CN110918849B - 一种提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法，在薄壁高筋构件腹板内外两侧设计多台阶飞边得到薄壁高筋锻件，多台阶飞边的拐角区数目通过以下方法确定：A、圆弧上均匀选取1‑N个点依次相连，以弦代弧得到N个不同的拐角区充填模型；B、确定不同拐角区模型下各个剪切面的剪切面面积B_i；C、利用速端图确定不同拐角区模型下各个剪切面的剪切速度V_i；D、利用上限定理计算不同的拐角区数目对应的多台阶飞边拐角区阻力；E、根据不同的拐角区数目对应的多台阶飞边拐角区阻力的计算结果确定多台阶飞边的最优选拐角区数目。本发明方法可以提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋板成形极限，实现薄壁高筋构件空间包络近净成形。

Description

一种提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法

技术领域

本发明涉及薄壁高筋构件制造方法，更具体地说，涉及一种提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法。

背景技术

薄壁高筋构件具有形状复杂、轴向体积分配不均匀的几何特征，其轻量化、承载能力强，是飞机等航空航天装备的关键承力构件，该类构件的制造加工是国际制造领域研究热点。对于此类构件，目前主要采用对预制坯直接机械加工的方法制造，不仅材料利用率低，生产效率低，成本高，而且不能制造高性能的薄壁高筋构件。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法，所述薄壁高筋构件包括腹板和筋板，包括以下步骤：

通过空间包络成形上模和空间包络成形下模来成形薄壁高筋构件，空间包络成形上模为非对称锥体，其绕竖直轴线上固定点作回转摇摆运动，空间包络成形下模和空间包络成形上模沿竖直轴线靠近对空间包络成形下模内的坯料进行反复辗轧，且空间包络成形上模的任一母线与薄壁高筋构件对应位置的母线重合，并保证空间包络成形上模每回转一周都回到其初始位置；空间包络成形上模与坯料接触区面积小于下模与坯料接触区面积，薄壁高筋构件高筋部分由空间包络成形上模成形，与构件筋板相对的部分由空间包络成形下模成形腹板内外两侧设计环形多台阶飞边，空间包络成形上模和空间包络成形下模对应位置设有与薄壁高筋构件多台阶飞边相同尺寸的多台阶；空间包络成形前期，金属径向流动阻力较小，金属首先主要径向流动使薄壁高筋构件腹板减薄并形成多台阶飞边；当多台阶飞边完全形成时，金属轴向流动充填筋板；

多台阶飞边的拐角区数目通过以下方法确定：

A、圆弧上均匀选取1-N个点依次相连，以弦代弧得到N个不同的拐角区充填模型；

B、确定不同拐角区模型下各个剪切面的剪切面面积B_i；

C、利用速端图确定不同拐角区模型下各个剪切面的剪切速度V_i；

D、利用上限定理计算不同的拐角区数目对应的多台阶飞边拐角区阻力；

E、根据不同的拐角区数目对应的多台阶飞边拐角区阻力的计算结果确定多台阶飞边的最优选拐角区数目，多台阶飞边拐角区阻力最大值对应的拐角区数目即为最优选的拐角区数目。

上述方法中，多台阶飞边拐角区阻力P^*的计算公式如方程(1)所示：

式中，K为剪切屈服极限，f为摩擦因子，n为拐角区数目，h为飞边厚度，V_i为各个剪切面的剪切速度，i为剪切面的个数，n_min和n_max为该分段函数的两个临界值，i＝1，2，3……N。

上述方法中，N＝3，模型一若干个剪切面面积分别为s、

模型二若干个剪切面面积分别为s、

模型三剪切面面积为0。

上述方法中，模型一若干个剪切面的剪切速度分别为V₁＝v、

模型二若干个剪切面的剪切速度分别为V₁＝v、

模型三剪切速度为V₁＝0。

实施本发明的提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法，具有以下有益效果：

1、本发明在薄壁高筋构件腹板内外两侧设计多台阶飞边得到薄壁高筋锻件，薄壁高筋构件空间包络成形前期，金属首先主要径向流动用于形成多台阶飞边在拐角区产生大的径向流动阻力，从而在成形中后期迫使金属主要轴向流动用于高筋充填，提高筋板成形极限。

2、本发明方法可以提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋板成形极限，实现薄壁高筋构件空间包络近净成形，拓展空间包络成形技术应用范围。

3、本发明方法高效快捷，可以实现薄壁高筋构件空间包络成形工艺高效优化设计。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是薄壁高筋构件示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是薄壁高筋锻件示意图；

图4是图3的剖视图；

图5是薄壁高筋构件空间包络成形示意图；

图6是拐角区示意图；

图7是不同拐角区充填情况示意图；

图8是不同拐角区充填模型示意图；

图9是不同拐角区速端图示意图；

图10是水平飞边模拟结果图；

图11是多台阶飞边模拟结果图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-2所示，本发明待制造成形的薄壁高筋构件包括腹板和筋板，薄壁高筋构件长和宽分别为500mm和400mm，内孔长和宽分别为380mm和280mm，腹板厚度为3.5mm，筋高为30mm，最大筋厚为4.5mm，最小筋厚为2mm。

薄壁高筋构件空间包络成形包括以下步骤：

S1、锻件设计：在薄壁高筋构件腹板内外两侧设计多台阶飞边得到薄壁高筋锻件，台阶数为4，外侧每段台阶长度为4mm，内侧每段台阶长度为2.5mm，其余位置不留加工余量；薄壁高筋锻件的结构如图3-4所示。

S2、组装空间包络成形装置，如图5所示，其包括包络模1、包络模垫板3、包络模芯套4、约束模2、约束模垫板6和约束模芯套5。包络模垫板3、包络模芯套4、约束模芯套5、约束模垫板6自上而下分布且几何中心位于同一轴线；包络模1固定于包络模芯套4中，约束模2固定于约束模芯套5中；包络模1与约束模2之间的间隙为多台阶形；约束模垫板6和约束模2内部设置顶出机构；

S3、将坯料10加热迅速放入预热的约束模2中，坯料10为环状的板材。坯料10外径尺寸比约束模2型腔底部相应位置尺寸大0.1mm-0.3mm，本实施例中为0.1mm；坯料10内径尺寸比约束模2型腔底部相应位置尺寸小0.1mm-0.3mm，本实施例中为0.1mm；坯料10的厚度为5mm。约束模2带动坯料10以速度v＝2mm/s向上作进给运动，预热的包络模1作空间包络运动，在包络模1和约束模2共同作用下坯料10发生连续增量塑性变形。为了提高薄壁高筋锻件高筋的充填性，包络模1与约束模2之间间隙设计成多台阶以形成多台阶飞边。空间包络成形过程中，大部分金属首先径向流动用于形成多台阶飞边产生大的径向流动阻力，再轴向流动用于高筋充填，直至薄壁高筋锻件高筋由包络模1连续多道次包络成形，与薄壁高筋锻件高筋相对的型面由约束模2连续多道次成形。

S4、顶出机构顶出步骤S3中成形的锻件；顶出机构包括大顶杆7、顶料块8和6根小顶杆9，顶料块8放置于约束模垫板6中；顶料块8下方为大顶杆7，上方为多根小顶杆9，大顶杆7推动顶料块8，顶料块8推动多个小顶杆9，小顶杆9将薄壁高筋锻件整体顶出，多个小顶杆9环形分布在与薄壁高筋锻件高筋相对的位置，至少在四个转角和长边的中点各布置一个小顶杆9，保证薄壁高筋锻件顶出受力均匀。

S5、对锻件进行飞边切除处理。

为了提高薄壁高筋构件高筋成形极限，空间包络成形上模设计为非对称锥体，其绕竖直轴线上固定点作回转摇摆运动，带有坯料的水平下模和上模沿竖直轴线靠近对坯料进行反复辗轧，且上模任一母线与构件对应位置母线相匹配，并保证上模每回转一周都回到其初始位置。由于模具与坯料局部接触，坯料产生连续增量变形，有利于金属径向、切向和轴向流动提高薄壁高筋构件高筋成形极限，从而避免传统整体成形时金属整体变形形成死区、高筋不能成形的缺陷；

空间包络成形上模与坯料接触区面积小于下模与坯料接触区面积，所以上模与坯料接触压力大于下模与坯料接触压力，从而导致与上模接触的坯料金属更容易发生塑性流动充填高筋。为此，薄壁高筋构件高筋部分由上模成形，与构件高筋相对的部分由下模成形；

薄壁高筋构件腹板内外两侧设计环形多台阶飞边，上下模对应位置设计多台阶与薄壁高筋构件多台阶飞边相匹配。空间包络成形前期，金属径向流动阻力较小，金属首先主要径向流动使薄壁高筋构件腹板减薄并形成多台阶飞边。当多台阶飞边完全形成时，在飞边拐角区产生大的径向流动阻力，从而在空间包络成形中后期迫使金属主要轴向流动用于高筋充填，提高高筋成形极限；

本发明提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法，创新点在于在薄壁高筋构件腹板内外两侧设计多台阶飞边得到薄壁高筋锻件，空间包络成形前期，金属首先主要径向流动用于形成多台阶飞边在拐角区产生大的径向流动阻力，从而在成形中后期迫使金属主要轴向流动用于高筋充填，提高高筋成形极限。

多台阶飞边的拐角区数目通过以下方法确定：

A、如图6-9所示，在拐角区圆弧上均匀选取1-N个点依次相连，以弦代弧得到N个不同的拐角区充填模型；本实施例中N＝3。

B、确定不同拐角区模型下各个剪切面的剪切面面积B_i；

C、利用速端图确定不同拐角区模型下各个剪切面的剪切速度V_i；

D、利用上限定理计算不同的拐角区数目对应的多台阶飞边拐角区阻力；

E、根据不同的拐角区数目对应的多台阶飞边拐角区阻力的计算结果确定多台阶飞边的最优选拐角区数目，多台阶飞边拐角区阻力最大值对应的拐角区数目即为最优选的拐角区数目。

本实施例中，模型一若干个剪切面面积分别为s、

模型二若干个剪切面面积分别为s、

模型三剪切面面积为0，式中飞边厚度s为1mm。

本实施例中，模型一若干个剪切面的剪切速度分别为V₁＝v、

模型二若干个剪切面的剪切速度分别为V₁＝v、

模型三剪切速度为V₁＝0，式中金属流速v为1m/s。

本实施例中，多台阶飞边拐角区阻力公式如方程(1)所示：

式中K为7055铝合金剪切屈服极限、摩擦因子f为0.3。n_min和n_max为该分段函数的两个临界值，本实例中n_min和n_max为2和4，根据有限元模拟计算确定。

根据方程(1)，模具的飞边参数优化结果如下：当拐角区数目为0时，飞边阻力为0；当拐角区数目为1时，飞边阻力为4.06K；当拐角区数目为2时，飞边阻力为9.12K；当拐角区数目为3时，飞边阻力为9.6K；当拐角区数目为4时，飞边阻力为0。因此当拐角区数目为3时，多台阶飞边拐角区阻力最大，因此拐角区数目为3时，成形极限最大，效果最佳。

图10设计水平飞边，模拟结果出现大飞边，筋板充填很低；图11设计多台阶飞边，模拟结果飞边较小，筋板充填很高。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法，所述薄壁高筋构件包括腹板和筋板，其特征在于，包括以下步骤：

通过空间包络成形上模和空间包络成形下模来成形薄壁高筋构件，空间包络成形上模为非对称锥体，其绕竖直轴线上固定点作回转摇摆运动，空间包络成形下模和空间包络成形上模沿竖直轴线靠近对空间包络成形下模内的坯料进行反复辗轧，且空间包络成形上模的任一母线与薄壁高筋构件对应位置的母线重合，并保证空间包络成形上模每回转一周都回到其初始位置；空间包络成形上模与坯料接触区面积小于下模与坯料接触区面积，薄壁高筋构件高筋部分由空间包络成形上模成形，与构件筋板相对的部分由空间包络成形下模成形腹板内外两侧设计环形多台阶飞边，空间包络成形上模和空间包络成形下模对应位置设有与薄壁高筋构件多台阶飞边相同尺寸的多台阶；空间包络成形前期，金属径向流动阻力较小，金属首先主要径向流动使薄壁高筋构件腹板减薄并形成多台阶飞边；当多台阶飞边完全形成时，金属轴向流动充填筋板；

多台阶飞边的拐角区数目通过以下方法确定：

A、圆弧上均匀选取1-N个点依次相连，以弦代弧得到N个不同的拐角区充填模型；

B、确定不同拐角区模型下各个剪切面的剪切面面积B_i；

C、利用速端图确定不同拐角区模型下各个剪切面的剪切速度V_i；

D、利用上限定理计算不同的拐角区数目对应的多台阶飞边拐角区阻力；

E、根据不同的拐角区数目对应的多台阶飞边拐角区阻力的计算结果确定多台阶飞边的最优选拐角区数目，多台阶飞边拐角区阻力最大值对应的拐角区数目即为最优选的拐角区数目。

2.根据权利要求1所述的提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法，其特征在于，多台阶飞边拐角区阻力P^*的计算公式如方程(1)所示：

式中，K为剪切屈服极限，f为摩擦因子，n为拐角区数目，h为飞边厚度，V_i为各个剪切面的剪切速度，i为剪切面的个数，n_min和n_max为该分段函数的两个临界值，i＝1，2，3……N。

3.根据权利要求1所述的提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法，其特征在于，N＝3，模型一若干个剪切面面积分别为s、

模型二若干个剪切面面积分别为s、

模型三剪切面面积为0。

4.根据权利要求1所述的提高薄壁高筋构件空间包络成形高筋成形极限的方法，其特征在于，模型一若干个剪切面的剪切速度分别为V₁＝v、

模型二若干个剪切面的剪切速度分别为V₁＝v、

模型三剪切速度为V₁＝0。

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