蒙皮壁板的磁脈沖局部加載成形裝置及成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空航天航海蒙皮壁板材料加工領(lǐng)域，具體是一種利用磁脈沖成形實(shí)現(xiàn)蒙皮壁板成形的裝置及方法。主要用于金屬蒙皮壁板精確成形，解決蒙皮壁板常規(guī)成形技術(shù)的難成形、成形質(zhì)量差或成形效率低的問(wèn)題。
【背景技術(shù)】
[0002]蒙皮壁板是航空航天領(lǐng)域，特別是飛機(jī)整體壁板制造中重要零部件，其成形技術(shù)我國(guó)大飛機(jī)制造關(guān)鍵技術(shù)之一。這類構(gòu)件一般幾何尺寸大，多采用性能優(yōu)良但加工困難的材料，如鋁合金、鈦合金等，除了具有復(fù)雜的外形曲線外，還通過(guò)布置復(fù)雜形式的筋條來(lái)實(shí)現(xiàn)既滿足結(jié)構(gòu)性能需求，又減輕重量、較少零件數(shù)量的目的。蒙皮壁板的特點(diǎn)是由整塊板坯制造而成，包括筋條和腹板兩部分，整體彎曲曲率小。由于筋條的存在，蒙皮壁板的彎曲成形過(guò)程要比普通平板材料彎曲過(guò)程復(fù)雜得多。傳統(tǒng)的蒙皮壁板彎曲成形工藝主要是壓彎、滾彎、噴丸及蠕變時(shí)效成形等。壓彎成形依靠壓力頭作用于筋條頂部實(shí)現(xiàn)局部逐點(diǎn)彎曲成形，雖然通過(guò)控制下壓力、下壓進(jìn)給量等工藝參數(shù)等方法累積成形出所需的曲率，將壓彎成形用于成形高筋板，但由于壓頭直接作用于筋條頂端，貼模性差，殘余應(yīng)力大，特別是當(dāng)筋條過(guò)高時(shí)，筋條及其根部易發(fā)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)頂部扭曲、底部斷裂等缺陷，影響了結(jié)構(gòu)件整體性能，這種成形方法在先進(jìn)軍機(jī)生產(chǎn)中不作為主要成形方法;滾彎成形與壓彎類似，不同之處是滾彎利用滾動(dòng)的輥軸進(jìn)行三支點(diǎn)連續(xù)彎曲，且為了保護(hù)筋條，輥軸與工件之間多采用添加墊板或填料的形式，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，尤其不適于高筋板成形;噴丸成形是利用金屬?gòu)椡枇髯矒艄ぜ砻媸沟檬車姳韺赢a(chǎn)生延伸塑性變形而實(shí)現(xiàn)成形，由于成形后工件表層存在殘余壓應(yīng)力而提高了材料疲勞性能，已經(jīng)在C919大飛機(jī)機(jī)翼壁板上得到成功應(yīng)用，但噴丸成形后工件表面質(zhì)量不高，成形控制復(fù)雜;對(duì)于蠕變時(shí)效成形，可同時(shí)完成工件的成形與時(shí)效處理過(guò)程，但其成形過(guò)程準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，效率低，模具成本高，且成形后回彈量大。綜上所述，蒙皮壁板傳統(tǒng)成形工藝在彎曲成形中存在難成形或成形質(zhì)量差、效率低的問(wèn)題，限制了它們?cè)诿善け诎宄尚沃械膹V泛應(yīng)用。隨著整體類構(gòu)件在航空航天等領(lǐng)域發(fā)展需要，在不影響這些薄壁殼體外表氣動(dòng)性能的前提下，蒙皮壁板成形領(lǐng)域迫切需要探索新的成形工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)該類構(gòu)件高效、可靠成形。
[0003]本發(fā)明所涉及的磁脈沖成形，是一種特種成形工藝方法，具有成形能量小且易于控制、成形過(guò)程無(wú)機(jī)械接觸、模具簡(jiǎn)單、制件尺寸質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，為帶筋整體結(jié)構(gòu)件成形提供了新的途徑。磁脈沖成形的基本原理是利用磁場(chǎng)力實(shí)現(xiàn)金屬坯料塑性變形的高能率快速成形。具體說(shuō)就是成形線圈與坯料之間因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)原理產(chǎn)生相互作用的磁場(chǎng)，使得處在磁場(chǎng)中的導(dǎo)電坯料會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用，當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)力足夠大以至超過(guò)坯料屈服強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)迫使坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得相應(yīng)形狀的制件的成形方法。該技術(shù)在上世紀(jì)六十年代被提出，近年來(lái)在國(guó)際上得到廣泛的研究。作者V.Psyk，D.Risch等在文獻(xiàn)((Electromagnetic forming一A review》中對(duì)平板、管件的磁脈沖成形中的理論研究、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了較為全面的綜述。
[0004]現(xiàn)有磁脈沖成形方法一般用于平板、管坯件的成形，較少將該技術(shù)用到復(fù)雜帶筋壁板構(gòu)件成形領(lǐng)域。在公開號(hào)為CN201310397820.4的發(fā)明創(chuàng)造中公開了一種利用磁脈沖力實(shí)現(xiàn)筋板件成形的裝置及方法，其優(yōu)點(diǎn)是利用不同成形線圈作用到筋板的不同位置，筋線圈用于筋條的變形，而腹板線圈用于腹板的變形，通過(guò)這兩種線圈在豎直或水平方向的移動(dòng)，避免了因工件與線圈間隙增大而磁場(chǎng)力迅速降低而導(dǎo)致的貼模不充分的缺陷，從而實(shí)現(xiàn)筋板的彎曲成形。該發(fā)明的缺點(diǎn)是該方法僅局限于小規(guī)格尺寸的單筋板的成形，成形件曲率也比較簡(jiǎn)單，并不適用于大型復(fù)雜筋條結(jié)構(gòu)整體壁板的成形。
[0005]對(duì)于大型尺寸零件，鑒于固定位置的磁脈沖成形通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)工件達(dá)到所需的形狀要求，實(shí)際成形過(guò)程中多采用漸進(jìn)增量成形的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在公開號(hào)為CN100447690C的發(fā)明專利中公開了一種板材動(dòng)圈電磁漸進(jìn)成形方法及裝置，該裝置利用集成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與電磁發(fā)生系統(tǒng)，根據(jù)模型輪廓等高線數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)線圈由上而下運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到逐層漸進(jìn)成形的目的。其優(yōu)點(diǎn)是提高了成形過(guò)程的柔性，并根據(jù)不同部位變形程度的不同改變磁場(chǎng)力的大小，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜三維形狀的零件成形。該發(fā)明的缺點(diǎn)是其成形對(duì)象是薄殼簡(jiǎn)單零件，對(duì)于薄板上帶有復(fù)雜形式筋條的結(jié)構(gòu)件，腹板的變形與筋條的變形相互影響，需要根據(jù)成形件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的成形參數(shù)，單純采用該發(fā)明中的線圈按照成形模型輪廓等高線移動(dòng)的方法并不能實(shí)現(xiàn)所需的成形。
[0006]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種利用磁脈沖局部加載成形實(shí)現(xiàn)大型蒙皮壁板成形裝置及方法，不但利用磁脈沖成形這種高速變形方式提升變形能力和顯著提高成形效率，而且通過(guò)合理的工藝選擇，使得筋條與腹板協(xié)調(diào)變形，有效控制成形質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)蒙皮壁板成形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服現(xiàn)有蒙皮壁板彎曲成形技術(shù)中存在的難成形、成形效率低、貼模不充分及成形后回彈量大等不足，結(jié)合磁脈沖成形所具有的優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明提出了一種利用小線圈低能量實(shí)現(xiàn)蒙皮壁板的磁脈沖局部加載成形裝置及成形方法。
[0008]本發(fā)明包括放電電源、成形線圈、凹模、壁板定位塊、線圈調(diào)節(jié)裝置、兩個(gè)壓邊塊、兩個(gè)線圈支撐塊;其中:所述兩個(gè)線圈支撐塊位于凹模的上方，并組成了成形線圈安放槽；所述成形線圈位于所述的成形線圈安放槽內(nèi)；所述線圈壓塊位于所述成形線圈的上表面，并將該線圈壓塊與所述成形線圈固定在支撐塊上；在所述線圈壓塊上安裝有線圈調(diào)位螺栓;在所述凹模的四角分別安裝有壁板定位塊;所述兩個(gè)壓邊塊分別位于凹模長(zhǎng)度方向的兩側(cè)上方，當(dāng)所述待成形的蒙皮壁板安放在該凹模上之后，通過(guò)所述壓邊塊將該待成形的蒙皮壁板壓緊;所述調(diào)位壓板位于該壓邊塊的上表面，并通過(guò)兩個(gè)調(diào)位壓板定位塊和定位塊螺栓定位;所述放電電源包括導(dǎo)線、放電開關(guān)和儲(chǔ)能電容器;所述導(dǎo)線的兩端分別與成形線圈的接頭連接;在該導(dǎo)線上串連有放電開關(guān)和儲(chǔ)能電容器。
[0009]所述線圈壓塊上安裝有線圈調(diào)位螺栓時(shí)，將該線圈調(diào)位螺栓的上端裝入調(diào)位壓板內(nèi)；當(dāng)需要調(diào)整兩個(gè)線圈支撐塊下表面與成形的蒙皮壁板之間的間隙時(shí)，通過(guò)所述線圈調(diào)位螺栓下端的螺母使線圈壓塊上下移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整支撐塊下表面與成形的蒙皮壁板之間的間隙。
[0010]所述的成形線圈包括線圈樹脂和線圈導(dǎo)線;所述線圈導(dǎo)線為螺旋纏繞而成，在每一圈導(dǎo)線之間固封有絕緣樹脂，并且在該線圈導(dǎo)線的上表面與下表面亦固封有絕緣樹脂，通過(guò)該絕緣樹脂將線圈導(dǎo)線固封包裹起來(lái);將所述線圈導(dǎo)線的兩個(gè)接線端分別與放電電源電容器串聯(lián)而組成放電回路，并通過(guò)串連在該放電開關(guān)控制電容器的放電，從而實(shí)現(xiàn)成形線圈電流的加載。
[OO11 ] 成形線圈的外徑為10?500mm;該成形線圈徑向的Bi數(shù)為5?50，軸向的纏繞層數(shù)為I?5層，線圈阻間距為I?20mm。
[0012]所述的調(diào)位壓板下表面兩端分別有安裝調(diào)位壓板定位塊的凹槽;所述凹槽寬度方向的中心線均與該調(diào)位壓板寬度方向的中心線重合;在所述凹槽內(nèi)的幾何中心處有定位塊螺栓的安裝孔。
[0013]兩個(gè)線圈支撐塊的一側(cè)加工有弧形凹槽;在所述弧形凹槽的一側(cè)有沉頭螺栓孔；使用時(shí)，將兩個(gè)線圈支撐塊通過(guò)線圈固定螺栓與線圈壓塊固連成一體，并使兩個(gè)線圈支撐塊上的弧形凹槽相對(duì)，組成了成形線圈安放槽。
[0014]所述的凹模為雙曲率凹模;該凹模的曲率半徑為10?2000mm，凹模彎曲方向與工件彎曲方向一致，凹模凹槽深度為5?100mm;凹模長(zhǎng)度方向和寬度方向的曲率曲率半徑為50?2000mm，凹模凹槽深度為3?100mm;在該凹模的四個(gè)角上開有螺紋孔，用于連接壁板定位塊。
[0015]本發(fā)明還提出了一種利用所述磁脈沖局部加載裝置實(shí)現(xiàn)蒙皮壁板彎曲成形的方法，包括以下步驟:
[0016]步驟I，確定成形工位:所述確定成形工位是確定成形線圈的工作位置;根據(jù)壁板的長(zhǎng)寬兩個(gè)方向筋條最大的長(zhǎng)度與成形線圈導(dǎo)線外徑之比，即長(zhǎng)徑比來(lái)確定沿壁板縱向和橫向的成形工位;壁板縱向和橫向的長(zhǎng)徑比的值按照余數(shù)進(jìn)位的方法確定一個(gè)整數(shù)值，作為此方向的成形工位；當(dāng)沿某一方向筋條長(zhǎng)度小于線圈導(dǎo)線外直徑時(shí)，則在此方向工位數(shù)為;沿壁板縱向的工位數(shù)記為M，橫向的工位數(shù)記為N，則總的成形工位數(shù)為M X N;
[0017]步驟2，確定成形路徑:成形路徑即完成所有工位加工線圈所前進(jìn)的路徑;對(duì)于MXN個(gè)工位，具體的成形路徑確定方法為:當(dāng)M或N中的一個(gè)為I時(shí)，按照“順序前進(jìn)”的原則確定路徑成形，即由一側(cè)的工位開始，對(duì)稱的另一側(cè)工位結(jié)束；當(dāng)M和N均大于I時(shí)，按照“對(duì)角-縱向平行”的原則布置路徑，即第一工位與二工位之間呈對(duì)角線關(guān)系，第二工位與第三工位之間呈平行關(guān)系且沿壁板縱向，依次類推;如果M或N中的一個(gè)大于2，則第二工位的對(duì)角線位于距離第一工位最遠(yuǎn)處的對(duì)角線工位上，然后再按照縱向平行的原則確定離第二工位最近的平行與縱向的工位為第三工位，依次類推;成形路徑上，每個(gè)工位均只經(jīng)過(guò)一次，沒(méi)有重復(fù)；
[0018]步驟3，確定成形線圈初始位置:當(dāng)工位數(shù)確定后，則由長(zhǎng)徑比的準(zhǔn)確數(shù)值確定每個(gè)工位的具體位置關(guān)系;所述的鋁合金網(wǎng)格筋壁板磁脈沖局部加載成形裝置在安裝完畢后的線圈初始位置為:成形線圈的底面距離蒙皮壁板的筋條頂部間隙為I?8mm;線圈導(dǎo)線在壁板投影應(yīng)至少1/2在壁板內(nèi)，且投影區(qū)域要覆蓋一部分縱向或橫向筋條；
[0019]步驟4，放電電壓的設(shè)置:當(dāng)采用“順序前進(jìn)”的成形路徑時(shí)，電容器工作時(shí)的電壓要隨工位進(jìn)行而逐漸增大，第一工位電壓為3?8kV，后續(xù)電壓按照等差數(shù)列的形式要比前一個(gè)高出0.5?5kV，；當(dāng)采用“對(duì)角-縱向平行”成形