一种球形轻量化壁板成形方法

摘要

本发明提供了一种球形轻量化壁板成形方法，属于承力结构成形工艺技术领域。本发明实施例提供的球形轻量化壁板成形方法，通过利用预成形模具按照预设成形路径对平板展开料进行单点渐进模压预成形，通过采用柔性板施加背压辅助成形，在刚性模具中形成非等静压场，进而在平板展开料不同区域产生不同的压力分布，有效地对板材的变形进行控制，提高板材的成形性能，避免成形过程中板料发生皱曲，提高成形质量。

权利要求

1.一种球形轻量化壁板成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制作预成形模具和整体曲面模具，所述预成形模具包括适配的凸模和凹模，所述凸模为球冠型面凸起结构，所述凹模为球冠型面凹槽，所述凹模和凸模的曲率半径均小于球形轻量化壁板设计曲率半径，所述整体曲面模具的曲率半径与所述球形轻量化壁板设计曲率半径一致，所述整体曲面模具的球冠高不低于所述球形轻量化壁板的设计球冠高；

步骤2、对平板展开料进行等强处理、并至少在所述平板展开料的下表面覆一层柔性板，得到待成形组件；

步骤3、采用所述凹模与所述凸模配合，按照预设路径对所述待成形组件进行单点渐进模压预成形，得到预成形后的组件；

步骤4、采用所述整体曲面模具对所述预成形后的组件进行模压成形，得到成形组件；

步骤5、去除所述成形组件中的柔性板及等强处理填料，消除应力后，得到球形轻量化壁板。

2.根据权利要求1所述的球形轻量化壁板成形方法，其特征在于，所述预成形模具包括至少两个所述凹模，且所述至少两个凹模的球冠高各不相同，步骤3中所述的单点渐进模压预成形次数与所述凹模数量匹配，且按照所述凹模的球冠高由小到大的顺序依次选择所述凹模，用选择的所述凹模与所述凸模配合进行各次单点渐进模压预成形。

3.根据权利要求1或2所述的球形轻量化壁板成形方法，其特征在于，所述凸模的曲率半径为所述球形轻量化壁板的设计曲率半径的50％-90％，球冠高为所述球形轻量化壁板的设计球冠高的10％-20％。

4.根据权利要求2所述的球形轻量化壁板成形方法，其特征在于，将所述至少两个凹模按照球冠高由低到高的顺序排列，相邻两个所述凹模之间的球冠高差不大于第一个所述凹模的球冠高。

5.根据权利要求4所述的球形轻量化壁板成形方法，其特征在于，所述第一个凹模的球冠高比所述凸模球冠高高2％-5％。

6.根据权利要求5所述的球形轻量化壁板成形方法，其特征在于，所述柔性板为橡胶板；厚度为2mm-30mm。

7.根据权利要求1所述的球形轻量化壁板成形方法，其特征在于，所述平板展开料具有网格结构，步骤2所述的等强处理包括，在所述平板展开料的网格空间内填充聚氨酯橡胶。

8.根据权利要求1所述的球形轻量化壁板成形方法，其特征在于，步骤3中所述预设路径包括嵌套设置的多条回环路线，各所述回环路线由多个模压点构成。

9.根据权利要求1所述的球形轻量化壁板成形方法，其特征在于，步骤5所述的消除应力，包括：在320±50℃下，保温时间为1-1.5小时。

10.根据权利要求1所述的球形轻量化壁板成形方法，其特征在于，所述平板展开料为铝合金、镁合金或钢材质。

说明书

一种球形轻量化壁板成形方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种复杂铝合金带法兰网格筋球形轻量化壁板成形工艺方法，属于承力结构成形工艺技术领域。

背景技术

[0002] 铝合金带法兰网格筋球形轻量化壁板属于航天领域大型轻量化整体壁板结构，具有明显的减重功效，可使结构重量减少10％～30％。铝合金带法兰网格筋球形轻量化壁板是建立有人值守的长寿命空间站的核心结构，该结构是目前空间站中广泛采用的大型薄壁球形蒙皮密封结构的升级和超越。相对于大型薄壁球形蒙皮密封结构，铝合金带法兰网格筋球形轻量化壁板在大大提高了舱体结构的强度和刚度的同时，还提高了舱体结构的密封性能和抗疲劳性能。

[0003] 目前，通常通过两个刚性模具对从展开料两侧进行压弯，得到球形壁板，由该方法制的的壁板边缘起皱严重，不利于壁板的焊接连接，无法满足使用要求。

发明内容

[0004] 本发明的技术解决问题是：提供一种球形轻量化壁板成形方法，以避免成形过程中板料发生皱曲，提高成形质量。

[0005] 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种球形轻量化壁板成形方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤1、制作预成形模具和整体曲面模具，所述预成形模具包括适配的凸模和凹模，所述凸模为球冠型面凸起结构，所述凹模为球冠型面凹槽，所述凹模和凸模的曲率半径均小于球形轻量化壁板设计曲率半径，所述整体曲面模具的曲率半径与所述球形轻量化壁板设计曲率半径一致，球冠高不低于所述球形轻量化壁板的设计球冠高；

[0008] 步骤2、对平板展开料进行等强处理、并至少在所述平板展开料的下表面覆一层柔性板，得到待成形组件；

[0009] 步骤3、采用所述凹模与所述凸模配合，按照预设路径对所述待成形组件进行单点渐进模压预成形，得到预成形后的组件；

[0010] 步骤4、采用所述整体曲面模具对所述预成形后的组件进行模压成形，得到成形组件；

[0011] 步骤5、去除所述成形组件中的柔性板及等强处理填料，消除应力后，得到球形轻量化壁板。

[0012] 在一可选实施例中，所述预成形模具包括至少两个所述凹模，且所述至少两个凹模的球冠高各不相同，步骤3中所述的单点渐进模压预成形次数与所述凹模数量匹配，且按照所述凹模的球冠高由小到大的顺序依次选择所述凹模，用选择的所述凹模与所述凸模配合进行各次单点渐进模压预成形。

[0013] 在一可选实施例中，所述凸模的曲率半径为所述球形轻量化壁板的设计曲率半径的50％-90％，球冠高为所述球形轻量化壁板的设计球冠高的10％-20％。

[0014] 在一可选实施例中，将所述至少两个凹模按照球冠高由低到高的顺序排列，相邻两个所述凹模之间的球冠高差不大于第一个所述凹模的球冠高。

[0015] 在一可选实施例中，所述第一个凹模的球冠高比所述凸模球冠高高2％-5％。

[0016] 在一可选实施例中，所述柔性板为橡胶板；厚度为2mm-30mm。

[0017] 在一可选实施例中，所述平板展开料具有网格结构，步骤2所述的等强处理包括，在所述平板展开料的网格空间内填充聚氨酯橡胶。

[0018] 在一可选实施例中，步骤3中所述预设路径包括嵌套设置的多条回环路线，各所述回环路线由多个模压点构成。

[0019] 在一可选实施例中，步骤5所述的消除应力，包括：

[0020] 在320±50℃下，保温时间为1-1.5小时。

[0021] 在一可选实施例中，所述平板展开料为铝合金、镁合金或钢材质。

[0022] 本发明与现有技术相比有益效果为：

[0023] 本发明实施例提供的球形轻量化壁板成形方法，通过利用预成形模具按照预设成形路径对平板展开料进行单点渐进模压预成形，通过采用柔性板施加背压辅助成形，在刚性模具中形成非等静压场，进而在平板展开料不同区域产生不同的压力分布，有效地对板材的变形进行控制，提高板材的成形性能，避免成形过程中板料发生皱曲，提高成形质量。

附图说明

[0024] 图1为本发明一具体实施例提供的平板展开料结构示意图；

[0025] 图2为本发明一具体实施例提供的预成形模具与待成形组件成形前装配示意图；

[0026] 图3为本发明一具体实施例提供的进行第二次预成形时各部件装配示意图；

[0027] 图4为本发明一具体实施例提供的单点渐进模压预成形路径示意图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0029] 本发明实施例提供了一种球形轻量化壁板成形方法，包括以下步骤：

[0030] 步骤1、制作预成形模具和整体曲面模具，所述预成形模具包括适配的凸模和凹模，所述凸模为球冠型面凸起结构，所述凹模为球冠型面凹槽，所述凹模和凸模的曲率半径均小于球形轻量化壁板设计曲率半径，所述整体曲面模具的曲率半径与所述球形轻量化壁板设计曲率半径一致，球冠高不低于所述球形轻量化壁板的设计球冠高；

[0031] 本发明实施例中，可以根据球形轻量化壁板的设计球形曲面，充分考虑板料回弹量以及所选材料性能、结构、尺寸，经过理论计算和数值仿真，得出合理的预成形模具型面曲率半径；还可以根据工艺试验验证结果，对模具型面进行修正，直至满足设计模型要求；整体曲面模具型面的确定过程为：根据设计三维模型，充分考虑工艺余量和装夹需要，设计等曲率模压整体曲面模具；

[0032] 具体地，本发明实施例中优选所述凹模和凸模的曲率半径一致；所述球形轻量化壁板平板展开外形可以是直线边与曲线边交替的非规则六边形、花瓣形、圆形等成形后可以拼焊成球形的任何形状；网格可以是三角形、平行四边形等能形成网格的形状；法兰的位置及大小可以根据设计需求进行任意布置；所述同一球形壁板零件优选同一网格形状；

[0033] 步骤2、对平板展开料进行等强处理、并至少在所述平板展开料的下表面覆一层柔性板，得到待成形组件；

[0034] 具体地，在一可选实施例中，还可以在所述平板展开料的上、下表面各覆一层柔性板，以在球形轻量化壁板上下两面同时施加背压和正压本发明不做限定；

[0035] 步骤3、采用所述凹模与所述凸模配合，按照预设路径对所述待成形组件进行单点渐进模压预成形，得到预成形后的组件；

[0036] 步骤4、采用所述整体曲面模具对所述预成形后的组件进行模压成形，得到成形组件；

[0037] 步骤5、去除所述成形组件中的柔性板及等强处理填料，消除应力后，得到球形轻量化壁板。

[0038] 本发明实施例提供的球形轻量化壁板成形方法，通过利用预成形模具按照预设成形路径对平板展开料进行单点渐进模压预成形，通过采用柔性板施加背压辅助成形，在刚性模具中形成非等静压场，进而在平板展开料不同区域产生不同的压力分布，有效地对板材的变形进行控制，提高板材的成形性能，避免成形过程中板料发生皱曲，提高成形质量。

[0039] 在一可选实施例中，所述预成形模具包括至少两个所述凹模，且所述至少两个凹模的球冠高各不相同，步骤3中所述的单点渐进模压预成形进行多次，且预压成形次数与所述凹模数量匹配，按照所述凹模的球冠高由小到大的顺序依次选择所述凹模，用选择的所述凹模与所述凸模配合进行各次单点渐进模压预成形，例如，先选用球冠高最低的凹模与凸模配合按照预设路径进行第一次模压预成形，然后选用球冠高第二低的凹模与凸模配合按照预设路径进行第二次模压预成形，依此类推。通过依次增加预成形模具凹模球冠高，按预设成形路径，重复实施逐点逐圈单点渐进模压预成形，不断增加球形轻量化壁板预成形量，进一步提高了成形质量。

[0040] 在一可选实施例中，所述凸模的曲率半径为所述球形轻量化壁板的设计曲率半径的50％-90％，球冠高为所述球形轻量化壁板的设计球冠高的10％-20％，以进一步保证预成形时板料不发生皱曲，进一步提高成形质量。

[0041] 在一可选实施例中，将所述至少两个凹模按照球冠高由低到高的顺序排列，相邻两个所述凹模之间的球冠高差不大于第一个所述凹模的球冠高，优选等于第一所述凹模的球冠高，保证每次单点渐进模压预成形的变形量适宜，进一步提高成形质量。

[0042] 在一可选实施例中，所述第一个凹模的球冠高比所述凸模球冠高高2％-5％，以使在模压时位于两模具边界处的板料能够顺着凹模延展，避免压痕等瑕疵的产生。

[0043] 在一可选实施例中，所述柔性板为橡胶板；厚度优选2mm-30mm，以保证在受压时产生良好的背压。

[0044] 在一可选实施例中，所述平板展开料具有网格结构，步骤2所述的等强处理包括，在所述平板展开料的网格空间内填充聚氨酯橡胶，该方法简单易操作，且在成形后便于去除填充，保证网格结构协调变形，同时确保网格筋不发生扭曲失稳。

[0045] 在一可选实施例中，步骤3中所述预设路径包括嵌套设置的多条回环路线，各所述回环路线由多个模压点构成，具体地，回环路线的轮廓与平板展开料的轮廓一致，尺寸小于平板展开料的轮廓尺寸，例如，平板展开料为四边形，则回环路线可以为四边形；预成形时，可以沿所述待成形组件外缘向中心的方向，按照回环路线分圈进行加工，也可以按照由中心向外缘的方向分圈进行加工，还可以外缘中心交替进行的分圈加工，本发明不做限定；

[0046] 在一可选实施例中，步骤5所述的消除应力，包括：在320±50℃下，保温时间为1-1.5小时。

[0047] 在一可选实施例中，所述平板展开料为铝合金、镁合金或钢材质。

[0048] 以下为本发明的一个具体实施例：

[0049] 本实施例提供了一种复杂铝合金带法兰网格筋球形轻量化壁板的成形方法，包括以下步骤

[0050] 步骤1.利用真空吸盘，将2000mm*2000mm*40mm的铝合金毛坯料固定于数控铣加工中心上，保证坯料与真空吸盘贴实，根据球形轻量化壁板的理论三维模型，计算出球形轻量化壁板展开后的外形轮廓、网格筋和法兰位置及大小，根据计算结果，确定外形轮廓以及网格筋和法兰在外形轮廓内的布局。分粗铣、半精铣、精铣多道次铣加工，得到带法兰网格筋球形轻量化壁板平板展开料1，如图1所示，平板展开料1呈不规则的六边形，且所述六边形的六条边由直线边和曲线边依次交替组成；

[0051] 步骤2.平板展开料1加工完成后，将聚氨酯橡胶填充至网格内进行等强处理，用于协调网格底面蒙皮与网格立面筋的变形均匀性。

[0052] 步骤3.壁板的设计曲率半径为1500mm，球冠高为350mm，根据该尺寸制造回弹补偿分层扩展预成形模具和整体曲面模具，所述预成形模具包括凸模10、第一凹模20和第二凹模30，凸模10的为球冠型面凸起结构，曲率半径为1100mm，球冠高为40mm，第一凹模20和第二凹模30均为球冠型面凹槽，且曲率半径均为1130mm，第一凹模20的球冠高为50mm、第二凹模30的球冠高为100mm；所述整体曲面模具曲率半径与壁板的设计曲率半径一致且外轮廓形状与壁板的设计型面轮廓一致，且尺寸比设计型面轮廓尺寸大30mm。

[0053] 步骤4.在液压机上对平板展开料1进行单点渐进分层扩展预成形与整体曲面模具模压成形相结合的复合成形，如图2所示，具体过程如下：首先准备的两块柔性介质橡胶平板，分别放于平板展开料1的上、下面上作为上垫层2和下垫层3，然后先采用凸模和第一凹模，根据如图4所示路径，通过单点渐进的方式由平板展开料1的外缘开始向平板展开料1中心分层扩展进行预成形，图4中标号A-B中A表示道次(回环路径序号)，B表示道次中模压点的加工顺序序号，如图4所示，先加工外缘一圈，然后向内平移，加工与外缘相近的一圈，依次类推，直至加工到平板展开料1中心位置；然后如图3所示，采用凸模和第二凹模，通过单点渐进的方式由平板展开料1的外缘开始向平板展开料1中心分层扩展进行模压预成形；最后采用整体曲面模具，利用整体模压成形法，实现球形轻量化壁板均匀受力和高精度成形。

[0054] 步骤5.拆除聚氨酯橡胶填充材料，采用满足零件精度要求的热处理定型球面胎具作为校形工装，首先使成形后的球形轻量化壁板零件进行强制贴胎，然后在320±10℃下保温时间为1.5小时，进行热处理去应力，得到球形轻量化壁板。

[0055] 本发明实施例提供的球形轻量化壁板无破裂、皱曲、扭曲等缺陷，成形轮廓度优于0.5mm/m。

[0056] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。