CN111112528B - 一种包容式节点制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种包容式节点的制作方法，包括如下步骤：(1)根据设计要求选取板料母材，确定其基本尺寸；(2)根据节点外形确定上下模的基本尺寸及形状；(3)采用热锻工艺使节点成型；(4)将步骤(3)所得的毛坯飞边切除；(5)将步骤(4)得到的节点进行数控开孔。本发明工艺过程简单，操作方便，在保证节点外形尺寸的同时，充分考虑成型缺陷，采用优化设计的方法对模具和热锻参数进行设计，保证了成型质量与可靠；另外，在切除飞边时一次性切成坡口，加工效率高，节约成本，该方法可广泛应用于板料成型领域。

Description

一种包容式节点制造方法
技术领域
本发明属于机械制造工艺领域，涉及一种包容式节点的制造方法。
背景技术
一般桁架结构较之箱型结构约轻25％～30％以上，且桁架结构迎风面积小，风阻小，质量轻，成本低。然而桁架结构的节点受力复杂，应力集中严重，包容式节点能够简化结构，降低应力集中，提高节点的强度和可靠性。
目前，传统的包容式节点的制作方法为液压成型，即用管坯作为原材，通过对管腔内施加液体压力及在轴向施加负荷作用，使其在给定模具型腔内发生塑性变形，管壁与模具内表而贴合，从而得到所需形状零件的成型技术。对于圆角尺寸较小，难以成型的产品往往采用分段式加压成型，即先用较小压力完成扩管，形成较大圆角，此时壁厚保持较均匀，然后再将压力加大，迫使管件贴合模具，圆角处材料产生拉伸变形，管壁减薄，最终得到所需形状。
上述方法成型工艺相对复杂，成型模具设计也较为复杂。因此，客观上有必要研发一种包容式节点的制造工艺，在保证节点外形尺寸的同时，简化其成型过程，保证成型质量及可靠性。
发明内容
为克服现有技术所存在的上述缺陷，本发明提供一种包容式节点的制造方法，其工艺流程简单，易于操作。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种包容式节点的制作方法，包括如下步骤：
(1)根据设计要求选取板料母材，根据设计节点的纵向和横向最大周长确定母材的基本尺寸(长、宽、厚)。根据节点强度、刚度需要，参照《机械设计手册》给出的材料屈服极限和安全系数选取准则选择合理选择母材材料。
(2)根据节点外形进行包容式节点专用模具的初始设计，确定上下模(凹模和凸模)的基本尺寸及形状，模具与节点形状契合，为方便节点与主弦杆的焊接，模具两端形状与杆件形状相匹配以确保成型节点能够包裹主弦杆。在上述基本设计的基础上，为了防止板料成型过程中出现破裂缺陷，以节点成型后的最大减薄率为优化目标，模具设计参数上下界为约束条件，对模具的重要设计参数(模具圆角、摩擦系数)进行优化设计，以确保成型节点质量可靠，发生缺陷概率最小，模具的最终制造采用锻造工艺。
针对模具的优化设计，目前国内外相关的研究都已十分充分。对于板料成型过程中可能出现的问题(缺陷)，专家学者均已经从失效机理出发，建立了相应的优化数学模型，这些研究可以为目前的模具优化设计提供充足的参考，从业者可以根据工程实际，构造模型进行优化。此不赘述。
(3)采用热锻工艺使节点成型。热锻过程中锻压温度、速度对节点成型质量产生影响，热锻前，以节点成型后的最大减薄率为优化目标，热锻温度和速度上下界为约束条件，采用优化设计方法对上述热锻参数进行设计，最终得到最优的热锻参数。
将步骤(2)所设计的专用模具安装在合适的锻造机上，根据成型要求，施加锻造力，控制锻压温度和速度，最终完成节点毛坯的锻造，锻造后的毛坯根据硬度要求，节点的功能以及使用要求，参照《机械设计手册》中给出的材料硬度与热处理关系对照图表，采用合理的热处理方式。
(4)根据包容式节点的设计图将步骤(3)所得的毛坯飞边切除，同时根据焊接要求一次性切成焊接坡口，便于后续节点与桁架的焊接。
(5)一般桁架结构的节点外形均相同，根据节点所在桁架上位置的不同，确定各节点所连接的腹杆数，根据确定的腹杆数并基于三维模型将步骤(4)得到的节点进行数控开孔。
本发明提出的包容式节点制作工艺要求成型母材为板材，在锻造过程中，主要施加载荷为竖直方向的压力，加载方式简单。本发明所描述的节点呈瓦片状，包括平缓过渡的边缘部和以鼓包状凸起的凸起部，本发明设计的模具形状与节点形状相契合，可实现一次性成型，无需进行分段式加压成型，大大提高了制作效率。所述模具的设计采用优化设计方法，对模具圆角，摩擦系数等参数进行优化设计，在确保成型质量的同时，提高了成型可靠性，减少成型缺陷的发生。所述热锻成型工艺，对热锻过程中的锻压温度和速度进行优化设计，优选最优热锻参数，同样保证了成型质量。所述去飞边工艺中可同时进行焊接坡口的切成，简化了加工流程。根据桁架结构的特点，节点的锻压可以进行批量化操作后基于三维模型再进行数控开孔，节省的时间成本。所述的制造工艺，在保证节点外形尺寸的同时，采用了可靠性设计与优化设计方法，对成形过程中的破裂、起皱和回弹缺陷进行控制，提高节点成型质量，降低报废率，节约成本，同时，与传统成型工艺相比，本发明所属工艺较为简单，便于操作。
附图说明
图1为本发明实施例的包容式节点立体外形及三维平面的示意图组合。
图2a为本发明实施例的模具下模(凹模)立体外形及三维平面的示意图组合。
图2b为本发明实施例的模具上模(凸模)立体外形及三维平面的示意图组合。
图3a为本发明实施例的包容式节点A开孔立体外形及三维平面的示意图组合。
图3b为本发明实施例的包容式节点B开孔立体外形及三维平面的示意图组合。
图3c为本发明实施例的包容式节点C开孔立体外形及三维平面的示意图组合。
图3d为本发明实施例的包容式节点D开孔立体外形及三维平面的示意图组合。
图3e为本发明实施例的包容式节点E开孔立体外形及三维平面的示意图组合。
图3f为本发明实施例的包容式节点F开孔立体外形及三维平面的示意图组合。
图3g为本发明实施例的包容式节点G开孔立体外形及三维平面的示意图组合。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，以下结合附图所示实施例对本发明做进一步说明。
所述包容式节点整体呈瓦片状，两端为平直的半圆管状，中间为圆弧鼓包结构，鼓包与半圆管之间采用圆弧过渡。所述包容式节点由厚度12mm，长度910mm，宽度918mm的Q355钢板在8000t摩擦压力机上热锻成型，锻造后予以退火处理，锻造成型的毛坯按照设计的外形尺寸进行毛边氧割切除，焊接坡口一次切成。所述锻造过程所需模具为专用模具，模具采用优化设计方法进行设计，对重要设计参数进行寻优，使获得的毛坯缺陷最小，质量最可靠，模具为锻件。所述包容式节点用于连接管结构桁架的主弦杆和腹杆，根据节点在桁架上位置的不同确定开孔个数并进行三维建模，依据三维模型用数控开相贯节点的孔，最终形成所需包容式节点。
包容式节点的整体外形如图1所示。图2所示为模具设计图，其中图2a为下模(凹模) 示意图，图2b为上模(凸模)示意图；图3a～3g所示为该包容式节点开孔位置示意图。
所述包容式节点的制作方法，包括如下步骤：
(1)提供一种简易的母材尺寸计算方法，图1所示包容式节点厚度为12mm，纵向最大周长(宽度方向)
lzmax＝lzsmooth+lzbulge＝2×(343-213)+π·201＝891.14mm
节点鼓包横向采用样条曲线设计，可借助CAD统计其最大周长(长度方向)
lhmax＝lhsmooth+lhbulge＝80+822＝902mm
式中，lzsmooth,lzbulge分别为纵向平缓段和鼓包段周长，lhsmooth,lhbulge分别为横向平缓段和鼓包段周长，根据以上设计参数，考虑板料成型过程中的弹塑性变形，选取包容式节点板料母材厚度12mm，长度为900mm-910mm，宽度为910mm-930mm。根据所设计的桁架结构的承载情况及所述包容式节点的承载情况，根据静强度理论选取板材材料为Q355。
针对板材厚度，应等于最终成型件的厚度。板材长度和宽度，本发明提供了一种简单的选取方法，如步骤(1)，母材的尺寸略大于计算的理论值。如需获取具体的母材的尺寸，可根据商用软件(Dynaform、Autoform)进行反求，最终确定精确的母材尺寸。
(2)图1所示包容式节点整体呈瓦片状，包括平缓过渡的边缘部和以鼓包状凸起的凸起部，鼓包与边缘之间采用大圆弧进行过渡。根据上述要求，对所述包容式节点模具进行设计，如图2a和图2b所示，上模及下模边缘均采用平缓过渡结构，中间为凸起(凹陷)的鼓包结构，实现节点的一次锻造成型。模具设计初期，为了避免成型缺陷，对破裂缺陷的失效机理和失效判据进行分析可知，行业内认为当最大减薄率达到20％时，即认为成型会发生破裂缺陷，对节点的最大减薄率进行控制，结合优化设计方法，在确保最大减薄率最小的同时，保证成型的可靠性，优化结果表明最优模具圆角半径为7mm-8mm，模具摩擦系数约为0.15，据此，对模具进行设计。板材厚度在锻压后部分区域将出现减薄，如图2a所示，上模边缘的平缓过渡区域半径为202mm-205mm，中间凸起鼓包部分半径为212mm-215mm，两部分之间采用大圆弧过渡，圆弧半径为220mm-222mm；如图2b所示，下模整体尺寸边缘的平缓过渡区域半径为218mm-221mm，中间下凹鼓包部分半径为219mm-222mm，两部分之间采用大圆弧过渡，圆弧半径为210mm-213mm。最终的模具上下模尺寸可按照预估最大减薄率的80％进行设计。最后，根据上述的得到的设计参数对模具进行锻造。
(3)采用热锻工艺使节点成型。同步骤(2)所述，考虑到热锻温度与速度对成型质量的影响，为了避免破裂缺陷的出现，对成型后的最大减薄率进行优化设计，最终得到上述参数的最优值。结果表明，在确保最大减薄率最下的条件下，热锻温度为920℃-940℃，冲压速度约为205mm/s。将步骤(2)所设计的下模固定安装在锻压平台上，上模安装在8000t摩擦压力机上，步骤(1)所述板料固定放置于下模上，锻造机施加锻压力使节点毛坯成型，锻造后的毛坯根据硬度要求予以退火处理以满足设计要求的硬度。
(4)根据图1所示的外形图将步骤(3)所得的毛坯飞边切除，飞边切除采用氧割切除的方式，如图1所示，切除飞边的同时一次性切成6×45°的焊接坡口，从而形成待开孔的包容式节点。
(5)如图3a～3g所示，实施案例所述包容式节点在桁架结构中存在7种不同的开孔方式，开孔基于包容式节点三维模型进行，采用数控开相贯节点孔的方式。根据腹杆直径，所有开孔直径均为Φ159，根据腹杆与主弦杆连接角度，所有开孔方向均与各图所示的节点对称轴x 轴呈30°夹角。图3a为包容式节点A，开2个孔；图3b为包容式节点C，开5个孔；图3c为包容式节点C，开3个孔；图3d为包容式节点D，开2个孔；图3e为包容式节点E，开3 个孔；图3f为包容式节点F，开3个孔；图3g为包容式节点G，开5个孔。图3a与图3d 所述节点，开孔个数相同，两节点分别用于桁架两端，不可替代使用；图3c、图3e和图3f 所述节点，开孔个数相同，图3c所述节点位于桁架中间，图3e和图3f分别位于桁架两端，不可替代使用。
优化设计结果表明，在上述设计参数下，该成型工艺可以控制成型后最大减薄率较小，同时保证节点成型质量的可靠性。
完成上述实施过程后，应能体现出本发明的以下特点：
本发明提出的包容式节点制作工艺要求节点母材为板材，在锻造过程中，主要施加载荷为竖直方向的压力，加载方式简单。本发明设计的模具形状与节点形状相契合，可实现一次性成型，无需进行分段式加压成型，大大简化了其制作效率。采用优化设计方法对模具进行设计，在确保成型质量的同时，成型可靠性很高，减少成型缺陷的发生。对热锻过程中的锻压温度和速度进行优化设计同样保证了成型质量与可靠性。本发明提及的去飞边工艺中可同时进行焊接坡口的切成，简化了加工流程。根据桁架结构的特点，节点的锻压可以进行批量化操作后再进行开孔，大大节省的时间成本。所述的制造工艺，在保证节点外形尺寸的同时，采用了优化设计方法，对成形过程中的破裂缺陷进行控制，提高节点成型质量，降低报废率，节约成本，同时，与传统成型工艺相比，本发明所属工艺较为简单，便于操作。
综上所述，本发明提出了一种包容式节点制作工艺，该工艺过程简单，操作方便，在保证节点外形尺寸的同时，充分考虑成型缺陷，采用优化设计的方法对模具和热锻参数进行设计，保证了成型质量与可靠性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种包容式节点的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据设计要求选取板料母材，确定其基本尺寸；
（2）模具与节点形状契合，根据节点外形确定上下模的基本尺寸及形状；为了防止板料成型过程中出现破裂缺陷，以节点成型后的最大减薄率为优化目标，模具设计参数上下界为约束条件，对模具的重要设计参数进行优化设计，以确保成型节点质量可靠，发生缺陷概率最小；
（3）采用热锻工艺使节点成型；
（4）将步骤（3）所得的毛坯飞边切除；
（5）将步骤（4）得到的节点进行数控开孔；
步骤（1）中，所述板料母材为厚度12mm，长度910mm，宽度918mm的Q355钢板；
步骤（2）中，上模边缘的平缓过渡区域半径为202mm-205mm，中间凸起鼓包部分半径为212mm-215mm，两部分之间采用大圆弧过渡，圆弧半径为220mm-222mm；下模边缘的平缓过渡区域半径为218mm-221mm，中间下凹鼓包部分半径为219mm-222mm，两部分之间采用大圆弧过渡，圆弧半径为210mm-213mm，为方便节点与主弦杆的焊接，模具两端形状与主弦杆形状相匹配以确保成型节点能够包裹主弦杆；
步骤（3）中，热锻前，以节点成型后的最大减薄率为优化目标，热锻温度和速度上下界为约束条件，采用优化设计方法对热锻参数进行设计，最终得到最优的热锻参数，热锻温度为920℃-940℃，冲压速度为205mm/s；
步骤（4）中，根据包容式节点的设计图将步骤（3）所得的毛坯飞边切除，同时根据焊接要求一次性切成焊接坡口，便于后续节点与主弦杆的焊接。
2.根据权利要求1所述的包容式节点的制作方法，其特征在于：步骤（5）中，根据节点所在桁架上位置的不同，确定各节点所连接的腹杆数，根据确定的腹杆数并基于三维模型将步骤（4）得到的节点进行数控开孔。
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