CN104785692B - 一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法 - Google Patents
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Abstract
一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，属于航空航天工业锻造成形技术领域，其特征是发明依次采用以下步骤：1）、根据所需隔框锻件将其三维造型；2）、绘制隔框锻件的平面图；3）、按单元定义，将隔框锻件划分单元，并对其进行编号；4）、确定板坯每个单元的平面图面积和理想厚度；5）、对前步确定的变厚度板坯理想形状尺寸进行简化处理；6）、对简化处理后不同厚度交界处形成的台阶采用过渡斜坡进行修正，最终确定变厚度板坯的形状尺寸。本发明能够满足隔框锻件闭式模锻成形工艺板坯设计中合理分配体积的要求，有效避免穿流、紊流和折叠等缺陷，提高产品质量，达到隔框锻件精确成形的要求；同时提高材料利用率，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于航空航天工业锻造成形技术领域，特别涉及隔框锻件的闭式精确模锻成形板坯形状尺寸确定技术领域。
背景技术
隔框模锻件是广泛应用于航空航天器上的承力结构件，采用高性能轻质合金材料(例如铝合金、钛合金)制成，主要由肋条和腹板两部分构成，通常采用开式模锻工艺，在大型模锻液压机上热模锻成形。开式模锻件余量大，具有飞边结构，材料利用率低，生产成本高。而且，在开式模锻工艺中，预制坯设计是按体积不变原则首先计算获得等厚度的板坯，然后根据隔框模锻件的形状尺寸凭经验进行大致的体积再分配，获得预制坯形状尺寸。不能实现根据隔框模锻件结构尺寸精确合理分配板坯各部位体积，从而使板坯在开式模锻成形过程中，易出现充不满缺陷；腹板处金属也易发生横向穿肋流动，或产生紊流和折叠等缺陷，产品质量不能保证。
采用闭式模锻工艺成形隔框锻件，由于没有飞边结构，消除了周边肋的流线露头现象，提高了模锻件质量；闭式模锻件余量小，形状尺寸精度高，可提高材料利用率，降低生产成本。因此，隔框闭式模锻成形工艺具有显著的优势。然而，在闭式模锻成形工艺中，模锻件板坯形状尺寸的合理设计是保证获得合格产品的关键。若板坯体积分配不合理，在模锻成形过程中，腹板处金属发生横向穿肋流动，导致在部分中间肋的根部产生紊流、穿流、折叠等缺陷。
发明内容
为了满足隔框锻件闭式模锻成形工艺板坯设计中合理分配体积的要求，保证在模锻成形过程中材料能够顺序填充模腔，有效避免充不满、穿流、紊流和折叠等缺陷，提高产品质量，达到隔框锻件精确成形的要求，本发明提供一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法。本发明的技术方案如下：
一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，其特征是依次采用如下步骤：
1)、根据隔框锻件尺寸，利用造型软件绘制隔框锻件三维造型；
2)、利用绘图软件绘制隔框锻件的长宽面的平面图；所述长宽面即由长度和宽度构成的一个面；
3)、在平面图中将隔框锻件划分成若干单元的组合体，并对单元进行编号；所述单元为由中间肋103中心线所围成的最小区域闭合体或者由中间肋103中心线与锻件外轮廓线所围成的最小区域闭合体；
4)、利用绘图软件计算平面图中每个单元的平面图面积Si；利用造型软件UG计算每个单元的体积Vi；根据公式：计算每个单元的理想厚度H* i；
5)、对变厚度板坯每个单元的平面图面积Si和理想厚度H* i进行简化处理，得到变厚度板坯每个新单元的平面图面积Sj和厚度Hj，具体为：所述简化处理即将厚度差小于1mm的相邻单元合并成一个新单元，并对未合并的单元和合并后的单元重新依次编号；计算每个新单元的平面图面积Sj和新单元的体积Vj；根据公式：计算每个新单元的理想厚度H* j；新单元的体积Vj为被合并单元的体积之和，新单元的平面图面积Sj为被合并单元的平面面积之和；各未合并单元的体积和平面图面积与修正前相同；将理想厚度H* j四舍五入取整，得到每个新单元的厚度Hj；
6)、对简化处理后的不同厚度交界处形成的台阶采用过渡斜坡进行修正：即将相邻新单元之间产生的台阶的高阶位置减掉一个横截面是30度角的直角三角形的体积，将该30度角的直角三角形的体积增加到相邻新单元之间产生的台阶的低阶位置处。
所述的一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，其特征是：所述变厚度板坯的形状为：在平面图上，变厚度板坯外轮廓与隔框锻件外轮廓相同；变厚度板坯在高度方向上看，下表面为平面，上表面为通过斜坡过渡连接的若干水平平台。
所述的一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，其特征是：所述隔框锻件由腹板101和肋组成，肋包括周边肋102和中间肋103，腹板101上下表面连接周边肋102或中间肋103；相邻中间肋103或周边肋102高度差不超过30％，相邻单元的平面图面积差不超过一倍。
所述的一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，其特征是：所述腹板101处于同一平面内。
所述的一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，其特征是：隔框锻件的外轮廓上均有周边肋102。
本发明的有益效果
一、采用本发明所提出方法确定的变厚度板坯，能够根据隔框锻件的形状尺寸，精确、合理的分配板坯体积，实现隔框锻件在闭式模锻过程中顺序充填模腔，消除了穿肋流动现象，有效避免了肋根部紊流、穿流、折叠等成形缺陷。与现有技术相比，解决了预成形板坯体积的合理分配难题，确定出形状和尺寸精确合理的隔框锻件变厚度板坯。
二、与传统开式模锻相比，采用本发明所提出方法确定的变厚度板坯进行隔框锻件的闭式成形，减小了锻造余量，没有飞边结构，消除了周边肋的流线露头现象，节省材料20％～50％，降低了生产成本。
附图说明
图1为常见闭式模锻成形缺陷剖面示意图。
图2为本发明隔框锻件一三维造型。
图3为隔框锻件一平面图。
图4为隔框锻件一A-A面剖视图。
图5为隔框锻件一B-B面剖视图。
图6为隔框锻件一理想的变厚度板坯平面图。
图7为隔框锻件一理想的变厚度板坯A-A面剖视图。
图8为隔框锻件一理想的变厚度板坯B-B面剖视图。
图9为隔框锻件一简化后的变厚度板坯平面图。
图10为隔框锻件一简化后的变厚度板坯A-A面剖视图。
图11为隔框锻件一简化后的变厚度板坯B-B面剖视图。
图12为隔框锻件一变厚度板坯平面图。
图13为隔框锻件一变厚度板坯A-A面剖视图。
图14为隔框锻件一变厚度板坯B-B面局部放大剖视图。
图15为本发明隔框锻件二三维造型。
图16为隔框锻件二平面图。
图17为隔框锻件二C-C面剖视图。
图18为隔框锻件二D-D面剖视图。
图19为隔框锻件二理想的变厚度板坯平面图。
图20为隔框锻件二理想的变厚度板坯C-C面剖视图。
图21为隔框锻件二简化后的变厚度板坯平面图。
图22为隔框锻件二简化后的变厚度板坯C-C面剖视图。
图23为隔框锻件二变厚度板坯平面图。
图24为隔框锻件二变厚度板坯C-C面局部放大剖视图。
图中，101、腹板，102、周边肋，103、中间肋，104、肋腔，105、上模，106、下模，107、隔框锻件一，108、单元边界线，m1-m16、单元编号，MI-MX、新单元编号，109、隔框锻件二。
具体实施方式
实施例一
本发明中所述的隔框锻件中腹板101、周边肋102和中间肋103的定义见《锻压技术手册(上册)》第79、786页，国防工业出版社(1989年第一版)。
在本实施例中，依次采用如下步骤精确确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸：
1)、此隔框锻件一107长650mm，宽490mm，为双面对称肋结构，纵向、横向各5条肋条相互交织，肋宽为10mm，单面的肋高均为30mm，无模锻斜度，腹板101厚15mm，其平面图总面积为318480mm2。利用造型软件UG绘制隔框锻件一107的三维造型，如附图2所示。
2)、使用计算机绘图软件CAXA电子图板绘制隔框锻件一107的长宽面的平面图，如附图3所示，所述长宽面即由长度和宽度构成的一个面。
3)、在平面图中将隔框锻件一107划分成16个单元的组合体，并按照从左到右、从上到下的顺序依次将单元编号为m1～m16，如附图3所示。所述单元为由中间肋103中心线所围成的最小区域闭合体或者由中间肋103中心线与锻件外轮廓线所围成的最小区域闭合体。
4)、分别对第3)步中划分的若干单元进行计算：
首先，根据CAXA电子图板软件绘制的隔框锻件一107的平面图，如附图3所示，在此软件菜单栏中依次选择：“工具”-“查询”-“面积”，软件分别计算得到隔框锻件一107每个单元的平面图面积Si，i取1、2、…、16；具体为：S1＝14170mm2，S2＝18900mm2，S3＝16800mm2，S4＝18370mm2，S5＝18900mm2，S6＝25200mm2，S7＝22400mm2，S8＝24500mm2，S9＝14850mm2，S10＝21600mm2，S11＝22300mm2，S12＝18150mm2，S13＝18220mm2，S14＝22500mm2，S15＝20700mm2，S16＝20920mm2。
然后，根据UG造型软件绘制的隔框锻件一107如附图2所示的三维造型，在此软件中使用“特征操作”中的“拆分体”功能，将隔框锻件一107的三维造型拆分成各单元的组合体；在软件菜单栏中依次选择：“分析”-“测量体”功能，软件分别计算得到隔框锻件一107各单元的体积Vi，i取1、2、…、16；具体为：V1＝444210mm3，V2＝534110mm3，V3＝481990mm3，V4＝548530mm3，V5＝514650mm3，V6＝599260mm3，V7＝574250mm3，V8＝581630mm3，V9＝422330mm3，V10＝530710mm3，V11＝541890mm3，V12＝493680mm3，V13＝536400mm3，V14＝611780mm3，V15＝581460mm3，V16＝597900mm3。
再次，根据公式：分别计算每个单元的理想厚度H* i(i取1、2、…、16)如下(保留两位小数)：H* 2＝28.26mm，H* 3＝28.69mm，H* 4＝29.86mm，H* 5＝27.23mm，H* 6＝23.78mm，H* 7＝24.23mm，H* 8＝23.74mm，H* 9＝28.44mm，H* 10＝24.57mm，H* 11＝24.30mm，H* 12＝27.20mm，H* 13＝29.44mm，H* 14＝27.19mm，H* 15＝28.09mm，H* 16＝28.58mm。由Si和H* i确定的所有单元的组合，即为理想的变厚度板坯形状尺寸，如附图6～8所示。
5)、对第4)步中得到变厚度板坯每个单元的平面图面积Si和理想厚度H* i进行简化处理，得到变厚度板坯每个新单元的平面面积Sj和厚度Hj，具体为：
①、单元的合并和重新编号：
将厚度差小于1mm的相邻单元合并成一个新单元，并对未合并的单元和合并后的单元从左到右、从上到下依次重新编号，记为Mj，j取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、……。随后，确定合并后板坯各单元的理想厚度：
如附图9所示，单元m1重新编号为单元MⅠ，因此有SⅠ＝S1＝14170mm2，H* Ⅰ＝H* 1＝31.35mm；由于H* 2＝28.26mm，H* 3＝28.69mm，厚度差小于1mm，因此将单元m2、m3合并，编号为单元MⅡ，单元MⅡ板坯平面图面积为SⅡ＝S2+S3＝18900+16800＝35700mm2，根据新单元的体积与平面图面积之比，即公式确定理想厚度为同样的，将单元m6、m7、m8、m10、m11合并，编号为单元MⅤ，得到其板坯平面图面积为SⅤ＝S6+S7+S8+S10+S11＝116000mm，理想厚度为将单元m14、m15合并，编号为单元MⅨ，得到其板坯平面图面积为SⅨ＝43200mm2，理想厚度为H* Ⅸ＝27.62mm。
对单元编号后，得到板坯的各单元平面图面积Sj和理想厚度H* j分别为：
SⅠ＝14170mm2，H* Ⅰ＝H* 1＝31.35mm；SⅡ＝35700mm2，H* Ⅱ＝28.46mm；
SⅢ＝S4＝18370mm2，H* Ⅲ＝H* 4＝29.86mm；SⅣ＝S5＝18900mm2，H* Ⅳ＝H* 5＝27.23mm；
SⅤ＝116000mm2，H* Ⅴ＝24.38mm；SⅥ＝S9＝14850mm2，H* Ⅵ＝H* 9＝28.44mm；
SⅦ＝S12＝18150mm2，H* Ⅶ＝H* 12＝27.20mm；SⅧ＝S13＝18220mm2，H* Ⅷ＝H* 13＝29.44mm；
SⅨ＝43200mm2，H* Ⅸ＝27.62mm；SⅩ＝S16＝20920mm2，H* Ⅹ＝H* 16＝28.58mm。
②、将各单元的理想厚度H* j分别四舍五入取整，得到简化后的每个新单元的厚度Hj，具体为：HⅠ＝31mm，HⅡ＝28mm，HⅢ＝30mm，HⅣ＝27mm，HⅤ＝24mm，HⅥ＝28mm，HⅦ＝27mm，HⅧ＝29mm，HⅨ＝28mm，HⅩ＝29mm。由各单元构成的组合体即为简化后的变厚度板坯，如附图9～11所示。
6)、对第5)步中得到的简化处理后的不同厚度交界处形成的台阶采用过渡斜坡进行修正，具体为：
将相邻新单元之间产生的台阶的高阶位置减掉一个横截面是30度角的直角三角形的体积，将该30度角的直角三角形的体积增加到相邻新单元之间产生的台阶的低阶位置处。如附图14所示，使相邻单元交界处台阶两侧的横截面局部面积相等，即在附图14中，三角形区域面积A1＝A2。
这样就最终确定了隔框锻件一107变厚度板坯形状尺寸，如附图12～14所示。
实施例二
本发明中所述的隔框锻件中腹板101、周边肋102和中间肋103的定义见《锻压技术手册(上册)》第79、786页，国防工业出版社(1989年第一版)。
在本实施例中，依次采用如下步骤精确确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸：
1)、此隔框锻件二109长555mm，宽150～400mm，为双面对称肋结构，纵向5条、横向3条肋条相互交织，肋宽为10mm，单面的纵向中间肋103高与周边肋102高为30mm，单面的横向中间肋103高为26mm，无模锻斜度，腹板101厚15mm，其平面图总面积为134006mm2。利用造型软件UG绘制隔框锻件二109的三维造型，如附图15所示。
2)、使用计算机绘图软件CAXA电子图板绘制隔框锻件二109的长宽面平面图，如附图16所示，所述长宽面即由长度和宽度构成的一个面。
3)、在平面图中将隔框锻件二109划分成8个单元的组合体，并按照从左到右、从上到下的顺序依次将单元编号为m1～m8，如附图16所示。所述单元为由中间肋103中心线所围成的最小区域闭合体或者由中间肋103中心线与锻件外轮廓线所围成的最小区域闭合体。
4)、分别对第3)步中划分的若干单元进行计算：
首先，根据CAXA电子图板软件绘制的隔框锻件二109的平面图，如附图16所示，在此软件菜单栏中依次选择：“工具”-“查询”-“面积”，软件计算得到隔框锻件各单元的平面图面积Si，i取1、2、…、8；具体为：S1＝10875mm2，S2＝12638mm2，S3＝19234mm2，S4＝24256mm2，S5＝10875mm2，S6＝12638mm2，S7＝19234mm2，S8＝24256mm2。
然后，根据UG造型软件绘制的隔框锻件二109如附图15所示的三维造型，在此软件中使用“特征操作”中的“拆分体”功能，将隔框锻件二109的三维造型拆分成各单元的组合体；在软件菜单栏中依次选择：“分析”-“测量体”功能，软件分别计算得到隔框锻件二109各单元的体积Vi，i取1、2、…、8；具体为：V1＝349725mm3，V2＝365254mm3，V3＝486482mm3，V4＝635184mm3，V5＝349725mm3，V6＝365254mm3，V7＝486482mm3，V8＝635184mm3；
再次，根据公式：分别计算每个单元的理想厚度H* i(i取1、2、…、8)如下(保留两位小数)：H* 2＝28.90mm，H* 3＝25.29mm，H* 4＝26.19mm，H* 5＝32.16mm，H* 6＝28.90mm，H* 7＝25.29mm，H* 8＝26.19mm。由Si和H* i确定的所有单元的组合，即为理想的变厚度板坯形状尺寸，如附图19、20所示。
5)、对第4)步中得到变厚度板坯每个单元的平面图面积Si和理想厚度H* i进行简化处理，得到变厚度板坯每个新单元的平面面积Sj和厚度Hj，具体为：
①、单元的合并和重新编号：
将厚度差小于1mm的相邻单元合并成一个新单元，并对未合并的单元和合并后的单元从左到右、从上到下依次重新编号，记为Mj，j取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、……。随后，确定合并后板坯各单元的理想厚度：
如附图21所示，单元m1、m5理想厚度相等，属于厚度差小于1mm，将其合并，重新编号为单元MⅠ，单元MⅠ平面图面积为SⅠ＝S1+S5＝10875+10875＝21750mm2，根据新单元的体积与面积之比，即公式确定理想厚度为H* Ⅰ＝(V1+V5)/SⅠ＝32.16mm；同样的，将单元m2、m6合并，编号为单元MⅡ，其平面图面积为SⅡ＝25276mm2，理想厚度为H* Ⅱ＝28.90mm；将单元m3、m7合并，编号为单元MⅢ，SⅢ＝38468mm2，H* Ⅲ＝25.29mm；将单元m4、m8合并，编号为单元MⅣ，SⅣ＝48512mm2，H* Ⅳ＝26.19mm。
②、将各单元Mj的理想厚度四舍五入取整，得到简化后的每个新单元的厚度Hj，具体为：SⅠ＝21750mm2，HⅠ＝32mm；SⅡ＝25276mm2，HⅡ＝29mm；SⅢ＝38468mm2，HⅢ＝25mm；SⅣ＝48512mm2，HⅣ＝26mm。由各单元构成的组合体即为简化后的变厚度板坯，如附图21、22所示。
6)、对第5)步中得到的简化处理后的不同厚度交界处形成的台阶采用过渡斜坡进行修正，具体为：
将相邻新单元之间产生的台阶的高阶位置减掉一个横截面是30度角的直角三角形的体积，将该30度角的直角三角形的体积增加到相邻新单元之间产生的台阶的低阶位置处。如附图24所示，使相邻单元交界处台阶两侧的横截面局部面积相等，即在附图24中，三角形区域面积D1＝D2。
这样就最终确定了隔框锻件二109变厚度板坯形状尺寸，如附图23、24所示。
Claims (5)
1.一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，其特征是依次采用如下步骤：
1)、根据隔框锻件尺寸，利用造型软件绘制隔框锻件三维造型；
2)、利用绘图软件绘制隔框锻件的长宽面的平面图；所述长宽面即由长度和宽度构成的一个面；
3)、在平面图中将隔框锻件划分成若干单元的组合体，并对单元进行编号；所述单元为由中间肋(103)中心线所围成的最小区域闭合体或者由中间肋(103)中心线与隔框锻件外轮廓线所围成的最小区域闭合体；
4)、利用绘图软件分别计算平面图中每个单元的平面图面积Si；利用造型软件UG分别计算每个单元的体积Vi；根据公式：分别计算每个单元的理想厚度H* i；
5)、对变厚度板坯每个单元的平面图面积Si和理想厚度H* i进行简化处理，得到变厚度板坯每个新单元的平面图面积Sj和厚度Hj；所述简化处理即将厚度差小于1mm的相邻单元合并成一个新单元，并对未合并的单元和合并后的新单元重新依次编号；分别计算每个新单元的平面图面积Sj和新单元的体积Vj；根据公式：计算每个新单元的理想厚度H* j；新单元的体积Vj为被合并单元的体积之和，新单元的平面图面积Sj为被合并单元的平面面积之和；各未合并单元的体积和平面图面积与修正前相同；将理想厚度H* j四舍五入取整，得到每个新单元的厚度Hj；
6)、对简化处理后的不同厚度交界处形成的台阶采用过渡斜坡进行修正：即将相邻新单元之间产生的台阶的高阶位置减掉一个横截面是30度角的直角三角形的体积，将该30度角的直角三角形的体积增加到相邻新单元之间产生的台阶的低阶位置处；使高阶与低阶之间由倾斜平面连接。
2.根据权利要求1所述的一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，其特征是所述变厚度板坯的形状为：在平面图上，变厚度板坯外轮廓与隔框锻件外轮廓相同；变厚度板坯在高度方向上看，下表面为水平面，上表面为通过斜坡过渡连接的若干水平平台。
3.根据权利要求1所述的一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，其特征是：所述隔框锻件由腹板(101)和肋组成，肋包括周边肋(102)和中间肋(103)，腹板(101)上下表面连接周边肋(102)或中间肋(103)；相邻中间肋(103)或周边肋(102)高度差不超过30％，相邻单元的平面图面积差不超过一倍。
4.根据权利要求3所述的一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，其特征是：所述腹板(101)处于同一平面内。
5.根据权利要求3所述的一种确定隔框锻件变厚度板坯形状尺寸的方法，其特征是：隔框锻件的外轮廓上均有周边肋(102)。
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