铝合金大型厚壁异形壳体成型方法

技术领域

本发明属于金属工件成型技术领域，更具体地说，特别涉及一种铝合金大型厚壁异形壳体成型方法。

背景技术

对于大型的异形零件而言，由于其表面结构复杂，常规成型方法很难制造出符合要求的零件。

例如，现有技术中某一种大型复杂曲面壳体类零件，其成型方法一般都是经过成型模具压制而成。对于本领域技术人员而言，大型复杂曲面壳体类零件成型模具的使用成本非常高，一般厂家都无法承受。并且，类似于这种大型复杂曲面壳体类的零件，在成型加工领域中也是极为少见的，因此，投入极高的制造成本，也会出现模具使用率较低的问题。

发明内容

(一)技术问题

综上所述，如何解决现有技术中大型的、异形壳体结构零件所存在的制造模具投入成本高、使用率低的问题，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种铝合金大型厚壁异形壳体成型方法，在本发明中，该铝合金大型厚壁异形壳体成型方法包括：

步骤一、根据目标对象的轮廓形状对目标对象进行分割并形成多个外形特征一致的目标单元；

步骤二、对每一个所述目标单元进行包络并制备成与所述目标单元唯一对应的包络体；

步骤三、对每一个所述包络体进行放样操作并获得切割成型参数；

步骤四、根据所述成型参数对板材进行切割，之后对切割好的板材进行弯型；

步骤五、对弯型后的板材根据目标对象的尺寸进行精修并焊接。

优选地，在本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法中，在所述步骤一中，沿目标对象的轴向将目标对象进行分段，然后，对每一段沿周向进行分割并形成多片曲面结构的目标单元。

优选地，在本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法中，在所述步骤二中，采用铝板作为包络体原材料，所述包络体原材料的厚度大于所述目标单元的厚度。

优选地，在本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法中，在所述步骤二中，选定所述包络体原材料后，将所述包络体原材料卷制成椭圆锥形。

优选地，在本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法中，在所述步骤三中，对卷制成椭圆锥形的包络体采用三角形放样技术进行放样。

优选地，在本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法中，在所述步骤三中，对卷制成椭圆锥形的包络体的表面采用三角形分割并获得全部三角形的边长尺寸并得到包络体放样尺寸组，然后将同一段的多个目标单元所应的包络体放样尺寸组依次拼接好并沿轴向进行方向操作，将放样后的结构进行展开并获得所述切割成型参数。

优选地，在本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法中，在所述步骤四中，采用水切割方式对板材进行切割。

优选地，在本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法中，采用油压机沿放样母线对切割后的板材进行弯型。

优选地，在本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法中，对弯型后的板材进行校准，校准所使用的校准工装包括有至少两个相对固定且偏心的校准曲面。

优选地，在本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法中，在所述步骤五中，首先将弯型好的椭圆锥片放到机床上进行找正，在一端铣基准面；然后以基准面装卡找正用球刀铣内外型，保证壁厚；最后铣周边和纵向坡口，最后焊接。

(三)有益效果

本发明提供了一种铝合金大型厚壁异形壳体成型方法，该铝合金大型厚壁异形壳体成型方法包括如下步骤：步骤一、根据目标对象的轮廓形状对目标对象进行分割并形成多个外形特征一致的目标单元；步骤二、对每一个目标单元进行包络并制备成与目标单元唯一对应的包络体；步骤三、对每一个包络体进行放样操作并获得切割成型参数；步骤四、根据成型参数对板材进行切割，之后对切割好的板材进行弯型；步骤五、对弯型后的板材根据目标对象的尺寸进行精修并焊接。

基于本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法实现了异形壳体的成型，本发明所提供方法设计构思新颖，操作简单、方便，对于板材易操作成型，使用现有的设备能力就可以进行生产。本发明投入实际生产中，能够基于现有生产能力制备异形壳体，从而使得生产能力提升，承担更为复杂的任务。另外，本发明减少了模具的投入，极大程度地降低了异形壳体的生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例中目标对象的轴向视图；

图2为本发明实施例中目标对象的侧视图；

图3为本发明实施例中对目标对象进行分段的示意图；

图4为本发明实施例中对目标对象的A段进行分割的示意图；

图5为本发明实施例中对目标对象的A段进行分割后目标单元的示意图；

图6为本发明实施例中对目标单元进行包络后包络体的示意图；

图7为本发明实施例中对包络体进行放样后的放样示意图；

图8为本发明实施例中校准工装的结构示意图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

另外，在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参考图1至图8，其中，图1为本发明实施例中目标对象的轴向视图；图2为本发明实施例中目标对象的侧视图；图3为本发明实施例中对目标对象进行分段的示意图；图4为本发明实施例中对目标对象的A段进行分割的示意图；图5为本发明实施例中对目标对象的A段进行分割后目标单元的示意图；图6为本发明实施例中对目标单元进行包络后包络体的示意图；图7为本发明实施例中对包络体进行放样后的放样示意图；图8为本发明实施例中校准工装的结构示意图。

本发明提供了一种铝合金大型厚壁异形壳体成型方法，该铝合金大型厚壁异形壳体成型方法适用于桶形构件，即中空(构件中部空间没有结构)、有一定的壁厚、且有既定的外部轮廓形状(外表面形状既定)。

在本发明中，该铝合金大型厚壁异形壳体成型方法包括如下步骤：

步骤一、根据目标对象的轮廓形状对目标对象进行分割(分割方式是沿目标对象的轴向对目标对象进行切割)并形成多个外形特征(外形特征是指被分割后所形成的目标单元的形状特征，例如目标单元为圆台形，那么该目标单元的外形特征就是在某一指向上渐扩或者渐缩)一致的目标单元(如果目标单元外形变化明显，则外形特征不一致，例如在某一指向上口径渐扩然后口径渐缩，则外形特征不一致，再或者，在某一指向上口径渐扩变化率较小，然后变化率较大，则外形特征不一致)。

进一步地，在步骤一中，沿目标对象的轴向将目标对象进行分段，然后，对每一段沿周向进行分割并形成多片曲面结构的目标单元。

在工业领域中，即使是异形结构件，其也一定具有一定的设计规律，外部轮廓形状不会是杂乱无章，因此，就可以将构件(本发明中定义为目标对象)进行分割，分割后的每一部分都具有一定的外形特征，例如表面为平滑曲面，或者表面为平面，或者表面为其他规则形状(例如波浪形等)。本发明实际操作中的对象为偏心椭圆体结构，这样就可以根据偏心的拐点(偏心连线不为直线发生转折)对目标对象进行分割，使得分割后的椭圆体的轴线近似于一条直线，并且，分割后的每段外部轮廓特征(所谓的外部轮廓特征就是指每段的轮廓形状)基本一致。

步骤二、对每一个目标单元进行包络并制备成与目标单元唯一对应的包络体。

具体地，在步骤二中，本发明采用铝板作为包络体原材料，包络体原材料的厚度大于目标单元的厚度，并且，选定包络体原材料后，将包络体原材料卷制成椭圆锥形。

本发明在步骤一中将目标对象分割成了多个“片”结构，然后本发明在步骤二采用了铝板(厚度大于每个片结构的厚度)作为包络体原材料。铝板可以根据每个片结构(目标单元)的形状进行预先造型，例如弯折成与片结构相近的弯曲片状结构，然后可以在铝板上设置槽结构，这个槽结构能够将目标单元完全包纳进去。之后，再讲包络体卷制成椭圆锥形(目的是方便后续放样操作)。

步骤三、对每一个包络体进行放样操作并获得切割成型参数。

具体地，在步骤三中，对卷制成椭圆锥形的包络体采用三角形放样技术进行放样。进一步地，在步骤三中，对卷制成椭圆锥形的包络体的表面(椭圆环形面)采用三角形分割并获得全部三角形的边长尺寸并得到包络体放样尺寸组，然后将同一段的多个目标单元所应的包络体放样尺寸组依次拼接好并沿轴向进行方向操作，将放样后的结构进行展开并获得切割成型参数。

步骤四、根据成型参数对板材进行切割，之后对切割好的板材进行弯型。

具体地，在步骤四中，采用水切割方式对板材进行切割。

具体地，采用油压机沿放样母线对切割后的板材进行弯型。另外，本发明对弯型后的板材进行校准，校准所使用的校准工装包括有至少两个相对固定且偏心的校准曲面。

有上述可知，本发明对目标对象进行轴向分段，其分段依据为根据偏心拐点进行分割，即相邻的两个分段之间必定偏心。因此，本发明所提供的校准工装包括有至少两个偏心的校准曲面，能够对相邻的两个分段进行曲面校准。

步骤五、对弯型后的板材根据目标对象的尺寸进行精修并焊接。在步骤五中，首先将弯型好的椭圆锥片放到机床上进行找正，在一端铣基准面；然后以基准面装卡找正用球刀铣内外型，保证壁厚；最后铣周边和纵向坡口，最后焊接。

在本发明的一个具体实施方式中，以某一型号的产品为例，该产品的最大直径为2.4米，整体形状像一个小型飞机，外部形状多为流线型。由于该产品属于是异形构件(并且为壳体类部件)，这种大型复杂壳体的成型难度非常大。通过对该型号产品的形状分析，可以确定该产品为变截面(轴向横截面形状各异)、椭圆(轴向横截面均为椭圆形)、偏心(轴向横截面椭圆形结构的形心非同轴设置)结构。通过测量，该型号产品的前椭圆尺寸为2087.5×2084.3，后部截面的型值为渐变椭圆结构，并且截面椭圆之间按一定顺序进行偏心，到最尾部椭圆尺寸为1773.3×1462.8，最大偏心为58.4，壳体总长1440mm，整体壁厚为25mm。

根据目标产品的结构和产品要求(目标产品是指上述的某一型号的产品)，并依据本发明所提供的方法，制定了如下加工方案：

1、将产品进行分片，综合产品结构、弯型、机加以及焊接工艺，将产品分为12片。沿产品的轴向将其分为三段，对每一段进行周向截断分为四份，三段*四份＝十二片。

如图3所示，图3中将产品沿其轴向分为三段(图1中的A\B\C三段)。

如图4所示，图4中将A段沿周向分割称为四片，分别为A1\A2\A3\A4。

2、对曲面(每一片)进行包络，具体是对每一个截取的片结构进行包络。经过对每一片的三维分析研究，本发明采用40mm厚铝板(所采用的铝板厚度必须大于目标产品的最大厚度，另外，本发明还可以采用其他金属材料作为包络体)，并将其卷成椭圆锥(该圆锥体即为包络体)分别对各曲面进行包络，保证曲面都能包络进去。

3、对包络体进行放样。由于本发明中目标产品为不规则形状，因此，目标产品的展开尺寸和形状不能用常规的方法计算出来。为此，本发明利用三角形放样技术对包络体(椭椭圆锥形状)进行放样。

具体放样操作如下：使用CAD软件进行放样操作，将每一个包络体(椭圆锥)分成多个(64个)小三角形，测量每个小三角形的三条边的长度进行记录。然后再将64个小三角形按在包络体(椭圆锥)的位置按顺序连接起来，画出了各段包络体(椭圆锥)的放样图，近似得出各段的展开尺寸和形状(如下图)。在放样图中各片的位置截取相应尺寸并加上加工余量就可以作出产品的水割下料尺寸，并根据此图的形状进行下料。

4、对板料进行弯型。

根据产品的形状和曲率变化，设计一套弯型工装，将弯型工装固定到350吨开式油压机上。根据毛坯放样尺寸(包络体放样尺寸)进行水割下料，然后在铝板的表面划压型基准线。在本发明中，采用放样图的母线作为压型的基准。将铝板放在上下模的中间，铝板上的基准线与模具的中心线对齐。调整油压机的行程带动上模进行上下移动，利用油压机的压力使铝板发生变形。调整铝板的下一基准线模具的中心线对齐，再调整上模进行压型，如此反复进行折弯。压型过程是一个非常繁琐的过程，需要反复调整模具和板料的位置来保证成型。

5、用样板进行比对：为了检验弯型的形状达到设计的要求，设计了如图8所示的样板。此样板用中间螺杆把每段前后两个不同的包络椭圆连接起来，在空间形成偏心的椭圆锥，根据包络椭圆锥的内型尺寸形成立体样板。用此样板对弯型的形状进行比对，如果完全符合样板，则认为弯型形成了包络椭圆锥。

6、对每片机加内外型。首先将弯型好的椭圆锥片放到机床上进行找正，在一端铣基准面；然后以基准面装卡找正用球刀铣内外型，保证壁厚；最后铣周边和纵向坡口。

7、焊成围壳。在加强筋打孔，按图纸正确位置连接起来作为内型，将机加好的四片对接成围壳后焊接固定块，用固定块将位置固定后焊接纵焊缝形成壳体。然后将每段对接组焊成围壳。

由上述可知，本发明提供了一种铝合金大型厚壁异形壳体成型方法，该铝合金大型厚壁异形壳体成型方法包括如下步骤：步骤一、根据目标对象的轮廓形状对目标对象进行分割并形成多个外形特征一致的目标单元；步骤二、对每一个目标单元进行包络并制备成与目标单元唯一对应的包络体；步骤三、对每一个包络体进行放样操作并获得切割成型参数；步骤四、根据成型参数对板材进行切割，之后对切割好的板材进行弯型；步骤五、对弯型后的板材根据目标对象的尺寸进行精修并焊接。

基于本发明所提供的铝合金大型厚壁异形壳体成型方法实现了异形壳体的成型，本发明所提供方法设计构思新颖，操作简单、方便，对于板材易操作成型，使用现有的设备能力就可以进行生产。本发明投入实际生产中，能够基于现有生产能力制备异形壳体，从而使得生产能力提升，承担更为复杂的任务。另外，本发明减少了模具的投入，极大程度地降低了异形壳体的生产成本。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。