一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法与流程

本发明涉及一种金属蒙皮的成形方法，具体涉及一种大尺寸曲面薄壁蒙皮的成形方法。

背景技术：

在航空航天以及武器装备等领域，实现结构的轻量化是追求的最主要目标之一。为了减轻结构的重量，需要在满足使用要求的前提下对构件进行优化设计。例如，在火箭或者导弹上就存在着很多轻量化中空复合结构，如火箭燃料储箱的壁板、导弹的整流罩等。此类轻量化结构通常由曲面壁板和与之配合的薄壁蒙皮共同组成。曲面壁板一般由薄壁腹板和与之相连的加强筋组成，加强筋用于提高壁板的整体刚度。为进一步提高曲面壁板的刚度并实现带加强筋一侧的表面的连续性，需要在离散分布的加强筋的外侧再设置与之配合的薄壁蒙皮。

上述的轻量化中空复合结构，其通常具有较大的尺寸，长度方向尺寸可达数米甚至数十米。为了进一步实现减重，曲面壁板和薄壁蒙皮的材料多采用轻质、高强的铝合金材料，如2024、2219等。其中，曲面壁板通常由壁厚20～50mm的铝合金厚板制成，薄壁蒙皮通常由壁厚2～5mm的铝合金薄板制成。由于用于制造壁板的铝合金厚板和制造蒙皮的铝合金薄板的厚度有很大差异，需要采用不同的成形方法以及单独的模具工装。

目前，曲面壁板的成形方法有压弯、辊弯或冲压等。对于单曲率的圆筒形或者锥筒形壁板，采用压弯或辊弯的方法即可实现其成形。但是对于弯曲半径较小或者尺寸精度要求较高的曲面壁板，采用压弯或辊弯往往无法满足尺寸精度要求，此时就需要采用刚性凸模和刚性凹模进行冲压成形。刚性凸模和刚性凹模需要根据具体的壁板构件的形状尺寸来专门设计制作。

对于薄壁蒙皮，多采用拉形、冲压等方法进行成形。在大尺寸薄壁蒙皮拉形成形时，需采用钳口夹紧矩形金属坯料的边缘，然后在拉形模具的作用下使金属坯料的中部区域发生变形以获得需要的型面形状。由于拉形成形后金属坯料上只有中部局部的区域与模具贴合，周围的其他材料都将作为工艺余料需要切除。因此，拉形方法难以用于具有明显曲面特别是具有双曲率的薄壁蒙皮的成形。此时，需要采用互相配合的刚性凸模和刚性凹模，通过冲压成形获得需要的薄壁蒙皮。

由于冲压成形一般需要加工与待成形零件一一对应的凸模、凹模以及相应的工装，因此模具和工装费用较高，对于大尺寸的构件更是如此。例如，对于长度约3m、宽度1m的曲面壁板和薄壁蒙皮，冲压所用模具和工装的费用达到数十万元甚至数百万元。同时，制作大尺寸的模具和工装需要大型的专用设备，而且需要数周甚至更长的时间才能完成。如何在必须采用冲压成形方法保证构件顺利成形及获得高的成形精度的同时，降低模具和工装的费用，就显得非常重要。

为了解决采用现有冲压方法制造大尺寸曲面壁板和薄壁蒙皮时，因需要分别制作大尺寸的模具和工装而导致构件制造成本高、生产周期长、对模具工装制作设备要求高、对使用设备要求高等问题，需要开发出一种新的大尺寸曲面薄壁蒙皮成形方法。

技术实现要素：

本发明为了解决现有冲压方法制造大尺寸曲面壁板和薄壁蒙皮时，因需要分别制作大尺寸的模具和工装而导致构件制造成本高、生产周期长、对模具工装制作设备要求高、对使用设备要求高等问题，提出一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法。

本发明的技术方案：

一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法，步骤如下：

步骤一、针对曲面壁板与薄壁蒙皮之间的装配关系，提取曲面壁板上加强筋的位置及尺寸特征；

步骤二、假定曲面壁板与薄壁蒙皮之间装配后的厚度为m，以曲面壁板的形状尺寸为基准，确定成形凸模尺寸，并以凸模成形表面尺寸为基准，对成形表面沿法线外侧偏置m厚度，得到凹模内表面特征；

步骤三、根据曲面壁板的厚度，确定离散支撑模具的尺寸与曲面壁板尺寸一致，并以所要求的成形薄壁蒙皮内表面为基准，确定离散支撑模具的成形表面；

步骤四、以曲面壁板上各加强筋的尺寸和分布，将离散支撑模具的数量设置与加强筋数量n一致，离散支撑模具在凸模上的位置与曲面壁板上加强筋的位置一致；

步骤五、根据步骤二和步骤三，加工制作凸模、凹模及n个离散支撑模具；

步骤六、根据步骤四，将n个离散支撑模具固定在凸模上，其连接的相应位置与装配时曲面壁板上的加强筋位置对应；

步骤七、利用组合离散支撑模具后的凸模及凹模，进行曲面薄壁板坯的冲压成形，获得需要的薄壁蒙皮构件。

本发明的有益效果：

(1)本发明的一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法，采用n个离散支撑模具与曲面壁板成形用凸模组合，然后进行薄壁蒙皮的冲压成形，离散支撑模具的位置与曲面壁板上的加强筋的位置相对应，可以保证薄壁蒙皮上与加强筋对应的部分获得足够高的形状尺寸精度，从而实现后续薄壁蒙皮与壁板的可靠连接。

(2)本发明的一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法，采用的n个离散支撑模具与薄壁板坯只是局部接触，薄壁蒙皮上不需要与加强筋进行装配的区域在冲压成形时处于相对自由的状态，可以避免采用整体凸模进行冲压成形时这些区域出现不合理、不可控或多余的变形。

(3)本发明的一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法，采用的离散支撑模具在凸模上的连接位置可以很容易地进行调整，从而可以容易地消除成形过程中可能出现的起皱、翘曲等问题。

(4)本发明的一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法，采用的离散支撑模具可以与凸模进行装配连接，因此很容易更换，通过更换不同的离散支撑模具可以用于不同厚度的薄壁蒙皮的成形。

(5)本发明的一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法，采用的离散支撑模具只需要在局部区域与薄壁板坯接触，因此其形状简单，制造周期短，制造成本大幅降低。

附图说明

图1(a)为曲面壁板示意图；

图1(b)为薄壁蒙皮示意图；

图2为曲面壁板冲压成形示意图；

图3为采用离散支撑模具的大尺寸曲面薄壁蒙皮的成形示意图；

图4为离散支撑模具与曲面壁板成形凸模的装配示意图；

图5为离散支撑模具与薄壁蒙皮的作用示意图。

图中：1曲面壁板；2薄壁蒙皮；3凸模；4曲面壁板；5凹模；6-连接螺栓7凸模；8离散支撑模具；9薄壁蒙皮；10凹模。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：

参见图3说明，一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法，具体步骤如下：

步骤一、针对曲面壁板与薄壁蒙皮之间的装配关系，提取曲面壁板上加强筋的位置及尺寸特征；

步骤二、假定曲面壁板与薄壁蒙皮之间装配后的厚度为m,以曲面壁板的形状尺寸为基准，确定成形凸模尺寸，并以凸模成形表面尺寸为基准，对成形表面沿法线外侧偏置m厚度，得到凹模内表面特征；

步骤三、根据曲面壁板的厚度，确定离散支撑模具的尺寸与曲面壁板尺寸一致，并以所要求的成形薄壁蒙皮内表面为基准，确定离散支撑模具的成形表面；

步骤四、以曲面壁板上各加强筋的尺寸和分布，将离散支撑模具的数量设置与加强筋数量n一致，离散支撑模具在凸模上的位置与曲面壁板上加强筋的位置一致；

步骤五、根据步骤二和步骤三，加工制作凸模、凹模及n个离散支撑模具；

步骤六、根据步骤四，将n个离散支撑模具固定在凸模上，其连接的相应位置与装配时曲面壁板上的加强筋位置对应；

步骤七、利用组合离散支撑模具后的凸模及凹模，进行薄壁板坯的冲压成形，获得需要的薄壁蒙皮构件。

采用n个离散支撑模具与曲面壁板成形用凸模组合，然后进行薄壁蒙皮的冲压成形，离散支撑模具的位置与曲面壁板上的加强筋的位置相对应，可以保证薄壁蒙皮上与加强筋对应的部分获得足够高的形状尺寸精度，从而实现后续薄壁蒙皮与曲面壁板的可靠连接。

实施例2：

参见图4说明，一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法，具体步骤如下：

步骤六中，n个离散支撑模具在凸模上分散布置，支撑模具的分散位置可以根据曲面壁板上加强筋的位置来进行确定，支撑模具的代替加强筋在凸模上进行分布，并且离散支撑模具的支撑模具的分散位置还可以针对成形后薄壁板坯的成形状况进行调整，与实施例1相同。

板材在采用整体模具成形时因板坯上各处的载荷分布不均、接触状态不同，导致成形时易出现起皱、翘曲问题，而各离散支撑模具之间存在一定的距离，通过调整离散支撑模具在凸模上的位置，可以容易地消除成形过程中可能出现的起皱、翘曲等问题。离散支撑模具与凸模装配连接，因此很容易更换，而且还可以通过更换不同的离散支撑模具用于不同厚度的薄壁蒙皮的成形，节约模具的材料和加工成本。

实施例3：

参见图5说明，一种大尺寸曲面薄壁金属蒙皮的成形方法，具体步骤如下：

在步骤六中，离散支撑模具与凸模可以使用螺栓进行有效连接，且离散支撑模具是由多个具有表面形状、尺寸要求的小模具组合而成。其他步骤采用的每一个离散支撑模具是由多个小模具块组合而成，相邻小模具块之间存在间隙。其他步骤，与具体实施方式一相同。

传统冲压成形过程中，大部分模具采用的是整体形式，易产生局部接触应力过大，产生多余变形。由多个小模具块组合成的离散支撑模具与薄壁板坯只是局部接触，薄壁蒙皮上不需要与加强筋进行装配的区域都处于相对自由的状态，可以避免采用整体凸模进行成形时这些区域出现不合理、不可控或多余的变形。