一種具有薄壁超高加強筋的整體壁板的制造方法與流程

本發明涉及一種薄壁整體壁板的制造方法，具體涉及一種具有薄壁超高加強筋的整體壁板的制造方法。

背景技術：

在航空、航天和武器裝備等領域，實現結構輕量化是追求的最主要目標之一。為了減輕結構重量，需要在滿足使用要求的前提下對構件進行優化設計。例如，在火箭或導彈上，存在很多薄壁高筋結構，如火箭燃料儲箱的整體壁板、導彈的整流罩等。此類薄壁結構通常由薄壁腹板和加強筋組成，通過合理設置加強筋可以明顯提高薄壁腹板的剛度和強度。有時，還需要在加強筋上覆蓋薄壁蒙皮以進一步增強結構的連續性和整體剛度。

目前，薄壁整體壁板的截面形狀主要有T型、L型、H型和Z型等。此類結構存在以下幾個主要特點：縱橫筋交錯；筋的寬高比差異較大，最大可以達到1:20；筋的厚度存在一定差異，最薄僅2-3mm；壁板整體呈曲面。目前，常采用焊接、精密鑄造、精密鍛造等方法制備此類構件。但是，焊接時需要進行薄壁坯料的復雜裝夾、定位，無法實現具有小尺寸加強筋結構的焊接。更為重要的是，因為焊接熱變形的存在，難以獲得高精度、高強度的薄壁整體壁板。精密鑄造雖可以獲得復雜的薄壁結構，但是構件的微觀組織、強度等性能往往無法滿足要求。采用精密鍛造特別是熱態等溫鍛造雖然可以加工具有復雜結構的構件，但是當構件上不同區域的高度差差別較大時，原始坯料上與高度較低區域對應的位置將發生大量的材料流動，該區域的多余材料主要在模具的擠壓作用下向外部區域轉移。材料的這種遠程轉移和多方向流動將互相影響、互相耦合，極易因為流動不合理而出現充不滿、紊流、穿流及折疊等嚴重缺陷。同時，熱態等溫鍛造時材料與模具的摩擦阻力大。當構件尺寸較大、局部模腔尺寸小時，即使采用很大噸位的鍛造設備也無法獲得需要的薄壁深腔結構。由于傳統等溫鍛造技術的上述限制，無法直接采用等溫鍛造方法制造具有薄壁腹板、超高加強筋的薄壁整體壁板類構件。

隨著數控加工技術的快速發展，精密機械加工現已成為制造薄壁構件的主要方法之一，特別是近年來出現的“鏡像銑”加工技術，在火箭箭體、導彈彈體及飛機壁板等帶有復雜加強筋結構的整體壁板零件制造中得到了成功應用。但是，由于機械加工時坯料將受到較大的局部載荷的作用，在腹板和加強筋上將產生復雜的應力分布及明顯的宏觀變形。雖然可以采用壓板等工裝來限制機械加工時坯料的變形，但是當腹板很薄或者當筋的高度明顯大于厚度時，即使采用復雜的工裝進行約束也無法避免機械加工時在薄壁區域產生明顯變形。目前，采用精密機械加工方法制造的整體壁板，其腹板厚度≥3mm，加強筋的厚度和高度近似相等(如筋厚度12mm，筋高度10～16mm)。此外，由于機械切削加工將破壞金屬坯料的流線，特別是在加強筋與腹板連接的圓角區域，這將使構件的抗疲勞性能明顯降低。機械加工還可能在坯料的不同部位產生復雜分布的殘余應力，這種殘余應力可能導致零件在服役過程中出現變形甚至開裂。為了解決現有方法無法制造具有薄壁腹板、薄壁超高加強筋結構的薄壁整體壁板類構件的難題，需要開發一種全新的制造方法。

技術實現要素：

本發明是為解決現有的焊接、鑄造、鍛造及機械加工方法無法制造具有薄壁超高加強筋結構的薄壁整體壁板類構件的問題，提出一種具有薄壁超高加強筋的整體壁板的制造方法。

本發明為解決上述問題采用的技術方案為：一種具有薄壁超高加強筋的整體壁板的制造方法，該方法是按照以下步驟進行的：

步驟一、選取一定厚度的原始板材，通過切割、沖裁方法制得需要板坯；

步驟二、預熱坯料，將待成形的板坯放入加熱爐中加熱到(0.5-0.7)Tm并保溫一段時間，使坯料內部溫度均勻，Tm為材料的熔點；

步驟三、預熱和潤滑模具，利用加熱元件對上模和下模進行加熱，使模具達到設定溫度并保溫一段時間，在上模和下模的型腔、沖頭等部位噴涂潤滑劑；

步驟四、模壓成形，將預熱后的板坯轉移到下模上并定位，利用上模對板坯進行擠壓獲得加強筋及儲料區材料；

步驟五、開啟上模，頂出缸向上頂出，推動墊塊、頂出桿抬起，推動模壓成形后帶有加強筋及儲料區材料的熱態模壓成形件脫離下模，取出模壓得到的壁板狀零件并冷卻到室溫；

步驟六、機械加工，采用切削加工方法將壁板狀零件上相鄰加強筋之間的儲料區材料去除掉，得到最終的薄壁帶有超高加強筋的整體壁板。

本發明的有益效果是：

一、熱態模壓階段，與加強筋相對應區域的材料只沿著由分隔棱構成的筋槽內部產生單方向流動，而相鄰加強筋之間區域的材料將在分隔棱的擠壓作用下向尺寸較大的模具空腔區域轉移，各區域材料的流動方向都相對簡單，互相基本不影響，從而可有效避免傳統模壓時因材料長程流動、多方向流動而引起的缺陷；

二、熱態模壓階段，原始板坯上不論是與加強筋還是與其他區域相對應的材料都只發生短距離的流動或轉移，且各部分材料的流動都相對獨立，所以材料的變形抗力或變形流動阻力明顯小于傳統的精密模鍛，采用較小噸位的設備即可完成零件的模壓成形；

三、熱態模壓階段，材料的流動阻力小，坯料與模具之間的接觸壓力小。因此，模具的厚度或強度可明顯減小，模具的尺寸和結構可大大縮小和簡化。此外，因為和坯料的接觸摩擦小，所以模具壽命長。

四、在熱態模壓后的脫模階段，相鄰加強筋之間的模具空腔中儲料區材料和模具空腔沒有緊密貼合，坯料和模具的接觸面積小、接觸壓力小。因此，很容易將成形后的零件從模具中取出并避免因脫模阻力大而引起的零件形狀尺寸變化，從而可獲得高精度的模壓坯料，為后續的精密機械加工提供保證。

五、機械加工階段，切削刀具只要將相鄰加強筋之間的多余材料切除，機械加工區域遠離加強筋和薄壁腹板的連接部位，因此該部位的流線能保持連續，避免了直接機械加工時因為切斷連接部位的流線而造成該區域應力集中、抗疲勞性能明顯降低的問題。

六、機械加工階段，切削刀具不直接接觸或遠離超高的加強筋和薄壁腹板等薄壁結構，不會在這些區域產生較大的作用力，從而可以避免傳統直接機械加工時加強筋的扭曲變形和腹板的隆起變形，無需采用復雜的工裝來對薄壁腹板和加強筋進行約束。

七、機械加工階段，加強筋及與其相連的腹板上沒有較大的作用力，所以也不會在切削加工后產生殘余應力。因此，零件在服役條件下可以保證很高的尺寸穩定性及可靠性。

附圖說明

圖1為本發明具有薄壁超高加強筋的整體壁板模壓初始狀態示意圖；

圖2為本發明具有薄壁超高加強筋的整體壁板模壓閉合狀態示意圖；

圖3為本發明具有薄壁超高加強筋的整體壁板模壓完成后取件過程示意圖；

圖4為本發明上模區域劃分圖，其中，③為分隔棱，⑥為模具空腔；

圖5為本發明薄壁超高加強筋模壓制件區域劃分圖，其中，①為加強筋，②為儲料區材料；

圖6為本發明板坯成形區域劃分圖，其中，④為加強筋成形區，⑤為上模空腔填充區；

圖7為本發明具有薄壁超高加強筋的整體壁板；

圖8為本發明分體式上模模壓過程局部加載示意圖；

圖9為本發明經過機械加工預處理帶凹槽的板坯示意圖；

圖10為本發明帶凹槽板坯預成形過程示意圖。

其中，1為上水冷板，2為上隔熱板，3為上模，4為板坯，5為下模，6為中間加熱板，7為內六角螺栓，8為下隔熱板，9為下水冷板，10為頂出缸，11為墊塊，12為頂出桿，13為電磁感應加熱線圈，14為熱態模壓成形件，15為薄壁帶有超高加強筋的整體壁板，16為分體式上模的左裝配體，17為分體式上模的右裝配體，18為板坯預成形上模，19為預成形板坯，20為機械加工帶凹槽板坯。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1-7說明，本實施方式的一種具有薄壁超高加強筋的整體壁板的制造方法是按照以下步驟實現的：

步驟一、選取一定厚度的原始板材，通過切割、沖裁方法制得需要的平整的板坯4；

步驟二、預熱坯料，將待成形的板坯4放入加熱爐中加熱到(0.5-0.7)Tm，并保溫一段時間，使坯料內部溫度均勻，Tm為材料的熔點；

步驟三、預熱和潤滑模具，利用電磁感應加熱線圈13和中間加熱板6對上模3、下模5進行加熱，待上模3和下模5達到預設溫度時，在上模3和下模5的型腔部位噴涂潤滑劑；

步驟四、模壓成形，將預熱后的板坯4轉移到下模5上并定位，利用上模3對板坯4進行擠壓獲得加強筋①及儲料區材料②；

步驟五、開啟上模3，頂出缸10向上頂出，推動墊塊11、頂出桿12抬起，推動模壓成形后帶有加強筋①及儲料區材料②的熱態模壓成形件14脫離下模5，取出模壓得到的壁板狀零件并冷卻到室溫；

步驟六、機械加工，采用切削加工方法將壁板狀零件上相鄰加強筋之間的儲料區材料②去除掉，得到最終的薄壁帶有超高加強筋的整體壁板15。

本實施方式的超高加強筋：筋高度與筋厚度的比值大于2.5，主要應用于制備鋁合金，鎂合金整體壁板。步驟一中通過切割、沖裁等板坯通用加工方法制得需要的平整的板坯4，

在步驟二中，優選保溫時間10-30分鐘，上模3上面裝配有上隔熱板2，下模5下面安裝下隔熱板8，下模5通過內六角螺栓7與下隔熱板8連接，隔熱板導熱系數較小，減少上模3和下模5與周圍部件的散熱，上水冷板1、下水冷板9分別與上隔熱板2和下隔熱板8相接觸，以循環水的形式將傳遞到上端和下端的熱量帶走，保證設備和工作臺面的溫度不致過高。待上模3和下模5達到預設溫度時，在上模3和下模5的型腔部位噴涂潤滑劑，對于鎂、鋁合金在500℃左右模壓時可以噴涂水劑石墨，對于800℃左右成形的材料可以噴涂M1玻璃潤滑劑等。

本實施方式的有益效果是：一、熱態模壓階段，板坯4與加強筋成形區④的材料只沿著由相鄰近的一對分隔棱③構成的筋槽內部產生單方向流動，而相鄰加強筋之間區域⑤的材料將在分隔棱③的擠壓作用下向尺寸較大的模具空腔區域⑥轉移，各區域材料的流動方向都相對簡單，互相基本不影響，從而可有效避免傳統模壓時因材料長程流動、多方向流動而引起的缺陷。二、熱態模壓階段，原始板坯上由于分隔棱③分隔作用材料只產生短程獨立流動，材料的變形抗力或變形流動阻力明顯降低，對成形設備要求降低，采用較小噸位的設備即可完成零件的模壓成形。三、熱態模壓階段，材料的流動阻力小，坯料與模具之間的接觸壓力小。因此，模具的厚度和強度明顯減小，模具的尺寸和結構可大大縮小和簡化。四、取件過程中，相鄰加強筋①之間的模具空腔中的儲料區材料②和模具空腔⑥沒有緊密貼合，上模開模容易且不致出現抱模問題，下模中頂出缸、墊塊、頂出桿的推動方便模壓后的壁板狀零件便于取出，避免局部拖拽引起的零件形狀尺寸變化，尺寸精度可靠。五、機械加工階段，切削刀具加工區域遠離加強筋根部和薄壁腹板的連接部位，無需使用復雜工裝和精確定位裝置的約束，同時保證模壓壁板狀零件加強筋底部流線完整性。

具體實施方式二：結合圖1說明，當待加工的薄壁超高加強筋的整體壁板尺寸較小且加工溫度較低(低于700℃)時，步驟二可以采用將板坯4直接放到下模5中，利用電磁感應加熱線圈13和中間加熱板6對上模3、下模5加熱，通過上模3和下模5的熱傳導作用加熱板坯4到預定溫度。其他與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：結合圖1、圖4、圖6和圖9說明，步驟一可以通過初期簡單機械加工將板坯4中的上模空腔填充區⑤切削掉一小部分，加工后的機械加工帶凹槽板坯20作為熱態模壓初始板坯進行熱態模壓。其他與具體實施方式一相同。

具體實施方式四：結合圖1、圖4、圖6和圖10說明，步驟一模壓的板坯4可以先經過初期板坯預成形上模18模壓預成形，使獲得的預成形板坯19上與最終熱態模壓成形模具空腔對應的上模空腔填充區⑤中間形成凹槽，將其作為板坯進行薄壁超高加強筋整體壁板的制造加工。其他與具體實施方式一相同。

具體實施方式三、四的有益效果是：相比于平板板坯，帶凹槽的預成形板坯19、機械加工帶凹槽板坯20與最終熱態模壓成形的模具空腔⑥對應的區域材料減少，在熱態模壓階段，相鄰加強筋成形區④的材料在分隔棱③的擠壓作用下向模具空腔⑥轉移時的阻力減小，從而可降低設備所需擠壓力，延長模具壽命。

具體實施方式五：結合圖1和圖8說明，步驟三的上模3可以采用分體式結構，由分體式上模的左裝配體16和分體式上模的右裝配體17組成，模壓成形時，采用局部加載方式加載，先使分體式上模的右裝配體17壓下，達到預設壓下量時停止壓下，保持分體式上模的右裝配體17的位置不動，然后使分體式上模的左裝配體16壓下，保證與分體式上模的右裝配體17壓下量一致，從而完成熱態模壓成形過程。其他與具體實施方式一、二、三或四相同。

具體實施方式六：結合圖1和圖8說明，步驟三的上模3采用分體式結構，由分體式上模的左裝配體16和分體式上模的右裝配體17組成，模壓成形時先采用局部加載后整體加載的方式，分體式上模的左裝配體16和分體式上模的右裝配體17先后壓下，控制壓下量略小于薄壁超高加強筋的整體壁板熱態模壓階段最終壓下量，最后同時使分體式上模的左裝配體16和分體式上模的右裝配體17壓下達到最終壓下量。優選地，控制壓下量為薄壁超高加強筋的整體壁板熱態模壓階段最終壓下量的85％-95％。其他與具體實施方式一、二、三或四相同。

具體實施方式五、六的有益效果是：分體式上模結構成形過程中采用局部加熱、局部加載方式，本實施方式尤其適用于超大尺寸薄壁超高加強筋的整體壁板的制造，不需要臺面尺寸大的專用設備即可實現大尺寸構件的成形，大大降低對設備工作臺面的要求，此外零件局部成形區域水平投影面積小，模具垂直方向所需成形力較小，大大降低了對設備合模力的要求。

本發明已以較佳實施案例揭示如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可以利用上述揭示的結構及技術內容做出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施案例，但是凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施案例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發明技術方案范圍。