一种翼舵用栅格结构及其成形工艺的制作方法

1.本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种翼舵用栅格结构及其成形工艺。


背景技术：

2.在航空航天领域实现产品的轻量化是一个永恒的主题，特别是近些年来航空航天飞行器日益发展，这也对飞行器的主体结构的轻量化需求显得愈为迫切。
3.翼舵类产品作为航空航天飞行器的重要组成部分往往需要具有耐冲击和耐高温的特性，在工业生产领域往往通过搭配轻质合金+轻量化结构复合效果来达到产品减重效果，目前金属轻质合金中以镁、铝、钛合金为常用结构材料，钛合金由于其优异的耐高温特点被广泛应用于航空航天领域。
4.对于翼舵类零件为了实现产品的结构轻量化，可以通过设计成具有镂空结构的栅格结构。但现有技术中没有适用于翼舵类产品的栅格结构，无法形成镂空区域，导致翼舵类产品无法实现轻量化。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种翼舵用栅格结构及其成形工艺，用以解决现有技术中没有适用于翼舵类产品的栅格结构，无法形成镂空区域，导致翼舵类产品无法实现轻量化的问题。
6.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
7.一方面，本发明提供了一种翼舵用栅格结构，包括栅格板和挡板，所述挡板依次相接设置形成闭环；所述栅格板在所述挡板所形成的内部空间内插接形成镂空区域，所述栅格板的端部与所述挡板固定连接。
8.可选地，所述栅格板上设有开口槽，所述开口槽沿所述栅格板的厚度方向贯通；所述开口槽的深度等于所述栅格板宽度的一半；所述开口槽的数量为多个，多个所述开口槽沿所述栅格板的长度方向分散设置。
9.可选地，所述开口槽的宽度大于所述栅格板的厚度。
10.可选地，所述栅格板的端头包括平头端头和坡口端头；所述平头端头是指所述栅格板的端面与所述栅格板的主体垂直，所述坡口端头是指所述栅格板的端面与所述栅格板的主体呈一定角度。
11.可选地，所述栅格板的一端为平头端头，另一端为坡口端头。
12.可选地，所述栅格板的两端均为坡口端头。
13.可选地，所述栅格板的材质为铝合金或钛合金。
14.可选地，所述栅格板的长度为800-1000mm。
15.可选地，所述栅格板的宽度为90-100mm。
16.另一方面，本发明还提供了一种栅格板的加工方法，用于加工得到上述的栅格板，包括如下步骤：
17.步骤1：切割得到预定尺寸的栅格板；
18.步骤2：在栅格板上每间隔一定距离切割开口槽；
19.步骤3：加工栅格板的端头。
20.此外，本发明还提供了一种栅格结构成形工艺，用于成形得到上述的栅格结构，包括以下步骤：
21.步骤a：采用装配工装将栅格板与挡板进行试装配；
22.步骤b：酸洗；
23.步骤c：焊接得到栅格结构。
24.装配工装用于辅助将多个栅格板装配在一起，所述装配工装包括框架；所述框架上设有镂空区域，以达到减重的目的；所述镂空区域包括多个镂空单元，相邻的所述镂空单元之间设有间隙，多个所述间隙连通形成卡槽，以放置所述栅格板。
25.可选地，所述卡槽包括第一卡槽和第二卡槽，所述第一卡槽和所述第二卡槽交叉设置，交叉处为所述栅格板上设置开口槽处。
26.可选地，所述第一卡槽和所述第二卡槽的数量均为多个，多个所述第一卡槽之间以及多个所述第二卡槽之间均平行设置。
27.可选地，所述卡槽的宽度大于所述栅格板的厚度。
28.可选地，所述卡槽的宽度比所述栅格板的厚度大0.1-0.2mm。
29.可选地，所述镂空单元包括四个立板，所述立板依次连接形成中空的长方体。
30.可选地，所述立板的高度为所述栅格板宽度的二分之一。
31.可选地，所述镂空单元的横截面呈“十”字型。
32.可选地，所述框架上设有限位块，所述限位块设于所述镂空区域的外侧。
33.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
34.(1)本发明的栅格板具有具有深腔(栅格板的宽度为90-100mm)、大尺寸(栅格板的长度为800-1000mm)、壁薄(栅格板的厚度＜5mm)的特点，通过在栅格板上设置开口槽，并通过控制开口槽的尺寸，能够实现多个栅格板的互连，形成镂空结构，实现了翼舵的轻量化。
35.(2)本发明针对栅格板的结构设置了专用的装配工装，能够在栅格板装配过程中起到约束作用，并能够有效减轻后续焊接过程中的焊接变形，为后续装配并最终保证整个栅格翼尺寸精度创造了良好条件。
36.(3)由于本发明的栅格板具有深腔(栅格板的宽度为90-100mm)、大尺寸(栅格板的长度为800-1000mm)、壁薄(栅格板的厚度＜5mm)并且焊缝多(几十条甚至上百条焊缝)的特殊性，因此，存在焊接变形大、产品尺寸精度低的技术难题。本发明经过技术创新，在栅格板的满焊中采用先中心焊缝后周边焊缝的特定的焊接顺序，以及采用每组周边焊缝内先焊接呈中心对称位置上的两个焊缝的焊接顺序，能够有效防止焊接变形，便于后续装配，并且能够保证整个栅格翼的尺寸精度，产品合格率高。并且本发明的成形工艺流程简短，易于实施，不需要特殊的成型设备。
37.(4)本发明通过将镂空单元中立板的高度设置为栅格板宽度的二分之一，既能起到稳定栅格板的作用，又不会因为立板的高度太高影响栅格板的插接。
38.(5)本发明通过在立板的上表面设置向上的加固凸起，并通过将加固凸起的长度设置为小于立板的长度，既能够起到增强栅格板稳定性的作用，又能够减少立板材料的用
量，节省成本。
39.(6)本发明通过控制加固凸起的高度与立板的高度之和为栅格板宽度的二分之一至三分之二，进一步提高了栅格板的稳定性，且不影响栅格板的插接。
40.(7)本发明通过设置限位块，能够更好地维持挡板所围成的内部空间的形状，保持镂空区域的结构稳定性，从而保证栅格板的尺寸精度。
41.(8)本发明通过设置限位块以及将镂空单元的四个立板依次连接构成长方体状，能够在退火工序中起到约束作用，使得退火后栅格板的尺寸精度控制良好。
42.(9)本发明通过在挡板上、栅格板与挡板的交叉焊接处设置凸台，能够实现栅格板与挡板的平滑对接，可以避免栅格板端面与挡板的干涉，便于装配焊接。
43.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
44.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
45.图1为本发明栅格板结构示意图；
46.图2(a)为本发明栅格板一端为平头端头、另一端为坡口端头的结构示意图；
47.图2(b)为本发明栅格板两端均为坡口端头的结构示意图；
48.图3为本发明的装配工装结构示意图；
49.图4为本发明满焊焊接顺序图；
50.图5(a)为本发明的栅格板与挡板的一种接头形式；
51.图5(b)为本发明的栅格板与挡板的另一种接头形式；
52.图6为本发明的挡板上设有凸台的结构示意图；
53.图7为本发明装配工装镂空区域为另一种形式的结构示意图。
54.附图标记：
55.1-栅格板；2-挡板；3-框架；4-立板；5-加固凸起；6-开口槽；7-连接部；8-支撑部；9-凸台；10-限位块；11-第一焊缝；12-第二焊缝；13-第三焊缝；14-第四焊缝；15-第五焊缝；16-第六焊缝；17-第七焊缝；18-第八焊缝；19-第九焊缝；20-第十焊缝；21-第十一焊缝；22-第十二焊缝；23-第十三焊缝；24-第十四焊缝；25-第十五焊缝；26-第十六焊缝；27-第十七焊缝；z-激光焊焊接方向；h
1-开口槽的深度；h
2-栅格板的宽度；w-开口槽的宽度；α-角度。
具体实施方式
56.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
57.实施例一
58.本发明的一个具体实施例，公开了一种翼舵用栅格结构，，该栅格结构用于形成栅格翼舵，实现了航空航天领域产品的轻量化。
59.栅格结构包括多个挡板2和多个栅格板1，多个挡板2依次相接设置形成闭环；多个
栅格板1在挡板所形成的内部空间内插接形成镂空区域，栅格板的端部与挡板焊接。
60.如图1所示，本实施例的栅格板1具有深腔(栅格板的宽度为90-100mm)、大尺寸(栅格板的长度为800-1000mm)、壁薄(栅格板的厚度＜5mm)的特点。栅格板1为片状长方体，沿栅格板1的长度方向，栅格板1上分散设有多个开口槽6。开口槽6沿栅格板1的厚度方向贯通，开口槽6的深度h1等于栅格板的宽度h2的一半，开口槽6的宽度w等于栅格板1的厚度。
61.具体地，栅格板1的材质为铝合金或钛合金，长度为800-1000mm，宽度为90-100mm。
62.为了便于后续装配，栅格板1的端头包括多种形式。如图2所示，栅格板1的端头包括平头端头和坡口端头。平头端头是指栅格板1的端面与栅格板1的主体垂直，坡口端头是指栅格板1的端面与栅格板1的主体呈一定的角度α。α的值大于90
°
，例如为135
°
。
63.具体地，如图2(a)和图2(b)所示，栅格板1可以是一端为平头端头，另一端为坡口端头；也可以是两端均为坡口端头。
64.在一种优选的实施方式中，为了便于焊接和防止应力集中，在挡板上、栅格板与挡板的交叉焊接处设有凸台9，能够实现栅格板与挡板的平滑对接，可以避免栅格板端面与挡板的干涉，便于装配焊接。
65.另外，如图3所示，位于栅格结构宽度方向的其中一个挡板上设有连接部7，以实现栅格结构与飞行器的连接。
66.具体地，连接部7的数量为两个，分别设于挡板2的两端。
67.实施例二
68.本发明的一个具体实施例，公开了一种装配工装，用于辅助装配得到实施例一的栅格结构。
69.如图3所示，本实施例的装配工装包括框架3。框架3上设有镂空区域，以达到减重的目的。镂空区域包括多个镂空单元，相邻的镂空单元之间设有间隙(图中未示出)。多个间隙沿栅格板1的长度方向连通，形成卡槽(图中未示出)，以放置栅格板1。
70.在一种优选的实施方案中，卡槽的宽度大于栅格板1的厚度。具体地，卡槽的宽度比栅格板1的厚度大0.1-0.2mm，以使栅格板1能够顺利插入卡槽。
71.在一种可能的实施方式中，卡槽包括多个第一卡槽和多个第二卡槽，多个第一卡槽之间平行设置，多个第二卡槽之间也平行设置。多个第一卡槽和多个第二卡槽交叉设置，交叉处为栅格板1上设有开口槽6处。
72.具体地，镂空单元包括四个立板4，四个立板4依次连接形成中空的长方体。每个立板4均具有一定的高度，增强了栅格板1立于相邻的镂空单元之间的稳定性。
73.考虑到立板4的高度太矮不能很好地稳定栅格板1，高度太高不利于将开口向上的栅格板1置于装配工装的卡槽内，也不利于将开口向下的栅格板1与开口向上的栅格板1插接。在一种优选的实施方式中，立板4的高度为栅格板1宽度的二分之一。本实施例通过控制立板4的高度，既能起到稳定栅格板1的作用，又不会因为立板4的高度太高影响栅格板1的插接。
74.进一步地，每个立板4的上表面均设有向上的加固凸起5，进一步增强了栅格板1立于相邻的工装单元之间的稳定性。具体地，加固凸起5的长度小于立板4的长度，加固凸起5的宽度等于立板的宽度。本实施例通过在立板的上表面设置向上的凸起，并通过将凸起的长度设置为小于立板的长度，既能够起到增强栅格板稳定性的作用，又能够减少立板材料
的用量，节省成本。
75.具体地，加固凸起的高度与立板的高度之和为栅格板宽度的二分之一至三分之二。本实施例通过控制凸起的高度与立板的高度之和为栅格板宽度的二分之一至三分之二，进一步提高了栅格板的稳定性，且不影响栅格板的插接。示例性地，立板的材质为铸铁。
76.此外，每个立板4上加固凸起5的数量为一个以上，使得当栅格板上相邻开口槽6之间的距离较大时，置于装配工装上后仍能保持栅格板1的稳定性。
77.在另外一种具体的实施方式中，如图3所示，框架3上设有支撑部8，以支撑栅格结构中的连接部7。
78.此外，如图3所示，框架3上还设有限位块10，限位块10设于镂空区域的外侧，用于将挡板2限位，能够更好地维持挡板2所围成的内部空间的形状，保持镂空区域的结构稳定性，从而保证栅格板的尺寸精度。
79.实施例三
80.本发明的另一个实施例也公开了一种装配工装，如图7所示，该装配工装与实施例二的装配工装不同之处在于：本实施例的镂空单元的横截面呈“十”字型，“十”字型的四个突出部分别与相邻的镂空单元的突出部之间设有间隙(图中未示出)，多个间隙沿栅格板1的长度方向连通，形成卡槽(图中未示出)，以放置栅格板1。
81.考虑到镂空单元的高度太矮不能很好地稳定栅格板1，高度太高不利于将开口向上的栅格板1置于装配工装的卡槽内，也不利于将开口向下的栅格板1与开口向上的栅格板1插接。在一种优选的实施方式中，镂空单元的高度为栅格板1宽度的二分之一至三分之二。本实施例通过将镂空单元的高度设置为栅格板宽度的二分之一至三分之二，既能起到稳定栅格板的作用，又不会因为工装单元的高度太高影响栅格板的插接。
82.实施例四
83.本发明的另一个具体实施例，公开了一种翼舵用栅格结构成形工艺。
84.翼舵用栅格板往往属于薄壁类零件(厚度＜5mm)，若采用整体铸造成形的方式难以成型，且后续需对毛坯进行整体机加，冗长的生产流程容易产生制造成本高，周期长的问题，而采用金属板材插接拼焊的方式则可就地取材，具有工艺准备周期短，成本低廉的优点，但由于产品对于轻量化的需求，栅格板的厚度往往需＜5mm，因此整体栅格在焊接过程中存在着焊缝数量多，焊接变形大的风险。
85.激光焊和传统焊接技术相比，属于非接触式焊接，作业过程中无需加压，具有焊接速度快，束流密度高，强度高，焊缝深宽比大，热影响区小、工件变形量小，后续处理工作量小，自由度高、可操作性高的优点，对于十字交叉式栅格翼舵采用激光焊焊接方式十分受用。
86.本实施例的成形工艺包括以下步骤：
87.步骤1：加工得到实施例一的栅格板1，包括如下步骤：
88.步骤11：采用激光切割得到特定尺寸的栅格板1。
89.步骤12：在栅格板1上每间隔一定距离切割开口槽6，开口槽6沿栅格板的厚度方向贯通，开口槽的深度h1等于栅格板的宽度h2的一半，开口槽6的宽度w等于栅格板的厚度。
90.需要强调的是，开口槽的宽度精度将直接影响栅格板的装配精度。在一种具体的实施方式中，控制栅格板厚度方向的精度公差为0.1-0.2mm，使得装配后栅格板不易变形，
装配精度高。
91.步骤13：加工栅格板的端头。
92.针对栅格板1与挡板3装配位置处的接头的形式不同，需将栅格板1的端头加工成不同形式。主要有两种形式：一种形式是栅格板的一端为平头，另一端为具有角度的坡口；另一种形式是两端均为具有角度的坡口。本实施例通过将栅格板的端头加工成特定的形式，便于栅格板与挡板的装配焊接。
93.示例性地，坡口的角度为135
°
，即栅格板的斜边与直边呈135
°
。
94.步骤2：将栅格板与挡板进行试装配，以确保不会相互干涉。步骤21：将开口向上的栅格板插入到装配工装的卡槽中，插入时需保证栅格板开口槽的底部与镂空单元的上表面平齐；
95.步骤22：取另一栅格板，开口向下放置，与步骤21的栅格板配合，两个栅格板插接后平齐无凸出，装配时按照从中间向两边的装配顺序开始装配栅格板，以保证装配后不产生残余应力。
96.步骤23：打磨并修配与挡板接触的栅格板，使带有坡口的栅格板与立板对接间隙不超过0.1mm，局部不大于0.2mm，随后打磨修配另一直角边使其与挡板贴合良好。
97.步骤3：酸洗。
98.确认各部件不会相互干涉后，将栅格板从挡板上拆除，对栅格板与挡板进行酸洗，除去表面油污及氧化皮。
99.步骤4：定位焊
100.焊接栅格板前采用氩弧焊分别定位中间栅格板插接缝十字格，以及栅格板与立板接触部位。这样在焊接前把各部分相对位置进行固定，同时大大增加整体结构焊前的整体刚度，能有效控制中间栅格板相互之间、以及栅格板与立板焊接过程中发生局部变形偏扭。
101.定位焊时采用氩气保护，焊枪滞后停气时间18s，保证焊缝正面应为银白色或淡黄色,不允许有深蓝色。
102.步骤5：焊接栅格板
103.该流程是对上一步已完成定位焊的栅格板进行满焊，满焊采用激光焊，焊接时采用工具夹将栅格板固定在焊接工装上，激光焊焊接接头偏转角度为45
°
，在低于栅格板一半的位置开始起弧焊接，直至焊接完整条焊缝，焊接时按照先中心焊缝后周边焊缝的特定顺序进行。本实施例采用上述特定的焊接顺序，能够有效防止焊接变形。
104.具体来说，按照距离中心焊缝的距离由近及远的顺序，周边焊缝包括第一组周边焊缝、第二组周边焊缝、第三组周边焊缝，以此类推。
105.如图4所示，中心焊缝包括第一焊缝11，第一组周边焊缝包括第二焊,12、第三焊缝13、第四焊缝14和第五焊缝15。并且第二焊缝12与第三焊缝13、第四焊缝14与第五焊缝15分别关于中心焊缝呈中心对称布设。
106.第二组周边焊缝包括第六焊缝16、第七焊缝17、第八焊缝18和第九焊缝19，并且第六焊缝16与第七焊缝17、第八焊缝18与第九焊缝19分别关于中心焊缝呈中心对称布设。
107.第三组周边焊缝包括第十焊缝20、第十一焊缝21、第十二焊缝22、第十三焊缝23、第十四焊缝24、第十五焊缝25、第十六焊缝26和第十七焊缝27，并且第十焊缝20与第十一焊缝21、第十二焊缝22与第十三焊缝23、第十四焊缝24与第十五焊缝25、第十六焊缝26与第十
七焊缝27分别关于中心焊缝呈中心对称布设。
108.焊接过程中先焊接中心位置的第一焊缝1，之后依次焊接第一组周边焊缝、第二组周边焊缝和第三组周边焊缝。
109.具体地，在焊接每一组周边焊缝的过程中，焊接完该组周边焊缝内的第一个焊缝之后焊接与该焊缝呈中心对称位置上的焊缝。接着焊接呈中心对称位置上的另外两个焊缝。
110.参见图4，以第一组周边焊缝为例介绍先焊接第一焊缝1，之后焊接第二焊缝2、第三焊缝3、第四焊缝4和第五焊缝5中的任意一个。如果选择先焊接的是第四焊缝4，那么接下来焊接与第四焊缝4呈中心对称的第五焊缝5。之后依次焊接第二焊缝2和第三焊缝3，也可以是先焊接第三焊缝3，再焊接第二焊缝2。
111.其他组内周边焊缝的焊接顺序与第一组周边焊缝的焊接顺序类似，在此不再赘述。
112.本实施例通过采用先中心焊缝后周边焊缝的特定的焊接顺序，以及采用每组周边焊缝内先焊接呈中心对称位置上的两个焊缝的焊接顺序，能够有效防止焊接变形，便于后续装配，并且能够保证整个栅格翼尺寸的精度创造。
113.步骤6：退火热处理
114.由于焊缝数量很多，热输入量很大，激光焊后众多栅格之间的相互约束作用很大，造成栅格板之间的扭力很大，影响后续栅格板与挡板的焊接。
115.因此，在一种优选的实施方式中，对已完成满焊的栅格板与装配工装一同进行退火，消除焊接应力，同时由于装配工装的限位块和卡槽的约束作用，退火后栅格板的尺寸精度控制良好。
116.步骤7：焊接栅格板与挡板
117.如图5所示，栅格板与挡板焊接接头形式共有两种，分别为相交焊接接头(图5(a))和单边焊接接头(图5(b))。焊接时按照图5所示的激光焊焊接方向z进行焊接。
118.如图5所示，为了便于焊接和防止应力集中，栅格板与挡板交叉焊接处，需要提前在挡板上、栅格板与挡板的交叉焊接处整体加工出凸台，能够实现栅格板与挡板的平滑对接，可以避免栅格板端面与挡板的干涉，便于装配焊接。如图6所示，将栅格板和挡板的焊接接头设计成等尺寸对接形式。凸台的宽
×
高为2a
×
a，栅格板厚度为)。
119.步骤8：检测焊缝质量
120.受限于该类深腔栅格结构的局限性，常用的x光、超声等方式不能对焊缝质量进行有效检测，可使用随炉试片检测方式来确定焊接质量。对于焊接完成后的实物产品可以选择相控阵超声检测技术检测焊缝质量。
121.本发明提出了一种可显著降低深腔交叉式栅格翼舵激光焊接变形控制及工艺方法，通过合理设置栅格板的结构，设置专用的装配工装进行辅助，控制装配精度，调整焊接顺序，以及进行后续热处理，可以有效地控制焊接变形，保证焊后翼舵的理论型面精度。
122.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。