CN100487612C - 基于压弯和移动点热源的整体壁板数字化复合成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于压弯和移动点热源复合工艺的整体壁板数字化成形工艺，通过计算平台和专家系统仿真加工过程并求解、优化加工参数，将整体壁板用带有力传感器的卡具固定在胎膜或者卡板表面，使用点热源对其进行热加工，当力传感器的显示数值降至一定程度时，停止点热源加载，根据加工需求，该加工过程可以一次或多次增量成形。本方法加工精度高，并且无损伤，简单易行。

Description

基于压弯和移动点热源的整体壁板数字化复合成形工艺

技术领域

本发明涉及整体壁板成型工艺，整体壁板是一种支撑筋条与蒙皮一体化的钣金结构件，本发明尤其涉及尺寸大、筋条高、形状结构复杂的难成形整体壁板的基于压弯和移动点热源复合工艺的数字化成形制造技术。

背景技术

工程上有这样一类钣金零件，譬如飞机的整体壁板零件，是蒙皮与支撑筋条一体化的构件，需要采取压弯(包括滚弯：压弯的另一种形式，成形零件可以在被压弯的同时随支撑辊转动)方式成形。为了保障成形安全、满足成形量和形状精度要求，对这类零件往往需要采取小量变形多次退火或人工时效的办法成形，之后还需要根据经验采用“人工锤敲”、“皮条抽打”或“喷丸”等手段进行校形。这种校形方式不仅容易在工件表面留下损伤和安全隐患，而且其效果依赖操作者的经验，难以实现自动化制造。但是，随着工程需求的发展，这类零件的尺寸越来越大、支撑筋条越来越高、结构形状越来越复杂，采用上述方法成形的技术难度也越来越大，甚至完全无法成形。其主要体现是：零件的变形抗力大，回弹量大，塑性变形能力低，成形精度差，易出现导致零件报废的筋条起皱和开裂等变形损伤。采用压弯与喷丸复合成形的方法可在一定程度上解决上述难题。该方法的原理是：利用胎模压弯并固定整体壁板，然后通过喷丸处理使其因表层发生面内塑性变形和弹性内能释放而定型。由于喷丸方法产生的塑性变形仅限于零件表层，由其导致的壁板的弯曲量也很有限。高温时效(蠕变)也是成形大尺寸整体壁板的有效方法，该方法也需要将整体壁板压弯并固定于胎模，但其定型是在特制的高温罐内通过人工时效实现的。该方法的单次成形量显然大于压弯和喷丸复合成形方法，但其成形零件的整体强度可能因为长时间高温时效而降低。

发明内容

针对上述问题和工程需求，本发明提供了一种基于压弯和移动点热源复合工艺的整体壁板数字化成形工艺。

本发明的核心包括专用的计算平台、专家系统以及实践平台。计算平台是指由一系列计算所需的硬件、软件组成的求解系统，可自主编写专用有限元计算程序，也可采用通用商业软件。主要作用是针对不同的壁板结构，不同的壁板材料，不同的加载方式，求解其加工过程中应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律。专家系统是指能够根据工件模型、成形需求等作为输入量而给出解决方案主要是加工工艺的计算机程序。它主要由综合数据库、知识库、人机交互系统、推理机等等组成，其中综合数据库包括大量的工件结构包括外形尺寸、几何拓扑等、材料性质包括密度、热导率、弹性模量、泊松比等、以及其它成形中的必要数据包括成形量、卡具数据等，知识库储存成形过程中耦合场作用下应力、应变、弹性势能的分布、变化规律等重要的物理、力学规律。专家系统的主要作用是通过推理和经验给出对应于输入量包括成形件参数、成形要求、计算平台数值输出等的成形解决方案，最终配合计算机程序形成加工工艺，所述经验来源于计算仿真、实验数据，以及实际生产的数据积累。实践平台包括实验平台和生产加工平台两部分。实验平台的功能是进行必要实验数据积累，该数据主要用于检测计算结果的准确性，以及作为专家平台的部分经验来源，其中实验项目依据实际加工需求而设计并开展。生产加工平台的功能是实施实际工件的加工。通过计算平台和专家系统对待成形工件进行建模和模拟其成形加工过程，设计加工工艺，求解、优化加工参数，将整体壁板用带有力传感器的卡具固定在胎模或者卡板表面，该胎模或卡板的外型根据整体壁板的成形需求分阶段设计，工件的变形程度需要控制在不致使工件材料和结构发生破坏和失效的范围以内，工件因变形产生的弹性势能的大小可由卡具内预置的力传感器间接显示。使用点热源按一定路径对被固定工件进行热加工，由于热作用，一部分弹性势能转化为塑性功，卡具上的约束力将降低。当力传感器的显示数值降至一定程度时，停止点热源加载，根据加工需求如成形量等，该加工过程可以一次或多次增量成形。

具体步骤如下：

(一)根据待成形整体壁板材料的力学性能和热物性的相关性能参数以及成形零件的结构、尺寸和形状，通过计算平台计算得到点热源的各项工艺参数以及扫描路径；

(二)使用一组带有力传感器的卡具将待成形整体壁板固定在胎模表面、卡具之间，整体壁板的成型关键部位设有应变传感器；

(三)将上述步骤(一)中的各项工艺参数以及扫描路径通过控制系统转换成点热源的工艺参数以及扫描路径的信号量，控制系统通过上述信号量实现对点热源的自动化控制；

(四)在控制系统控制下，使点热源对待成形整体壁板背向胎模的一面进行扫描，在扫描过程中，卡具上的力传感器、整体壁板上的应变传感器分别将卡具上的约束力、整体壁板关键部位的应力应变实时反馈至控制系统，控制系统根据这些数据及时修正点热源的工艺参数，从而在整个加工过程中形成闭环控制；

(五)如果卡具的力传感器反馈的约束力值未降低到预定值则重复步骤(四)，直至该约束力值降低到预定值。

进一步，所述步骤(一)具体包括以下过程：

(1)建立待成形整体壁板材料的力学性能和热物性的相关性能参数以及成形零件的结构、尺寸和形状数据库，建立待成形整体壁板材料在机械载荷和热载荷的作用下的响应规律；

(2)建立计算平台，并输入工件结构数据和材料参数数据，计算并输出弯曲时应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律，并将上述计算结果作为输入量提供给专家系统；

(3)结合步骤(1)中数据库以及步骤(2)中计算平台输出量，专家系统向用户及计算平台提供点热源加载工艺；

(4)根据待成形整体壁板材料的力学性能和热物性的相关性能参数、工件结构数据和材料参数数据以及点热源加载工艺参数，计算平台重新计算在点热源作用下应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律，并将其输出至专家系统；

(5)结合步骤(1)中数据库以及步骤(4)中计算平台输出量，专家系统对加工方案进行优化处理，并提供最终的加工工艺。

进一步，所述步骤(3)中，点热源加载工艺包括点热源的能量密度、作用面积、扫描路径。

进一步，所述步骤(5)中最终加工工艺包括点热源功率、扫描面积、扫描速度、扫描路径。

进一步，所述整体壁板一面带有筋条，在所述步骤(二)中整体壁板带有筋条的一面朝向胎模，并且在步骤(四)使点热源对整体壁板无筋条的一面进行扫描。

进一步，所述整体壁板一面带有筋条，在所述步骤(二)中整体壁板无筋条的一面朝向胎模，并且在步骤(四)使点热源对整体壁板有筋条的一面进行扫描。

进一步，所述点热源为激光或等离子束或火焰或电子束或以感应加热获得。

本发明方法中由控制系统控制点热源的各项加工参数，因此加工精度明显提高，因此采用本方法的调整精度明显高于上述“人工锤敲”、“皮条抽打”和“喷丸”，并且无损伤，简单易行。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式的示意图；

图2为本发明第二种实施方式的示意图；

图3为本发明计算平台及专家系统计算点热源加载工艺的流程图；

图4为计算平台及专家系统得到最终点热源加工工艺的流程图；

图5为计算机控制系统控制点热源加工过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体说明本发明：

壁板弯曲成形时，难变形区往往对应于其弹性势能较为集中的局部区域，以一定的方式和路径将一定强度的移动点热源适时引入该区域，通过构建局部温度场，降低材料的变形抗力并增强其塑性变形能力，促使弹性势能转化为塑性变形功，从而提高零件的成形能力和成形精度。该方法可以分为成形和精调两种工作方案。所谓成形方案是在压弯或滚弯成形的同时，向零件的难变形部位输入点热源能量。采用该方法成形时，由点热源能量转变的热能既可以降低点热源作用区材料的变形抗力，又可以通过其在零件厚度方向上建立的非均匀热应力场辅助零件成形，因此能够显著提高上述成形件的压弯成形量以及成形效率和成形精度。难变形部位可以通过对成形零件的计算机模拟获得。所谓精调方案是对采用压弯或上述压弯/移动点热源复合方法成形但其成形精度尚未达到设计要求的零件，向其对应的弹性内能集中区域输入点热源能量。其精调作用是利用点热源有选择性的加热作用区材料，使该区域的弹性内能因材料变形抗力降低以塑性变形的方式释放来实现的。由于弹性内能集中区的位置以及精调所需移动点热源能量的大小、注入方式和路径均可以通过计算机模拟确定并用机械手精准实现，因此采用本方法的调整精度明显高于上述“人工锤敲”、“皮条抽打”和“喷丸”等方法。

如图1所示，本发明整体壁板成形工艺具体包括以下步骤：

(一)建立待成形整体壁板1材料的力学性能和热物性等相关性能参数以及成形零件的结构、尺寸和形状数据库，通过实验以及技术积累建立材料在多物理场的作用下的响应规律，如图3流程图所示，多物理场指机械载荷、热载荷；

(二)建立计算平台，并输入工件结构数据和材料参数数据以及载荷模型，材料参数数据包括弹性模量、泊松比、屈服极限、热导率等，载荷模型包括载荷类型、载荷数据、边界条件、初始条件等，计算并输出弯曲时应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律，并将计算结果作为输入量提供给专家系统，如流程图3；计算平台是指由一系列计算所需的硬件、软件组成的求解系统，该系统可自主编写专用有限元计算程序，也可采用通用商业软件，该计算平台的主要作用是针对不同的壁板结构，不同的壁板材料，不同的加载方式，求解其加工过程中应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律。

(三)结合步骤(一)中数据库以及步骤(二)中计算平台输出量，专家系统向用户及计算平台提供点热源加载工艺，包括点热源的能量密度、作用面积、扫描路径等，如流程图3；

(四)根据以上各项输入参数，计算平台重新计算在点热源作用下应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律，并将其提供给专家系统，如流程图4；专家系统是指能够根据工件模型、成形需求等作为输入量而给出解决方案主要是加工工艺的计算机程序，该专家系统主要由综合数据库、知识库、人机交互系统、推理机等组成，其中综合数据库包括大量的工件结构包括外形尺寸、几何拓扑等、材料性质包括密度、热导率、弹性模量、泊松比等、以及其它成形中的必要数据，如成形量、卡具数据等，知识库储存成形过程中耦合场作用下应力、应变、弹性势能的分布、变化规律等重要的物理、力学规律。专家系统的主要作用是通过推理和经验给出对应于输入量包括成形件参数、成形要求、计算平台数值输出等的成形解决方案，最终配合计算机程序形成加工工艺，其中的经验来源于计算仿真、实验数据，以及实际生产的数据积累。

(五)结合步骤(一)中数据库以及步骤(四)中计算平台输出量，专家系统对加工方案进行优化处理，并提供最终的加工工艺，包括每道工序中的加工参数如点热源功率、面积大小等以及扫描速度、扫描路径，如流程图4，最终得出点热源的各项参数包括加热区域，移动速度，扫描路径等，作出预判断。

(六)使用一组带有力传感器的专用卡具2将整体壁板1固定在胎模3表面。在本实施例中胎模3表面凸起，整体壁板1上带有筋条的一侧朝向胎模3，在整体壁板1与胎模3之间的空隙内填充有填充物，填充物为塑料或其它质地柔软的材料，如图1所示；

(七)将上述步骤(五)中的各项条件通过计算机控制系统转换成点热源的各项工艺参数以及扫描路径等的信号量，然后控制系统通过上述信号量实现对点热源的自动化控制，如流程图5；

(八)根据步骤(七)中的参数通过计算机控制系统控制点热源对整体壁板1的与胎模非接触的一面进行点热源扫描，点热源可采用激光、等离子束、火焰、感应加热或者电子束等；在扫描的同时，卡具2上的力传感器将卡具2对整体壁板1的约束力实时反馈至控制系统，并且整体壁板1上应变较大的位置还设有应变传感器，用于测量整体壁板1的应变，该数据主要用于修正计算机模拟数据，将整体壁板1的关键部位应力应变、卡具上的约束力实时反馈至控制系统，计算机控制系统根据这些数据及时修正点热源的工艺参数，从而在整个加工过程中形成闭环控制，如流程图5所示；

(九)如果卡具2的力传感器反馈的约束力值未降低到预定值则重复上述步骤(八)，直至卡具2的力传感器反馈的约束力值降低到预定值即达到成形要求，如流程图5所示。

胎模表面外型是依据工件的成形需求而设计，它可以是凹面，可以是凸面，也可以是马鞍面；可以是单曲率的，也可以是双曲率的。整体壁板成形时有一面保持与胎模接触，根据成形的实际需求，接触面或者位于壁板无筋条的一面，或者位于壁板有筋条的一面，这种情况下，需要在筋条之间填塞填充物。而点热源作用于壁板的非接触面。例如图2所示实施例2，胎模3表面凹下，整体壁板1无筋条一面与胎模3接触，并且在步骤(五)使点热源对整体壁板1带有筋条的一面进行点热源扫描。

Claims (7)

1、一种基于压弯和移动点热源的整体壁板数字化复合成形工艺，包括以下步骤：

(一)根据待成形整体壁板材料的力学性能和热物性的相关性能参数以及成形零件的结构、尺寸和形状，通过计算平台计算得到点热源的各项工艺参数以及扫描路径；

(二)使用一组带有力传感器的卡具将待成形整体壁板固定在胎模表面、卡具之间，整体壁板的成型关键部位设有应变传感器；

(三)将上述步骤(一)中的各项工艺参数以及扫描路径通过控制系统转换成点热源的工艺参数以及扫描路径的信号量，控制系统通过上述信号量实现对点热源的自动化控制；

(四)在控制系统控制下，使点热源对待成形整体壁板背向胎模的一面进行扫描，在扫描过程中，卡具上的力传感器、整体壁板上的应变传感器分别将卡具上的约束力、整体壁板关键部位的应力应变实时反馈至控制系统，控制系统根据这些数据及时修正点热源的工艺参数，从而在整个加工过程中形成闭环控制；

(五)如果卡具的力传感器反馈的约束力值未降低到预定值则重复步骤(四)，直至该约束力值降低到预定值。

2、如权利要求1所述的基于压弯和移动点热源的整体壁板数字化复合成形工艺，其特征在于，所述步骤(一)具体包括以下过程：

(1)建立待成形整体壁板材料的力学性能和热物性的相关性能参数以及成形零件的结构、尺寸和形状数据库，建立待成形整体壁板材料在机械载荷和热载荷的作用下的响应规律；

(2)建立计算平台，并输入工件结构数据和材料参数数据，计算并输出弯曲时应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律，并将上述计算结果作为输入量提供给专家系统；

(3)结合步骤(1)中数据库以及步骤(2)中计算平台输出量，专家系统向用户及计算平台提供点热源加载工艺；

(4)根据待成形整体壁板材料的力学性能和热物性的相关性能参数、工件结构数据和材料参数数据以及点热源加载工艺参数，计算平台重新计算在点热源作用下应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律，并将其输出至专家系统；

(5)结合步骤(1)中数据库以及步骤(4)中计算平台输出量，专家系统对加工方案进行优化处理，并提供最终的加工工艺。

3、如权利要求2所述的基于压弯和移动点热源的整体壁板数字化复合成形工艺，其特征在于，所述步骤(3)中，点热源加载工艺包括点热源的能量密度、作用面积、扫描路径。

4、如权利要求2所述的基于压弯和移动点热源的整体壁板数字化复合成形工艺，其特征在于，所述步骤(5)中最终加工工艺包括点热源功率、扫描面积、扫描速度、扫描路径。

5、如权利要求1所述的基于压弯和移动点热源的整体壁板数字化复合成形工艺，其特征在于，所述整体壁板一面带有筋条，在所述步骤(二)中整体壁板带有筋条的一面朝向胎模，并且在步骤(四)使点热源对整体壁板无筋条的一面进行扫描。

6、如权利要求1所述的基于压弯和移动点热源的整体壁板数字化复合成形工艺，其特征在于，所述整体壁板一面带有筋条，在所述步骤(二)中整体壁板无筋条的一面朝向胎模，并且在步骤(四)使点热源对整体壁板有筋条的一面进行扫描。

7、如权利要求1所述的基于压弯和移动点热源的整体壁板数字化复合成形工艺，其特征在于，所述点热源为激光或等离子束或火焰或电子束或以感应加热获得。

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