本發(fā)明屬于材料加工制造領(lǐng)域，涉及伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)與復(fù)合制造方法。

背景技術(shù)：

1、高承載和高機(jī)動(dòng)已經(jīng)成為新型運(yùn)載工具的發(fā)展方向，其承載結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與高承載效率之間的矛盾日益突出。輕量化是新型運(yùn)載工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。可伸縮構(gòu)件在移動(dòng)運(yùn)載工具中有著廣泛的應(yīng)用，它以輕便高強(qiáng)、結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)受到了工程人員的青睞。當(dāng)下常用的可伸縮構(gòu)件基本均為采用機(jī)械加工切削成形，采用此方法成形的構(gòu)件，其側(cè)壁一般為實(shí)體結(jié)構(gòu)，實(shí)體結(jié)構(gòu)存在剛性與輕量化要求矛盾的問題，如是追求剛性則需要壁厚加厚，重量也同樣會(huì)增加，如是追求輕量化需求，質(zhì)量減輕的同時(shí)剛性也會(huì)降低。近些年，隨著輕量化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越成熟，其耗材少、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)也逐漸凸顯出來，在工程領(lǐng)域進(jìn)行了大量的應(yīng)用驗(yàn)證，均取得了很好的效果。拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段的主要設(shè)計(jì)方法，其基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為求解設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)材料的最佳布局問題，從而達(dá)到最優(yōu)化目標(biāo)。增材制造技術(shù)作為一種新概念結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)制造方法，提升了構(gòu)件結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的制造有著相當(dāng)?shù)倪m應(yīng)性，在工程界也有著廣泛的應(yīng)用，也為復(fù)雜的構(gòu)件制造提供了新的技術(shù)路徑。然而，增材制造需要在箱體內(nèi)進(jìn)行，對(duì)構(gòu)件一次成形的尺寸有限制，故構(gòu)件成形完成后需要機(jī)械連接才能達(dá)到最終構(gòu)件的技術(shù)指標(biāo)，但是機(jī)械連接增加了構(gòu)件的質(zhì)量，不符合輕量化的發(fā)展理念。同時(shí)，針對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用的不同其優(yōu)化的路徑與方法與不盡相同，因此，針對(duì)伸縮構(gòu)件的優(yōu)化手段與最終的結(jié)構(gòu)形式有著重要的意義，對(duì)標(biāo)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)所采用的制造手段也需要進(jìn)一步的論證與應(yīng)用驗(yàn)證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)上述提出的構(gòu)件承載能力與輕量化需求相矛盾的問題，本發(fā)明以伸縮構(gòu)件為對(duì)象，提供一種伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)與復(fù)合制造方法。本發(fā)明在設(shè)計(jì)端主要采用輕量化設(shè)計(jì)思路優(yōu)化伸縮構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，在制造端主要基于預(yù)成形再連接的兩步制造技術(shù)，打破了大型構(gòu)件受到尺寸限制難以成形的瓶頸，選用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)開展預(yù)制構(gòu)件的制造，之后通過激光沉積成形方法對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行連接，最后完成最終構(gòu)件產(chǎn)品的裝配成形。本發(fā)明所涉及的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，可以在保證構(gòu)件剛度的情況下有效的降低構(gòu)件的重量，突破了構(gòu)件承載能力與輕量化需求矛盾的問題，解放了設(shè)計(jì)思路，采用激光沉積成形方法對(duì)激光選區(qū)熔化預(yù)制件連接，可有效保證最終構(gòu)件組織性能的一致性。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)為多節(jié)套筒式薄壁結(jié)構(gòu)，套筒裝配成形過程中通過側(cè)壁內(nèi)側(cè)的限位塊定位，單體套筒構(gòu)件的側(cè)壁采用拓?fù)鋬?yōu)化形成夾層構(gòu)型，且側(cè)壁次承力區(qū)采用鏤空拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，達(dá)到構(gòu)件整體減重的目的，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的輕量化需求與承載能力的協(xié)同；在制造過程中針對(duì)超出設(shè)備成形能力的大型單體套筒結(jié)構(gòu)選用激光選區(qū)熔化成形工藝先制造預(yù)制構(gòu)件，而后采用激光沉積成形工藝對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的最終成形。

4、所述的節(jié)套筒式薄壁結(jié)構(gòu)指的是數(shù)節(jié)中空的邊長(zhǎng)不等的長(zhǎng)方形或正方形薄壁構(gòu)件，通過從外到內(nèi)套筒邊長(zhǎng)依次減小的順序組合成套裝結(jié)構(gòu)，且在除最小尺寸套筒外，其余套筒均在構(gòu)件的八個(gè)頂角內(nèi)側(cè)安裝有限位塊，限位塊通過螺栓與套筒壁連接，同時(shí)在除最大套尺寸套筒外，其余套筒在頂部四個(gè)頂角外一體成形有臺(tái)階結(jié)構(gòu)，用于與限位塊配合控制套筒的伸出量；

5、所述的單體套筒構(gòu)件尺寸應(yīng)為除了套筒上下不少于50mm范圍內(nèi)保證緊密貼合外，在中間段均設(shè)置了單邊至少0.2mm的間隙，保證在此中間段范圍內(nèi)的伸縮和收放過程不產(chǎn)生卡滯、干涉現(xiàn)象；

6、所述的單體套筒構(gòu)件側(cè)壁拓?fù)鋳A層構(gòu)形為“薄壁面板+微桁架+薄壁面板”結(jié)構(gòu)，中間層點(diǎn)陣優(yōu)選體心立方單胞結(jié)構(gòu)(正六邊形截面)；

7、所述的次承力區(qū)鏤空拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為內(nèi)填有網(wǎng)狀格柵的三角形構(gòu)型，三角形的三個(gè)角需做倒圓角處理，改善銳角引起的應(yīng)力集中，可以充分利用三角形穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)提升構(gòu)件的剛性，內(nèi)填網(wǎng)狀格柵可以有效的改善三角形鏤空部位的受力行為，提升整體構(gòu)件的承力能力。

8、伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)的復(fù)合制造方法，步驟如下：

9、第一步：預(yù)制構(gòu)件加工

10、所述的預(yù)制構(gòu)件是依據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的大小尺寸，將超出激光選區(qū)成形設(shè)備成形能力的構(gòu)件首先需要分段成形，因此工藝分隔面應(yīng)選在構(gòu)件的中間位置，為后續(xù)連接過程留下夾持空間，且在工藝分隔面兩側(cè)的側(cè)壁用實(shí)體結(jié)構(gòu)替換拓?fù)鋳A層結(jié)構(gòu)，為了避免破壞套筒結(jié)構(gòu)的整體性，工藝分隔面在優(yōu)選構(gòu)件中間位置的同時(shí)還應(yīng)注意避開三角形鏤空特征；

11、第二步：預(yù)制構(gòu)件激光選區(qū)熔化成形

12、所述的預(yù)制構(gòu)件激光選區(qū)熔化成形過程需要在后續(xù)配合區(qū)域表面預(yù)留0.5mm去除余量，且依據(jù)其最突出特征為大面積中空薄壁與微桁架填充，故成形時(shí)應(yīng)將其垂直于基板，以提高主要特征成形精度，減少支撐重量，提高打印速度；

13、第三步：激光沉積成形連接預(yù)制構(gòu)件

14、所述的激光沉積成形連接預(yù)制構(gòu)件是將完成激光選區(qū)熔化工藝預(yù)制構(gòu)件通過設(shè)計(jì)坡口規(guī)格、優(yōu)化連接順序，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件連接過程的變形控制，最終完成預(yù)制構(gòu)件的連接；

15、第四步：對(duì)所有內(nèi)部與外部型面進(jìn)行機(jī)械加工去除加工余量，完成預(yù)制體的制造，而后進(jìn)行組合裝配，最終完成伸縮構(gòu)件的制造。

16、所述的連接坡口設(shè)計(jì)為v型坡口或x型坡口，坡口角度60°，在坡口底端應(yīng)留有1mm的鈍邊，當(dāng)壁后小于10mm時(shí)開v型坡口，當(dāng)壁后大于10mm時(shí)開x型坡口，便于連接時(shí)抑制根部未熔合，并改善受熱變形；

17、所述的連接順序?yàn)閷?duì)邊連接，多層多道逐層填充，完成最終連接。

18、本發(fā)明的有益效果：

19、(1)采用單體套筒側(cè)壁拓?fù)鋳A層構(gòu)形為“薄壁面板+微桁架+薄壁面板”結(jié)構(gòu)，可以有效的提升構(gòu)件的剛性，最大限度的降低構(gòu)件的重量，滿足構(gòu)件承載能力與輕量化需求；

20、(2)采用激光選區(qū)成形預(yù)制件后激光沉積形連接預(yù)制件成形最終單體構(gòu)件的工藝，可以突破成形設(shè)備對(duì)尺寸的限制，還可以最大程度的保證構(gòu)件整體組織性能的一致性，實(shí)現(xiàn)大尺寸構(gòu)件的高品質(zhì)制造。

技術(shù)特征：

1.伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)，其特征在于，整體結(jié)構(gòu)為多節(jié)套筒式薄壁結(jié)構(gòu)，套筒裝配成形過程中通過側(cè)壁內(nèi)側(cè)的限位塊定位，單體套筒構(gòu)件的側(cè)壁采用拓?fù)鋬?yōu)化形成夾層構(gòu)型，且側(cè)壁次承力區(qū)采用鏤空拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

2.如權(quán)利要求1所述的伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的單體套筒構(gòu)件尺寸應(yīng)為除了套筒上下兩端不少于50mm范圍內(nèi)保證緊密貼合外，在中間段均設(shè)置了單邊至少0.2mm的間隙。

3.如權(quán)利要求1或2所述的伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的單體套筒構(gòu)件側(cè)壁拓?fù)鋳A層構(gòu)形為“薄壁面板+微桁架+薄壁面板”結(jié)構(gòu)，中間層點(diǎn)陣選體心立方單胞結(jié)構(gòu)。

4.如權(quán)利要求1或2所述的伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的次承力區(qū)鏤空拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為內(nèi)填有網(wǎng)狀格柵的三角形構(gòu)型，三角形的三個(gè)角需做倒圓角處理。

5.如權(quán)利要求3所述的伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的次承力區(qū)鏤空拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為內(nèi)填有網(wǎng)狀格柵的三角形構(gòu)型，三角形的三個(gè)角需做倒圓角處理。

6.根據(jù)權(quán)利要求1～5任一所述的伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)的復(fù)合制造方法，其特征在于，步驟如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)的復(fù)合制造方法，其特征在于，所述的第三步中，所述的連接坡口設(shè)計(jì)為v型坡口或x型坡口，坡口角度60°，在坡口底端應(yīng)留有1mm的鈍邊，當(dāng)壁后小于10mm時(shí)開v型坡口，當(dāng)壁后大于10mm時(shí)開x型坡口。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的伸縮構(gòu)件輕量化結(jié)構(gòu)的復(fù)合制造方法，其特征在于，所述的第三步中，所述的連接順序?yàn)閷?duì)邊連接，多層多道逐層填充，完成最終連接。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于材料加工制造領(lǐng)域，涉及伸縮構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造。本發(fā)明采用單體套筒側(cè)壁拓?fù)鋳A層構(gòu)形為“薄壁面板+微桁架+薄壁面板”結(jié)構(gòu)，可以有效的提升構(gòu)件的剛性，最大限度的降低構(gòu)件的重量，滿足構(gòu)件承載能力與輕量化需求；采用激光選區(qū)成形預(yù)制件后激光沉積形連接預(yù)制件成形最終單體構(gòu)件的工藝，可以突破成形設(shè)備對(duì)尺寸的限制，還可以最大程度的保證構(gòu)件整體組織性能的一致性，實(shí)現(xiàn)大尺寸構(gòu)件的高品質(zhì)制造。

技術(shù)研發(fā)人員：劉艷梅,史吉鵬,黃成杰,趙興旺,關(guān)峰,倪家強(qiáng),張英偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19