一种恒温箱带筋壁板时效成形装置的制作方法

本发明涉及一种恒温箱时效成形装置，具体地说，涉及一种恒温箱带筋壁板时效成形装置，属于航空制造工程领域。

背景技术：

带筋整体壁板将传统飞机结构中的蒙皮、骨架元素和连接元素制成了一体，蒙皮、筋条之间无任何机械连接，从而可以达到减重并缩短装配周期和工作量的目的，同时提高外形的装配质量。铝合金整体壁板的蠕变时效成形方法的本质是宏观成形和时效强化演变两种现象的耦合，在减小成形后铝合金回弹的同时也提高了其强度和刚度。整体壁板的时效成形技术对航空制造业的发展十分重要。

由于带筋壁板的筋条会与凸、凹模模具出现干涉，传统的方法为使用凹模配合真空袋加载的方式在热压罐中成形，由于使用真空袋包覆在工件上表面进行加载，可不受筋条的限制，但此方法成本高、操作复杂且容易出现破袋现象，不适用于进行大量的基础性试验。相比之下，恒温箱时效成形具有成本低、操作方便的特点。

专利cn1526490中公开了“一种板材柔性多点曲面成形模具装置”，其由凸、凹模组件组成,其中凸模组件包括多个弹性模体,凹模组件包含有若干个能上下调节的小模的小模具组组成，该装置具有小模数量少,制造成本低，调节模具的时间可缩短的特点。但是，凹模部分小模具组的高度手动调节精度较差，曲面精度难以保证，当工件带筋条时会与弹性模体发生干涉，所以该装置不适合成形带筋条的零件。

专利cn103191987a中提出了“一种恒温箱整体壁板时效成形模具”，所述模具由框架及上下模具板构成，通过螺栓施加载荷成形零件，不用包裹真空袋以及吸真空直接采用机械加载，能够成形单曲率、双曲率带筋条的整体壁板结构零件。但是，其所能成形的带筋整体壁板对筋条方向有限制，只能成形筋条方向为平行于模具板方向的壁板，对于筋条方向垂直于模具板以及筋条有交叉的壁板零件，该模具无法进行加载。

现有的整体壁板蠕变时效成形装置主要有热压罐和恒温箱。热压罐时效成形特别适用于带筋壁板，通过真空袋包覆在工件上表面对其进行加载且成形过程不受筋条的限制，可成形任意复杂曲面的带筋壁板，但是此成形方法成本高，且真空袋和工件之间需要铺设透气毡、吸胶材料、盖板等多层材料，操作复杂且成形过程中容易出现破袋现象。恒温箱时效成形一般是通过模具自身结构来保持对工件的加载力，从而进行时效成形，具有成本低、操作简便的特点；但是成形带筋壁板时对筋条的方向、高度往往存在限制，且成形后的表面质量也难以保证。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出了一种恒温箱带筋壁板时效成形装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括导向杆、支撑螺杆、紧固螺母、调节螺母、上框板、下框板、吊环、凸模、凹模、固定块、垫板、柔性支柱、定位销、弹簧、保持架，所述上框板与所述下框板通过四根导向杆和紧固螺母配合连接，两个支撑螺杆分别安装在下框板上沿长度方向的对称轴处的螺纹盲孔中，凸模和凹模分别与两侧固定块固连，固定块与上框板、下框板固连，保持架位于凸模与凹模之间；所述凹模上曲面的一侧部有两个竖直盲孔作为定位孔，定位孔内装有定位销和弹簧，弹簧位于定位销下方，定位销在工件加载贴模的过程中逐渐被垫板挤压，向下压缩弹簧使定位销随工件的变形逐渐缩入定位孔中，直至工件与凹模曲面贴合，实现定位工件成形；

所述下框板为支撑底座，下框板两端各有两个凸耳用于安装吊环，下框板上表面的四角各有螺纹盲孔用于与导向杆下端螺纹连接，下框板上表面两侧短边中间各有螺纹盲孔用于与支撑螺杆螺纹连接，下框板上表面两侧长边各有等间距分布的螺纹盲孔用于与固定块连接；

所述导向杆两端加工有螺纹，下端螺纹用于将导向杆固定在下框板上，上端螺纹用于安装紧固螺母来固定上框板以保持施加在工件上的载荷,导向杆中间部分为光杆，用于保持架和上框板的导向；

所述保持架两侧分别有三个凸耳，凸耳中心开有通孔，用于将保持架安装在导向杆和支撑螺杆上，保持架上均布有通孔用于安装柔性支柱，且柔性支柱在通孔中自由移动，支撑螺杆安装在下框板上，调节螺母承受保持架的重力并通过支撑螺杆传递至下框板，保持架的上下位置随调节螺母的位置移动；

所述柔性支柱为阶梯圆柱体，上段直径大于下段直径，且下段细长，柔性支柱两端为球面，柔性支柱上端球面与凸模表面接触，柔性支柱下端穿过保持架上的通孔，柔性支柱下端球面与垫板接触，柔性支柱上段直径大于保持架上通孔直径，防止柔性支柱从保持架上穿过；

所述垫板分为若干块，依据工件上的筋条位置裁剪成形，并置于工件的筋条之间，用于减轻柔性支柱下端球面对工件上表面造成的压痕。

所述保持架上开有若干通孔。

所述柔性支柱数量为若干个,柔性支柱的数量与保持架上通孔数量相同。

有益效果

本发明提出了一种恒温箱带筋壁板时效成形装置；通过在凸、凹模之间设置的柔性支柱来简化对带筋壁板的加载，可拆卸的柔性支柱使该装置快速的应用于不同种类带筋壁板的成形，只需更换不同曲率半径的凸凹模即可，使装置的通用性极大地提高。带筋壁板无筋条一侧的外表面为主要工作面，装置中工件成形时无筋条一侧外表面与凹模曲面贴合，成形后其表面光滑，提高了成形质量。

本发明恒温箱带筋壁板时效成形装置的特点在于:其能在热压罐中成形各种简单及复杂曲率的带筋整体壁板或平板，且不受筋条方向及高度的限制，凸模与凹模成对使用，更换不同曲率半径的凸模、凹模即可成形不同的零件，具有极大的便利性和通用性。时效成形装置在零件成形过程中，带筋壁板外表面直接与模具贴合，成形后零件外表面光滑，方便后续测量；成型模具结构简单,使用操作方便。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种恒温箱带筋壁板时效成形装置作进一步详细说明。

图1为本发明恒温箱带筋壁板时效成形装置轴测图。

图2为本发明恒温箱带筋壁板时效成形装置结构示意图。

图3为本发明时效成形装置的下框板示意图。

图4为本发明时效成形装置的垫板示意图。

图5为本发明时效成形装置的定位销安装部位剖视图。

图6为本发明时效成形装置的柔性支柱示意图。

图7为本发明时效成形装置的固定块示意图。

图8为本发明时效成形装置的凹模示意图。

图9为本发明时效成形装置的保持架示意图。

图10为本发明时效成形装置使用时去掉与筋条干涉的柔性支柱示意图。

图11为本发明时效成形装置的上框板示意图。

图12为本发明时效成形装置的凸模示意图。

图13为本实施例的工件示意图。

图中:

1.上框板2.吊环3.柔性支柱4.导向杆5.调节螺母6.支撑螺杆7.凹模8.紧固螺母9.固定块10.内六角螺钉11.下框板12.工件13.垫板14.保持架15.凸模16.液压机压头17.定位销18.弹簧

具体实施方式

本实施例是一种恒温箱带筋壁板时效成形装置。应用于成形的工件为带筋整体壁板，带筋整体壁板的外形尺寸为400×300×2mm，筋条高度为20mm、厚度2mm、根部圆角半径3mm，筋条包括一根纵向筋条和两根横向筋条。

参阅图1～图13，本实施例恒温箱带筋壁板时效成形装置，由导向杆4、支撑螺杆6、紧固螺母8、调节螺母5、上框板1、下框板11、吊环2、凸模15、凹模7、固定块9、垫板13、若干柔性支柱3和保持架14组成。两个支撑螺杆6分别通过紧固螺母8安装在下框板11上沿长度方向的对称轴处的螺纹盲孔中，四根导向杆4分别通过紧固螺母8安装在下框板11上表面四角处的螺纹盲孔中，凹模7的两侧各通过内六角螺钉10与固定块9固连，固定块9通过内六角螺钉10与下框板11固连。凹模7上表面曲面的一侧部有两个竖直盲孔，盲孔内先安装弹簧18，弹簧18上方安装有定位销17。保持架14位于凹模7上部，安装在下框架四角的导向杆4分别从保持架14四角处凸耳上的通孔中穿过，使保持架14沿导向杆4上下移动。支撑螺杆6分别穿过保持架14两端中间部位凸耳上的通孔，调节螺母5安装在支撑螺杆6上并紧靠保持架14的下表面。柔性支柱3细端向下插入保持架14上的规则分布的通孔阵列中，柔性支柱3的数目与保持架14上通孔阵列的数目相等；垫板13安装在工件12及柔性支柱3的细端圆头之间；凸模15安装在柔性支柱3上方，凸模曲面与柔性支柱3粗端圆头接触，上框板1安装在凸模15上方，凸模15通过四个内六角螺钉与固定块9固连，固定块9通过三个内六角螺钉与上框板1固定连接；上框板1通过上表面四角的四个通孔安装在于导向杆4上，紧固螺母安装在导向杆4上端螺纹处与上框板1上表面相接触；吊耳2分别安装在下框板11四角的凸耳上和上框板1上表面两侧中间的螺纹孔中。加载时，液压机压头16向下移动与上框板1相接触，施加力通过凸模15传递给柔性支柱3，柔性支柱3向下运动使工件12变形，通过工件12将力传递给凹模7及下框板11。

本实施例中,固定块9用于固定凸模15、凹模7在上框板1、下框板11上的位置，其上表面有三个等间距分布的阶梯通孔，安装用于连接固定块9与上、下框板的内六角螺钉10，前表面有四个等间距分布的台阶通孔，安装用于连接固定块9与凸、凹模的内六角螺栓。下框板11为其它各部件提供支撑，本实施例中下框板11为500mm×400mm×25mm的长方体，其两端各有两个凸耳，凸耳上有螺纹通孔，用于安装吊环2；下框板11上表面四角有四个螺纹盲孔与导向杆4下端螺纹连接；下框板11上表面短边两侧的中间各有一个螺纹盲孔与支撑螺杆6的螺纹连接；下框板11上表面长边的两侧各有三个等间距分布的螺纹盲孔与紧固固定块9的内六角螺钉连接。下框板11上有四个通槽用来减轻装置质量。为了减少表面加工工作量，在下框板11底面开有2mm深的凹槽，且下框板11上表面与凹模7下表面接触处设置2mm高的凸台，凸台大小与凹模7下表面大小一致。上框板1与下框板11不同之处在于上框板1的四角处没有凸耳，吊环2安装于上表面短边两侧的中间的螺纹盲孔中；上框板1的上表面为平面；上框板1的下表面有2mm的凸台，凸台表面与凸模15上表面接触，凸台大小与凸模15上表面大小一致。

本实施例中,柔性支柱3细端向下竖直安装在于保持架14上的阵列孔中，柔性支柱3粗端直径大于保持架14上阵列孔直径，柔性支柱3不会从孔中穿过。成形时，凸模15的曲面形状通过多个柔性支柱3的细端球头映射到垫板13和工件12上；卸载时通过调节螺母5将保持架14上移即带动柔性支柱3离开工件12和垫板13，方便将工件12和垫板13取出。安装在保持架14通孔阵列中的柔性支柱3若与工件12的筋条出现碰撞干涉，可取出该干涉部分柔性支柱3；柔性支柱3的细端长度根据所成形的工件曲率选择，但需要满足细端长度l大于凹模7的最大弦高h、保持架14厚度m、工件12上的筋条高度z、工件12的厚度t之和，即l>h+m+z+t。本实施例中，凹模7的最大弦高h为20.2mm，保持架14厚度m为20mm，工件12筋条高度z为20mm，工件12厚度为2mm；柔性支柱3总长度为89mm，其中,细端直径为8mm，细端圆头半径为4mm，细端长度为67mm；粗端直径为10mm，粗端圆头半径为5mm，粗端长度为22mm。

凹模7前表面、后表面靠下侧分别有四个螺纹盲孔与穿过固定块9的内六角螺钉10连接。凹模7上表面一侧部有两个竖直的定位盲孔，用于安装弹簧18和定位销17。凹模7上表面为圆柱曲面，凸模15曲面与凹模7曲面的曲率形状相同，凸模15与凹模7二者成对使用，根据成形工件12的需要可将曲面加工为单曲率或变曲率复杂曲面。本实施例中，凸模15与凹模7曲面半径为1000mm的单曲率曲面。

定位销17和弹簧18安装在凹模7上的定位孔中，安装时弹簧18在下部，定位销17在弹簧18上。定位销17在工件12加载贴模的过程中逐渐被垫板13挤压，向下压缩弹簧18使定位销17随工件12的变形逐渐缩入定位孔中，直至工件12完全与凹模7曲面贴合。加载前，定位销17安装后要求其上端面不低于安装于凹模7上的工件12蒙皮部分的上表面，同时定位销17下端面必须在定位孔中，不得超出凹模7的曲面。定位销17的长度与弹簧18的最小高度之和不超过凹模7上定位孔的深度。本实施例中，定位销17长度为20mm；弹簧18自由长度为20mm，压缩比为50％；定位孔的深度为30mm。

垫板13放置在工件12的上表面与柔性支柱3下端圆头之间，根据筋条位置裁剪成合适尺寸放在工件12筋条之间的蒙皮上，目的是为了减轻柔性支柱3下端圆头在工件12表面压出的凹痕，使工件12受力均匀，提高成形质量。本实施例使用的垫板13厚度为1mm的不锈钢板。

保持架14四个角处的凸耳上有通孔，由固定在下框板11上的导向杆4分别穿过所述通孔，限制保持架14在水平方向的移动；保持架14两侧中间凸耳上有通孔，固定在下框板11上的支撑螺杆6穿过所述通孔，通过安装在支撑螺杆6上部的调节螺母5来支撑保持架14，限制保持架14向下的移动。保持架14表面有等距分布的阵列通孔，用于安装柔性支柱3并限制其水平移动。卸载时，通过调节螺母5的转动带动保持架14向上移动，将所有柔性支柱3抬离工件12表面。保持架14上阵列通孔的数目根据零件尺寸确定，柔性支柱3的数目与阵列通孔的数目相等。本实施例中，保持架14上阵列通孔为24×18，保持架14厚度为20mm。

成形装置安装过程:

第一步，将凹模7放置在下框板11的凸台上，使用四个内六角螺钉穿过固定块9上的有四个等距分布的阶梯孔的侧面与凹模7侧面的螺纹孔连接，然后用三个内六角螺钉穿过固定块9上有三个等距分布的阶梯孔的侧面与下框板11上螺纹孔连接，将凹模7通过两侧的两个固定块9紧固在下框板11上；

第二步，将导向杆4下端螺纹与下框板11四角处的螺纹盲孔连接，并通过紧固螺母将导向杆4固定在下框板11上；

第三步，将支撑螺杆6安装在下框板11上表面两侧的螺纹盲孔中，并通过紧固螺母5将支撑螺杆6固定在下框板11上，然后将调节螺母5分别安装在两侧支撑螺杆6上部，保持安装高度一致且超过凹模7的最高点；

第四步，将保持架14四角处凸耳上的通孔分别对应穿过导向杆4，直至保持架14两端中间凸耳上的孔穿过支撑螺杆6，落在调节螺母5的上方；

第五步，将柔性支柱3细端向下依次插入保持架14上的阵列通孔；

第六步，同第一步，将凸模15用内六角螺钉通过两个固定块9紧固在上框板1上；

第七步，将凸模15与上框板1固接后的整体部件的位置调整为凸模15在下，上框板1在上，将上框板1四角处的通孔分别对应穿过导向杆4；

第八步，将紧固螺母分别安装在导向杆4上端螺纹处；

第九步，将吊环2分别安装在下框板11四个角处凸耳上的螺纹孔和上框板1上表面两侧中间的螺纹孔中。

使用过程:

第一步，通过下框板11上的四个吊环2将整体装置移动至液压机工作台上，使上框板1上表面中间正对液压机压头16；第二步，去掉安装在上框板1上侧的各导向杆4上的紧固螺母，通过上框板1上的吊环2将上框板1连同凸模15吊起，同时转动两侧支撑螺杆6上的调节螺母5，驱动保持架14使其带动所有柔性支柱3沿导向杆4向上移动，直至柔性支柱3与凹模7之间有足够空间放入工件12时停止；第三步，先将弹簧18分别装入凹模7上定位盲孔中，再将工件12放入凹模7上方，使两个定位销17分别同时穿过工件12上的定位孔放入凹模7上的定位盲孔；第四步，将根据工件12筋条位置裁剪为合适大小的若干块垫板13放在工件12的筋条之间；第五步，将两侧的调节螺母5同时放下，保持架14及柔性支柱3随螺母向下移动，柔性支柱3下端球面与垫板13接触，调整两侧调节螺母5直至保持架14的下表面高于工件12筋条最高点约10mm时停止；第六步，观察安装在保持架14上的柔性支柱3的阵列，将落在工件12筋条上以及筋条底部圆角处的柔性支柱3取出；第七步，将第二步中吊起的上框板1、凸模15部件放回装置中；第八步，启动液压机，液压机压头16向下移动，接触上框板1后开始加载，液压机压头16带动上框板1、凸模15、柔性支柱3向下移动，越来越多的柔性支柱3上端球面与凸模15的曲面接触并随凸模15向下移动；当所有柔性支柱3上端球面与凸模15曲面接触且工件12下表面与凹模7曲面完全贴合时，保持液压机压力不变；第九步，将紧固螺母分别安装在各个导向杆4上，并将螺母拧紧保持对工件12的加载状态，随后升起液压机压头16；第十步，通过下框板11上的吊环2将整个装置放置在恒温箱内进行时效成形；时效结束后待装置冷却至室温后，通过下框板11上的吊环2将装置取出，松开上框板1上方各导向杆4上的紧固螺母进行卸载，将成形后的工件12及垫板13一同取出，时效成形结束。