CN114985596B - 提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法，包括以下步骤：S1、设计薄壁高筋叉形环多自由度加载成形装置：所述薄壁高筋叉形环多自由度加载成形装置包括辗压模、制约模和坯料，辗压模绕自身轴线作自转运动的同时沿轴向作进给运动，制约模绕自身轴线作旋转运动；S2、建立薄壁高筋叉形环多自由度加载成形模具设计空间坐标系；S3、建立薄壁高筋叉形环多自由度加载成形模具型面；S4、判断辗压模型面与薄壁高筋叉形环型面干涉关系。通过本发明可以判断辗压模与薄壁高筋叉形环在多自由度加载成形过程中是否发生干涉，确定辗压模和薄壁高筋叉形环干涉区域的位置与形状，可以预测降低薄壁高筋叉形环精度和表面质量的区域。

Description

提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法

技术领域

本发明涉及薄壁高筋叉形环成形制造领域，更具体地说，涉及一种提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法。

背景技术

薄壁高筋叉形环是运载火箭燃料贮箱的重要承载结构件，不仅用于连接燃料贮箱的薄壁直筒段与薄壁球形箱底，而且用于连接燃料贮箱与火箭箭体，其性能直接影响运载火箭发射成功率和运载能力。薄壁高筋叉形环具有壁厚薄、直径大、轴截面呈枝叉状的特点，且服役条件十分苛刻。复杂几何构型和苛刻的服役条件对其制造技术提出了更高的要求，高性能、高精度制造成为了当前研究的热点。

多自由度加载成形工艺是一种连续局部塑性成形方法，能够显著提高薄壁高筋叉形环力学性能和制造效率。但由于薄壁高筋叉形环几何结构复杂，同时辗压模空间运动复杂，薄壁高筋叉形环型面与辗压模型面之间的匹配关系十分复杂。不合理的辗压模设计将导致多自由度加载成形过程中辗压模型面与薄壁高筋叉形环型面之间发生干涉，不仅降低薄壁高筋叉形环成形精度与表面质量，甚至导致多自由度加载成形过程无法进行。因此，需要提出一种提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法来解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法，能够提高模具的设计质量与精度，同时避免在多自由度加载成形的过程当中发生干涉。

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叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法，所述薄壁高筋叉形环是轴截面呈枝叉形状的环形构件，由上筋、下筋和侧筋组成，模具设计方法包括以下步骤：

S1、设计薄壁高筋叉形环多自由度加载成形装置：所述薄壁高筋叉形环多自由度加载成形装置包括辗压模、制约模和坯料，辗压模绕自身轴线作自转运动的同时沿轴向作进给运动，制约模绕自身轴线作旋转运动，坯料为矩形截面薄壁环坯，坯料置于制约模内并在制约模带动下绕自身轴线作旋转运动；在辗压模和制约模的共同作用下，坯料发生连续局部塑性变形，坯料矩形截面逐渐变形成枝叉形状，从而获得薄壁高筋叉形环；

S2、建立薄壁高筋叉形环多自由度加载成形模具设计空间坐标系：以薄壁高筋叉形环自身轴线为z轴，以上筋顶面所在平面为xy平面，以z轴与xy平面交点为坐标原点O，以xy平面内过O点的任一直线为x轴建立三维空间坐标系O-xyz；

S3、建立薄壁高筋叉形环多自由度加载成形模具型面：在三维空间坐标系O-xyz的xOz平面内，以薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面轮廓线和侧筋上表面轮廓线所连成的曲线为母线，以在该母线上方且与x轴夹角为α的直线为旋转轴，将该母线旋转一周形成辗压模型面；以侧筋下表面轮廓线、下筋表面轮廓线和上筋外圆柱面轮廓线所连成的曲线为母线，以薄壁高筋叉形环轴线为旋转轴，将该母线旋转一周形成制约模型面；

S4、判断辗压模型面与薄壁高筋叉形环型面干涉关系。

按上述方案，所述步骤S4包括以下步骤：

S41、建立薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面空间方程F₁(x,y,z)，如公式(1)所示：

式中，R为薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面半径，h为上筋内圆柱面轴向高度；

S42、建立辗压模最大外圆轮廓线空间方程F₂(x,y,z)，如公式(2)所示：

式中，r为辗压模最大外圆轮廓半径，(A,B,C)为辗压模轴线方向矢量，(x₀,y₀,z₀)为辗压模最大外圆轮廓圆心点O₁坐标，根据步骤S3中辗压模与薄壁高筋叉形环的几何关系，确定x₀＝R-r·sinα，y₀＝0，z₀＝h+r·cosα；

S43、在步骤S1所建立的坐标系O-xyz内，将步骤S41中的薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面投影到xOy平面内，获得投影曲线l₁，其方程如公式(3)所示：

y₁ ²＝R²-x² (3)

S44、在步骤S1所建立的坐标系O-xyz内，将步骤S42中的辗压模最大外圆轮廓线投影到xOy平面内，获得投影曲线l₂，其方程如公式(4)所示：

S45、建立辗压模型面与薄壁高筋叉形环型面干涉判定准则如下：若l₁、l₂不存在除切点外其他交点，则辗压模与薄壁高筋叉形环不会发生干涉；若l₁、l₂存在除切点外其他交点，则辗压模与薄壁高筋叉形环会发生干涉，由此建立辗压模与薄壁高筋叉形环之间不发生干涉的判定准则，如公式(5)所示：

其中x∈(x₀-r·sinα,x₀+r·sinα)。

按上述方案，还包括步骤S5、根据S45所建立辗压模与薄壁高筋叉形环之间不发生干涉的判定准则，建立r、α、R之间的关联模型，如公式(6)所示；根据公式(6)确定高精度辗压辊尺寸r、α的有效选取范围，获得不与薄壁高筋叉形环发生干涉的高精度辗压模；

r≤R·sinα (6)

按上述方案，所述步骤S3中α的范围为

在本发明所述的提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法中，。

在本发明所述的提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法中，。

实施本发明的提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法，具有以下有益效果：

(1)通过本发明提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法，判断辗压模与薄壁高筋叉形环在多自由度加载成形过程中是否发生干涉；

(2)通过计算辗压模最大外圆轮廓线和薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面的内轮廓线的投影的几何关系，确定辗压模和薄壁高筋叉形环干涉区域的位置与形状；

(3)通过本发明提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法，可以预测降低薄壁高筋叉形环精度和表面质量的区域。

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为薄壁高筋叉形环示意图；

图2为多自由度加载成形工艺示意图；

图3为多自由度加载成形模具设计示意图；

图4为辗压模尺寸参数示意图；

图5a为投影曲线不发生干涉示意图；

图5b为投影曲线发生干涉示意图；

图6为干涉区域位置示意图；

图7为干涉区域放大示意图；

图8为辗压模尺寸设计示意图。

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。

需要成形的薄壁高筋叉形环内径R为145mm，壁厚为5mm，筋高为20mm，侧筋与上筋的夹角为

本发明实施例提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法，包括以下步骤：

S1、以薄壁高筋叉形环自身轴线为z轴，以上筋顶面所在平面为xy平面，以z轴与xy平面交点为坐标原点O，以xy平面内过O点的任一直线为x轴建立三维空间坐标系O-xyz；

S2、在三维空间坐标系O-xyz的xOz平面内，以薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面轮廓线和侧筋上表面轮廓线所连成的曲线为母线，以在该母线上方且与x轴夹角为

的直线为旋转轴，将该母线旋转一周形成辗压模型面；以侧筋下表面轮廓线、下筋表面轮廓线和上筋外圆柱面轮廓线所连成的曲线为母线，以薄壁高筋叉形环轴线为旋转轴，将该母线旋转一周形成制约模型面；

S3、在步骤S1所建立的坐标系O-xyz内，将薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面投影到xOy平面内，获得投影曲线l₁，将辗压模最大外圆轮廓线投影到xOy平面内，获得投影曲线l₂；若l₁、l₂不存在除切点外其他交点，则辗压模与薄壁高筋叉形环不会发生干涉；若l₁、l₂存在除切点外其他交点，则辗压模与薄壁高筋叉形环会发生干涉；确定辗压模与薄壁高筋叉形环之间不发生干涉的方法包含以下步骤：

S31、建立薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面的空间方程F₁(x,y,z)，如公式(1)所示：

式中，R为薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面的半径，h的值为上筋内圆柱面轴向高度；

S32、取辗压模最大外圆轮廓的半径为130mm，建立辗压模最大外圆轮廓线的空间方程F₂(x,y,z)，如公式(2)所示：

式中，r为辗压模最大外圆轮廓的半径，(A,B,C)为辗压模轴线方向矢量即(1,0,1)，(x₀,y₀,z₀)为辗压模最大外圆轮廓圆心点O₁的坐标，根据步骤S2辗压模与薄壁高筋叉形环的几何关系，确定x₀＝R-r·sinα＝53.07，y₀＝0，z₀＝h+r·cosα＝101.92；

S33、建立薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面在xOy平面内的投影曲线l₁，其方程如公式(3)所示：

y₁ ²＝145²-x² (3)

S34、建立辗压模最大外圆轮廓线在xOy平面内的投影曲线l₂，其方程如公式(4)所示：

y₂ ²＝r²-2×(x-53.07)² (4)

S35、建立辗压模与薄壁高筋叉形环之间不发生干涉的判定方程，如公式(5)所示：

D＝y₁ ²-y₂ ²＝x²-212.28x+4231.14>0 (5)

其中x∈(-38.85,145)；可以判断出当

r＝130mm时，辗压模与薄壁高筋叉形环之间会发生干涉；

S4、根据S35所建立辗压模与薄壁高筋叉形环之间不发生干涉的判定方程，建立r、α、R之间的关联模型，确定辗压辊尺寸r、α的有效选取范围；r、α、R之间的关联模型如公式(6)所示：

r≤R·sinα＝102.53 (6)

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 (3)

1.一种提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法，所述薄壁高筋叉形环是轴截面呈枝叉形状的环形构件，由上筋、下筋和侧筋组成，其特征在于，模具设计方法包括以下步骤：

S1、设计薄壁高筋叉形环多自由度加载成形装置：所述薄壁高筋叉形环多自由度加载成形装置包括辗压模、制约模和坯料，辗压模绕自身轴线作自转运动的同时沿轴向作进给运动，制约模绕自身轴线作旋转运动，坯料为矩形截面薄壁环坯，坯料置于制约模内并在制约模带动下绕自身轴线作旋转运动；在辗压模和制约模的共同作用下，坯料发生连续局部塑性变形，坯料矩形截面逐渐变形成枝叉形状，从而获得薄壁高筋叉形环；

S2、建立薄壁高筋叉形环多自由度加载成形模具设计空间坐标系：以薄壁高筋叉形环自身轴线为z轴，以上筋顶面所在平面为xy平面，以z轴与xy平面交点为坐标原点O，以xy平面内过O点的任一直线为x轴建立三维空间坐标系O-xyz；

S3、建立薄壁高筋叉形环多自由度加载成形模具型面：在三维空间坐标系O-xyz的xOz平面内，以薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面轮廓线和侧筋上表面轮廓线所连成的曲线为母线，以在该母线上方且与x轴夹角为

的直线为旋转轴，将该母线旋转一周形成辗压模型面；以侧筋下表面轮廓线、下筋表面轮廓线和上筋外圆柱面轮廓线所连成的曲线为母线，以薄壁高筋叉形环轴线为旋转轴，将该母线旋转一周形成制约模型面；

S4、判断辗压模型面与薄壁高筋叉形环型面干涉关系；

所述步骤S4包括以下步骤：

S41、建立薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面空间方程

，如公式（1）所示：

（1）

式中，

为薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面半径，/>

为上筋内圆柱面轴向高度；

S42、建立辗压模最大外圆轮廓线空间方程

，如公式（2）所示：

（2）

式中，

为辗压模最大外圆轮廓半径，/>

为辗压模轴线方向矢量，/>

为辗压模最大外圆轮廓圆心点/>

坐标，根据步骤S3中辗压模与薄壁高筋叉形环的几何关系，确定/>

，/>

，/>

；

S43、在步骤S2所建立的坐标系O-xyz内，将步骤S41中的薄壁高筋叉形环上筋内圆柱面投影到xOy平面内，获得投影曲线

，其方程如公式（3）所示：

（3）

S44、在步骤S1所建立的坐标系O-xyz内，将步骤S42中的辗压模最大外圆轮廓线投影到xOy平面内，获得投影曲线

，其方程如公式（4）所示：

（4）/>

S45、建立辗压模型面与薄壁高筋叉形环型面干涉判定准则如下：若

、/>

不存在除切点外其他交点，则辗压模与薄壁高筋叉形环不会发生干涉；若/>

、/>

存在除切点外其他交点，则辗压模与薄壁高筋叉形环会发生干涉，由此建立辗压模与薄壁高筋叉形环之间不发生干涉的判定准则，如公式（5）所示：

（5）

其中

。

2.根据权利要求1所述的提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法，其特征在于，还包括步骤S5、根据S45所建立辗压模与薄壁高筋叉形环之间不发生干涉的判定准则，建立

之间的关联模型，如公式（6）所示；根据公式（6）确定高精度辗压辊尺寸/>

的有效选取范围，获得不与薄壁高筋叉形环发生干涉的高精度辗压模；

（6）。

3.根据权利要求1所述的提高薄壁高筋叉形环多自由度加载成形性的模具设计方法，其特征在于，所述步骤S3中

的范围为/>

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