一种制造圆弧形带筋蒙皮的方法与流程

本发明涉及一种制造圆弧形带筋蒙皮的方法，本发明涉及机械加工和钣金加工技术领域，特别是涉及一种带筋弯曲蒙皮的制造方法。

背景技术：

带筋蒙皮具有强度高、刚度高、整体性能良好、质量轻等优点，广泛应用于火箭的外壳、燃料箱以及飞机的机翼和油箱等零部件中。由于其结构复杂，包含加强筋、凸台等结构，截面厚度不一致，因此加工制造技术比较复杂，生产周期长。目前国内主要的弯曲蒙皮的制造方法有喷丸成形、蠕变时效成型、激光成型、圈圆成型等。其中，喷丸成形与蠕变时效成形是目前应用最广泛的技术，激光成形是一个新的研究热点。圈圆成形属于压力加工成形，是传统的成形技术。其中圈圆工艺操作简单、生产效率高、生产成本低、设备简单、占地面积小，适合成形单曲率筒形件与锥形件。带筋弯曲壁板例如蒙皮的成型加工，则是在上述方法加工出来的弯曲壁板上，进行五轴数控机床机械加工与化铣的工艺，加工出纵横交错桁架结构的筋条。其中数控机床加工，由于装夹难度大，零件易变形等特点，不利于厚度较薄的弯曲壁板筋条的加工；化铣的工艺就是将金属零件清洗除油，在表面上涂覆能够抵抗腐蚀溶液作用的可剥性保护涂料，经室温或高温固化后进行刻形。将涂覆于需要铣切加工部位的保护涂料剥去，然后把零件浸入腐蚀溶液中，对裸露的表面进行腐蚀加工。这种工艺的局限性是：化学铣切出来的筋条根部总有一个半径与腐蚀加工深度大体相当的圆角；腐蚀溶液在向深度腐蚀的同时还要向侧面腐蚀，因此只能加工宽度大于两倍深度的沟槽。此外，化铣往往会在腐蚀加工面上再现或扩大坯料表面原有的划痕、凹坑等缺陷。当腐蚀加工深度到达铸件或焊缝的内部缺陷时，也会把这些缺陷保留在加工表面。

因此，如何降低带筋弯曲蒙皮零件的加工难度，降低制造成本，提高加工效率，成为本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种制造圆弧形带筋蒙皮的方法，主要解决了带筋弯曲蒙皮类结构加工难度大、加工周期长、加工效率低、设备复杂等难题。

本发明解决的技术方案为：一种制造圆弧形带筋蒙皮的方法，步骤如下：

(1)根据需要成形的圆弧形带筋蒙皮的尺寸，选择厚度比要求尺寸厚2mm的平板作为原材料，选择的平板外形尺寸比需要成形的圆弧形带筋蒙皮的展开尺寸大10％；平板的原材料优选5A06铝合金，为5A06-H112态，抗拉强度优选为315MPa；

(2)按照需要成形的圆弧形带筋蒙皮的中性层进行展开，在步骤(1)选择好的平板一侧加工出平面展开状态的需要成形的圆弧形带筋蒙皮和蒙皮一侧的加强筋，加强筋之间形成蒙皮凹槽；中性层是指材料厚度的40～50％处的截面层，优选方案为材料厚度的46～48％处的截面层；

(3)通过使用与蒙皮材料相同、厚度与蒙皮凹槽深度相同的板材，将该板材加工成与蒙皮凹槽形状匹配，厚度与蒙皮凹槽深度一致的薄板结构，即辅助工艺垫板；

(4)将步骤(3)辅助工艺垫板填充固定在步骤(2)获得的平面带筋蒙皮的凹槽内，使蒙皮的各处厚度一致，再通过钣金加工的方法将填充后的蒙皮进行弯曲成型加工；

(5)对步骤(4)弯曲成型加工后的蒙皮进行校形；

(6)对步骤(5)校形后的蒙皮进行热处理，去除圈圆的残余应力；

(7)去掉辅助工艺垫板，再次校形，获得所需要的弯曲的带筋蒙皮结构，即需要成形的圆弧形带筋蒙皮。

所选择的平板为铝合金或碳钢。

步骤(2)中在选择好的平板一侧加工出需要的加强筋的方式为平面铣加工方式。

步骤(4)钣金加工的方法为通过圈圆机使填充后的蒙皮弯曲成型。

步骤(6)中热处理温度为250～350℃。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用逆向加工的思路，将弯曲蒙皮加工过程进行反推，其有益效果是采用直观的方法完成带筋弯曲蒙皮的加工，便于操作。

(2)加工成本低，工艺垫板可重复利用，加工量少，加工效率高。

(3)相比于整体数控加工，不需要专门的工装夹具，不存在机加残余应力，尤其是薄壁零件不容易变形。

(4)本方案可引申应用到其他类似具有桁架筋条结构的蒙皮零件的加工制造。

附图说明

图1为本发明带筋弯曲蒙皮的展开状态；

图2为本发明加工的垫板填充到图1加工的展平壁板中示意图；

图3为本发明填充好垫板的蒙皮进行圈圆加工出圆弧面的示意图；

图4为本发明填充垫板后圈圆成型的零件；

图5为本发明最终成形效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明提出一种制造圆弧形带筋蒙皮的方法，通过使用与蒙皮材料相同的薄板，将薄板加工成与蒙皮凹槽形状相同，厚度与凹槽深度一致的辅助工艺垫板，将工艺垫板填充在蒙皮筋条一侧的凹槽内，使之成为厚度一致的板材结构，再利用板材成型设备或模具进行加工的方法。通过使用这种方法，将厚度不一致的带筋蒙皮类结构零件转化成为厚度一致的板材结构进行加工，可避免因为零件厚度不一致，在弯曲成型时筋条处的凸起，可获得良好的加工性和外观。

本发明需要成形的圆弧形带筋蒙皮弧形板，弧形板的一侧上有横竖交替的加强筋，弧形板的另一侧为光滑曲面，如图5所示。

本发明的核心是提供一种带筋弯曲蒙皮的制造方法，与传统方法相比较能够降低加工难度，降低生产费用，提高加工效率。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，图1为带筋弯曲蒙皮的展开状态。假想将带筋弯曲的蒙皮进行展平，便获得一张带有纵横桁架筋条结构的壁板，此壁板上面具有凹槽和筋条结构。壁板的宽度尺寸与蒙皮的轴向长度一致，壁板的长度尺寸即为蒙皮的中性层尺寸，即材料在弯曲过程中，外层受拉伸，内层受挤压，在其断面上必然会有一个既不受拉，又不受压的过渡层，应力几乎等于零，这个过渡层称为材料的中性层。中性层在弯曲过程中的长度和弯曲前一样，保持不变。展开后的模型可用数控机床进行加工，获得良好的外形尺寸，并能保证精度要求。蒙皮内侧的凹槽和筋条结构也可直接在壁板上用数控机床加工出来。需要指出的是，壁板经过机械加工后会存在残余应力，可通过热处理例如退火、时效等去除残余应力，以免影响后面的圈圆加工。

如图2所示，图2为加工的垫板填充到图1加工的展平壁板中。图中垫板的材料和蒙皮壁板的材料是相同的，因为相同材料具有相同的力学性能和特性，在后续的弯曲加工中可等效为一个整体壁板，加工后的型面不会因为筋条和蒙皮厚度不一致造成的筋条背面凸起。

垫板的形状与壁板凹槽的形状相同，优选外形尺寸为凹槽尺寸的95％，使填充、固定和防止加工后因为变形而不易取出。垫板的厚度与蒙皮凹槽深度一致。固定的方法可以使用胶带以及强力胶等，需要保证在凹槽中牢固，在后面的弯曲加工整个过程中不会掉落，并且在弯曲加工后校形也需要用到。

如图3所示，图3是将填充好垫板的蒙皮进行圈圆加工出圆弧面的示意图。圈圆成形过程中，两个下辊是主动驱动辊，由电机驱动旋转；如图3所示，弧形上面的为上辊，弧形下面的两个为下辊，上辊在一定范围内作垂直运动，上辊的直径范围为Φ90～Φ200,进一步优选为Φ120～Φ150，成形过程中壁板受摩擦力作用而被动旋转。在三个辊轮作用力和摩擦力的作用下，壁板运动并产生塑性变形，逐渐弯曲，最终成形为等曲率的工件。整体壁板如果直接滚弯成形，由于壁板形状不规则，筋条高且壁薄，三个辊轮施加载荷的情况下，筋条处容易发生屈曲失稳现象；且蒙皮表面圆弧不光滑连续，在筋条处会产生明显凸起，因此成形后的壁板不能满足使用要求。在凹槽内部填充材料相同的垫板可以改善筋条的受力状况，提高壁板的成形性能。

如图4所示，图4是填充垫板后圈圆成型的零件。此处需要说明的是，经过圈圆后，蒙皮弯曲的半径和要求尺寸接近但不完全相同，需要结合退火热处理后进行校形，来获得要求尺寸的零件。热处理的优选温度为300℃～350℃，且热处理时间为60～80分钟，进一步的优选在310℃～330℃，能够提高材料的塑性。

本发明还有一种优选的方案：在方法步骤(2)加工完平板的凹槽后可增加退火去应力热处理，这样在后续步骤(4)进行圈圆加工时可获得良好的加工效果，并且减轻校形的工作量。

本发明还有一种优选的方案：步骤(4)的圈圆加工可用数控折弯机擀圆的方法，适用于加工厚度较厚不能用圈圆机圈圆加工的带筋蒙皮。

本发明还有一种优选的方案：步骤(3)中用不同厚度的垫板组合，使组合后的厚度与凹槽深度一致。

本发明的技术效果，经过测试，加工了10个，外形面的线轮廓度公差均能达到0.03精度以内。，本发明的弯曲方法已经用在加工某种飞行器油箱的外蒙皮的加工，取得了良好的效果。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。