一种铝合金圆弧壁板约束校形装置及其校形方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金圆弧壁板约束校形装置及其校形方法，属于制造变形控制技术领域。

背景技术

铝合金因其优异的机械性能被广泛应用于空天装备以实现高强轻质的设计目标。圆弧壁板是圆柱形舱段制造的关键基础，该类构件的制造多以锻件为初始坯料、通过热处理进行组织性能调控、通过机加工加工筋板，之后经由室温压弯成形为圆弧壁板。因为圆弧壁板刚度不连续、厚度不均匀，以冷成形技术制造圆弧壁板经常面临成形精度不足、圆弧壁板曲率半径不一致的问题；而圆弧壁板曲率半径不一致的问题往往导致圆弧壁板无法组装。

近年来，随着筋板高度及壁板规格的增加，圆弧壁板成形精度不足的问题日益突出，严重制约了空天装备圆柱舱段的制造。大量试制表明，仅通过压弯工艺的设计无法解决高筋圆弧壁板成形精度不足的问题，在后续热处理过程中引入适当约束进行形状校正成为壁板成形控制的必然路径。

上述分析表明，针对圆弧壁板形状校正问题设计适当的约束装置及校形工艺成为该类构件形位控制技术体系中的关键。相关约束校形技术的研发有助于解决壁板类构件形位失准难题，预期将对空天飞行器舱体类构件精确制造提供有力的支撑。

现有的用于圆弧壁板校形的装置大多结构复杂，操作繁琐，更主要的，现有的圆弧壁板的校形过程一般是先进行热处理，热处理之后，再对其进行装夹校形，由于热处理之后，圆弧壁板的强度等性能发生改变，使得后续校形过程中装夹所需施加的力更大，校形难度提高，进而影响校形后的圆弧壁板的成形精度。

发明内容

本发明是为了解决上述技术问题，进而提供了一种铝合金圆弧壁板约束校形装置及其校形方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种铝合金圆弧壁板约束校形装置，包括沿圆弧壁板内弧面周向布置的N个校形基板及布置在圆弧壁板外弧面两端部的两个外约束板，其中N≥3，每相邻的两个校形基板之间固定连接，每个校形基板均为弧形板结构且每个校形基板的外圆弧面曲率半径均与圆弧壁板的设计半径一致，两个外约束板与位于圆弧壁板内弧面两端部的两个校形基板一一对应布置，且外约束板的上部与其对应的校形基板的上部之间以及外约束板的下部与其对应的校形基板的下部之间均通过若干锁紧螺栓固接，每个校形基板上均安装有顶正结构，通过顶正结构对圆弧壁板内弧进行顶正。

进一步地，当N＝3时，校形基板分别为第一至第三校形基板，其中第一校形基板与第三校形基板结构相同设置且分别位于圆弧壁板的两端部，每相邻的两个校形基板之间均采用压边式固接。

进一步地，位于圆弧壁板内弧面两端部的两个校形基板上均一体固接有侧挡板，圆弧壁板位于两个侧挡板之间。

进一步地，所述顶正结构包括嵌装在校形基板外弧面的顶具以及沿径向螺纹穿装在校形基板上的若干顶正螺栓，其中每个顶具均沿校形基板的轴向布置且顶正螺栓的顶端与顶具接触。

进一步地，以圆弧壁板1/2处的轴向虚拟线所在的径向虚拟平面为基准面，沿圆弧壁板周向布置的若干顶正结构关于基准面对称布置。

进一步地，顶具表面敷设有硅橡胶包套。

进一步地，每个校形基板上的顶正结构的数量为两个。

进一步地，外约束板上与圆弧壁板接触的表面涂覆润滑层。

进一步地，校形基板及外约束板均为镂空结构。

一种采用上述约束校形装置的校形方法，包括如下步骤：

步骤一、通过连接螺栓组装各校形基板，形成校形主体；

步骤二、将待校形圆弧壁板放置于校形主体外侧面；

步骤三、将外约束板放置于待校形圆弧壁板外侧两端部，并将外约束板与校形主体的两端部固接，限制待校形圆弧壁板校形过程中产生的上下位移；

步骤四、分别调节若干组顶正结构的径向位置，对待校形圆弧壁板内表面加载，直至达到各顶正结构的设定调节位置；

步骤五、加载之后的待校形圆弧壁板与约束校形装置形成的组合体直接置入到热处理炉中进行热处理。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

待校形圆弧壁板夹设在外约束板与校形基板之间，且若干锁紧螺栓分别位于待校形圆弧壁板的上方和下方，用于限制待校形圆弧壁板的向上位移与向下位移。外约束板与校形基板之间的距离可通过锁紧螺栓调节，以适应不同厚度尺寸的待校形圆弧壁板。

本发明中，通过设置顶正结构，实现圆弧壁板周向各位置过弯量的准确调控。

本发明的校形装置与现有技术相比，结构更简单，校形操作更方便，校形精度更高。

本发明的校形方法，综合考虑了顶正约束以及加温校形过程中的力热效应，从而可实现精确校形；另外，本发明的校形方法通过先装夹校形装置再进行热处理工序，可通过校形温度的优选实现校形与时效强化工艺的融合，实现壁板的形性协同控制，即形状及性能的协同控制。

附图说明

图1为本发明的校形装置的第一立体结构示意图；

图2为本发明的校形装置的俯视图；

图3为本发明的校形装置的第二立体结构示意图；

图4为第二校形基板的第一立体结构示意图；

图5为第二校形基板的第二立体结构示意图；

图6为第三校形基板的立体结构示意图；

图7为外约束板的立体结构示意图；

图8为待校形圆弧壁板的立体结构示意图。

图中：

100、圆弧壁板；1、第一校形基板；2、第二校形基板；3、第三校形基板；4、外约束板；5、锁紧螺栓；61、顶具；62、顶正螺栓；7、连接螺栓；8、侧挡板。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图8说明本实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式，基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明关于“左”、“右”、“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”“顶部”“底部”等方向上的描述均是基于附图所示的方位或位置的关系定义的，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述的结构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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，除非另有明确规定和限定，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种铝合金圆弧壁板约束校形装置，包括沿圆弧壁板100内弧面周向布置的N个校形基板及布置在圆弧壁板100外弧面两端部的两个外约束板4，其中N≥3，每相邻的两个校形基板之间固定连接，每个校形基板均为弧形板结构且每个校形基板的外圆弧面曲率半径均与圆弧壁板100的设计半径一致，两个外约束板4与位于圆弧壁板100内弧面两端部的两个校形基板一一对应布置，且外约束板4的上部与其对应的校形基板的上部之间以及外约束板4的下部与其对应的校形基板的下部之间均通过若干锁紧螺栓5固接，每个校形基板上均安装有顶正结构，通过顶正结构对圆弧壁板100内弧进行顶正。

每个校形基板均为圆弧刚体结构，材质为耐高温H13模具钢。

每相邻的两个校形基板之间通过连接螺栓7固定连接，实现多段刚体嵌合，以满足超大规格壁板的校形要求。若干连接螺栓7沿校形基板轴向布置。

根据待校形圆弧壁板100的尺寸，选择合适数量的校形基板，以同时满足制造性和大规格校形的要求。如：待校形圆弧壁板100为1/3圆周结构，选取三个校形基板依次拼接。待校形圆弧壁板100的周向尺寸越大，选取的校形基板数量越多。

待校形圆弧壁板100夹设在外约束板4与校形基板之间，且若干锁紧螺栓5分别位于待校形圆弧壁板100的上方和下方，用于限制待校形圆弧壁板100的向上位移与向下位移。外约束板4与校形基板之间的距离可通过锁紧螺栓5调节，以适应不同厚度尺寸的待校形圆弧壁板100。锁紧螺栓5的径向位置及顶正结构的径向位置基于校形工艺仿真选定。

外约束板4为下侧表面光滑的短圆弧结构，在圆弧壁板100曲率半径过大、两端翘曲的情况下，外约束板4可以限定两端翘曲。

第一个校形基板与第N个校形基板分别位于圆弧壁板100的两端部，其余校形基板沿待校形圆弧壁板100内弧面周向嵌合固装在第一个校形基板与第N个校形基板之间。

本发明中，通过设置顶正结构，实现圆弧壁板100周向各位置过弯量的准确调控。

本发明的校形装置与现有技术相比，结构更简单，校形操作更方便，校形精度更高。

当N＝3时，校形基板分别为第一至第三校形基板，其中第一校形基板1与第三校形基板3结构相同设置且分别位于圆弧壁板100的两端部，每相邻的两个校形基板之间均采用压边式固接。如此设计，第二校形基板2上径向的两端部分别沿其轴向加工有外口边，所述外口边对应径向贴合压设在其相邻的第一校形基板1或第三校形基板3上，并通过若干连接螺栓7固接。外口边的台肩起到对与其相对接的第一校形基板1或第二校形基板2的周向限位功能。通过采用压边式固接，便于若干校形基板的组装，同时进一步提高刚性连接的若干校形基板之间的连接稳定性。当N>3时，每相邻的两个校形基板之间的压边式连接结构可以相同，也可以不同设置。

位于圆弧壁板100内弧面两端部的两个校形基板上均一体固接有侧挡板8，圆弧壁板100位于两个侧挡板8之间。如此设计，通过设置两个侧挡板8，实现对圆弧壁板100周向位移限制，防止校形过程中由于圆弧壁板100周向位置偏离而影响校形精度。

所述顶正结构包括嵌装在校形基板外弧面的顶具61以及沿径向螺纹穿装在校形基板上的若干顶正螺栓62，其中每个顶具61均沿校形基板的轴向布置且顶正螺栓62的顶端与顶具61接触。如此设计，通过旋进顶正螺栓62给顶具61加载，以便对圆弧壁板100的内弧进行顶正。每个顶正螺栓62均可独立旋进。

以圆弧壁板1001/2处的轴向虚拟线所在的径向虚拟平面为基准面，沿圆弧壁板100周向布置的若干顶正结构关于基准面对称布置。如此设计，保证圆弧壁板100受力均匀。

顶具61表面敷设有硅橡胶包套。如此设计，避免顶正过程中对圆弧壁板100内弧面造成硬性损伤。

每个校形基板上的顶正结构的数量为两个。如此设计，顶正结构的数量共为六个，以图中方向为例，左侧第一个顶正结构与右侧第一个顶正结构对称设置，左侧第二个顶正结构与右侧第二个顶正结构对称设置，左侧第三个顶正结构与右侧第三个顶正结构对称设置。

外约束板4上与圆弧壁板100接触的表面涂覆润滑层。如此设计，所述润滑层即为一层润滑脂，用于减小圆弧壁板100与外约束板4之间的摩擦。

校形基板及外约束板4均为镂空结构。如此设计，有效减轻校形装置整体的重量。

一种采用上述约束校形装置的校形方法，包括如下步骤：

步骤一、通过连接螺栓7组装各校形基板，形成校形主体；

步骤二、将待校形圆弧壁板100放置于校形主体外侧面；

步骤三、将外约束板4放置于待校形圆弧壁板100外侧两端部，并将外约束板4与校形主体的两端部固接，限制待校形圆弧壁板100校形过程中产生的上下位移；

步骤四、分别调节若干组顶正结构的径向位置，对待校形圆弧壁板100内表面加载，直至达到各顶正结构的设定调节位置；

步骤五、加载之后的待校形圆弧壁板100与约束校形装置形成的组合体直接置入到热处理炉中进行热处理。

如此设计，本发明的校形方法，综合考虑了顶正约束以及加温校形过程中的力热效应，从而可实现精确校形；另外，本发明的校形方法通过先装夹校形装置再进行热处理工序，可通过校形温度的优选实现校形与时效强化工艺的融合，实现壁板的形性协同控制，即形状及性能的协同控制。

例如：以设计直径为1200mm、1/3圆弧高筋壁板的校形为例进行说明；图8所示为高筋圆弧壁板100示意图，其材料为2219铝合金，其中法兰位置厚度为55mm、壁板基板高度为25mm、壁板蒙皮厚度为5mm。

(1)采用φ1200、1/3圆周刚体结构制造校形基板，材料为H13钢；

(2)在校形基板两端部外侧面分别加装1/3壁板弧长的外约束板4，以显著圆弧壁板100坯件校形过程中的上位移，材料为H13钢；

(3)对应1/3圆弧壁板100上6个不同圆周位置设置径向顶正结构，顶正结构为顶正螺栓62+顶具61组合结构，每一顶正结构可以通过螺纹进行加载；所述顶正螺栓62为40Cr高强度螺栓，顶具61表面敷装硅橡胶包套；

(4)待校形圆弧壁板100放置于校形基板的外侧面上，并将外约束板4与校形主体的两端部固接，限制待校形圆弧壁板100校形过程中产生的上下位移；

(5)获取圆弧壁板100材料蠕变本构关系、热物参数及换热系数，具体获取方法为现有技术，此处不再赘述；根据测得的蠕变本构关系、热物参数对构件在约束-热处理工艺中“弹性变形-蠕变变形-回弹”过程进行仿真，以最佳贴合度为目标参数、确定主要参数如下：①外约束板与校形基面的间隙设定为25mm；②以图中方向为例，左侧第一个顶正结构与右侧第一个顶正结构顶正旋进18mm、左侧第二个顶正结构与右侧第二个顶正结构顶正旋进4mm，左侧第三个顶正结构与右侧第三个顶正结构顶正旋进为62mm；③以40℃/小时升温到160℃，之后保温11小时。

典型试算结果如下表所示：

表1-校形工艺试算典型结果

(6)基于计算分别旋动六组顶正螺栓62顶正圆弧壁板100内表面加载，直至圆弧壁板100达到设定形状；

(7)加载之后圆弧壁板100+约束校形装置组合体直接置入到热处理炉中进行处理，温度为160℃，之后保温11小时；

(8)保温结束之后，释放顶正结构的约束，取下外约束，取下成形壁板，校形及热处理工序完成。

通过对多组顶正结构行程、多温度下的试算及规律分析实现顶正过弯量、温度、时间的选择；

基于系统试算确定约束校形工艺，其中关键参数为各组顶正结构行程、校形温度、保温时间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。