本發(fā)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(shù)：

在航空、航天和武器裝備等領(lǐng)域，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化是追求的最主要目標(biāo)之一。為了減輕結(jié)構(gòu)重量，需要在滿足使用要求的前提下對構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計。例如，在火箭或?qū)椛?，存在很多薄壁高筋結(jié)構(gòu)，如火箭燃料儲箱的整體壁板、導(dǎo)彈的整流罩等。此類薄壁結(jié)構(gòu)通常由薄壁腹板和加強筋組成，通過合理設(shè)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(jié)構(gòu)的連續(xù)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(jié)構(gòu)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(gòu)件。但是，焊接時需要進行薄壁坯料的復(fù)雜裝夾、定位，無法實現(xiàn)具有小尺寸加強筋結(jié)構(gòu)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(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)，但是構(gòu)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(tài)等溫鍛造雖然可以加工具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，但是當(dāng)構(gòu)件上不同區(qū)域的高度差差別較大時，原始坯料上與高度較低區(qū)域?qū)?yīng)的位置將發(fā)生大量的材料流動，該區(qū)域的多余材料主要在模具的擠壓作用下向外部區(qū)域轉(zhuǎn)移。材料的這種遠程轉(zhuǎn)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(xiàn)充不滿、紊流、穿流及折疊等嚴(yán)重缺陷。同時，熱態(tài)等溫鍛造時材料與模具的摩擦阻力大。當(dāng)構(gòu)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(shè)備也無法獲得需要的薄壁深腔結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)等溫鍛造技術(shù)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(gòu)件。

隨著數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，精密機械加工現(xiàn)已成為制造薄壁構(gòu)件的主要方法之一，特別是近年來出現(xiàn)的“鏡像銑”加工技術(shù)，在火箭箭體、導(dǎo)彈彈體及飛機壁板等帶有復(fù)雜加強筋結(jié)構(gòu)的整體壁板零件制造中得到了成功應(yīng)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(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)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(dāng)腹板很薄或者當(dāng)筋的高度明顯大于厚度時，即使采用復(fù)雜的工裝進行約束也無法避免機械加工時在薄壁區(qū)域產(chǎn)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(qū)域，這將使構(gòu)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(chǎn)生復(fù)雜分布的殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致零件在服役過程中出現(xiàn)變形甚至開裂。為了解決現(xiàn)有方法無法制造具有薄壁腹板、薄壁超高加強筋結(jié)構(gòu)的薄壁整體壁板類構(gòu)件的難題，需要開發(fā)一種全新的制造方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為解決現(xiàn)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(jié)構(gòu)的薄壁整體壁板類構(gòu)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(fā)明為解決上述問題采用的技術(shù)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(yù)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(nèi)部溫度均勻，Tm為材料的熔點；

步驟三、預(yù)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(shè)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(yù)熱后的板坯轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)材料的熱態(tài)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(qū)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(fā)明的有益效果是：

一、熱態(tài)模壓階段，與加強筋相對應(yīng)區(qū)域的材料只沿著由分隔棱構(gòu)成的筋槽內(nèi)部產(chǎn)生單方向流動，而相鄰加強筋之間區(qū)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(qū)域轉(zhuǎn)移，各區(qū)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(tǒng)模壓時因材料長程流動、多方向流動而引起的缺陷；

二、熱態(tài)模壓階段，原始板坯上不論是與加強筋還是與其他區(qū)域相對應(yīng)的材料都只發(fā)生短距離的流動或轉(zhuǎn)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(tǒng)的精密模鍛，采用較小噸位的設(shè)備即可完成零件的模壓成形；

三、熱態(tài)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(jié)構(gòu)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(tài)模壓后的脫模階段，相鄰加強筋之間的模具空腔中儲料區(qū)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(xù)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(qū)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(xù)，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(qū)域應(yīng)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(jié)構(gòu)，不會在這些區(qū)域產(chǎn)生較大的作用力，從而可以避免傳統(tǒng)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(fù)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(chǎn)生殘余應(yīng)力。因此，零件在服役條件下可以保證很高的尺寸穩(wěn)定性及可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具有薄壁超高加強筋的整體壁板模壓初始狀態(tài)示意圖；

圖2為本發(fā)明具有薄壁超高加強筋的整體壁板模壓閉合狀態(tài)示意圖；

圖3為本發(fā)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(fā)明上模區(qū)域劃分圖，其中，③為分隔棱，⑥為模具空腔；

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

圖6為本發(fā)明板坯成形區(qū)域劃分圖，其中，④為加強筋成形區(qū)，⑤為上?？涨惶畛鋮^(qū)；

圖7為本發(fā)明具有薄壁超高加強筋的整體壁板；

圖8為本發(fā)明分體式上模模壓過程局部加載示意圖；

圖9為本發(fā)明經(jīng)過機械加工預(yù)處理帶凹槽的板坯示意圖；

圖10為本發(fā)明帶凹槽板坯預(yù)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(nèi)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(yīng)加熱線圈，14為熱態(tài)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(yù)成形上模，19為預(yù)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(jié)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(xiàn)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(yù)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(nèi)部溫度均勻，Tm為材料的熔點；

步驟三、預(yù)熱和潤滑模具，利用電磁感應(yīng)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(yù)設(shè)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(yù)熱后的板坯4轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)材料②的熱態(tài)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(qū)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(yīng)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(yōu)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(nèi)六角螺栓7與下隔熱板8連接，隔熱板導(dǎo)熱系數(shù)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(huán)水的形式將傳遞到上端和下端的熱量帶走，保證設(shè)備和工作臺面的溫度不致過高。待上模3和下模5達到預(yù)設(shè)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(tài)模壓階段，板坯4與加強筋成形區(qū)④的材料只沿著由相鄰近的一對分隔棱③構(gòu)成的筋槽內(nèi)部產(chǎn)生單方向流動，而相鄰加強筋之間區(qū)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(qū)域⑥轉(zhuǎn)移，各區(qū)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(tǒng)模壓時因材料長程流動、多方向流動而引起的缺陷。二、熱態(tài)模壓階段，原始板坯上由于分隔棱③分隔作用材料只產(chǎn)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(shè)備要求降低，采用較小噸位的設(shè)備即可完成零件的模壓成形。三、熱態(tài)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(jié)構(gòu)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(qū)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(xiàn)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(qū)域遠離加強筋根部和薄壁腹板的連接部位，無需使用復(fù)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(jié)合圖1說明，當(dāng)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(yīng)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(dǎo)作用加熱板坯4到預(yù)定溫度。其他與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：結(jié)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?？涨惶畛鋮^(qū)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(tài)模壓初始板坯進行熱態(tài)模壓。其他與具體實施方式一相同。

具體實施方式四：結(jié)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(jīng)過初期板坯預(yù)成形上模18模壓預(yù)成形，使獲得的預(yù)成形板坯19上與最終熱態(tài)模壓成形模具空腔對應(yīng)的上?？涨惶畛鋮^(qū)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(yù)成形板坯19、機械加工帶凹槽板坯20與最終熱態(tài)模壓成形的模具空腔⑥對應(yīng)的區(qū)域材料減少，在熱態(tài)模壓階段，相鄰加強筋成形區(qū)④的材料在分隔棱③的擠壓作用下向模具空腔⑥轉(zhuǎn)移時的阻力減小，從而可降低設(shè)備所需擠壓力，延長模具壽命。

具體實施方式五：結(jié)合圖1和圖8說明，步驟三的上模3可以采用分體式結(jié)構(gòu)，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(yù)設(shè)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(tài)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(jié)合圖1和圖8說明，步驟三的上模3采用分體式結(jié)構(gòu)，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(tài)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(yōu)選地，控制壓下量為薄壁超高加強筋的整體壁板熱態(tài)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(jié)構(gòu)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(shè)備即可實現(xiàn)大尺寸構(gòu)件的成形，大大降低對設(shè)備工作臺面的要求，此外零件局部成形區(qū)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(shè)備合模力的要求。

本發(fā)明已以較佳實施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可以利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)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(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)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(fā)明技術(shù)方案范圍。