CN115771003A - 一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，包括以下步骤：机械铣削；渐进成形；局部位置校形；余量去除。本发明有益效果：根据超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板尺寸特征及产品精度要求，通过优化成形匹配路径，建立合理的成形工序，研制工艺适用性模具，针对不同区域不同位置进行灵活性调节，形成一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，减少局部区域变形量，固化工艺参数窗口，保证成形精度及表面质量，提升生产效率。

Description

一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法

技术领域

本发明属于壁板弯曲成形技术领域，尤其是涉及一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法。

背景技术

传统运载型号火箭壳段结构中需要大量蒙皮与桁条进行装配，传递力主要依靠于航向桁条，受力情况较差，整体化、一致性低，同时蒙皮与桁条零件的成形工序多、装配周期长，难以满足型号实际使用工况和周期需求。新一代载人运载火箭中首次采用超高筋薄蒙皮多变网格结构壁板取代传统蒙皮与桁条零件组合产品，零件尺寸如下图1。该壁板选用材料为7050铝合金，T7451状态，由6块组成壳段，航向高度为4165mm，内弯曲半径为R2496mm，产品型面精度要求控制在1.5mm以内。该型号壁板具有筋高且窄、蒙皮薄尺寸大、网格疏松跨度大及成形内部应力大的特点，为配合装配、承载，零件初步设计为矩形网格，其成形精度直接影响后续装配精度。

由图1可看出(其中，(a)零件外展开视图，(b)为(a)A-A截面剖局部视图，(c)为弯曲视图)，产品为大厚度75mm产品，且筋条高度75mm与蒙皮区厚度4mm相间，筋高差为71mm，具有高差厚比结构特点，比值达18.75，筋条宽度较窄约5～8mm，薄厚相交处根部圆角较小为R3，产品要求成形曲率为R2496mm，而现役运载火箭型号中网格壁板总厚度≤20mm，筋高差≤17mm，通常差厚比在7以内，相较而言，超高筋薄蒙皮多变网格结构数铣壁板成形难度巨大，成形过程中极易因高筋薄蒙皮失稳及根部圆角过小导致应力集中，出现环筋屈曲和缩颈，导致产品的最终开裂现象。

现有技术的缺点：

针对超高筋壁板国内外通常采用滚弯成形、压弯成形、喷丸成形、蠕变成形及弯板铣等工艺方式：

(1)滚弯成形：该工艺主要采用三轴和四轴方式进行线性滚弯成形工艺，由于筋高差太大，且筋条宽度较窄，零件成形过程中产品薄筋受力处容易发生镦粗、缩颈等损坏现象，并且由于根部圆角较小，随着下压量的增加，根部位置处易发生开裂情况；

(2)压弯成形：由专用折弯机驱动压头在整体壁板表面上按一定的轨迹分段进行局部三点弯曲变形，最后使整个壁板表面成形为所需的外形，其基本原理就是靠逐次的变形累积产生整体的变形，针对于高筋外置网格壁板，其弯曲受拉面为外网格，成形过程中极易出现筋条失稳、咯伤等明显缺陷，制约产品精度和表面质量；

(3)喷丸成形：利用高速的球形弹丸喷射表面层，使之产生塑性变形，表面会留有凹坑，适用于小曲率外形平缓、薄壁壳体零件的成形，对于筋高达75mm的壁板，弯曲半径达2496mm的大尺寸构件难以适用；

(4)蠕变时效成形是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，成形过程中需要对整体壁板进行密封抽真空加压，产品变形量大，根部圆角应力集中趋势明显极易产生裂纹，同时生产效率低，滞后型号周期；

(5)弯板铣：采用等厚板弯曲成形，再进行网格机加，对大厚板弯曲精度有着较高的要求，高筋与薄蒙皮差异大，铝屑排除难，实施周期长，成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，以解决上述现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，包括以下步骤：

S1、优化超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板，并机械铣削超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板；

S2、通过多道次渐进成形方法使超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板渐进成形；

S3、对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板局部位置校形；

S4、对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行余量去除。

进一步的，在步骤S1中的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板的优化，包括以下步骤：

S11、在超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板的端头处封闭缺口，形成均布对称性网格；

S12、沿超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弧度方向的端头区域受力大小与成形间距配合关系，增加单侧不小于200mm的余量区进行工艺优化；

S13、超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板两侧工艺余量区采用与产品边缘网格等间距、等筋宽、等筋厚、等蒙皮厚一致边界条件。

进一步的，在步骤S2中的所述超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板渐进成形包括以下步骤：

S21、将超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板安装至工艺适应性模具；

S22、对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行划线处理；

S23、对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行成形处理。

进一步的，步骤S21中的所述工艺适应性模具包括上模组和下模组，所述上模组顶部连接至压力机，所述上模组位于下模组上方，且所述上模组和下模组之间用于放置超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板；

所述上模组包括上模头、上模支撑板和上模螺栓，所述上模支撑板底部通过上模螺栓连接至上模头，所述上模支撑板顶部连接至压力机，所述上模头底部与超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板内表面相接触；

所述下模组包括起吊螺栓、下模头、底板、连接螺栓和刻度尺，所述下模头顶部与超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板外表面相接触，所述下模头底部通过连接螺栓连接至底板，所述底板两侧分别设有若干起吊螺栓，所述底板一端还设有刻度尺。

进一步的，所述底板表面开设有T型槽，所述底板通过T型槽与下模头连接。

进一步的，所述下模头顶部为圆角结构，圆角的尺寸大于R40mm，所述下模头的材质为6061或铝合金。

进一步的，所述工艺适应性模具还包括工艺防护垫板，所述工艺防护垫板安装至下模头与超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板外表面的连接处。

进一步的，步骤S22中的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行划线处理，包括以下步骤：

S221、根据超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板的实测长度，计算超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板内表面中心；

S222、以超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板内表面中心为基准，沿环向两侧等间距划折弯线，在航向上下端头分别标记序号，且标记序号位置与与闸压线与航向平行，环向垂直。

进一步的，步骤S23中的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行成形处理，包括以下步骤：

S231、将工艺适应性模具与大吨位液压机上模块和工作台通过压板固定连接；

S232、对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行成形区域划分，分别为中间大网格区A和两侧边网格区B；

S233、将上模头选取为R60-R80mm，将中间大网格区A的下模头间隔调整为300-320mm；将两侧边网格区B的下模头间隔调整为260-280mm；

S234、在下模头上表面放置工艺防护垫板，工艺防护垫板厚度选为筋宽1.5-2倍；

S235、调整超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进给方向；

S236、按照闸压线进行多道次渐进成形，控制成形曲率及闸压痕迹零件压弯路径以50mm均匀间隔进行压弯，其每次下压量为2mm。

进一步的，在步骤S3中的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板局部位置校形中，每次下压量1-1.5mm，成形过程对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板的整体型面进行监测。

进一步的，在步骤S4中的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行余量去除中，需根据超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板预设的余量尺寸进行弧长及样板复核，两侧余量切割均匀，按划线位置去除超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板两端头余量区。

相对于现有技术，本发明所述的一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法具有以下优势：

本发明所述的一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，通过开展超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板工艺适应性模具设计和成形精度控制系列方法，形成了超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，保证成形精度及表面质量，显著降低生产成本，提升生产效率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的现有技术中的大厚度高差厚比网格壁板零件示意图；

图2为本发明实施例所述的现有技术中的多道次近面似渐进成形示意图；

图3为本发明实施例所述的本申请的产品工艺流程示意图；

图4为本发明实施例所述的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板机械铣削加工结构示意图；

图5为本发明实施例所述的工艺适应性模具正视示意图；

图6为本发明实施例所述的工艺适应性模具剖视示意图；

图7为本发明实施例所述的工艺适应性模具整体结构示意图；

图8为本发明实施例所述的成形区域划分示意图；

图9为本发明实施例所述的添加工艺防护垫板示意图。

附图标记说明：

1、产品；2、上模头；3、上模支撑板；4、上模螺栓；5、起吊螺栓；6、下模头；7、底板；8、连接螺栓；9、刻度尺；10、工艺防护垫板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图2至图9所示，一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板通过设计工艺适应性弯曲模具，通过多道次近面似渐进成形技术，优化成形工艺参数，生产出满足装配要求且尺寸合格的零件产品。

多道次近面似渐进成形技术是基于增量压弯方式，利用特殊的压头和阴模来弯曲成形壁板，现有的多道次近面似渐进成形技术可以通过液压机、折弯机来实现，如图2所示。

压弯力可根据下列的计算公式得到：

式中：

P_压为成形的压弯力；

σ_b为材料的抗拉强度；

R为零件的弯曲半径；

T为材料厚度。

超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板成形工艺流程如下：

超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板渐进成形具体技术方案如下：

(1)产品尺寸轮廓设计

产品需要由6件组成壳段，网格结构壁板沿弧度方向两侧装配面为开放式结构，成形受力过程中缺少约束及支撑，极易失稳，难以保证产品最终效果。对产品成形和装配精度具有较大影响，故在机械铣削前，针对产品结构进行工艺化设计，按照优化后的结构进行机加工。产品结构优化方式如下：

①针对该情况，需在端头处封闭缺口，达到约束和较强支撑作用，形成均布对称性网格；

②沿弧度方向的端头区域受力大小与成形间距配合关系，需增加单侧不小于200mm余量进行工艺优化，后续成形后将余量区进行去除；

③两侧工艺余量区采用与产品边缘网格等间距、等筋宽、等筋厚、等蒙皮厚等一致边界条件，确保成形一致性，因此该网格壁板按照如下图3所示的优化后的结构进行机械铣削加工。

(2)多道次渐进成形

鉴于滚弯成形的不可行性以及普通闸压模具曲率单一性，实现整体成形精度难以控制。超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板成形的原则即采用变形离散化，针对不同网格尺寸特征合理调整成形间距和下压量，利用产品小变形量叠加，实现产品整体精度控制，主要从工艺适应性模具和成形过程控制两个方面进行说明。

①工艺适应性模具设计方案

由于产品1(超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板)为外网格结构形式，且环向方向网格尺寸的多样性，固定的下模间距难以适应这类多样性，为适应可调节的下模间距，并针对产品的结构特征，进行工艺适应性模具研制。

上模组由上模头2(可更换)、上模支撑板3螺栓连接组成，上模支撑板3通过扩充接触平台面积与压力机滑块进行压板连接，采用三角铁进行结构加固；

上模头2配备了R20，R40及R80等多套可搭配上模具，适用于不同厚度产品成形；

下模组由底板7、下模头6、刻度尺9及起吊螺栓5组成，底板7上设计有T型槽与下模头6连接，便于下模头6进行灵活调节间距，实现工艺参数精细化控制；

下模头6采用大圆倒角设计，圆角控制R40mm以上，同时材质选取为6061或同等强度的铝合金，确保下模头6强度低于产品强度，来减缓成形过程中对壁板的冲击压痕，减少成形痕迹；

为保证下模头6调节的便捷性，在底板7侧边采用标尺(刻度尺9)，中间对正区域为0度线，配套模具图如下图5。

②多道次渐进式弯曲成形

划线：

根据板料实测长度，计算零件内表面中心；

以网格内表面中心为基准，沿环向两侧等间距(50mm)划折弯线，在航向上下端头分别标记为0,1,2.。。。。(距离中心较近处可采用±号区分)，保证与闸压线与航向平行，环向垂直

成形：

工艺适应性模具与大吨位液压机上模块和工作台通过压板固定连接，根据下模具间隔(如300mm)和产品成形曲率(R2496mm)，确定理论弦高差(4.5mm)，上模头2选取为R60-R80mm，由于产品网格疏密程度、强度差异对成形工艺参数影响较大，采用分区变下模具间隔实现工艺参数控制，即中间大网格区下模具间隔调整为300-320mm，离散下压量，减少变形量；两侧边网格区下模具间隔调整为260-280mm。

在下模头6上表面放置工艺防护垫板10，工艺防护垫板10厚度选为筋宽1.5-2倍，避免壁板外网格筋条因较薄在成形过程中失稳；

调整板料进给方向，保证零件成形后厚度无明显变化，调整零件宽度方向与闸压方向平行；

按照闸压线进行多道次渐进成形，控制成形曲率及闸压痕迹零件压弯路径以50mm均匀间隔进行压弯；

为避免产品一次性下压变形量过大，分多道次进行下压，每次下压量为2mm，直至产品曲率贴合设计指标要求。

③立筋区强力校形

针对外置网格纵筋加强区在多道次成形后，较环筋连接区曲率半径大，存有尚未达到设计要求的现象，需要针对立筋位置处进行局部强力校形，每次下压量1-1.5mm，成形过程对整体型面进行监测。

(3)余量去除

根据高筋壁板预设的余量尺寸进行弧长及样板复核，两侧余量切割均匀，按划线位置去除零件两端头余量。

本申请根据超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板尺寸特征及产品精度要求，通过优化成形匹配路径，建立合理的成形工序，研制工艺适用性模具，针对不同区域不同位置进行灵活性调节，形成一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，减少局部区域变形量，固化工艺参数窗口，保证成形精度及表面质量，提升生产效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、优化超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板，并机械铣削超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板；

S2、通过多道次渐进成形方法使超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板渐进成形；

S3、对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板局部位置校形；

S4、对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行余量去除。

2.根据权利要求1所述的一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，其特征在于：在步骤S1中的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板的优化，包括以下步骤：

S11、在超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板的端头处封闭缺口，形成均布对称性网格；

S12、沿超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弧度方向的端头区域受力大小与成形间距配合关系，增加单侧不小于200mm的余量区进行工艺优化；

S13、超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板两侧工艺余量区采用与产品(1)边缘网格等间距、等筋宽、等筋厚、等蒙皮厚一致边界条件。

3.根据权利要求1所述的一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，其特征在于：在步骤S2中的所述超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板渐进成形包括以下步骤：

S21、将超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板安装至工艺适应性模具；

S22、对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行划线处理；

S23、对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行成形处理。

4.根据权利要求3所述的一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，其特征在于：步骤S21中的所述工艺适应性模具包括上模组和下模组，所述上模组顶部连接至压力机，所述上模组位于下模组上方，且所述上模组和下模组之间用于放置超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板；

所述上模组包括上模头(2)、上模支撑板(3)和上模螺栓(4)，所述上模支撑板(3)底部通过上模螺栓(4)连接至上模头(2)，所述上模支撑板(3)顶部连接至压力机，所述上模头(2)底部与超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板内表面相接触；

所述下模组包括起吊螺栓(5)、下模头(6)、底板(7)、连接螺栓(8)和刻度尺(9)，所述下模头(6)顶部与超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板外表面相接触，所述下模头(6)底部通过连接螺栓(8)连接至底板(7)，所述底板(7)两侧分别设有若干起吊螺栓(5)，所述底板(7)一端还设有刻度尺(9)；

所述底板(7)表面开设有T型槽，所述底板(7)通过T型槽与下模头(6)连接；

所述下模头(6)顶部为圆角结构，圆角的尺寸大于R40mm，所述下模头(6)的材质为6061或铝合金。

5.根据权利要求4所述的一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，其特征在于：所述工艺适应性模具还包括工艺防护垫板(10)，所述工艺防护垫板(10)安装至下模头(6)与超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板外表面的连接处。

6.根据权利要求5所述的一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，其特征在于：步骤S22中的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行划线处理，包括以下步骤：

S221、根据超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板的实测长度，计算超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板内表面中心；

S222、以超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板内表面中心为基准，沿环向两侧等间距划折弯线，在航向上下端头分别标记序号，且标记序号位置与与闸压线与航向平行，环向垂直。

7.根据权利要求6所述的一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，其特征在于：步骤S23中的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行成形处理，包括以下步骤：

S231、将工艺适应性模具与大吨位液压机上模块和工作台通过压板固定连接；

S232、对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行成形区域划分，分别为中间大网格区A和两侧边网格区B；

S233、将上模头(2)选取为R60-R80mm，将中间大网格区A的下模头(6)间隔调整为300-320mm；将两侧边网格区B的下模头(6)间隔调整为260-280mm；

S234、在下模头(6)上表面放置工艺防护垫板(10)，工艺防护垫板(10)厚度选为筋宽1.5-2倍；

S235、调整超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进给方向；

S236、按照闸压线进行多道次渐进成形，控制成形曲率及闸压痕迹零件压弯路径以50mm均匀间隔进行压弯，其每次下压量为2mm。

8.根据权利要求1所述的一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，其特征在于：在步骤S3中的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板局部位置校形中，每次下压量1-1.5mm，成形过程对超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板的整体型面进行监测。

9.根据权利要求7所述的一种超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板弯曲成形方法，其特征在于：在步骤S4中的超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板进行余量去除中，需根据超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板预设的余量尺寸进行弧长及样板复核，两侧余量切割均匀，按划线位置去除超高筋薄蒙皮多变外置网格结构壁板两端头余量区。

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