CN105335568B - 一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法，它有四大步骤：一、在有限元仿真软件中进行超塑成形仿真，计算得到超塑成形零件；二、采用零件材料的热膨胀性能，对步骤一得到的超塑成形零件单独进行热膨胀仿真；三、将步骤二得到的热膨胀后的零件的外轮廓导出，依据该导出结果，在三维建模软件中设计超塑成形模具的模面以及对应的模具三维整体模型；四、采用模具材料的热膨胀性能，对步骤三设计得到的高温下的超塑成形模具在有限元仿真软件中进行降温收缩仿真，得到最终模具。本发明大大提高了超塑成形零件的成形精度，为模具设计方法及零件制造方带来了直接的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法，它适用于各种超塑成形零件的模具设计，属于机械加工、成形仿真技术领域。
技术背景
某些材料在一定的温度、应变速率以及组织条件下会发生超塑性现象，即其延伸率可达到百分之几百到几千，在这种条件下进行的成形叫做超塑成形。超塑成形特别适用于成形大变形量复杂零件，其变形抗力小，零件残余应力小，回弹小。但是，超塑成形的变形机理复杂，涉及材料非线性、几何非线性和复杂边界条件的高度非线性，而且其过程是在高温、密闭环境下进行，因此零件质量的精确控制难度大。
超塑成形模具与普通模具一样，是在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件工具，模具的尺寸直接影响零件的精度。与普通模具不同的是：超塑成形模具的工作温度高，通常在零件材料的1/2熔点上下，所以在升温和冷却过程中模具材料与零件材料的热膨胀性能差异会影响零件的成形精度，在超塑成形模具设计时，必须考虑这一差异。
随着有限元仿真技术的发展及计算机运算能力的提高，基于有限元分析软件的仿真建模和数值模拟，可以准确而有效地进行模具设计分析，从而降低模具设计周期与成本。
在超塑成形零件实际生产中，一般是根据零件数模来设计模具模面，再依照经验对模具整体施加一定的缩放比例得到最终的模具模型。该方法过于依赖人工经验，没有充分考虑由模具材料和零件材料的热膨胀性能差异所引起的零件成形误差；而且，超塑成形零件普遍具有三维结构复杂、变形量大和多层结构等特点，整体缩放比例难以满足实际零件在成形时不同部分的不同变化，导致最终成形的零件尺寸与所设计的零件尺寸有所差异。为解决上述问题，本专利申请提出了一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法。
发明内容
(1)发明目的：目前，在超塑成形模具设计过程中，只是简单对模具整体施加一定的缩放比例，以提高零件的成形精度。这种简单的方法没有充分考虑由模具材料和零件材料的热膨胀性能差异所引起的零件成形误差，并且无法适应实际超塑零件结构复杂的特点，生产得到的零件与设计的零件尺寸出入较大。为了解决以上问题，本专利申请提出了一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法。
(2)技术方案：本专利申请中的超塑成形模具设计过程是基于有限元仿真技术进行，超塑成形、热膨胀以及降温收缩过程是本发明技术方案的重要组成部分，不同仿真阶段使用不同的材料热膨胀性能是精确设计模具的关键所在。
超塑成形主要包括三个阶段，见图1超塑成形工艺流程示意图：阶段一、加热至超塑成形温度，阶段二、气胀成形，阶段三、冷却。在本专利申请模具设计过程中，采用相对于工艺流程逆向的设计流程，首先假设8为合格零件，8是由6经过冷却得到，所以利用零件材料的热膨胀性能对8进行热膨胀便得到6；其次，阶段二完成后，6与5的型面完全贴合，由6便可设计出高温下的模具尺寸；再次，5是由2经过热膨胀得到，所以利用模具材料的热膨胀性能对5进行冷却便得到2，2即为所要设计的模具。相应的，利用2作为模具进行超塑成形，便能够得到8，即合格零件。另外，在阶段二，板料必然由于超塑成形过程而发生局部减薄，厚度不同，热胀冷缩量也就不同，所以设计之初所采用的模型，即8，必须耦合了由于超塑成形造成的减薄。
根据以上设计方法，本发明一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法，它包括如下步骤：
步骤1)在有限元仿真软件中进行超塑成形仿真，计算得到超塑成形零件。
步骤2)采用零件材料的热膨胀性能，对步骤1)得到的超塑成形零件单独进行热膨胀仿真。
步骤3)将步骤2)得到的热膨胀后的零件的外轮廓导出，依据该导出结果，在三维建模软件中设计超塑成形模具的模面以及对应的模具三维整体模型。
步骤4)采用模具材料的热膨胀性能，对步骤3)设计得到的高温下的超塑成形模具在有限元仿真软件中进行降温收缩仿真，得到最终模具。
其中，在步骤1)中所述的“有限元仿真软件”，是指ABAQUS CAE。
其中，在步骤1)中所述的“超塑成形仿真”，主要是为了获取由超塑成形导致的零件减薄情况，所以模型不考虑材料的热膨胀及各种热交换过程，所用模具的模面直接根据零件数模设计，不进行缩放补偿，板料采用体单元建模，材料的力学性能采用超塑成形温度下的参数。经过计算可以得到超塑成形零件，其内容应包括各部分的形状、厚度等。
其中，在步骤2)中所述的“零件材料的热膨胀性能”，是指零件材料的热膨胀系数，热膨胀系数应包括从室温到超塑成形温度的各温度区间的值，每个温度区间温差为20℃。
其中，在步骤2)中所述的“热膨胀仿真”，其输入模型为步骤1)得到的零件输出结果，温度由室温升至超塑成形温度，其余参数按实际零件材料性能设置。在仿真模型中需要设一个不动的基点，一般选在零件的几何中心。经过计算得到热膨胀后的超塑成形零件。
其中，在步骤3)中所述的“将步骤2)得到的热膨胀后的零件的外轮廓导出”，其步骤如下：首先在ABAQUS里新建Model，然后将步骤2)的仿真结果.odb文件导入，再建立Job，写入input文件，便生成一个.inp文件，此文件包含了热膨胀后的零件各节点的终点坐标信息；将各坐标值与零件数模对应点的初始坐标值做差，得到各节点的增量坐标；之后将各节点初始坐标和增量坐标写入一个.txt文件，以备导入三维建模软件；最后将零件数模导入CATIA，然后打开创成式外形设计里的Digitized Morphing，导入得到的.txt文件，之后CATIA自动计算出热膨胀后的零件模型。通过此过程，即将ABAQUS里的热膨胀后的零件导入到了三维建模软件中。
其中，在步骤3)中所述的“三维建模软件”，是指CATIA。
其中，在步骤3)中所述的“设计超塑成形模具的模面以及对应的模具三维整体模型”，其过程如下：提取热膨胀后的零件的贴模面作为高温下的超塑成形模具的模面，根据模具设计标准，依据得到的模面设计出高温下的超塑成形模具。
其中，在步骤4)中所述的“模具材料的热膨胀性能”，是指模具材料的热膨胀系数，热膨胀系数应包括从室温到超塑成形温度的各温度区间的值，每个温度区间温差为20℃。
其中，在步骤4)中所述的“降温收缩仿真”，其输入模型为步骤3)得到的高温下的超塑成形模具，设置为体单元，其余参数按实际模具材料性能设置。在仿真模型中需要设一个不动的基点，一般选在零件的几何中心。经过计算得到最终模具。
(3)优点及功效：
相比于传统的单纯依靠经验值对模具整体施加一定的缩放比例的方法，本专利申请基于有限元仿真技术进行模具设计，更加适用于超塑成形零件三维结构复杂、变形量大和多层结构的特点，采用不同仿真阶段使用不同的材料热膨胀性能的方法，解决了由模具材料和零件材料的热膨胀性能差异所引起的零件成形误差问题，该模具设计方法大大提高了超塑成形零件的成形精度，为模具设计方法及零件制造方带来了直接的经济效益。
附图说明
图1是本发明所述超塑成形工艺流程示意图。
图2是本发明所述超塑成形模具设计方法流程示意图。
图3是本发明步骤3)中所述的将ABAQUS中热膨胀零件导入CATIA的流程。
图中符号、代号说明如下：
1 室温下的上模； 2 室温下的下模； 3 热膨胀后的上模； 4 热膨胀后的板料； 5热膨胀后的下模； 6 超塑成形后的零件； 7 冷却后的上模； 8 冷却后的零件； 9 冷却后的下模。
具体实施方式
见图1—图3，下面将结合图2超塑成形模具设计方法流程示意图，对本专利申请一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法作进一步说明，它包括如下步骤：
步骤1)在有限元仿真软件中进行超塑成形仿真，计算得到超塑成形零件。
步骤2)采用零件材料的热膨胀性能，对步骤1)得到的超塑成形零件单独进行热膨胀仿真。
步骤3)将步骤2)得到的热膨胀后的零件的外轮廓导出，依据该导出结果，在三维建模软件中设计超塑成形模具的模面以及对应的模具三维整体模型。
步骤4)采用模具材料的热膨胀性能，对步骤3)设计得到的高温下的超塑成形模具在有限元仿真软件中进行降温收缩仿真，得到最终模具。
其中，在步骤1)中所述的“有限元仿真软件”，是指ABAQUS CAE。
其中，在步骤1)中所述的“超塑成形仿真”，目的是为了获取由超塑成形导致的零件减薄情况。输入模型为图1中的初始板料，以及模具数模，所用模具数模的模面直接根据零件数模设计，不进行缩放补偿；板料采用体单元建模，材料的力学性能采用超塑成形温度下的参数；分析步只包括成形过程，不包括冷却过程；边界条件的设置中，成形气压-时间曲线、压边力、成形温度等均与实际操作过程一致，模型热边界条件不考虑材料的热膨胀。经过计算可以得到图2中的超塑成形零件，其内容包括零件各部分的形状、厚度等。
其中，在步骤2)中所述的“零件材料的热膨胀性能”，是指零件材料的热膨胀系数，热膨胀系数应包括该种材料从室温到超塑成形温度的各温度区间的值，每个温度区间温差为20℃。
其中，在步骤2)中所述的“热膨胀仿真”，其输入模型为步骤1)得到的输出结果，即图2中的超塑成形零件；材料性能包括从室温到超塑成形温度之间不同温度下的材料弹塑性性能和热性能；采用耦合温度的分析步；在仿真模型中需要设一个不动的基点，一般选在零件的几何中心；温度由室温升至超塑成形温度，经过计算得到图2中热膨胀后的零件。
其中，在步骤3)中所述的“将步骤2)得到的热膨胀后的零件的外轮廓导出”，其步骤如图3将ABAQUS中热膨胀零件导入CATIA的流程所示：首先在ABAQUS里新建Model，然后将步骤2)的仿真结果.odb文件导入，再建立Job，写入input文件，便生成一个.inp文件，此文件包含了热膨胀后的零件各节点的终点坐标信息；将各坐标值与零件数模对应点的初始坐标值做差，得到各节点的增量坐标；之后将各节点初始坐标和增量坐标写入一个.txt文件，以备导入三维建模软件；最后将零件数模导入CATIA，然后打开创成式外形设计里的Digitized Morphing，导入得到的.txt文件，之后CATIA自动计算出热膨胀后的零件模型。通过此过程，即将ABAQUS里的热膨胀后的零件导入到了三维建模软件中。
其中，在步骤3)中所述的“三维建模软件”，是指CATIA。
其中，在步骤3)中所述的“设计超塑成形模具的模面以及对应的模具三维整体模型”，其过程如下：提取热膨胀后的零件的贴模面作为高温下的超塑成形模具的模面，根据模具设计标准，依据得到的模面设计出图2中的高温下的超塑成形模具。
其中，在步骤4)中所述的“模具材料的热膨胀性能”，是指模具材料的热膨胀系数，热膨胀系数应包括从室温到超塑成形温度的各温度区间的值，每个温度区间温差为20℃。
其中，在步骤4)中所述的“降温收缩仿真”，其输入模型为步骤3)得到的高温下的超塑成形模具，设置为体单元，其余参数按实际模具材料性能设置。在仿真模型中需要设一个不动的基点，一般选在零件的几何中心。经过计算得到图2中的最终模具。
Claims (1)
1.一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤1)在有限元仿真软件中进行超塑成形仿真，计算得到超塑成形零件；
步骤2)采用零件材料的热膨胀性能，对步骤1)得到的超塑成形零件单独进行热膨胀仿真；
步骤3)将步骤2)得到的热膨胀后的零件的外轮廓导出，依据该导出结果，在三维建模软件中设计超塑成形模具的模面以及对应的模具三维整体模型；
步骤4)采用模具材料的热膨胀性能，对步骤3)设计得到的高温下的超塑成形模具在有限元仿真软件中进行降温收缩仿真，得到最终模具；
其中，步骤1)中所述的“有限元仿真软件”，是指ABAQUS CAE；
其中，步骤1)中所述的“超塑成形仿真”，是为了获取由超塑成形导致的零件减薄情况，模型不考虑材料的热膨胀及各种热交换过程，所用模具的模面直接根据零件数模设计，不进行缩放补偿，板料采用体单元建模，材料的力学性能采用超塑成形温度下的参数，经过计算得到超塑成形零件，该超塑成形零件包括各部分的形状、厚度；
其中，步骤2)中所述的“零件材料的热膨胀性能”，是指零件材料的热膨胀系数，热膨胀系数应包括从室温到超塑成形温度的各温度区间的值，每个温度区间温差为20℃；
其中，步骤2)中所述的“热膨胀仿真”，其输入模型为步骤1)得到的零件输出结果，温度由室温升至超塑成形温度，其余参数按实际零件材料性能设置；在仿真模型中需要设一个不动的基点，选在零件的几何中心，经过计算得到热膨胀后的超塑成形零件；
其中，步骤3)中所述的“将步骤2)得到的热膨胀后的零件的外轮廓导出”，其步骤如下：首先在ABAQUS里新建Model，然后将步骤2)的仿真结果.odb文件导入，再建立Job，写入input文件，便生成一个.inp文件，此文件包含了热膨胀后的零件各节点的终点坐标信息；将各坐标值与零件数模对应点的初始坐标值做差，得到各节点的增量坐标；之后将各节点初始坐标和增量坐标写入一个.txt文件，以备导入三维建模软件；最后将零件数模导入CATIA，然后打开创成式外形设计里的Digitized Morphing，导入得到的.txt文件，之后CATIA自动计算出热膨胀后的零件模型；通过此过程，即将ABAQUS里的热膨胀后的零件导入到了三维建模软件中；
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