一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法技术

一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，它涉及一种制造多层空心结构的方法，以解决现有的制造多层空心结构的方法中存在的问题，提高多层空心结构的轻量化程度，扩展多层空心结构的应用范围，该方法的主要步骤是：步骤一、结构设计；步骤二、工艺设计；步骤三、预制坯制备，将蒙皮坯料和芯管坯料成形至所需要的蒙皮预制坯和芯管预制坯；步骤四、组装，将成形好的蒙皮预制坯和芯管预制坯按照多层空心结构及分解结构的设计，组装成相应的组装结构；步骤五、连接，通过连接方法将获得的组装结构中的蒙皮预制坯和芯管预制坯相互连接成一个整体连接件。本发明专利技术用于多层空心结构制造。

Method for manufacturing multilayer hollow structure by using closed section tube blank

A method for manufacturing a multilayer hollow closed section tube structure used, it relates to a method for manufacturing a multilayer hollow structure, in order to solve the existing manufacturing method of multilayer hollow structure of the existing problems in improving the degree of lightweight multilayer hollow structure, expand application range of node multilayer hollow structure, the main steps of the method is step one: structural design; step two, process design; step three, preform preparation, the skin and core tube blank blank forming to the desired preform skin and core tube preform; step four, assembly, forming good skin and core preform design according to multilayer hollow structure and structure decomposition the preform tube into the assembled structure of the corresponding; step five, connection, assembly structure will be obtained by the method of connecting the skin preform and the core pipe are connected into a preform A whole piece of connection. The invention is used for making multilayer hollow structures.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制造多层空心结构的方法，具体涉及一种采用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法。
技术介绍
多层空心结构具有质量轻、刚度大等突出优点，在航空航天和国防领域中得到了大量应用。但是，由于多层空心结构具有复杂的截面形状和内部结构，对成形设备、工艺条件以及原材料等提出很高要求，而且生产效率低、成本高，这在很大程度上限制了多层空心结构的广泛应用。多层空心结构一般分为外层蒙皮和内部夹层两部分，外层蒙皮和内部夹层通过合适的方法连接成整体。外层蒙皮一般是采用薄壁板材，通过模具压制或胀形等方法获得需要的曲面形状，制备方法相对成熟。内部夹层通常为桁架结构或者蜂窝板结构，可以通过机械加工、铸造成形或胶粘等方法来制备。多层空心结构的综合性能不仅依赖于蒙皮和夹层所采用的材料，还取决于内部夹层的具体结构形式以及蒙皮与夹层的连接效果。因此，通过优化夹层结构，提高蒙皮和夹层的加工精度以及保证蒙皮与夹层的连接效果，可以显著提高多层空心结构的质量和性能。多层空心结构的传统制造方法为：蒙皮和夹层焊接(或铆接)方法。其中，蒙皮采用薄壁板材模具冲压成形，为了得到复杂的外形经常需要将蒙皮分块成形后拼接，导致蒙皮整体性差；夹层采用铸造、机械加工等方法成形，工艺复杂而且结构超重。此外，蒙皮和夹层在焊接、焊后热处理或者铆接过程中容易产生变形，多层空心结构的外形及尺寸精度难以保证。随着多层空心结构对产品性能、轻量化程度等方面要求的提高，传统制造方法已经不能满足实际需要。目前，在多层空心结构制造领域得到了迅速发展和广泛应用的方法是超塑成形/扩散连接方法，其已经成为推动现代航空航天结构设计概念发展和突破传统钣金成形方法的先进制造技术。超塑性能是指多晶体材料在合适的温度和应变速率下呈现出很高的拉伸应变能力(延伸率超过100％，甚至达到1000％)。超塑成形则是利用材料超塑性能成形复杂大变形零件的一种先进成形方法。扩散连接是在保证不引起被连接工件塑性变形的压力和低于被连接工件熔点的温度条件下，使接触面通过原子间相互固态扩散而形成连接的一种焊接方法。对于某些合金而言，超塑成形和扩散连接的技术条件和工艺参数具有兼容性。把两种工艺组合在一个温度循环中，同时实现成形和连接即超塑成形/扩散连接方法，可制备出利用常规工艺难以制备的复杂形状的整体结构件。超塑成形/扩散连接方法成形多层空心结构具有以下优点：1)利用材料超塑性能可成形外形很复杂的结构件；2)外层蒙皮和内部夹层整体成形，结构件整体性好；3)连接质量好。扩散连接接头的显微组织和性能与母材接近或相同；4)零件变形小。零件多数是整体加热，随炉冷却，零件整体变形很小；5)可加工大型零件。成形和焊接压力较低，在加工大型零件时所需设备的吨位不高，易于实现。然而，超塑成形/扩散连接方法在实际应用中仍然存在着许多不足：1)材料性能要求高，需要具有超塑性能；2)扩散连接对待连接表面的处理和装配要求高；3)热循环时间长，在某些情况下会产生一些副作用，如晶粒可能过度长大；4)蒙皮或夹层的变形程度不均匀，局部变形量大，导致壁厚分布不均；5)蒙皮的成形受到夹层的影响，易形成皱纹、凹陷等缺陷；6)夹层结构设计需考虑夹层从二维平板结构变成三维空间结构时需要的大塑性变形，较为复杂；7)上下两层蒙皮间距较大的空心结构需要采用4层(或更多)结构，工艺难度大且成形质量难以保证。8)考虑到飞行器服役过程中不同部位所处的或所能达到的极端温度条件不尽相同，外层蒙皮和内部夹层常需要采用异种材料(如采用高温合金和钛合金)。由于异种材料之间的成形和连接条件各不相同，通过该方法难以实现异种材料多层结构的成形。
技术实现思路
本专利技术提出一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，以解决现有的制造多层空心结构的方法中存在的问题，进一步提高多层空心结构的轻量化程度，扩展多层空心结构的应用范围，在本专利技术中，多层空心结构的外层蒙皮和内部芯管通过封闭截面管坯成形，蒙皮和夹层分别成形后，通过适当的连接方法将外层蒙皮和内部芯管连接成整体多层空心结构，其中，内部夹层由多个封闭截面芯管组合而成。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法是按照以下步骤实现：步骤一、结构设计，根据最终结构的承载条件和技术要求，基于封闭截面管坯设计出合理的多层空心结构及其分解结构；步骤二、工艺设计，根据所设计的多层空心结构及其分解结构，确定外层蒙皮和内部夹层芯管预制坯坯料和相应的成形工艺、以及外层蒙皮与芯管组装连接工艺，蒙皮坯料采用板坯或较大直径的圆截面管坯，芯管坯料选择较小直径的圆截面管坯；步骤三、预制坯制备，将蒙皮坯料和芯管坯料成形至所需要的蒙皮预制坯和芯管预制坯；步骤四、组装，将成形好的蒙皮预制坯和芯管预制坯按照步骤一中的总体结构及分解结构，组装成相应的组装结构；步骤五、连接，通过连接方法将获得的组装结构中的蒙皮预制坯、芯管预制坯相互连接成一个整体连接件，得到所需要的多层空心结构。本专利技术具有以下有益效果：(1)将多层平板的整体一次成形，转化为蒙皮和单个封闭截面芯管的分散成形，然后再通过相对简单的方法将蒙皮和芯管组装到一起构成多层空心结构，通过化整为零(散)，化繁为简，使整个结构的制造从以往的整体复杂成形和连接相互耦合，转化为单个结构的简单成形及后续的简单组装，整个工艺更加灵活、高效，便于实现大批量生产。(2)将多层平板的整体一次成形，转化为蒙皮和单个封闭截面芯管的分散成形，由于单个芯管管坯可以通过胀形等方法获得复杂的形状，所以多层空心结构整体设计和优化的自由度很大，可以成形出更加灵活、多样的多层空心结构。(3)将多层平板的整体一次成形，转化为蒙皮和单个封闭截面芯管的分散成形，单个芯管结构的成形相对独立，可以采用最为合理的成形方法，成形精度高、壁厚均匀性好，解决了传统超塑成形/扩散连接过程中无法有效控制局部成形过程及壁厚分布的难题。(4)将多层平板的整体一次成形，转化为蒙皮和单个封闭截面芯管的分散成形，蒙皮坯料和芯管坯料能够通过钎焊或激光焊进行组装，进而实现异种材料多层结构的成形，解决了传统超塑成形或扩散连接无法用于异种材料多层结构成形的难题。(5)将多层平板的整体一次成形，转化为单个芯管封闭管坯的成形，避免从二维平板结构直接变成三维空间结构时需要的大塑性变形，所以并不要求所用的材料具有特别好的塑性变形能力。(6)由外层蒙皮和多个封闭截面芯管组成复杂的多层空心结构，蒙皮与芯管、芯管与芯管之间的连接是在待连接表面基本贴合的情况下进行的，彼此配合更加合理，连接过程中也不存在明显的界面移动，这将有效避免超塑成形/扩散连接方法因成形和连接过程的相互影响而造成的局部未焊合、孔洞以及界面移动等现象，从而获得更高的连接质量。(7)由外层蒙皮和多个封闭截面芯管组成复杂的多层空心结构，在连接前可以对蒙皮和单个芯管的表面进行必要的处理以保证获得理想的连接效果，这就避免了超塑成形/扩散连接的过程中材料连续在高温下停留太长时间所发生的表面氧化等对界面连接的影响。(8)采用封闭截面的管坯成形外层蒙皮，实现了上、下层蒙皮的整体化，整体蒙皮可以对内部芯管结构提供更好的约束，从而可以获得更好的整体刚度和抗疲劳性能，延长多层空心结构的使用寿命。(9)为提高多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：步骤一、结构设计，根据最终结构的承载条件和技术要求，基于封闭截面管坯设计出合理的多层空心结构及其分解结构；步骤二、工艺设计，根据所设计的多层空心结构及其分解结构，确定外层蒙皮和内部夹层芯管预制坯坯料和相应的成形工艺、以及外层蒙皮与芯管组装连接工艺，蒙皮坯料(1)采用板坯或较大直径的圆截面管坯，芯管坯料(2)采用较小直径的圆截面管坯；步骤三、预制坯制备，将蒙皮坯料(1)和芯管坯料(2)成形至所需要的蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)；步骤四、组装，将成形好的蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)按照步骤一的多层空心结构及分解结构的设计，组装成相应的组装结构(5)；步骤五、连接，通过连接方法将获得的组装结构中的蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)相互连接成一个整体连接件(7)，得到所需要的多层空心结构(10)。

【技术特征摘要】
1.一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：步骤一、结构设计，根据最终结构的承载条件和技术要求，基于封闭截面管坯设计出合理的多层空心结构及其分解结构；步骤二、工艺设计，根据所设计的多层空心结构及其分解结构，确定外层蒙皮和内部夹层芯管预制坯坯料和相应的成形工艺、以及外层蒙皮与芯管组装连接工艺，蒙皮坯料(1)采用板坯或较大直径的圆截面管坯，芯管坯料(2)采用较小直径的圆截面管坯；步骤三、预制坯制备，将蒙皮坯料(1)和芯管坯料(2)成形至所需要的蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)；步骤四、组装，将成形好的蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)按照步骤一的多层空心结构及分解结构的设计，组装成相应的组装结构(5)；步骤五、连接，通过连接方法将获得的组装结构中的蒙皮预制坯(3)和芯管预制坯(4)相互连接成一个整体连接件(7)，得到所需要的多层空心结构(10)。2.根据权利要求1所述一种利用封闭截面管坯制造多层空心结构的方法，其特征在于：它还包括二次整形步骤，对于外形和内部结构复杂的多层空心结构(10)，将得到的组装结构(5)先放入整体预成形模具中，在外部刚性模具和/或内部压力的共同作用下使组装结构发生变形，最终得到二次整形件蒙皮(6-1)和二次整形件芯管(6-2)，然后进行步骤五操作。3.根据权利要求2所述一种利用封闭截面管坯制造多层空...

【专利技术属性】
技术研发人员：何祝斌，苑世剑，凡晓波，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23