使得型材20的剩余部分基本上完全封闭在模具外壳44内。然后夹爪42夹紧型材20的从模具外壳44的开口伸出的相应的相对端部。根据一些实施例，型材20与组件30的部件（包括夹爪42和模具46）电绝缘。例如，模具46可由多件陶瓷材料（诸如熔融石英）构造而成。模具46还可由其他耐高温材 料制造，或者由非绝缘材料制造，然后在由非绝缘材料制造的模具上涂覆绝缘层或由绝缘层封装。在型材20被放置到组件中并且夹爪42夹紧到相反端部上之后，根据一些实施例，电流穿过型材20，导致其电阻加热。来自电源的连接器可被放置在型材20的每个端部上，以提供电阻加热。在其它实施例中，加热电流连接可直接穿过夹爪42，如上描述的。通过使用热电偶或其他温度传感装置，电源能够为利用温度反馈信号通过可编程逻辑控制器（PLC）控制的。这将允许快速但均匀加热的合适的缓变率，并且允许一旦型材20达到目标温度时则电流延迟。能提供已知类型的比例-积分-微分（PID）控制回路，以允许当型材20的温度在成形循环期间变化时自动地进行调节。在成形循环期间，这种控制可为主动的且可编程的。由此，利用来自热电偶或其他温度传感器的反馈，型材20的封闭回路控制的加热持续进行，直至达到期望的工作温度设定点。结合考虑型材20的横截面和长度以及相关的热电偶反馈来确定将型材20加热至设定点的速率。在拉伸成形操作期间，型材20将被加热到约538摄氏度（约1000华氏度）或更高。一旦达到了工作温度，就能开始将型材20成形为基底构件12。根据一些实施例，在工作温度被依期望控制的同时，张紧气缸40将型材20纵向拉伸到期望点，并且成形气缸38使摆动臂36向内枢转以使所述型材20包绕抵靠模具46。由此，模具46将曲线形形状施加至基底构件12。在成形过程期间，可通过对控制系统的反馈来控制拉伸率、在各位置处的停留时间、以及温度变化。一旦来自摆动臂36的位置反馈指示型材20已经到达其最终位置，控制系统则保持该位置和/或张紧力，直到准备释放型材20。控制系统将持续加热并使型材20围绕模具成形，直到达到所述设定点。在依需要控制温度的同时，通过使型材20保持抵靠模具46选定的停留时间可引起蠕变成形。根据一些实施例，通过经由电源加以辅助热量使得型材20以慢于自然冷却的速率冷却。对该降温速率进行编程，并且使得在经由温度反馈监测型材20的同时冷却该型材。一旦温度达到其最终设定点，型材20上的力被释放，并且来自电源的电流的流动被停止。在从型材20去除了力之后，夹爪42可被打开，所有的电连接器均可被去除，完全成形的基底构件12可从组件30中取出。应该理解的是，在本发明的一些实施例中，可利用在成形之前不包括加热型材20的拉伸成形工艺由型材20形成基底构件12。实际上，在一些实施例中，可不利用上述的加热和冷却工艺来形成基底构件12。具体地，根据一些实施例，没有热量被施加到型材20（无论是通过用拉伸成形设备30进行电阻加热或是其他方式），并且型材20抵靠模具46而成形以产生基底构件12，而无需达到最小工作温度或者另外地控制型材20的温度。由此，在这些实施例中，将在环境温度下在拉伸成形设备30的位置处发生由型材20形成基底构件12。但是无论是否采用加热和/或冷却工艺，所产生的基底构件12优选地基本没有残余应力，包括（但不限于）基底构件的表面上的张紧残余应力。一旦已经利用上述工艺形成了结构部件10的基底构件12，一个或多个加强构件14被固定至基底构件12。根据一些实施例，利用线性摩擦焊接将每个加强构件14固定至基底构件12上。根据不同的实施例，可使用单锻造轴或双锻造轴线性摩擦焊接工艺。该焊接工艺允许经由来自于摩擦的局部加热连同可沿一个或两个方向施加的锻造力，使得两（2）块金属结合，所述摩擦通过这两块之间的振动的线性运动而产生。参见Alessi等人的总体上描述双锻造轴线性摩擦焊接的美国专利No.7,624,907，其全部内容通过引用并入本文中。根据一些实施例，线性摩擦焊接机可用于完成线性摩擦焊接工艺。在一些实施例中，线性摩擦焊接机包括焊接头，所述焊接头能操作以提供振 动和单轴的或双轴的锻造加载力，从而产生将加强构件14固定至基底构件12的焊接。如图5和图6中所示，双锻造轴线性摩擦焊接机的焊接头50包括用于支撑其他部件的振动块52。根据一些实施例，两（2）个Y轴振动静液压轴承致动器54设置在振动块52的相对横向侧部上并被支撑在其中，四（4）个Z轴锻造静液压轴承致动器56设置在振动块52的顶面上，以沿着第一锻造轴、Z轴提供锻造载荷。两（2）个X轴静液压锻造致动器58沿着振动块52的一个横向侧面设置，以沿着第二锻造轴、X轴提供锻造载荷。两（2）个X轴反向载荷静液压轴承致动器60与所述两（2）个X轴静液压锻造致动器58相对，以抵消X轴锻造致动器58的锻造载荷。四（4）个Z轴反向载荷浮动气缸62围绕振动块52的每个角部放置，以抵消Z轴锻造致动器56的载荷。振动块52进一步提供用于夹紧工具64的安装表面，所述夹紧工具用于夹紧加强构件14以便振动。振动块52被保持在Y轴静液压振动致动器54、沿X轴的静液压锻造致动器58和反向载荷致动器60、以及沿Z轴的静液压锻造致动器56和反向载荷气缸62之间。多个静液压致动器中的每一个优选地装配有用于致动的伺服阀以及压力和位置反馈传感器。静液压振动致动器优选地设置有用于速度反馈的加速度计。根据一些实施例，为了将加强构件14固定至基底构件上以形成结构部件10，每个加强构件14均被夹紧在焊接头50中并被放置成与基底构件12的底壁16和侧壁18接触，所述基底构件12以接收加强构件14的方式被紧固地安装在焊接头50中。如图7中所示，加强构件14沿着分别由底壁16和侧壁18的内表面限定的平面成直角地焊接至基底构件12。具体地，X轴锻造致动器58沿着X轴锻造轴的方向提供锻造载荷。X轴反向载荷和静液压轴承致动器60提供反向加载力，以发展沿X轴的静液压轴承上的预载荷。该布置沿X轴限制振动块52，同时在没有载荷施加到焊接头50上的情况下允许锻造致动器58沿X轴定位和保持控制。Z轴锻造致动器56沿Z轴锻造轴方向提供锻造载荷。同样地，对于与静液压致动器整体形成的静液压轴承需要预载荷。Z轴反向载荷气缸62提供力来抵消振动块的重量的载荷和静液压锻造致动器的预载荷，以将振动块52保持在焊接头壳体中。该布置允许静液压锻造致动器在没有载荷施加到焊接头50上的情况下控制沿Z轴的位置。任意两（2）组致动器的组合移动提供了一个运动平面。三（3）组正交的致动器产生了三（3）个焊接头移动平面。静液压振动致动器提供焊接头的高频往复式Y轴移动。总体上，关于双轴锻造焊接工艺，利用移动中的振动块，沿Z轴和X轴方向相对于焊接界面从零度至九十度（优选基本垂直地）施加预设的（调节）锻造载荷。利用振动运动和施加的载荷，所产生的摩擦将焊接界面加热至材料的塑性状态。材料从焊接界面被清除，由此清理焊接表面。每个锻造轴排出量（displacement，移位）均被控制系统监测，以确定在清理过程期间被排出（即消耗）的材料的量。当达到预设的清理排出量时，振幅减小至零以将该部分定位成用于最终锻造运动。在零振动或接近零振动时，沿Z轴和X轴方向施加预设的最终锻造载荷。施加的锻造载荷将各部分驱使到一起。根据一些实施例，锻造载荷的量级取决于焊接的长度。例如，在到侧壁的焊接比到底壁的焊接长三（3）倍的情况下，沿着侧壁的锻造轴所需的驱使载荷的量级需要比沿着底壁的锻造轴的驱使载荷大大约三（3）倍。通过施加锻造载荷，锻造加载压力可保持相对恒定。锻造排出量可被监测并记录。随着材料冷却并固化，锻造排出停止。在锻造排出停止之后保持锻造载荷一预设的时间，以确保部分定位和焊接质量。最终的焊接头位置可被记录，锻造压力减小至零，部分夹紧被释放并且焊接头缩回，从而完成焊接循环。由此，利用所述的双锻造轴线性摩擦焊接工艺，加强构件14被固定至基底构件12以形成结构部件10。在其它实施例中，可利用单锻造轴线性摩擦焊接工艺将加强构件14固定至基底构件12，以形成结构部件10。实际上，根据一些实施例，加强构件14、调整片22和/或翼片24都可通过使用双锻造轴线性摩擦焊接 或单锻造轴线性摩擦焊接固定至基底构件12。例如，加强构件14可使用双锻造轴线性摩擦焊接固定至基底构件12，而所需的调整片22和翼片24可使用单锻造轴线性摩擦焊接固定至基底构件12。调整片22和/或翼片24被焊接至由底壁16或侧壁18的边缘限定的单个平面，而不是被直角地焊接到基底构件12的位于底壁16和侧壁18之间的空间中，使得单锻造轴线性摩擦焊接成为用于固定这些调整片22和/或翼片24的合适选择。除了仅通过焊接头60沿一个方向施加单个锻造载荷而不是沿X轴和Z轴两个方向上施加两个载荷之外，单锻造轴线性摩擦焊接以与上文描述的双锻造轴线性摩擦焊接类似的方式实现。例如，可沿Z轴方向施加单个锻造载荷。在这样的实施例中，焊接头60可不装配X轴锻造致动器58或X轴方向载荷和静液压轴承致动器60。通过使用Y轴静液压振动致动器54，待固定的部件的振动仍然沿Y轴方向发生，并且在达到预设的清理排出量时，振幅仍然减小到零，以将部件定位成用于最终锻造运动。在零震动或接近零震动时，预设的最终锻造载荷仅沿Z轴方向被施加，将所述部件压制到基底构件12上。通过沿Z轴方向施加锻造载荷，在锻造排出停止之后保持锻造加载压力一预设的时间，以确保部分定位和焊接质量。由此，单锻造轴线性摩擦焊接可用作本文描述的双锻造轴线性摩擦焊接的替代或补充，以将加强构件14、调整片22和翼片24中的一个或多个固定至基底构件12。有利地，固定至基底构件12的加强构件14、调整片22和翼片24可由各种金属和金属合金形成。就此而言，加强构件14、调整片22、翼片24和基底构件12可由相同或不同的金属和金属合金形成。在一个实施例中，基底构件12和固定至基底构件12的构件均由“不可焊接的”材料形成，该“不可焊接的”材料是具有高传导性并且使热量从焊接接头快速耗散的材料，和/或是由于由热膨胀引起的应力而沿着焊接接头呈现出裂纹的材料。不可焊接的材料在使用传统的熔融焊接工艺焊接时形成相对较弱的焊接接头，并由此对于高性能结构应用（诸如航空航天工业）的设计者来 说大多数部分是不能使用的。所述材料可包括钛、铝、铝合金以及钛的一些合金，特别是Ti-6Al-4V、AA2000和7000系列合金。有利地，这些材料中的许多中具有特别的腐蚀特性、疲劳特性、强度特性或延展特性，这些特性在某些应用中（特别是航空航天工业中）是需要的。加强构件14与基底构件12（或者调整片22或翼片24，视应用而定）之间的振动产生足够的摩擦热量以将每个构件的靠近接触区域的部分的温度升高到大约700℉与刚好低于形成加强构件14和基底构件12的金属的固相线的温度之间。线性摩擦焊接在焊接界面处产生严重变形但是高度精制的晶粒结构，而基本没有残余应力。另外，线性摩擦焊接与任何熔融焊接工艺相比导致较窄的热影响区域，并且不局限于具有适用于传统焊接的性质的选定合金。线性摩擦焊接消除了与传统焊接相关的多个缺点，诸如微裂纹、差的延展性、缺乏熔合、多孔性以及（最重要的）变形最小化，该变形最小化能不利地影响结合的部件构件的形状和公差。由此，提供了减少所需原材料的量以及随后的机加工操作的改进的结构部件及结构部件的制造方法。有利地，基底构件和所产生的结构部件的实施例形成得基本没有残余应力，并且因此不会呈现传统结构部件的缺点，所述缺点诸如在进一步机加工或使用期间易于失效和/或形状改变，并且/或者在基底零件与结合元件之间具有低于预期的更弱的联结。在本文中描述了本发明的具体实施例。在本文中所列举的本发明的许多修改和其它实施例对于本发明所属领域的技术人员来说将是能想到的，具有在上述描述和附图中给出的教导的益处。因此，应该理解的是，本发明不局限于所公开的具体实施例，并且修改和其它实施例以及实施例的结合旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管在本文中采用了特定的术语，但它们仅用于普通和描述性的意义，而不用于限制的目的。