[发明专利]蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置及成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天航海蒙皮壁板材料加工领域，具体是一种利用磁脉冲成形实现蒙皮壁板成形的装置及方法。主要用于金属蒙皮壁板精确成形，解决蒙皮壁板常规成形技术的难成形、成形质量差或成形效率低的问题。

背景技术

蒙皮壁板是航空航天领域，特别是飞机整体壁板制造中重要零部件，其成形技术我国大飞机制造关键技术之一。这类构件一般几何尺寸大，多采用性能优良但加工困难的材料，如铝合金、钛合金等，除了具有复杂的外形曲线外，还通过布置复杂形式的筋条来实现既满足结构性能需求，又减轻重量、较少零件数量的目的。蒙皮壁板的特点是由整块板坯制造而成，包括筋条和腹板两部分，整体弯曲曲率小。由于筋条的存在，蒙皮壁板的弯曲成形过程要比普通平板材料弯曲过程复杂得多。传统的蒙皮壁板弯曲成形工艺主要是压弯、滚弯、喷丸及蠕变时效成形等。压弯成形依靠压力头作用于筋条顶部实现局部逐点弯曲成形，虽然通过控制下压力、下压进给量等工艺参数等方法累积成形出所需的曲率，将压弯成形用于成形高筋板，但由于压头直接作用于筋条顶端，贴模性差，残余应力大，特别是当筋条过高时，筋条及其根部易发生应力集中而出现顶部扭曲、底部断裂等缺陷，影响了结构件整体性能，这种成形方法在先进军机生产中不作为主要成形方法；滚弯成形与压弯类似，不同之处是滚弯利用滚动的辊轴进行三支点连续弯曲，且为了保护筋条，辊轴与工件之间多采用添加垫板或填料的形式，但结构稳定性差，尤其不适于高筋板成形；喷丸成形是利用金属弹丸流撞击工件表面使得受喷表层产生延伸塑性变形而实现成形，由于成形后工件表层存在残余压应力而提高了材料疲劳性能，已经在C919大飞机机翼壁板上得到成功应用，但喷丸成形后工件表面质量不高，成形控制复杂；对于蠕变时效成形，可同时完成工件的成形与时效处理过程，但其成形过程准备周期长，效率低，模具成本高，且成形后回弹量大。综上所述，蒙皮壁板传统成形工艺在弯曲成形中存在难成形或成形质量差、效率低的问题，限制了它们在蒙皮壁板成形中的广泛应用。随着整体类构件在航空航天等领域发展需要，在不影响这些薄壁壳体外表气动性能的前提下，蒙皮壁板成形领域迫切需要探索新的成形工艺来实现该类构件高效、可靠成形。

本发明所涉及的磁脉冲成形，是一种特种成形工艺方法，具有成形能量小且易于控制、成形过程无机械接触、模具简单、制件尺寸质量高、生产效率高等特点，为带筋整体结构件成形提供了新的途径。磁脉冲成形的基本原理是利用磁场力实现金属坯料塑性变形的高能率快速成形。具体说就是成形线圈与坯料之间因为电磁感应原理产生相互作用的磁场，使得处在磁场中的导电坯料会受到磁场力的作用，当这个磁场力足够大以至超过坯料屈服强度时，将会迫使坯料产生塑性变形，从而获得相应形状的制件的成形方法。该技术在上世纪六十年代被提出，近年来在国际上得到广泛的研究。作者V.Psyk,D.Risch等在文献《Electromagnetic forming—A review》中对平板、管件的磁脉冲成形中的理论研究、数值模拟和实验研究进行了较为全面的综述。

现有磁脉冲成形方法一般用于平板、管坯件的成形，较少将该技术用到复杂带筋壁板构件成形领域。在公开号为CN201310397820.4的发明创造中公开了一种利用磁脉冲力实现筋板件成形的装置及方法，其优点是利用不同成形线圈作用到筋板的不同位置，筋线圈用于筋条的变形，而腹板线圈用于腹板的变形，通过这两种线圈在竖直或水平方向的移动，避免了因工件与线圈间隙增大而磁场力迅速降低而导致的贴模不充分的缺陷，从而实现筋板的弯曲成形。该发明的缺点是该方法仅局限于小规格尺寸的单筋板的成形，成形件曲率也比较简单，并不适用于大型复杂筋条结构整体壁板的成形。

对于大型尺寸零件，鉴于固定位置的磁脉冲成形通常无法实现工件达到所需的形状要求，实际成形过程中多采用渐进增量成形的方法来实现。在公开号为CN100447690C的发明专利中公开了一种板材动圈电磁渐进成形方法及装置，该装置利用集成计算机控制系统与电磁发生系统，根据模型轮廓等高线数据实现线圈由上而下运动，最终达到逐层渐进成形的目的。其优点是提高了成形过程的柔性，并根据不同部位变形程度的不同改变磁场力的大小，实现大型复杂三维形状的零件成形。该发明的缺点是其成形对象是薄壳简单零件，对于薄板上带有复杂形式筋条的结构件，腹板的变形与筋条的变形相互影响，需要根据成形件结构特点设计合理的成形参数，单纯采用该发明中的线圈按照成形模型轮廓等高线移动的方法并不能实现所需的成形。