一种拓扑结构壁板增材热压气胀复合成形方法
技术领域
本发明属于精密钣金加工技术领域，特别涉及一种拓扑结构壁板增材热压气胀复合成形方法。
背景技术
钛合金、铝合金因具有优异的使用性能，在航空航天、轨道交通、武器装备等领域应用十分广泛。在航空航天领域，拓扑结构壁板类零部件产品的整体化、轻量化程度越来越高，制造精度要求也越来越高。在板料成形领域，拓扑结构壁板常用制造方法主要有冷压成形、铸造成形和直接增材成形。冷压成形不但尺寸精度难以达到要求，型面精度也难以控制，通常后续需要大量的手工校形，成形周期长，并且容易产生回弹、起皱和开裂等缺陷。另外，在冷成形过程中，壁厚不均匀会导致加强筋之间壁薄部分下陷。铸造成形方法受材料种类限制，拓扑结构壁板类零件铸造困难，后续仍需要大量机械加工，加工成本高，制备周期长。直接增材成形，虽然能制造复杂拓扑结构，但成形效率低，型面控制难，加工成本高。
发明内容
鉴于以上分析，本发明旨在提供一种拓扑结构壁板增材热压气胀复合成形方法，用以解决现有技术加工的零件整体性差、外形精度控制困难或成本较高的缺点。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种拓扑结构壁板增材热压气胀复合成形方法，包括以下步骤：
步骤1.根据需要成形的拓扑结构壁板外形尺寸、加强筋位置和拓扑结构形式，确定出热压成形所需的拓扑结构壁板坯料的加强筋和拓扑结构位置；
步骤2.根据步骤1中确定的拓扑结构壁板坯料的加强筋和拓扑结构位置通过增材制备出拓扑结构壁板坯料；
步骤3.根据需要成形的拓扑结构壁板外形尺寸，制作拓扑结构壁板热压成形模具；
步骤4.将步骤3制作的热压成形模具加热至热压成形温度后，把步骤2制备的拓扑结构壁板坯料放于热压成形模具的型腔内，上模逐渐向下模运动，拓扑结构壁板坯料在热压成形模具型腔内逐渐变形，直至上模和下模闭合即合模完全，拓扑结构壁板坯料热压成形完毕；
步骤5.步骤4热压成形后拓扑结构壁板坯料与上模之间形成一个密闭型腔，上模设有通气孔，通过通气孔将密闭型腔与外界气源连通，向密闭型腔通气加压校形，使拓扑结构壁板加强筋之间的曲面部位形成光滑曲面。
进一步的，步骤1中的拓扑结构形式为四面体结构、金字塔结构或金刚石结构。
进一步的，拓扑结构壁板材料为铝合金或钛合金。
进一步的，步骤2中的增材方法为选区熔化法、直接熔融沉积法或电弧增材法。
进一步的，步骤3中，对铝合金拓扑结构壁板坯料热压成形模具的型腔进行适当放大加工，使热压成形模具型腔尺寸适当放大量为需要成形的拓扑结构壁板的外形尺寸的3‰～7‰。
进一步的，步骤3中，对钛合金拓扑结构壁板坯料热压成形模具的型腔进行适当缩小加工，使热压成形模具型腔尺寸适当缩小量为需要成形的拓扑结构壁板的外形尺寸的3‰～7‰。
进一步的，步骤4中，铝合金拓扑结构壁板坯料热压成形温度为420～520℃，上模向下模运动速度为1～10mm/s。
进一步的，步骤4中，钛合金拓扑结构壁板坯料热压成形温度为880～930℃，上模向下模运动速度为1～10mm/s。
进一步的，步骤5中，加压校形最终的气体压力为0.1～3MPa，保压10-30min。
进一步的，铝合金拓扑结构壁板坯料热压成形温度为420～460℃。
与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：
1)本发明所成形的拓扑结构壁板，整体性好，零件尺寸精度达到GB/T 1804-m，型面精度达到±0.2mm，且表面质量较高。本发明采用增材+热压成形+气胀校形组合工艺成形拓扑结构壁板，解决了此类零件在常规的冷冲压或机械加工中尺寸精度和型面精度难以控制的问题，改善了零件的表面质量，避免了铸造加工中超重问题。
2)本发明采用热压成形，可以有效避免冷成形工艺中回弹、起皱和开裂等缺陷的产生。
3)采用气胀校形，可以实现零件的近净成形，能有效减少后续加工量，避免后续手工校形，提高效率20％以上，降低成本10％以上，保证了零件尺寸精度、型面精度以及表面质量要求。
4)本发明与直接增材制备相比，加工效率提高20％以上，型面精度容易控制，残余应力低。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
图1为拓扑结构壁板示意图；
图2为热压成形拓扑结构壁板坯料示意图；
图3为拓扑结构壁板热压成形模具示意图；
图4为拓扑结构壁板热压、充气过程示意图。
附图标记：
1-上模；2-通气孔；3-拓扑结构壁板坯料；4-下模；5-四面体结构；6-金字塔结构；7-金刚石结构。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种拓扑结构壁板增材热压气胀复合成形方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
一种拓扑结构壁板增材热压气胀复合成形方法，包括以下步骤：
步骤1.根据需要成形的拓扑结构壁板外形尺寸、加强筋位置和拓扑结构形式，确定出热压成形所需的拓扑结构壁板坯料的加强筋和拓扑结构位置；
步骤2.根据步骤1中确定的拓扑结构壁板坯料的加强筋和拓扑结构位置通过增材制备出拓扑结构壁板坯料；
步骤3.根据需要成形的拓扑结构壁板外形尺寸，制作拓扑结构壁板热压成形模具；
步骤4.将步骤3制作的热压成形模具加热至热压成形温度后，把步骤2制备的拓扑结构壁板坯料放于热压成形模具的型腔内，上模逐渐向下模运动，拓扑结构壁板坯料在热压成形模具型腔内逐渐变形，直至上模和下模闭合即合模完全，拓扑结构壁板坯料热压成形完毕；合模完全后保压10-30min，保压时间太短会有回弹，保压时间太长则会造成材料性能下降；
步骤5.步骤4热压成形后拓扑结构壁板坯料与上模之间形成一个密闭型腔，上模设有通气孔，通气孔连接型腔内和外界，通过上模的通气孔将密闭型腔与外界气源连通，向密闭型腔通气加压校形，使拓扑结构壁板加强筋之间的曲面部位形成光滑曲面。
本发明采用增材+热压成形+气胀校形组合工艺成形拓扑结构壁板，解决了此类零件在常规的冷冲压或机械加工中尺寸精度和型面精度难以控制的问题，改善了零件的表面质量，避免了铸造加工中超重问题；通过增材制造拓扑结构壁板平板，先采用热压成形，可以有效避免冷成形工艺中回弹、起皱和开裂等缺陷的产生；后采用气胀校形，保证了零件尺寸精度、型面精度以及表面质量要求；与直接增材制备相比，加工效率高，型面精度容易控制，残余应力低。
步骤1中的拓扑结构形式可以是但不限于四面体结构5、金字塔结构6或金刚石结构7。
步骤2中的增材方法可以是但不限于选区熔化法、直接熔融沉积法或电弧增材法。
拓扑结构壁板材料可以是但不限于铝合金或钛合金。
当拓扑结构壁板材料为铝合金时，步骤3中，对铝合金拓扑结构壁板坯料热压成形模具的型腔进行适当放大加工，使热压成形模具型腔尺寸适当放大量为需要成形的拓扑结构壁板的外形尺寸的3‰～7‰，缩小量过大或过小尺寸精度达不到±0.3mm要求。步骤4中，铝合金拓扑结构壁板坯料热压成形温度为420～520℃，温度过低会有回弹，温度过高材料性能下降，上模向下模运动速度为1～10mm/s，速度过快，零件易开裂，速度过慢，加工效率低，优选的，为1～5mm/s。
当拓扑结构壁板材料为钛合金时，步骤3中，对钛合金拓扑结构壁板坯料热压成形模具的型腔进行适当缩小加工，使热压成形模具型腔尺寸适当缩小量为需要成形的拓扑结构壁板的外形尺寸的3‰～7‰，缩小量过大或过小尺寸精度达不到±0.3mm要求。步骤4中，钛合金拓扑结构壁板坯料热压成形温度为880～930℃，温度过低有回弹，温度过高材料性能下降，上模向下模运动速度为1～10mm/s，速度过快，零件易开裂，速度过慢，加工效率低，优选的，为1～5mm/s。
步骤5中，通气时加载气体的速率为0.01～1MPa/min，加载速率过低会使得效率过低，加载速率过高会造成局部破裂。最终的气体压力为0.1～3MPa，保压10-30min。
采用本发明方法制备的铝合金拓扑结构壁板尺寸精度为±0.3mm，型面精度±0.5mm，表面粗糙度Ra3.2以下，比现有方法制造成本降低10％以上，加工效率提高20％以上。
优选的，铝合金拓扑结构壁板坯料热压成形温度为420～460℃，成形温度较低，所需升温时间变短，从而使得成本降低。可使铝合金拓扑结构壁板成形成本比现有技术降低20％以上。
本发明还有一种优选方案，在步骤5所述加载的气体压力为1～3MPa，压力较大，贴模效果好，使得精度提高可使铝合金拓扑结构壁板成形尺寸精度提高到±0.2mm以上，使航天飞行器有更优异的气动外形，有利于航天飞行器的姿态控制。
实施例1
本实施例要成形的拓扑结构壁板，如图1所示，包括曲面壁板以及曲面壁板内型面上的加强筋，加强筋纵横交替且均匀分布，形成的筋格之间为拓扑结构(加强筋部分为实心，加强筋下方无拓扑结构)，曲面壁板包括内型面、拓扑部分和外型面，内型面设置有开口(每个筋格内的拓扑结构部分均设置有一个开口)，使得拓扑部分所在的空间可与上模形成密闭型腔。曲面壁板的外型面为光滑曲面。外型面为锥形面，小端圆弧半径R400mm，小端圆弧弧长464mm，大端圆弧半径R500mm，大端圆弧弧长574mm，曲面壁板长度(即小端圆弧端与大端圆弧端之间的垂直距离)为656mm。拓扑结构壁板最厚的部位为边缘和设置有加强筋的位置，厚度为9mm，最薄部位在加强筋之间厚度为3mm。优选的加强筋宽度5mm-10mm，高度4mm～6mm，横纵各有3条，均匀分布。筋格之间为四面体拓扑结构，拓扑结构壁板材料为5A06铝合金。
具体成形方法包括以下步骤：
步骤1.进行平面展开：根据需要成形的拓扑结构壁板外形尺寸和加强筋的相对位置，确定出热压成形所需的拓扑结构壁板坯料的加强筋和拓扑结构位置：此时拓扑结构壁板坯料的小端圆弧半径是R2762mm，弧长464mm；大端圆弧半径R3417mm，弧长574mm；拓扑结构壁板坯料长度(即小端圆弧端与大端圆弧端之间的垂直距离)为656mm。根据需要成形的拓扑结构壁板上加强筋的相对位置确定加强筋在平面展开图中的位置，如图2所示。
步骤2.根据步骤1确定的加强筋和拓扑结构在平面展开图中的位置通过增材制备出相应拓扑结构壁板坯料3。
步骤3.制作成形模具：设计制作需要成形的拓扑结构壁板热压成形模具时，要按照铝合金需要成形的拓扑结构壁板尺寸进行放大加工，放大系数选取为5‰。热压成形模具包括上模1和下模4，上模1上设置有用于与外界气源连接的通气孔2。
步骤4.热压成形：将步骤3中设计制备的热压成形模具加热至475℃，把步骤2制备的拓扑结构壁板坯料3放于热压成形模具上模1、下模4之间，如图3所示。上模1逐渐向下运动，速度为3mm/s，拓扑结构壁板坯料3在热压成形模具中逐渐变形，直至上模1和下模4合模完全，即拓扑结构壁板坯料3热压成形完毕。
步骤5.充气校形：步骤4完成后，拓扑结构壁板坯料3与上模1之间形成一个密闭型腔，如图4所示。通过上模1的通气孔2将密闭型腔与外界气源连通，以0.05Mpa/min向密闭型腔通气加压校形，最终气体压力为1MPa，保压20min，使加强筋之间可能下陷的薄壁部位逐渐恢复。
实施例2
本实施例要成形的拓扑结构壁板，结构与实施例1相同，拓扑结构壁板材料为TA15钛合金。
具体成形方法包括以下步骤：
步骤1.进行平面展开：根据需要成形的拓扑结构壁板外形尺寸和加强筋的相对位置，确定出热压成形所需的拓扑结构壁板坯料的加强筋和拓扑结构位置：此时拓扑结构壁板坯料的小端圆弧半径是R2762mm，弧长464mm；大端圆弧半径R3417mm，弧长574mm；拓扑结构壁板坯料长度(即小端圆弧端与大端圆弧端之间的垂直距离)为656mm。根据需要成形的拓扑结构壁板上加强筋的相对位置确定加强筋在平面展开图中的位置，如图2所示。
步骤2.根据步骤1确定的加强筋和拓扑结构在平面展开图中的位置通过增材制备出相应拓扑结构壁板坯料3。
步骤3.制作成形模具：设计制作需要成形的拓扑结构壁板热压成形模具时，要按照铝合金需要成形的拓扑结构壁板尺寸进行放大加工，缩小系数选取为5‰。热压成形模具包括上模1和下模4，上模1上设置有用于与外界气源连接的通气孔2。
步骤4.热压成形：将步骤3中设计制备的热压成形模具加热至905℃，把步骤2制备的拓扑结构壁板坯料3放于热压成形模具上模1、下模4之间，如图3所示。上模1逐渐向下运动，速度为3mm/s，拓扑结构壁板坯料3在热压成形模具中逐渐变形，直至上模1和下模4合模完全，即拓扑结构壁板坯料3热压成形完毕。
步骤5.充气校形：步骤4完成后，拓扑结构壁板坯料3与上模1之间形成一个密闭型腔，如图4所示。通过上模1的通气孔2将密闭型腔与外界气源连通，以0.07Mpa/min向密闭型腔通气加压校形，最终气体压力为2MPa，保压10min，使加强筋之间可能下陷的薄壁部位逐渐恢复。
对比例
现有制造方法主要有冷冲压+机械加工或增材制造，与本发明对比如下：
表1本发明与现有技术制备的拓扑结构壁板性能
本发明采用热压成形，可以有效避免冷成形工艺中回弹、起皱和开裂等缺陷的产生。采用气胀校形，可以实现零件的近净成形，能有效减少后续加工量，避免后续手工校形，提高效率20％以上，降低成本10％以上，保证了零件尺寸精度、型面精度以及表面质量要求。
增材制造只适用于单个工件的制备，当批量制备时加工时间和单个制备时基本相同。本发明与直接增材制备相比，加工时间缩短，加工效率提高20％以上，残余应力低，当采用本发明方法进行批量制备时，加工时间可缩短至1h左右，加工效率可提高70％以上。
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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
