CN107009096B - 一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，它涉及一种制造多层空心结构的方法，以解决现有的制造多层空心结构的方法中存在的问题，提高多层空心结构的轻量化程度，扩展多层空心结构的应用范围，该方法的主要步骤是：步骤一、结构设计；步骤二、工艺设计；步骤三、预制坯制备，将蒙皮坯料和芯管坯料成形至所需要的蒙皮预制坯和芯管预制坯；步骤四、组装，将成形好的蒙皮预制坯和芯管预制坯按照多层空心结构及分解结构的设计，组装成相应的组装结构；步骤五、连接，通过连接方法将获得的组装结构中的蒙皮预制坯和芯管预制坯相互连接成一个整体连接件。本发明用于多层空心结构制造。

Description

一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法

技术领域

本发明涉及一种制造多层空心结构的方法，具体涉及一种采用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法。

背景技术

多层空心结构具有质量轻、刚度大等突出优点，在航空航天和国防领域中得到了大量应用。但是，由于多层空心结构具有复杂的截面形状和内部结构，对成形设备、工艺条件以及原材料等提出很高要求，而且生产效率低、成本高，这在很大程度上限制了多层空心结构的广泛应用。

多层空心结构一般分为外层蒙皮和内部夹层两部分，外层蒙皮和内部夹层通过合适的方法连接成整体。外层蒙皮一般是采用薄壁板材，通过模具压制或胀形等方法获得需要的曲面形状，制备方法相对成熟。内部夹层通常为桁架结构或者蜂窝板结构，可以通过机械加工、铸造成形或胶粘等方法来制备。多层空心结构的综合性能不仅依赖于蒙皮和夹层所采用的材料，还取决于内部夹层的具体结构形式以及蒙皮与夹层的连接效果。因此，通过优化夹层结构，提高蒙皮和夹层的加工精度以及保证蒙皮与夹层的连接效果，可以显著提高多层空心结构的质量和性能。

多层空心结构的传统制造方法为：蒙皮和夹层焊接(或铆接)方法。其中，蒙皮采用薄壁板材模具冲压成形，为了得到复杂的外形经常需要将蒙皮分块成形后拼接，导致蒙皮整体性差；夹层采用铸造、机械加工等方法成形，工艺复杂而且结构超重。此外，蒙皮和夹层在焊接、焊后热处理或者铆接过程中容易产生变形，多层空心结构的外形及尺寸精度难以保证。随着多层空心结构对产品性能、轻量化程度等方面要求的提高，传统制造方法已经不能满足实际需要。

目前，在多层空心结构制造领域得到了迅速发展和广泛应用的方法是超塑成形/扩散连接方法，其已经成为推动现代航空航天结构设计概念发展和突破传统钣金成形方法的先进制造技术。超塑性能是指多晶体材料在合适的温度和应变速率下呈现出很高的拉伸应变能力(延伸率超过100％，甚至达到1000％)。超塑成形则是利用材料超塑性能成形复杂大变形零件的一种先进成形方法。扩散连接是在保证不引起被连接工件塑性变形的压力和低于被连接工件熔点的温度条件下，使接触面通过原子间相互固态扩散而形成连接的一种焊接方法。对于某些合金而言，超塑成形和扩散连接的技术条件和工艺参数具有兼容性。把两种工艺组合在一个温度循环中，同时实现成形和连接即超塑成形/扩散连接方法，可制备出利用常规工艺难以制备的复杂形状的整体结构件。

超塑成形/扩散连接方法成形多层空心结构具有以下优点：1)利用材料超塑性能可成形外形很复杂的结构件；2)外层蒙皮和内部夹层整体成形，结构件整体性好；3)连接质量好。扩散连接接头的显微组织和性能与母材接近或相同；4)零件变形小。零件多数是整体加热，随炉冷却，零件整体变形很小；5)可加工大型零件。成形和焊接压力较低，在加工大型零件时所需设备的吨位不高，易于实现。

然而，超塑成形/扩散连接方法在实际应用中仍然存在着许多不足：1)材料性能要求高，需要具有超塑性能；2)扩散连接对待连接表面的处理和装配要求高；3)热循环时间长，在某些情况下会产生一些副作用，如晶粒可能过度长大；4)蒙皮或夹层的变形程度不均匀，局部变形量大，导致壁厚分布不均；5)蒙皮的成形受到夹层的影响，易形成皱纹、凹陷等缺陷；6)夹层结构设计需考虑夹层从二维平板结构变成三维空间结构时需要的大塑性变形，较为复杂；7)上下两层蒙皮间距较大的空心结构需要采用4层(或更多)结构，工艺难度大且成形质量难以保证。8)考虑到飞行器服役过程中不同部位所处的或所能达到的极端温度条件不尽相同，外层蒙皮和内部夹层常需要采用异种材料(如采用高温合金和钛合金)。由于异种材料之间的成形和连接条件各不相同，通过该方法难以实现异种材料多层结构的成形。

发明内容

本发明提出一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，以解决现有的制造多层空心结构的方法中存在的问题，进一步提高多层空心结构的轻量化程度，扩展多层空心结构的应用范围，在本发明中，多层空心结构的外层蒙皮和内部芯管通过封闭截面管坯成形，蒙皮和夹层分别成形后，通过适当的连接方法将外层蒙皮和内部芯管连接成整体多层空心结构，其中，内部夹层由多个封闭截面芯管组合而成。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法是按照以下步骤实现：

步骤一、结构设计，根据最终结构的承载条件和技术要求，基于封闭截面管坯设计出合理的多层空心结构及其分解结构；

步骤二、工艺设计，根据所设计的多层空心结构及其分解结构，确定外层蒙皮和内部夹层芯管预制坯坯料和相应的成形工艺、以及外层蒙皮与芯管组装连接工艺，蒙皮坯料采用板坯或较大直径的圆截面管坯，芯管坯料选择较小直径的圆截面管坯；

步骤三、预制坯制备，将蒙皮坯料和芯管坯料成形至所需要的蒙皮预制坯和芯管预制坯；

步骤四、组装，将成形好的蒙皮预制坯和芯管预制坯按照步骤一中的总体结构及分解结构，组装成相应的组装结构；

步骤五、连接，通过连接方法将获得的组装结构中的蒙皮预制坯、芯管预制坯相互连接成一个整体连接件，得到所需要的多层空心结构。

本发明具有以下有益效果：

(1)将多层平板的整体一次成形，转化为蒙皮和单个封闭截面芯管的分散成形，然后再通过相对简单的方法将蒙皮和芯管组装到一起构成多层空心结构，通过化整为零(散)，化繁为简，使整个结构的制造从以往的整体复杂成形和连接相互耦合，转化为单个结构的简单成形及后续的简单组装，整个工艺更加灵活、高效，便于实现大批量生产。

(2)将多层平板的整体一次成形，转化为蒙皮和单个封闭截面芯管的分散成形，由于单个芯管管坯可以通过胀形等方法获得复杂的形状，所以多层空心结构整体设计和优化的自由度很大，可以成形出更加灵活、多样的多层空心结构。

(3)将多层平板的整体一次成形，转化为蒙皮和单个封闭截面芯管的分散成形，单个芯管结构的成形相对独立，可以采用最为合理的成形方法，成形精度高、壁厚均匀性好，解决了传统超塑成形/扩散连接过程中无法有效控制局部成形过程及壁厚分布的难题。

(4)将多层平板的整体一次成形，转化为蒙皮和单个封闭截面芯管的分散成形，蒙皮坯料和芯管坯料能够通过钎焊或激光焊进行组装，进而实现异种材料多层结构的成形，解决了传统超塑成形或扩散连接无法用于异种材料多层结构成形的难题。

(5)将多层平板的整体一次成形，转化为单个芯管封闭管坯的成形，避免从二维平板结构直接变成三维空间结构时需要的大塑性变形，所以并不要求所用的材料具有特别好的塑性变形能力。

(6)由外层蒙皮和多个封闭截面芯管组成复杂的多层空心结构，蒙皮与芯管、芯管与芯管之间的连接是在待连接表面基本贴合的情况下进行的，彼此配合更加合理，连接过程中也不存在明显的界面移动，这将有效避免超塑成形/扩散连接方法因成形和连接过程的相互影响而造成的局部未焊合、孔洞以及界面移动等现象，从而获得更高的连接质量。

(7)由外层蒙皮和多个封闭截面芯管组成复杂的多层空心结构，在连接前可以对蒙皮和单个芯管的表面进行必要的处理以保证获得理想的连接效果，这就避免了超塑成形/扩散连接的过程中材料连续在高温下停留太长时间所发生的表面氧化等对界面连接的影响。

(8)采用封闭截面的管坯成形外层蒙皮，实现了上、下层蒙皮的整体化，整体蒙皮可以对内部芯管结构提供更好的约束，从而可以获得更好的整体刚度和抗疲劳性能，延长多层空心结构的使用寿命。

(9)为提高多层空心结构的成形精度和效率，降低生产成本，需要设计合理的预制坯或组装结构作为中间状态以利于后续的连接过程。为方便组装，组装件的蒙皮与芯管之间以及两相邻芯管之间可存在一定间隙；当采用扩散焊接或钎焊等方法进行连接时，在组装后需要保证各组件之间的紧密贴合以及其与胀形模具或约束模具的紧密贴合；当将蒙皮预制坯与芯管预制坯简单组装后无法满足后续连接步骤的紧密贴合要求时，还可以对组装结构进行必要的二次整形。

附图说明

图1a为管材作蒙皮和芯管的原始坯料的示意图；

图1b为管材作蒙皮和芯管的预制坯的示意图；

图1c为管材作蒙皮和芯管的组装结构的示意图；

图1d为管材作蒙皮和芯管的二次整形结构的示意图；

图1e为管材作蒙皮和芯管的整体连接件和模具连接结构示意图；

图1f为管材作蒙皮和芯管的封闭截面管坯制造得到的多层空心结构示意图；

图2a为板材作蒙皮而管材作芯管的原始坯料的示意图；

图2b为板材作蒙皮而管材作芯管的预制坯的示意图；

图2c为板材作蒙皮而管材作芯管的组装结构的示意图；

图2d为板材作蒙皮而管材作芯管的二次整形结构的示意图；

图2e为板材作蒙皮而管材作芯管的整体连接件和模具连接结构示意图；

图2f为板材作蒙皮而管材作芯管的封闭截面管坯制造得到的多层空心结构示意图；

图3a为封闭的单层正方截面芯管组成的多层空心结构示意图；

图3b为封闭的单层三角截面芯管组成的多层空心结构示意图；

图3c为封闭的单层梯形截面芯管组成的多层空心结构示意图；

图3d为封闭的单层剪叉截面芯管组成的多层空心结构示意图；

图3e为封闭的双层正方截面芯管组成的多层空心结构示意图；

图3f为封闭的错位双层正方截面芯管组成的多层空心结构示意图；

图3g为封闭的错位双层三角截面芯管组成的多层空心结构示意图；

图3h为封闭的双层梯形截面芯管组成的多层空心结构示意图。

其中：1为蒙皮坯料，2为芯管坯料，3为蒙皮预制坯，4为芯管预制坯，5为组装结构，6为二次整形件，6-1为二次整形件蒙皮，6-2为二次整形件芯管，7为整体连接件，7-1为整体连接件蒙皮，7-2为整体连接件芯管，8为上约束模具，9为下约束模具，10为多层空心结构，11为蒙皮，12为芯管。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1a至图1f及图2a至图2f说明，采用管材或板材作蒙皮以及采用管材作芯管的封闭截面管坯制造多层空心结构的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、结构设计，根据最终结构的承载条件和技术要求，基于封闭截面管坯设计出合理的多层空心结构及其分解结构；

步骤二、工艺设计，根据所设计的多层空心结构及其分解结构，确定外层蒙皮和内部夹层芯管预制坯坯料和相应的成形工艺、以及外层蒙皮与芯管组装连接工艺，蒙皮坯料1采用板坯或较大直径的圆截面管坯，芯管坯料2采用较小直径的圆截面管坯；

步骤三、预制坯制备，将蒙皮坯料1和芯管坯料2成形至所需要的蒙皮预制坯3和芯管预制坯4；

步骤四、组装，将成形好的蒙皮预制坯3和芯管预制坯4按照步骤一的多层空心结构及分解结构的设计，组装成相应的组装结构5；

步骤五、连接，通过连接方法将获得的组装结构中的蒙皮预制坯3和芯管预制坯4相互连接成一个整体连接件7，得到所需要的多层空心结构10。

步骤二中蒙皮坯料1可采用直径为30mm～3000mm的圆截面管坯，芯管坯料2采用直径为3mm～300mm的圆截面管坯。

对于型面复杂的多层空心结构，难以利用管坯作蒙皮坯料进行成形。蒙皮坯料采用板坯，可成形更为复杂的多层空心结构，从而扩展多层空心结构的应用范围。板材厚度为0.1mm-10mm，但不局限于这些尺寸。蒙皮坯料1和芯管坯料2的材料可为钛合金、高温合金、不锈钢、铝合金等轻质耐热金属材料。

步骤三中当无标准规格管坯或需要特殊规格的管坯时，蒙皮预制坯3和芯管预制坯4可利用相应的板坯通过卷焊等方法制造需要的封闭截面管坯，如图1a所示。步骤三中可采用模压、胀形、缩径、扩口工艺，将蒙皮坯料1和芯管坯料2成形至所需要的蒙皮预制坯和芯管预制坯；步骤五中的蒙皮预制坯3、芯管预制坯4相互连接成一个整体，是指蒙皮预制坯3在上约束模具8和下约束模具9的作用下，蒙皮预制坯3和芯管预制坯4之间以及相邻芯管预制坯4之间通过扩散焊或钎焊或激光焊连接方法连接形成由整体连接件蒙皮7-1和整体连接件芯管7-2组成的整体连接件7，得到所需要的多层空心结构10。

具体实施方式二：结合图1a至图1f及图2a至图2f说明，本实施方式与具体实施方式一不同的是：对于外形和内部结构比较复杂的多层空心结构，仅利用图1b或图2b所示的预制坯经过简单组装后，蒙皮预制坯1及芯管预制坯2之间的配合精度并不能满足后续连接所需要的条件，此时需要对图1c或图2c所示的组装结构5进行二次整形，即：将步骤四得到的组装结构5放入整体预成形模具中，在外部刚性模具和内部压力(液体或气体)的共同作用下使组装结构5发生变形，组装结构5中的蒙皮预制坯3和组装结构5中的芯管预制坯4进一步发生变形，外层蒙皮紧密贴合模具型腔从而得到精确的外形尺寸；内部芯管发生胀形等变形从而实现芯管与芯管、芯管与蒙皮的紧密贴合，最终得到二次整形件蒙皮6-1和二次整形件芯管6-2，如图1d或图2d所示。为后续的步骤五中的整体连接提供基础。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1a至图1f及图2a至图2f说明，本实施方式与具体实施方式二不同的是：对于采用室温下强度高、塑性变形能力差、回弹大的材料，如TC4钛合金，难以在室温下获得高精度的蒙皮预制坯、芯管预制坯或二次整形件6，此时，可以采用将材料先加热到合适温度，如TC4钛合金加热到600～900℃，再进行预制坯制备和二次整形成形步骤。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1a至图1f及图2a至图2f说明，本实施方式与具体实施方式二不同的是：对于某些材料如TC₄钛合金，二次整形(如高温胀形)和连接过程(如扩散连接)具有相差不大甚至互相重叠的工艺参数(温度和压力)。在成形此类材料的多层空心结构时，可以将图1d的二次整形和图1e的整体连接过程合并或者将图2d的二次整形和图2e的整体连接过程合并，即在二次整形结束后保持模具闭合的情况下调整温度和压力至连接所需条件(条件相同时不需调整)，从而使二次整形件6在上约束模具8和下约束模具9内继续进行如图1e或图2e的内压支撑下的整体连接过程，其中，图1e和图2e中箭头表示内压施力方向。

最终成形出多层空心结构10，如图1f或图2f所示。其它步骤与具体实施方式二相同。

本实施方式的有益效果在于：将图1c或图2c中组装结构5的部分二次整形，主要是内部芯管的胀形和后续连接步骤进行复合，可缩短成形周期，提高生产效率，降低能耗，节约成本。

具体实施方式五：结合图1a和图1f及图2a至图2f说明，本实施方式与具体实施方式二不同的是；当图1b和图2b中的预制坯的制备、图1c和图2c的组装结构的二次整形是在加热条件下进行时，或者图1a和图2a中的原始坯料表面即存在氧化层等不利于后续的整体连接步骤时，采用机械加工、抛光或超声波清洗等方法先对材料外表面进行处理。然后，再对处理后的组装结构5或二次整形件6进行如图1e和图2e的整体连接。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式六：结合图1a至图1f及图2a至图2f说明，本实施方式与具体实施方式一、二、三、四或五不同的是：对于某些难以采用扩散连接方法进行连接的材料，如异种材料，铝合金材料(表面的氧化层难以清除，扩散连接效果差)或者某些对连接强度要求不高的情况下，可以采用在蒙皮预制坯3、芯管预制坯4的接触面上涂覆钎焊剂进行钎焊连接，也可以采用激光焊接的方法对蒙皮预制坯3及芯管预制坯4或者二次整形件蒙皮6-1及二次整形件芯管6-2进行局部连接。其他步骤与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本实施方式的有益效果是：可以实现异种材料蒙皮预制坯和芯管预制坯之间的连接(如蒙皮为高温合金、芯管为钛合金的多层空心结构)，某些对连接强度要求不高的情况下是指连接工艺上得到的连接强度不高多层空心结构的情况，以满足多层空心结构在各种极端温度条件下服役条件，实现更大程度地减重。

上述实施例中采用不同的芯管结构及组合形式(图3a-图3h)成形多层空心结构，满足不同的承力条件(抗压强度30MPa-2000MPa)和减重效果(10％～75％)。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、结构设计，根据最终结构的承载条件和技术要求，基于封闭截面管坯设计出合理的多层空心结构及其分解结构；

步骤二、工艺设计，根据所设计的多层空心结构及其分解结构，确定外层蒙皮和内部夹层芯管预制坯坯料和相应的成形工艺、以及外层蒙皮与芯管组装连接工艺，蒙皮坯料(1)采用板坯或较大直径的圆截面管坯，芯管坯料(2)采用较小直径的圆截面管坯；

步骤三、预制坯制备，将蒙皮坯料(1)和芯管坯料(2)成形至所需要的蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)；

步骤四、组装，将成形好的蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)按照步骤一的多层空心结构及分解结构的设计，组装成相应的组装结构(5)；

步骤五、连接，通过连接方法将获得的组装结构中的蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)相互连接成一个整体连接件(7)，得到所需要的多层空心结构(10)。

2.根据权利要求1所述一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，其特征在于：它还包括二次整形步骤，对于外形和内部结构复杂的多层空心结构(10)，将得到的组装结构(5)先放入整体预成形模具中，在外部刚性模具和/或内部压力的共同作用下使组装结构发生变形，最终得到二次整形件蒙皮(6-1)和二次整形件芯管(6-2)，然后进行步骤五操作。

3.根据权利要求2所述一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，其特征在于：蒙皮坯料(1)和芯管坯料(2)采用室温下强度高、塑性变形能力差和回弹大的材料时，难以在室温下获得高精度的蒙皮预制坯(3)、芯管预制坯(4)以及二次整形件(6)，将材料加热后再进行相应成形步骤。

4.根据权利要求2所述一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，其特征在于：对于材料二次整形和连接过程具有互相重叠的工艺参数，在成形时，在二次整形结束后保持模具闭合的情况下调整温度和压力至连接所需条件，从而使二次整形件(6)在上约束模具(8)和下约束模具(9)内继续进行整体连接过程，最终成形出多层空心结构(10)。

5.根据权利要求2所述一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，其特征在于：当预制坯的制备或组装结构(5)的二次整形是在加热条件下进行时，或者原始坯料表面即存在氧化层不利于后续的连接步骤时，采用机械加工、抛光或超声波清洗方法先对材料外表面进行处理，然后，再对处理后的组装结构(5)或二次整形件(6)进行整体连接。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，其特征在于：步骤五中对于铝合金材料，在蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)的接触面上涂覆钎焊剂进行钎焊连接，或采用激光焊接的方法对蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)进行局部连接。