CN101101481A - 压弯、点热源复合成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压弯点热源复合成形方法为：1)首先通过计算平台对坯件进行模拟加工，对难于成形的局部区域进行预判断；2)根据步骤1)中得到点热源加工参数；3)在机械式加工时，根据步骤2)中的参数通过计算机控制系统控制点热源进行复合加工；4)在步骤3)加工的同时，用于测量坯件状态的传感器向控制系统反馈应力、应变等实时监控数据。本发明通过在传统机械成形大型件的过程中采用点热源进行压弯点热源复合成形，可以对在机械成形过程中出现的难以变形的地方进行很好地处理，因此克服了机械成形可能带来成形件损伤更甚至破坏的缺点。

Description

压弯、点热源复合成形方法

技术领域

本发明涉及一种钣金结构件尤其是尺寸大、结构形状复杂的难成形钣金结构件的弯曲成形方法。

背景技术

工程上有这样一类钣金零件，譬如飞机的蒙皮和整体(蒙皮与支撑筋条一体化)壁板零件、火箭的整体燃料箱零件、船舶的船舷和甲板零件以及汽车的覆盖件等，需要采取压弯或滚弯方式成形，滚弯是压弯的另一种形式，指成形零件可以在被压弯的同时随支撑辊转动。

压弯或滚弯是目前壁板成形的主要方法。该方法利用三点弯曲方式成形壁板，壁板由两个支撑点所支撑，加载装置控制压头在壁板上预定的位置加载。壁板在载荷的作用下产生塑性变形，从而得到预期的几何外形。压弯成形可以是一次成形也可以是多次或增量式成形(通过多次、逐步的加载方法使坯件成形)。载荷大小和加载位置，以及加载次序都是成形中需要考虑的问题。

对于飞机蒙皮和壁板类零件，由于尺寸大、结构形状复杂，采用该方法变形量小、成形难度大、不能成形局部变形量大和筋条高的零件。其主要体现是：变形抗力大、回弹量大、易出现变形损伤(如筋条起皱和开裂等)、成形精度较差。为了满足其尺寸和形状精度要求，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”等手段进行微调。但是，“人工锤敲”、“皮条抽打”往往依赖于加工者的经验，不易实现制造自动化。除此之外，“人工锤敲”、“皮条抽打”容易在工件表面留下损伤，成为安全隐患。大型民用飞机是绝对不允许“人工锤敲”、“皮条抽打”的。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种压弯、点热源复合成形方法，该方法排除了成形过程中的人为影响和对操作人员经验的依赖，从而实现成形工艺的自动化和智能化。

为实现上述目的，本发明一种压弯点热源复合成形方法，包括如下步骤：1)建立成形材料的力学性能和热物性的相关性能参数、成形零件的结构、尺寸和形状数据库，以及材料在多物理场作用下的响应规律，建立计算平台和专家系统，并通过该计算平台对坯件的虚拟加工，对难成形、需要点热源加工的位置以及点热源加工参数进行预判断，即通过对加工过程的模拟得出点热源的技术参数、需要点热源加工的区域和轨迹，以及加工时坯件的约束条件；

2)将步骤1)中的各项条件通过计算机控制系统转换成点热源加工的各项工艺参数；

3)在机械加工时，根据步骤2)中的参数通过计算机控制系统控制进行点热源辅助加工以达到预期的成形效果；

4)在步骤3)加工的同时，用于测量坯件状态的传感器向控制系统反馈变形过程中的实时监控数据，计算机控制系统根据这些数据及时修正工艺参数，从而在整个加工过程中形成闭环控制。

进一步，所述步骤2)中点热源加工的各项工艺参数包括能量、时间、空间坐标、速度、轨迹。

本发明通过在传统机械成形大型件的过程中采用点热源进行加工，可以对在机械成形过程中出现的难以变形的地方进行很好地处理，因此克服了机械成形可能带来成形件损伤甚至破坏的缺点，主要包括如下两个方面：第一、点热源与材料之间的相互作用使成形件局部区域的变形抗力下降：由于点热源产生的能量注入，材料在高温下的结构、组织发生改变，材料的塑性流动能力增强，成形过程中的变形抗力下降，有助于成形；第二、利用点热源所产生的温度梯度局部成形，材料对于不同的温度有着不同的响应：一般来说，成形过程中处于温度高的部分材料变形较大，相反的，处于温度低的部分变形相对较小，而这个差异足以使坯件发生弯曲，改变作用强度，作用时间以及边界条件可以控制其弯曲方向和弯曲程度，并且坯件成形后有较好的定形性。

附图说明

图1为本发明对于钛合金板弯曲时的对比效果图。

具体实施方式

本发明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(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。

大型结构件在机械成形过程中会出现难以变形的地方，即，如果材料抵抗变形的能力较强，而且在成形中局部的变形需求比较大，那么在这些地方机械成形就显示出了局限性。如果不断加大载荷以适应成形需求，这有可能带来成形件损伤更甚至破坏。本发明压弯点热源复合成形，通过利用点热源的单色性和稳定性好、能量密度高、无污染、控制精度高、可以很方便地实现成形加工的柔性化、自动化以及数字化和智能化等特点，利用计算机模拟以及传感器的反馈信号，对这些难于成形的局部区域进行监控、跟踪和复合成形。在该过程中，点热源在两个方面起到了作用，第一，点热源与材料之间的相互作用使成形件局部区域的变形抗力下降：由于点热源产生的能量注入，材料在高温下的结构、组织发生改变，材料的塑性流动能力增强，成形过程中的变形抗力下降，有助于成形。第二，利用点热源所产生的温度梯度局部成形：材料对于不同的温度有着不同的响应，一般来说，成形过程中处于温度高的部分材料变形较大，相反的，处于温度低的部分变形相对较小，而这个差异足以使坯件发生弯曲，改变作用强度，作用时间可以控制其弯曲方向和弯曲程度，并且坯件成形后有较好的定形性。

具体操作如下：

1)建立成形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，以及材料在多物理场(机械载荷、热载荷)的作用下的响应规律，建立计算平台和专家系统。并通过该计算平台对坯件的虚拟加工，对难成形、需要点热源加工的位置以及点热源加工参数进行预判断，即通过对加工过程的模拟得出点热源的技术参数、需要点热源加工的区域和轨迹，以及加工时坯件的约束条件；

2)将步骤1)中的各项条件通过计算机控制系统转换成点热源加工的能量、时间、空间坐标、速度、轨迹等工艺参数；

3)在机械加工时，根据步骤2)中的参数通过计算机控制系统控制进行点热源辅助加工以达到预期的成形效果；

4)在步骤3)加工的同时，用于测量坯件状态的传感器向控制系统反馈应力、应变等实时监控数据，计算机控制系统根据这些数据及时修正工艺参数，从而在整个加工过程中形成闭环控制。

5)对于精调工作方案，首先检测待精调零件的形状、尺寸与设计零件的差异，然后根据1)、2)、3)、4)确定精调方案，包括确定需要注入点热源能量的量级、部位、方式和轨迹等参数。精调工作可重复进行，直至成形零件达到设计要求为止。

点热源的热作用可以显著提高材料的成形性能和定型性，在压弯4mm时，可以将钛合金成形量由0(无点热源作用)变成了2.4mm和3.1mm。对于其他材料如铝合金最高有43％的提高，ST14钢板最高有56％的提高。如图1所示，1为未经过点热源加工的钛合金板在压弯24mm后的最终形态，可以看到回弹量较大，2为钛合金板在本发明方法的作用下压弯24mm后的最终状态，可以看出回弹量显著降低。图中钛合金板长度为150mm。

上述点热源可采用激光、等离子束、火焰、感应加热或者电子束等。

Claims (2)

1、一种压弯点热源复合成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)建立成形材料的力学性能和热物性的相关性能参数、成形零件的结构、尺寸和形状数据库，以及材料在多物理场作用下的响应规律，建立计算平台和专家系统，并通过该计算平台对坯件的虚拟加工，对难成形、需要点热源加工的位置以及点热源加工参数进行预判断，即通过对加工过程的模拟得出点热源的技术参数、需要点热源加工的区域和轨迹，以及加工时坯件的约束条件；

2)将步骤1)中的各项条件通过计算机控制系统转换成点热源加工的各项工艺参数；

3)在机械加工时，根据步骤2)中的参数通过计算机控制系统控制进行点热源辅助加工以达到预期的成形效果；

4)在步骤3)加工的同时，用于测量坯件状态的传感器向控制系统反馈变形过程中的实时监控数据，计算机控制系统根据这些数据及时修正工艺参数，从而在整个加工过程中形成闭环控制。

2、根据权利要求1所述的压弯点热源复合成形方法，其特征在于，所述步骤2)中点热源加工的各项工艺参数包括能量、时间、空间坐标、速度、轨迹。