用于坯料超塑性成形的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于將坯料(16)在具有下模(14)和上模(12)的模具(20)中超塑性成形為一個部件(特別是具有三維幾何形狀的抽吸部件(46，54))的裝置，其中坯料(16)在模具中為了成形能夠承受壓力和溫度，并且坯料(16)在至少一些區(qū)域中具有穿孔(18)。根據本發(fā)明，下模(14)至少部分地形成有可滲透的、特別是透氣的排泄層(28)。由于具有該透氣的排泄層(28)，在部件的超塑性成形工藝過程中，特別是在成形飛機的有效的空氣動力學表面的、具有復雜三維空間形狀和至少一些區(qū)域具有穿孔(56)的抽吸部件(46，54)時，至少一些區(qū)域內具有穿孔(18)的坯料(16)可以直接成形，即無需進一步的輔助手段，例如如密封等和/或輔助生產操作手段。特別地，該裝置10可以使得能夠采用簡單、廉價且可靠的工藝來生產，其適合對在至少一部分區(qū)域具有球面彎曲的這種部件進行大規(guī)模生產。
【專利說明】用于坯料超塑性成形的裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在由下模和上模組成的模具中將坯料超塑性成形為部件(特別是具有三維幾何形狀的抽吸部件)的裝置，其中為了模具中的坯料成形能夠承受壓力和溫度，而且該坯料在至少一些區(qū)域中具有穿孔。
【背景技術】
[0002]為了使飛機的燃料消耗最小化，特別是對于客機，目標是在有效的空氣動力學表面上盡可能保持層流。這樣的空氣動力學表面例如是機翼、水平尾翼單元、垂直尾翼單元、著陸襟翼、方向舵、升降舵和飛機結構的其他區(qū)域。這是由于在表面附近的具有旋流的湍流區(qū)極大地增加了飛機的阻力且削弱了能量效率。然而，不是飛機的所有結構區(qū)都可以被設計為使得氣流在所有的操作條件下都具有層流分布。
[0003]為了使旋流最小化，特別是在這種有效的空氣動力學表面區(qū)域附近，可以使用抽吸裝置。通過抽吸來除去的原理在幾十年前已經就為已知的技術，其中的確已經獲得了驗證的功能。然而，具體地迄今為止已經存在的主要問題在于生產期間復雜的操作，這仍然妨礙了該技術在民用航空中的任何廣泛使用。在其相關的入射流表面區(qū)域中，此抽吸部件具有例如微小穿孔，通過該穿孔，部分氣流被泵元件抽走，并且通過這種方式，構成局部壓力略微降低為了減少湍流。然而，該部件需要具有非常復雜的三維表面幾何形狀的有效空氣動力學表面，其通常只能通過復雜的工藝來制造。此時，超塑性成形方法(SPF)為已知的工藝，但到目前為止在生產期間是復雜的，且在單獨的情況中使用。在超塑性成形方法中，具有初始近似平面的部件通過多部分模具并在施加一定的壓力和溫度參數下成形。施加的溫度取決于成形的金屬或合金，可達到高達1000°C的值。模具中超塑性成形工藝所需的成形壓力優(yōu)選通過氣體或者惰性氣體產生。這里相對于初始材料的尺寸，長度方向的延伸可達到100%，其中由于超塑性的優(yōu)點，沒有頸縮或者裂紋產生并且保持了均勻的壁厚。超塑性成形方法的一個缺點在于為了形成足夠的成形壓力，初始材料必須為不透氣的。由于此原因，由此可見，利用已知的超塑性成形工藝來制造具有復雜形狀的抽吸部件時，需要在之后的步驟中引入穿孔，這顯著增加了生產工藝的復雜性。
[0004]DE44 36 748C1公開了一種內部加固中空部件的超塑性成形方法，其中在其壁內的至少一些區(qū)域具有穿孔。
[0005]在該方法中，在超塑性成形工藝中已經使得被成形的初始材料被穿孔。然而，為了在模具中能夠形成所需的成形壓力，在成形過程中穿孔中的洞借助于鑰箔臨時覆蓋。該方法的一個缺點在于在成形過程完成之后施加到穿孔的鑰箔必須用很復雜的方式以化學方法除去，從而保證該成形的抽吸部件的微穿孔的透氣性。

【發(fā)明內容】

[0006]因此，本發(fā)明的目的是提供一種裝置，該裝置使得能夠將初始基本平面狀的、在至少一些區(qū)域內已經設有穿孔和/或開口的坯料通過超塑性成形工藝直接成形成(即，無需額外輔助手段和/或進一步的生產操作)具有復雜三維形狀的部件，超塑性成形工藝在生產過程期間被大大簡化。
[0007]該目的可以通過具有權利要求1的所述特征的裝置來實現。
[0008]其中，下模被設計為至少一些部分為可滲透的、特別是透氣的排泄層，至少一些區(qū)域也具有穿孔的坯料可以直接進行超塑性成形，無需輔助手段，例如，如密封等。為了在裝置中生成所需成形壓力，要使用氣體或惰性氣體，例如，如氬氣、氖氣或類似氣體。利用超塑性成形的坯料，當加熱到高達1000°c的高溫時，僅需相對較低的壓力用于成形工藝。初始基本平面狀的板狀坯料優(yōu)選由鋁、鋁合金、鈦、或鈦合金形成。坯料也可采用具有兩個表面層的夾層結構，而加強結構或芯部結構將它們連接。在理想狀況下，成形工藝完成之后，坯料具有和下模限定的形狀完全一致的表面形狀，并且因此抵靠在下模上。
[0009]如果需要，下模可被構造為完全的可滲透的。在這種情況下，整個下模都由排泄層構成。
[0010]根據對提供的該裝置進行的有利的改進，上模連接有用于氣體的供應單元。
[0011]該供應單元使得位于坯料上部的型腔承受加壓氣體，從而可以進行超塑性成形工藝。該供應單元包括其他的部件，適于用于抽吸氣體的泵，并且如果需要，還包括加熱單元，用于將氣體加熱到所需的成形溫度。
[0012]在該裝置的進一步構造中，排泄層與氣體抽吸單元連接。通過該抽吸單元，經過坯料穿孔的氣體從位于坯料下部的型腔中被抽出。該抽吸單元同樣采用泵的形式，其適合用于抽吸氣體。
[0013]根據該裝置的改進，通過抽吸單元，至少一定容積流量的氣體可經過該穿孔通過抽吸被除去。
[0014]通過這種方式，在坯料上方的型腔中總是普遍是正氣壓總，這對于坯料的超塑性成形工藝基本是首先需要的。在成形過程中，抽吸單元的抽吸能力至少必須足夠高，使得在理想狀況下經過坯料穿孔的一定的氣體容積流量被完全除去。受到穿孔限制的容積流量(被稱為“泄流”)除其他外還依賴于坯料穿孔的多個性質，例如，如開口或洞的尺寸，穿孔的表面范圍，以及開口的網格間距，即洞密度。而且，如受穿孔限制的那樣的容積流量，也依賴于供應單元的抽吸能力與抽吸單元的抽吸能力的比值。供應單元抽吸能力與抽吸單元抽吸能力的比值優(yōu)選選擇為使其可以保證在超塑性成形工藝中坯料上方的型腔中有足夠高的(成形)氣壓并且使得該氣壓可被保持，即保持恒定。其結果是，在上型腔壓力Pi和下型腔壓力P2之間調整為一個靜態(tài)平衡，除其他外，其還為穿孔構造、供應單元和抽吸單元抽吸能力的函數，盡管在超塑性成形工藝期間，限定容積流量的氣體總是流經該裝置。
[0015]在提供的該裝置的改進中，排泄層被形成為具有表面結構，特別是具有細小網狀織物。
[0016]在理想狀況下，通過穩(wěn)定經過坯料穿孔的氣流的抽吸作用，使得排泄層能夠均勻除去。表面結構例如可以被成形為具有細小網格，優(yōu)選金屬“微織物”，其至少在一些區(qū)域位于下模的內表面上，并且如果需要，還可以與下模固定連接。還可使用金屬線墊、另一種極為細小的線排列，或微穿孔箔板來取代狹窄網格金屬織物。
[0017]根據本裝置的進一步的構造，排泄層由可滲透材料形成，特別是燒結材料形成。
[0018]用于該目的的合適的物質例如是燒結金屬或陶瓷材料(陶瓷泡沫)，具有通道或內部互聯洞穴來實現必要的透氣性。
[0019]在本發(fā)明進一步有利的構造中，排泄層結合到下模上的部件。
[0020]通過這種方式，可以保證排泄層在下模中的可靠定位。例如，當坯料從模具中除去時，這樣防止排泄層任何上移、滑動或分離以及任何其他相關的損壞。
[0021]根據本裝置的進一步改進，至少一條用于氣體的供應線與上模連接，該供應線與供應單元連接。
[0022]通過這種方式，在第一種情況下，供應單元和上型腔之間產生了一個連接。在理想情況下，此外，至少一條供應線保證上型腔區(qū)域中的均勻壓力分布。出于該目的，供應線必須在上模中以合適的排布方式來布置。
[0023]在本裝置的進一步有利構造中，下模具有用于氣體的至少一條抽吸線，其與排泄層和抽吸單元連接。
[0024]抽吸線將排泄層與抽吸單元連接以便通過經過坯料下的穿孔的體積流動的抽吸來實現除去。多個抽吸線優(yōu)選根據下模幾何形狀來分布來使用以實現下型腔區(qū)域中盡可能均勻的壓力分布。
[0025]根據進一步的結構構造，下模和/或其他模具具有加熱單元。
[0026]在超塑性成形工藝中，至少一個加熱單元可使得模具的溫度被精確控制。以這種方式，不同材料成分的穿孔坯料可以在同一裝置中超塑性成形，不會有任何問題。
[0027]此外，如果在成形過程結束時坯料與下?；就耆佑|，還避免了坯料冷卻過快。而且，在實際超塑性成形工藝之前還可能對坯料進行預熱。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]在附圖中:
[0029]圖1:示出了用于在至少一些區(qū)域具有穿孔的坯料的超塑性成形裝置的簡化示意圖，其無需任何輔助手段，以及
[0030]圖2:示出了飛機垂直尾翼單元的前緣的示意圖，其與穿孔抽吸部件配合。
[0031]附圖標記列表
[0032]
【權利要求】
1.一種裝置(10)，用于在具有下模(14)和上模(12)的模具(20)中將坯料(16)超塑性成形為一個部件，特別是具有三維幾何形狀的抽吸部件(46，54)，其中，為了成形，坯料(16)在模具中能夠承受壓力和溫度，且該坯料(16)在至少一些區(qū)域具有穿孔(18)，其特征在于，下模(14)至少一部分地形成有可滲透的、特別是透氣的排泄層(28)。
2.根據權利要求1所屬的裝置(10)，其特征在于，上模(12)與用于氣體的供應單元(32)連接。
3.根據權利要求1或2所述的裝置(10)，其特征在于，排泄層(28)與用于氣體的抽吸單元(36)連接。
4.根據權利要求1到3之一所述的裝置(10)，其特征在于，通過抽吸單元(36)，至少經過穿孔(18)的氣體容積流量(38)通過抽吸被除去。
5.根據權利要求1到4之一所述的裝置(10)，其特征在于，排泄層(28)形成有表面結構，特別是具有細網狀織物。
6.根據權利要求1到5之一所述的裝置(10)，其特征在于，排泄層(28)由滲透性材料、特別是燒結材料形成。
7.根據權利要求1到6之一所述的裝置(10)，其特征在于，排泄層(28)是結合到下模(14)上的部件。
8.根據權利要求1到7之一所述的裝置(10)，其特征在于，至少一條用于氣體的供應線(30)與上模(12)連接，該線與供應單元(32)連接。
9.根據權利要求1到8之一所述的裝置(10)，其特征在于，下模(14)具有至少一條用于氣體的供應線(34)，至少一條用于氣體的供應線與排泄層(28)和抽吸單元(36)連接。
10.根據權利要求1到9之一所述的裝置(10)，其特征在于，下模(14)和/或上模(12)具有加熱單元(40，42)
【文檔編號】B21D26/031GK103717324SQ201280025556
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年5月25日 優(yōu)先權日:2011年5月27日
【發(fā)明者】S·弗里爾克 申請人:空中客車德國運營有限責任公司