CN116099934A

CN116099934A - 加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法及应用

Info

Publication number: CN116099934A
Application number: CN202310091960.2A
Authority: CN
Inventors: 黄遐; 曾元松; 王明涛; 张尚文; 田永帅; 张程
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Manufacturing Technology Institute
Priority date: 2023-02-10
Filing date: 2023-02-10
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2043-02-10

Abstract

本发明属于钣金成形技术领域，尤其涉及一种加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法及应用。包括：采用有限元法计算零件贴合所需的压力；当零件与模具型面贴合时，计算最大轴向应力；根据最大轴向应力获取垫板；将垫板放置在薄蒙皮区表面并进行固定；将固定有垫板的零件放置在模具上，采用真空的方式进行封装；置入加热炉或热压罐中，按照计算得到的压力及预先设定的工艺参数使零件的外形面与模具的内形型面贴合；在蠕变时效结束后，卸载成形零件上的温度和压力。其目的是用于解决工件在进行蠕变时效成形时因工件本身的结构差异导致成形后回弹量的不一致性，从而影响零件的精确成形的问题。

Description

加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法及应用

技术领域

本发明属于钣金成形技术领域，尤其涉及一种加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法及应用。

背景技术

新一代先进飞机要求在具有良好气动性能的同时要尽量减轻重量，并提高使用寿命。作为飞机上最重要的一类零件--整体壁板来说，它既是构成飞机气动外形的重要组成部分，同时也是机翼、机身等的主要承力构件。当前我国在飞机的结构设计中，对飞机结构的气动性、整体性以及使用寿命的要求也越来越高，为提高飞机的机动性以及气动性能，先进飞机的整体壁板不仅具有复杂双曲率外形，同时还具有复杂的内部结构，如局部加厚、口框以及局部减薄区域，以达到既满足外形要求，同时又减少零件数量、减轻重量和提高使用寿命的目的。因此该类零件的外形精度和综合性能直接关系到整个机体结构的气动性、结构强度、疲劳寿命和结构重量。

与传统整体壁板类构件成形技术相比，蠕变时效成形技术是为成形复杂外形零件特别是整体壁板零件而发展起来的一项技术，即利用金属的蠕变特性，将成形与时效同步进行的一种成形方法。与传统成形工艺相比，该成形方法提高了材料强度，降低了残余应力，增强耐应力腐蚀能力，延长了零件的使用寿命，适于成形可时效强化型合金的整体带筋和变厚度大曲率复杂外形和结构的整体壁板构件。该项技术被认为是下一代大型飞机特别重要的金属成形工艺之一。随着军、民用航空对大型高性能飞机日益迫切的需求，该成形工艺将在制造大型复杂整体壁板中发挥其独特优势。在我国大飞机项目的研制中具有广泛的应用前景。

由于蠕变时效成形技术受到材料本身时效周期的限制，无法将工件内已有的弹性变形全部转变为塑性变形，成形后存在一定的回弹量，因此回弹量控制是影响蠕变时效成形质量的关键问题。目前在现代飞机设计制造中，为提高飞机整体气动性能，许多零件外形都很复杂，如蒙皮表面带有不同曲率和厚度，同时还具有复杂的内部结构，如局部加厚、口框以及局部减薄区域，且当壁板零件尺寸大、曲率半径小时，在这些重点区域会产生由于结构差异导致成形后回弹量的不一致性，从而影响零件的精确成形。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明主要针对以上问题，提出了一种加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法及应用，其目的是用于解决工件在进行蠕变时效成形时因工件本身的结构差异导致成形后回弹量的不一致性，从而影响零件的精确成形的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了一种加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法，包括以下步骤：

采用有限元法计算零件外表面与模具型面完全贴合所需的压力；

当零件与模具型面贴合时，计算薄蒙皮区沿弯曲变形方向的最大轴向应力；

根据所述最大轴向应力获取具有变形刚度补偿的同材料垫板；

将所述具体变形刚度补偿的垫板放置在薄蒙皮区表面并进行固定；

将固定有垫板的零件放置在具有一定外形型面的所述模具上，采用真空的方式封装；

将封装后的整体置入加热炉或热压罐中，按照计算得到的所述压力及预先设定的工艺参数使所述零件的外形面与所述模具的内形型面贴合；

在蠕变时效结束后，卸载成形零件上的温度和压力。

进一步地，根据所述最大轴向应力获取具有变形刚度补偿的同材料垫板的步骤包括：

放置垫板的厚度t可以通过以下公式计算：

其中L为垫板长度，E为材料的弹性模量，t₀为蒙皮原始厚度，σ_max为薄蒙皮区沿弯曲变形方向的最大轴向应力。

进一步地，所述按照预先设定的工艺参数使所述零件的外形面与所述模具的内形型面贴合的步骤包括：

在真空状态下，对加热炉或热压罐进行升温，当零件到达设定温度后进行保温；

到达设定保温时间后,开启加压系统对零件表面施加压力，直至使所述零件的外形面与所述模具的内形型面贴合。

进一步地，在所述保温阶段采用控制升压速率缓慢施加应力至第一阶段的目标压力，在到达目标压力后保压一定时间，继续升压至第二阶段的目标压力。

进一步地，所述升压速率为0.01MPa/mi n～0.05MPa/mi n。

进一步地，第一阶段的目标压力为第二阶段的目标压力的15％-30％。

进一步地，在进行蠕变时效成型之前，还包括对零件的原始板材在460℃～490℃的温度下固溶50mi n，然后立即水淬，之后进行2％-3％预拉伸。

进一步地，所述垫板与零件的薄蒙皮区表面之间是通过用胶带进行固定的。

为实现上述目的，本发明提供了一种采用所述成形方法成形出的零件在飞机机体结构上的应用。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：通过采用有限元法对垫板进行设计，通过垫板进行变形刚度补偿，减少了成形过程中，薄蒙皮区域发生屈曲失稳缺陷，同时采用垫板实现了加强区及薄蒙皮区的刚度一致性，减少了由于内部结构变化而导致的变形不均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法对应的流程示意图。

图2为本发明一种零件进行蠕变时效成形的结构示意图。

图3为本发明一种复杂零件未成形前的结构示意图。

图4为本发明一种装有垫板的复杂零件在模具上的结构示意图。

图5为本发明一种温度时间协同加载的示意图。

图中：1、零件；2、垫板；3、模具；101、薄蒙皮区。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

图1是本发明一种加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法对应的流程示意图。

如图1所示，本发明所述一种加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法，包括：

S100：采用有限元法计算零件1外表面与模具3型面完全贴合所需的压力；

S200：当零件1与模具3型面贴合时，计算薄蒙皮区101沿弯曲变形方向的最大轴向应力；

S300：根据所述最大轴向应力获取具有变形刚度补偿的同材料垫板2；

S400：将所述具有变形刚度补偿的垫板2放置在薄蒙皮区101表面并进行固定；

S500：将固定有垫板2的零件1放置在具有一定外形型面的所述模具3上，采用真空的方式进行封装；

S600：将封装后的整体置入加热炉或热压罐中，按照预先设定的工艺参数使所述零件1的外形面与所述模具3的内形型面贴合；

S700：在蠕变时效结束后，卸载成形零件1上的温度和压力。

蠕变时效成形是指利用金属的蠕变和时效强化特性，将以成形为主的制造环境和以成形为主的热处理环境在时、空集成，使金属在一定的温度(时效温度)和应力(成形载荷)作用下发生缓慢变形和时效析出强化一体化的一种加工方法。如图2所示，蠕变时效成形工艺可划分为加载、蠕变时效成形和卸载三个阶段。

请参阅图3、图4，在进行蠕变时效成形工艺之前，以模拟向零件1施加压力，通过有限元的方式获得零件1和模具3紧密贴合时所需要的压力，以及在贴合时，薄蒙皮区101(即减薄区)沿弯曲变形方向的最大轴向应力，进而根据计算设计出具有变形刚度补偿的同材料垫板2，通过垫板2进行变形刚度补偿，减少后续蠕变成形过程中，薄蒙皮区101发生屈曲失稳缺陷，同时采用垫板2实现了加强区及薄蒙皮区101的刚度一致性，减少了由于内部结构变化而导致的变形不均匀。

在采用有限元法对垫板2进行设计后，将垫板2固定在薄蒙皮区101表面，用透气毡和真空袋将零件1和模具3以及垫板2进行整体封装，并进行抽真空，然后将整体一起推入加热炉或热压罐内，按照预先设定的工艺参数升温、升压，并在合适的时效温度和压力下保持一段时间，零件1在此过程中发生蠕变、应力松弛成形和时效析出强化，由产生的弹性变形转变为永久的塑性变形，同时材料内部的微观组织及宏观性能也会随着强化相析出而发生改变。蠕变时效结束后，卸载成形零件1上的温度和压力，打开炉门取出零件1及工装。

在步骤S300中，根据所述最大轴向应力获取具有变形刚度补偿的同材料垫板2的步骤包括：

在薄蒙皮区101表面放置同材料垫板2进行变形刚度补偿，其中放置垫板2的厚度t可以通过以下方式进行确定,其中L为垫板2长度，E为材料的弹性模量,t₀为蒙皮原始厚度，σ_max为薄蒙皮区101沿弯曲变形方向的最大轴向应力。

在步骤S600中，所述按照预先设定的工艺参数使所述零件1的外形面与所述模具3的内形型面贴合的步骤包括：

S601：在真空状态下，对加热炉或热压罐进行升温，当零件1到达设定温度后进行保温；

S602：到达设定保温时间后,开启加压系统对零件1表面施加压力，直至使所述零件1的外形面与所述模具3的内形型面贴合。

本实施例针对复杂外形整体壁板的加强区及薄蒙皮区变形协调控制蠕变时效成形方法，采用真空压力加载，压力分布均匀，成型后不存在应力集中点。且通过采用先升温后加载的工艺，可有效提高零件1整体成形极限。

作为上述实施例中的优选方案，在所述保温阶段采用控制升压速率缓慢施加应力至第一阶段的目标压力，在到达目标压力后保压一定时间，继续升压至第二阶段的目标压力。

具体请参照图5，到达保温时间后,开启加压系统对零件1表面施加压力P，为保证加强区及薄蒙皮区变形区域变形均匀，压力需按阶段缓慢施加达到P，第一阶段为15％-30％的P,升压速率控制在0.01MPa/mi n～0.05MPa/mi n，保持2-5h后继续升压至P，使壁板零件1的外形面与模具3的内型面完全贴合。在保温阶段采用分段施加载荷，第一阶段控制升压速率缓慢施加应力，有利于垫板2与零件1的整体统一变形，进一步加强薄蒙皮区101刚度，使之与加强区变形达到协调统一，有利于提高蠕变时效成形精度,保证加强区及薄蒙皮区变形均匀，另一方面可以有效控制成形过程中薄蒙皮变形失稳等现象的发生。

在进行步骤S100之前，还包括对零件1的原始板材进行预处理，所述预处理包括在460℃～490℃的温度下固溶50mi n，然后立即水淬，之后进行2％-3％预拉伸。

如图2所示，在卸载阶段，因受到时效热处理制度的制约，成形阶段的蠕变形变并不能够使加载阶段产生的弹性变形全部转化为塑性变形，零件会发生一定的回弹。作为本实施例获取模具3型面的一个例子，其模具3型面是通过专利“基于有限元模具型面回弹补偿的壁板蠕变时效成形方法ZL201210466297.1”进行优化计算补偿了回弹量的型面。因此，在进行加工前，制作出相匹配的模具内型面，以使最终获得的零件1外形满足设计要求。

优选的，所述垫板2与零件1的薄蒙皮区101表面之间是通过用胶带进行固定的，该胶带为耐高温胶带。

在本发明又另一方面中，提供一种采用上述成形方法成形出的零件1，该零件1具备复杂外形(如蒙皮表面带有不同曲率和厚度)、还具有复杂的内部结构(如局部加厚、口框以及局部减薄区域)，且该零件1不会由于零件1上的结构差异导致成形后回弹量的不一致性的问题，可被用于构成飞机气动外形、或被用于构成机翼、机身等的主要承力构件。

为进一步揭示本发明的性质，以下实施例对本发明作了详细说明。要明了的是，除了在所附上的权利要求书中特指的这些限定条件外，本发明不受这些实施例中所陈述的特定条件或细节的限制。

实施例一：

铝合金7B04壁板结构件，该零件1为整体壁板，外形为复杂双曲率外形如图2-图4所示，采用以下方法成形该零件1。

步骤1：原始板材为7B04固溶淬火预拉伸厚板(460℃～490℃固溶50mi n，立即水淬，之后2％-3％预拉伸)。

步骤2：采用有限元法计算零件1外表面与模具3型面完全贴合所需的压力1.5MPa。

步骤3：当零件1与模具3型面贴合时，计算薄蒙皮区101沿弯曲变形方向的最大轴向应力σ_max＝278MPa。

步骤4：在薄蒙皮区101表面放置同材料垫板2进行变形刚度补偿，其中放置垫板2的厚度t可以通过上述式1)计算，以下方式进行确定,其中L为垫板长度为200mm，E为材料的弹性模量69GPa，原始蒙皮厚度为2mm，此处垫板厚度t为12mm。

步骤5：将刚度补偿垫板2放置在薄蒙皮区101表面，用耐高温胶带进行固定。

步骤6：用透气毡和真空袋将壁板零件1和模具3以及垫板2进行整体封装，并进行抽真空。

步骤7：保持抽真空状态，将壁板零件1连同模具3放入到热压罐中。

步骤8：热压罐升温，当壁板零件1到达温度150℃后进行保温,在该阶段时效过程中，壁板零件1始终保持抽真空状态。

步骤9：到达保温时间后,开启加压系统对零件1表面施加压力0.5MPa,升压速率控制在0.02MPa/mi n，升压至0.5MPa后，保持5h后继续升压至1.5MPa。

步骤10：当到达保温时间20h后保温结束开始降温。当模具3温度降至50℃以下时，卸载压力，打开炉门取出零件1及工装。

综上所述，本发明的目的是针对整体壁板零件在成形时，由于内部结构变化导致变形不均匀，提出一种针对复杂外形整体壁板的加强区及薄蒙皮区变形协调控制蠕变时效成形方法，解决壁板的协调变形控制问题，提高成形极限以及成形精度的同时，还可有效提高薄蒙皮区域抗屈曲失稳能力，保证复杂壁板构件成形/成性一体化制造，有效提高零件外形精度并进一步提高壁板的使用寿命。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述具有变形刚度补偿的垫板放置在薄蒙皮区表面并进行固定；

在蠕变时效结束后，卸载成形零件上的温度和压力。

2.如权利要求1所述的加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法，其特征在于，根据所述最大轴向应力获取具有变形刚度补偿的同材料垫板的步骤包括：

放置垫板的厚度t可以通过以下公式计算：

3.如权利要求1所述的加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述按照预先设定的工艺参数使所述零件的外形面与所述模具的内形型面贴合的步骤包括：

4.如权利要求3所述的加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法，其特征在于，在所述保温阶段采用控制升压速率缓慢施加应力至第一阶段的目标压力，在到达目标压力后保压一定时间，继续升压至第二阶段的目标压力。

5.如权利要求4所述的加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述升压速率为0.01MPa/min～0.05MPa/min。

6.如权利要求4所述的加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法，其特征在于，第一阶段的目标压力为第二阶段的目标压力的15％-30％。

7.如权利要求1所述的加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法，其特征在于，在进行蠕变时效成型之前，还包括对零件的原始板材在460℃～490℃的温度下固溶50min，然后立即水淬，之后进行2％-3％预拉伸。

8.如权利要求1所述的加强区及薄蒙皮区变形协调的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述垫板与零件的薄蒙皮区表面之间是通过用胶带进行固定的。

9.一种如权利要求1-8任一项所述成形方法成形出的零件在飞机机体结构上的应用。