CN104561848B - 一种蠕变时效成形工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蠕变时效成形工艺方法，所述工艺方法包含：获取目标零件的型面特征数据；根据所述型面特征数据对初始板料进行预弯，获得预弯试件；将所述预弯试件的型面对应与时效成形模具型面放置后，共同封装并对所述预弯试件与时效成形模具之间空隙做真空处理；将所述预弯试件与所述时效成形模具放入热压罐内，改变所述热压罐内环境参数，使所述预弯试件紧贴所述时效成形模具的型面上；将所述预弯试件与所述时效成形模具分离；所述预弯试件回弹形成所述目标零件。以此，成形出型面复杂材料综合性能好的零件，拓宽蠕变时效成形技术的应用领域，增加复杂型面壁板类构件成形工艺的灵活性，提高零件成形精度。

Description

一种蠕变时效成形工艺方法

技术领域

本发明涉及蠕变时效成形技术，尤指一种蠕变时效成形工艺方法。

背景技术

蠕变时效成形(CAF)是以应力松弛原理为基础，成形构件利用专用模具蠕变成形的同时进行时效热处理，其成形样品加载时所受的应力通常在弹性范围内，这种成形工艺适合成形曲率小、塑性应变小的大型复杂双曲率壁板，如飞机机翼壁板。该方法是基于金属材料蠕变/应力松弛特性，进行人工时效处理，同时获得工件复杂构件的形状和优良的综合性能。

目前，CAF作为航空航天领域里大型整体壁板构件的重要成形方法，己得到广泛的研究，并取得显著成果，成功应用于美国Textron航空公司B-1B，长程战斗机以及空客A380等的机翼壁板中。

CAF是集成形与成性于一体的工艺，成形效率高，零件材料性能好，相比于传统冷加工成形，有很多优点，但同时也存在不足，由于应力松弛后存在残余应力，蠕变时效成形后零件必然存在回弹，使成形后零件与其设计形状之间产生偏差，并将影响后续的装配。为了能够更好得获得零件外形与模具型面之间的关系，国外学者通常将数值模拟技术引入到蠕变时效成形技术的研究中，利用向前回弹法、偏差调节法和响应面法等算法，对模具型面进行补偿计算，预测模具型面，并成功用于工程实践中。

蠕变时效成形技术通常用于大型壁板类零件制造加工当中，该类零件具有展向曲率和弦向曲率的双曲率特征，且零件表面各半径均不相同，构件在低于其屈服强度的应力下成形，降低了加工过程裂纹、塑性失稳甚至断裂形成的可能性。但是，大型飞机的前机身和后机身壁板曲率半径较大，变形剧烈，单纯靠蠕变成形方法，即使构件达到弹性极限，也无法成形出最终型面。

本专利提出一种大曲率复杂整体壁板塑性蠕变时效复合成形工艺方法，采用先滚弯预成形再蠕变时效成形的方法，实现大曲率复杂型面壁板类构件的成形，使蠕变时效成形的应用不再受零件曲率大小的限制。

板料滚弯后，材料存在塑性应变，对后续的蠕变时效成形存在较大影响，现有的有限元模拟技术及模具回弹补偿算法不适于本专利的成形过程，因此，本专利提出一种考虑预弯半径影响的基于试验的模具回弹补偿构造方法。

发明内容

本发明目的在于提出一种大曲率复杂整体壁板塑性蠕变时效复合成形工艺方法，采用先滚弯预成形再蠕变时效成形的方法，实现大曲率复杂型面壁板类构件的成形，使蠕变时效成形的应用不再受零件曲率大小的限制。

鉴于板料滚弯后，材料存在塑性应变，对后续的蠕变时效成形存在较大影响，现有的有限元模拟技术及模具回弹补偿算法不适于本发明的成形过程，因此，本发明提出一种考虑预弯半径影响的基于试验的模具回弹补偿构造方法。该蠕变时效成形工艺方法，具体方法如下：

步骤1：获取目标零件4的型面特征数据；

步骤2：根据所述型面特征数据对初始板料1进行预弯，获得预弯试件2；

步骤3：将所述预弯试件2的型面对应与时效成形模具3型面放置后，共同封装并对所述预弯试件2与时效成形模具3之间空隙做真空处理；

步骤4：将所述预弯试件2与所述时效成形模具3放入热压罐内，改变所述热压罐内环境参数，使所述预弯试件2紧贴所述时效成形模具3的型面上；

步骤5：将所述预弯试件2与所述时效成形模具3分离；

步骤6：所述预弯试件2回弹形成所述目标零件4。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述根据所述型面特征数据对初始板料1进行预弯包含：根据所述型面特征数据中弦向或展向最大曲率半径对初始板料1进行预弯。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述改变所述热压罐内环境参数包含对所述预弯试件2进行加压、加热处理。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述步骤4与步骤5之间还包含：在所述预弯试件2紧贴所述时效成形模具3的型面上后，保温特定时间，将所述预弯试件2与所述时效成形模具3取出热压罐。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述保温特定时间包含：根据所述预弯试件2的材料特性，设置保温时间。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述时效成形模具3通过所述目标零件4的型面特征数据获得，具体方法如下：

通过目标零件4的弦向或展向半径获得所述时效成形模具3的弦向或展向半径；

根据所述时效成形模具3的弦向或展向半径获得所述时效成形模具3的弦向或展向的弧高值；

根据所述时效成形模具3的弧高值获得所述时效成形模具3弦向或展向型面。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述通过目标零件4的弦向或展向半径获得所述时效成形模具3的弦向或展向半径包含：

通过以下公式获得所述时效成形模具3的弦向或展向半径：

R_i＝A+BR_1i ²+CR_1iR_2i+DR_2i ²；

其中R_i为所求模具某一节点的弦向(展向)半径，R_1i为目标零件4该节点的弦向或展向半径，R_2i为滚弯半径，A、B、C、D为根据初始板料1的材料特性获得的已知常数值。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述根据所述时效成形模具3的弦向或展向半径获得所述时效成形模具3的弦向或展向的弧高值包含：

通过以下公式获得所述时效成形模具3的弦向或展向的弧高值：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{{L_i}^2}{8\×R_i};$

其中Li为模具型面某截面线两端点的间距；δ_i为所述时效成形模具3上对应该节点的弧高值。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述根据所述时效成形模具3的弧高值获得所述时效成形模具3弦向或展向型面包含：将获得的多个节点连线拟合，获得所述时效成形模具3弦向或展向型面。

本发明的有益技术效果在于：通过本发明所提供的适于滚弯预变形和蠕变时效复合成形工艺的模具回弹补偿构造方法，该方法基于一组试验数据，拟合滚弯半径、目标零件半径与最终模具半径之间的关系曲线，通过一系列拓扑关系计算和几何构造方法，确定模具型面典型截面，最终构造出蠕变时效模具型面。以此使得，成形出型面复杂材料综合性能好的零件，可以拓宽蠕变时效成形技术的应用领域，增加复杂型面壁板类构件成形工艺的灵活性，提高零件成形精度。最主要的是在塑性应变作用下，合金内产生大量的位错，位错作为快速扩散通道，有助于溶质原子向不均匀形核质点偏聚，加快了合金的时效进程，使板材在厚度方向上形成均匀的变形组织，为第二相提供了均匀的形核位置，消除了第二相沿板材厚度方向上分布不均匀性，提高了时效后合金的强度。同时，预变形的引入使时效后第二相整体体积分数增加，由此显著提高晶粒细化程度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明所提供的蠕变时效成形工艺方法流程图；

图2A塑性蠕变时效复合成形过程的预变性阶段；

图2B塑性蠕变时效复合成形过程的时效成形阶段；

图2C塑性蠕变时效复合成形过程的回弹成形阶段；

图3为模具型面确定方法流程图；

图4为模具型面节点确定方法示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

请参考图1至图2C所示，本发明提供一种蠕变时效成形工艺方法，该工艺方法具体包含以下步骤：

步骤S101：获取目标零件4的型面特征数据；

步骤S102：根据所述型面特征数据对初始板料1进行预弯，获得预弯试件2；

步骤S103：将所述预弯试件2的型面对应与时效成形模具3型面放置后，共同封装并对所述预弯试件2与时效成形模具3之间空隙做真空处理；

步骤S104：将所述预弯试件2与所述时效成形模具3放入热压罐内，改变所述热压罐内环境参数，使所述预弯试件2紧贴所述时效成形模具3的型面上；

步骤S105：将所述预弯试件2与所述时效成形模具3分离；

步骤S106：所述预弯试件2回弹形成所述目标零件4。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述根据所述型面特征数据对初始板料1进行预弯包含：根据所述型面特征数据中弦向或展向最大曲率半径对初始板料1进行预弯。在本步骤的预弯过程中，主要将初始板料1进行初期压制，便于后期初始板料1更贴合与时效成形模具3的型面上。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述改变所述热压罐内环境参数包含对所述预弯试件2进行加压、加热处理。在发明中仅介绍加压和/或加热处理，但特定板材需要其他处理，本发明在此并不做限制。在此步骤中，通过加压处理使得预弯试件2的型面向时效成形模具3的型面进一步贴合，加热处理使得预弯试件2的变形效果更好，有助于使该预弯试件2尽快变形。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述步骤4与步骤5之间还包含：在所述预弯试件2紧贴所述时效成形模具3的型面上后，保温特定时间，将所述预弯试件2与所述时效成形模具3取出热压罐。上述的特定时间为根据所述预弯试件2的材料特性，设置保温时间。

请参考图3所示，图3为模具型面确定方法流程图，在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述时效成形模具3通过所述目标零件4的型面特征数据获得，具体方法如下：

步骤S301通过目标零件4的弦向或展向半径获得所述时效成形模具3的弦向或展向半径；

步骤S302根据所述时效成形模具3的弦向或展向半径获得所述时效成形模具3的弦向或展向的弧高值；

步骤S303根据所述时效成形模具3的弧高值获得所述时效成形模具3弦向或展向型面。

在上述步骤S301中，所述通过目标零件4的弦向或展向半径获得所述时效成形模具3的弦向或展向半径包含：

通过以下公式获得所述时效成形模具3的弦向或展向半径：

R_i＝A+BR_1i ²+CR_1iR_2i+DR_2i ²；

其中R_i为所求模具某一节点的弦向(展向)半径，R_1i为目标零件4该节点的弦向或展向半径，R_2i为滚弯半径，A、B、C、D为根据初始板料1的材料特性获得的已知常数值。

在上述步骤S302中，所述根据所述时效成形模具3的弦向或展向半径获得所述时效成形模具3的弦向或展向的弧高值包含：

通过以下公式获得所述时效成形模具3的弦向或展向的弧高值：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{{L_i}^2}{8\×R_i};$

其中Li为模具型面某截面线两端点的间距；δ_i为所述时效成形模具3上对应该节点的弧高值。

在上述蠕变时效成形工艺方法中，所述根据所述时效成形模具3的弧高值获得所述时效成形模具3弦向或展向型面包含：将获得的多个节点连线拟合，获得所述时效成形模具3弦向或展向型面。

请参考图4所示，图4为模具型面节点确定方法示意图，该确定方法为中间点弧高偏移法，通过逐点确定模具型面节点获得制造模具型面参数，如图4所示。首先以目标零件4某截面线两端点间距L₁为跨距，测量跨距中心点在目标零件4型面上垂直投影点P1的弦向或展向曲率半径R₁₁，对应该点实际滚弯半径为R₂₁，代入公式：R_i＝A+BR_1i ²+CR_1iR_2i+DR_2i ²中，可求得该节点对应的模具的弦向或展向曲率半径R₁，再通过公式：可计算模具上该节点的弧高值δ₁，从而确定模具型面节点P1^*。同理，可以得到模具型面的其他节点P2^*……Pi^*。最终拟合出模具弦向或展向型面。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种蠕变时效成形工艺方法，其特征在于，所述工艺方法包含：

步骤1：获取目标零件(4)的型面特征数据；

步骤2：根据所述型面特征数据对初始板料(1)进行预弯，获得预弯试件(2)；

步骤3：将所述预弯试件(2)的型面对应与时效成形模具(3)型面放置后，共同封装并对所述预弯试件(2)与时效成形模具(3)之间空隙做真空处理；

步骤4：将所述预弯试件(2)与所述时效成形模具(3)放入热压罐内，改变所述热压罐内环境参数，使所述预弯试件(2)紧贴所述时效成形模具(3)的型面上；

步骤5：将所述预弯试件(2)与所述时效成形模具(3)分离；

步骤6：所述预弯试件(2)回弹形成所述目标零件(4)；

所述时效成形模具(3)通过所述目标零件(4)的型面特征数据获得，具体方法如下：通过目标零件(4)的弦向或展向半径获得所述时效成形模具(3)的弦向或展向半径；

根据所述时效成形模具(3)的弦向或展向半径获得所述时效成形模具(3)的弦向或展向的弧高值；

根据所述时效成形模具(3)的弧高值获得所述时效成形模具(3)弦向或展向型面。

2.根据权利要求1所述的蠕变时效成形工艺方法，其特征在于，所述根据所述型面特征数据对初始板料(1)进行预弯包含：根据所述型面特征数据中弦向或展向最大曲率半径对初始板料(1)进行预弯。

3.根据权利要求1所述的蠕变时效成形工艺方法，其特征在于，所述改变所述热压罐内环境参数包含对所述预弯试件(2)进行加压、加热处理。

4.根据权利要求1所述的蠕变时效成形工艺方法，其特征在于，所述步骤4与步骤5之间还包含：在所述预弯试件(2)紧贴所述时效成形模具3的型面上后，保温特定时间，将所述预弯试件(2)与所述时效成形模具(3)取出热压罐。

5.根据权利要求4所述的蠕变时效成形工艺方法，其特征在于，所述保温特定时间包含：根据所述预弯试件(2)的材料特性，设置保温时间。

6.根据权利要求1所述的蠕变时效成形工艺方法，其特征在于，所述通过目标零件(4)的弦向或展向半径获得所述时效成形模具(3)的弦向或展向半径包含：

通过以下公式获得所述时效成形模具(3)的弦向或展向半径：

R_i＝A+BR_1i ²+CR_1iR_2i+DR_2i ²；

其中R_i为所求模具某一节点的弦向或展向半径，R_1i为目标零件(4)该节点的弦向或展向半径，R_2i为滚弯半径，A、B、C、D为根据初始板料(1)的材料特性获得的已知常数值。

7.根据权利要求6所述的蠕变时效成形工艺方法，其特征在于，所述根据所述时效成形模具(3)的弦向或展向半径获得所述时效成形模具(3)的弦向或展向的弧高值包含：

通过以下公式获得所述时效成形模具(3)的弦向或展向的弧高值：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{{L_i}^2}{8\×R_i};$

其中Li为模具型面零件某截面线两端点的间距；δ_i为所述时效成形模具(3)上对应该节点的弧高值。

8.根据权利要求7所述的蠕变时效成形工艺方法，其特征在于，所述根据所述时效成形模具(3)的弧高值获得所述时效成形模具(3)弦向或展向型面包含：将获得的多个节点连线拟合，获得所述时效成形模具(3)弦向或展向型面。