CN108372250B - 一种超塑成形过程的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超塑成形过程的控制方法，其技术要点在于：第一步，建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系；第二步，对零件成形过程中加压曲线的设计；第三步，根据排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线；本发明的技术方案能够实时监测真空密封盒的气压变化，间接实现超塑成形的过程监测，准确判断成形程度和完整性，大幅减少试验次数，减少研发周期即可获得最佳加压曲线，提高了生产效率。

Description

一种超塑成形过程的控制方法
技术领域
本发明涉及超塑成形技术领域，特别是涉及一种超塑成形过程的控制方法。
背景技术
超塑成形或超塑成形/扩散连接技术是一种先进的金属塑性成形技术，利用金属材料的超塑性和扩散连接性可制备出空心夹层结构，从而减小结构重量，并且具有较好的强度和刚度，在航空、航天领域应用广泛。
目前，采用超塑成形/扩散连接方法制备空心结构件根据所用板坯的层数通常分为单层、两层、三层和四层结构，对于单层结构成形过程仅对一张板材进行超塑成形，对于两层、三层和四层结构而言，首先需要对两层板材或三层板材进行指定区域的扩散连接，然后进行超塑成形与模具贴膜，形成空腔和零件外形。主要工艺参数包括温度、压力和时间。其中压力的控制对于成形至关重要，加压速率的快慢，保压时间直接关系到成形结构的完整性、制造效率。
采用超塑成形/扩散连接技术制造的空心结构件，特别是针对新材料或者新结构研发时，由于材料变形过程是不可视的，对于变形过程中的变形程度的变化无法判断，从而只能通过大量试验来获得。另外，在较为适合的应变速率下成形是所追求的目标，既获得完整的外形，又可减少成形时间，应变速率的外在控制参数，即压力-时间关系的设计。然而，在实际操作过程中，特别是形状复杂的构件，通常只能通过大量的试验来获得合适的加压曲线，或者通过增大成形气压和延长保压时间来确保零件的成形完整，这样导致成形效率低，周期长，甚至会导致材料性能下降。
发明内容
本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种超塑成形过程的控制方法。
一种超塑成形过程的控制方法，第一步，建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系；第二步，对零件成形过程中加压曲线的设计；第三步，根据排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线。
进一步地，建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系步骤为在模具排气管路端连接一个固定体积的真空密封盒，真空密封盒的另一端连接真空压力表，通过pv＝nRT气体方程公式计算出零件成形过程中从模具空腔所排除的气体的量，其中，p表示气体的压强，v表示气体体积，n表示气体的量，R表示气体常数，T表示气体的热力学温度，从而建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与真空密封盒内气压变化的关系；
对零件成形过程中加压曲线的设计步骤为对空腔在数模中进行分层处理，计算出每一层的体积，从而建立零件空腔每增加或减少一层的体积变化与真空密封盒气压变化的关系，进而获得零件成形过程中的等效应变速率，实现对零件成形过程中加压曲线的设计；
根据排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线步骤为将所设计的加压曲线输入到计算机控制程序中，通过计算机控制程序控制成形过程中的排除气体至真空密封盒前的用于施加气体压力的控制阀门，该计算机控制程序实现所设计的加压曲线，还可以根据所排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线。
进一步地，真空密封盒的体积需根据零件空腔体积计算获得，真空密封盒的体积大于零件的空腔体积。
进一步地，零件空腔与模具和板料之间的空腔相同。
进一步地，建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系步骤为高压气瓶的气体通过减压阀进入成形模具的气道内，对板料施加气压，板料与下模具之间的空腔处于密封状态，板料受到气压作用发生向下的弯曲变形，空腔内的气体会通过连接下模具的排气管路排除，气体经过控制阀门后进入初始状态为真空的真空密封盒内，真空密封盒另外一端与真空压力表连接，从而可以实时准确的获得真空密封盒内的气体压力pi，从而计算出空腔排除气体体积，空腔排除气体体积的公式为Vi，Vi＝(piV0T’)/(P0T0)，其中，V0为密封盒体积，T’为模具温度，P0为大气压，T0为室温，判断板料的变形程度，真空压力表的气压值通过传感器传输到计算机控制系统中，计算机控制系统通过事先编好的计算机控制程序判断材料是否在最佳应变速率下变形，进而控制连接高压气瓶的进气阀门对板料施加气压的大小与快慢。
进一步地，对零件成形过程中加压曲线的设计步骤为采用数字化设计软件对预成形零件空腔进行分层处理，获得每一层空腔的体积数值，包括hi和li的值，分层后的每一层体积vi为成形过程中空腔体积的等效变化，根据vi的变化计算出等效应变速率，等效应变速率的计算公式为(为等效应变速率，vi当前空腔体积，vi-1为上一步空腔体积，t为体积变化过程所用时间)，最终反应到pi的变化上，通过计算机控制系统控制加压速度，当加压速度低于等效应变速率，则加压速度增大，当加压速度高于等效应变速率，则减小加压速度，从而获得最佳的加压曲线。
进一步地，等效后的分层与实际成形过程中板料形状的变化，结合预先设计的计算机控制程序实现等效应变速率与实际零件成形的变形程度的对应，监测变形程度和成形完整性，从而实现零件制造。
进一步地，加压速度通过计算机控制系统控制，围绕等效应变速率进行控制。
本发明的优点：
1、实时监测真空密封盒的气压变化，间接实现超塑成形的过程监测，准确判断成形程度和完整性；
2、大幅减少试验次数，减少研发周期即可获得最佳加压曲线，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明的成形控制原理示意简图；
图2为零件空腔在数模中进行分层处理的示意图；
图3为等效后的变形过程对比示意图；
图4为等效后的变形过程对比的另一示意图。
具体实施方式
为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。
实施例1
如图1-4所示，一种超塑成形过程的控制方法，第一步，建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系；第二步，对零件成形过程中加压曲线的设计；第三步，根据排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线。
建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系步骤为在模具1排气管路端连接一个固定体积的真空密封盒3，真空密封盒3的体积需根据零件空腔体积计算获得，真空密封盒3的体积大于零件的空腔体积，真空密封盒3的另一端连接真空压力表6，通过pv＝nRT气体方程公式计算出零件成形过程中从模具1空腔所排除的气体的量，其中，p表示气体的压强，v表示气体体积，n表示气体的量，R表示气体常数，T表示气体的热力学温度，从而建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与真空密封盒3内气压变化的关系；对零件成形过程中加压曲线的设计步骤为对空腔在数模中进行分层处理，计算出每一层的体积，从而建立零件空腔每增加或减少一层的体积变化与真空密封盒3气压变化的关系，进而获得零件成形过程中的等效应变速率，实现对零件成形过程中加压曲线的设计，零件空腔与模具1和板料之间的空腔相同；根据排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线步骤为将所设计的加压曲线输入到计算机控制程序中，通过计算机控制程序控制成形过程中的排除气体至真空密封盒前的用于施加气体压力的控制阀门2，该计算机控制程序实现所设计的加压曲线，还可以根据所排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线。
实施例2
如图1-4所示，一种超塑成形过程的控制方法，第一步，建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系；第二步，对零件成形过程中加压曲线的设计；第三步，根据排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线。
建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系步骤为高压气瓶5的气体通过减压阀进入成形模具的气道内，对板料施加气压，板料与下模具之间的空腔处于密封状态，板料受到气压作用发生向下的弯曲变形，空腔内的气体会通过连接下模具的排气管路排除，气体经过控制阀门2后进入初始状态为真空的真空密封盒3内，真空密封盒3另外一端与真空压力表6连接，从而可以实时准确的获得真空密封盒3内的气体压力pi，从而计算出空腔排除气体体积，空腔排除气体体积的公式为Vi，Vi＝(piV0T’)/(P0T0)，其中，V0为密封盒体积，T’为模具温度，P0为大气压，T0为室温，判断板料的变形程度，真空压力表6的气压值通过传感器传输到计算机控制系统4中，计算机控制系统4通过事先编好的计算机控制程序判断材料是否在最佳应变速率下变形，进而控制连接高压气瓶5的进气阀门对板料施加气压的大小与快慢。
对零件成形过程中加压曲线的设计步骤为采用数字化设计软件对预成形零件空腔进行分层处理，获得每一层空腔的体积数值，包括hi和li的值，hi为第i层空腔的高度，li为第i层空腔的长度。分层后的每一层体积vi为成形过程中空腔体积的等效变化，根据第i层体积vi的变化计算出等效应变速率，等效应变速率的计算公式为(为等效应变速率，vi当前空腔体积，vi-1为上一步空腔体积，t为体积变化过程所用时间)，最终反应到真空密封盒内的气体压力pi的变化上，通过计算机控制系统4控制加压速度，围绕等效应变速率进行控制，当加压速度低于等效应变速率，则加压速度增大，当加压速度高于等效应变速率，则减小加压速度，从而获得最佳的加压曲线。
等效后的分层与实际成形过程中板料形状的变化，结合预先设计的计算机控制程序实现等效应变速率与实际零件成形的变形程度的对应，监测变形程度和成形完整性，从而实现零件制造。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超塑成形过程的控制方法，其特征在于：第一步，建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系；第二步，对零件成形过程中加压曲线的设计；第三步，根据排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线；
建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系步骤为：在模具排气管路端连接一个固定体积的真空密封盒，真空密封盒的另一端连接真空压力表，通过pv＝nRT气体方程公式计算出零件成形过程中从模具空腔所排除的气体的量，其中，p表示气体的压强，v表示气体体积，n表示气体的量，R表示气体常数，T表示气体的热力学温度，从而建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与真空密封盒内气压变化的关系；
对零件成形过程中加压曲线的设计步骤为：对空腔在数模中进行分层处理，计算出每一层的体积，从而建立零件空腔每增加或减少一层的体积变化与真空密封盒气压变化的关系，进而获得零件成形过程中的等效应变速率，实现对零件成形过程中加压曲线的设计；
根据排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线步骤为：将所设计的加压曲线输入到计算机控制程序中，通过计算机控制程序控制成形过程中的排除气体至真空密封盒前的用于施加气体压力的控制阀门，该计算机控制程序实现所设计的加压曲线，还可以根据所排除气体的气压的变化修正所设计的加压曲线。
2.如权利要求1所述的一种超塑成形过程的控制方法，其特征在于：真空密封盒的体积需根据零件空腔体积计算获得，真空密封盒的体积大于零件的空腔体积。
3.如权利要求1所述的一种超塑成形过程的控制方法，其特征在于：零件空腔与模具和板料之间的空腔相同。
4.如权利要求1所述的一种超塑成形过程的控制方法，其特征在于：建立成形过程中所成形的空腔体积的变化与密封盒内气压变化的关系步骤为高压气瓶的气体通过减压阀进入成形模具的气道内，对板料施加气压，板料与下模具之间的空腔处于密封状态，板料受到气压作用发生向下的弯曲变形，空腔内的气体会通过连接下模具的排气管路排除，气体经过控制阀门后进入初始状态为真空的真空密封盒内，真空密封盒另外一端与真空压力表连接，从而可以实时准确的获得真空密封盒内的气体压力pi，从而计算出空腔排除气体体积，判断板料的变形程度，真空压力表的气压值通过传感器传输到计算机控制系统中，计算机控制系统通过事先编好的计算机控制程序判断材料是否在最佳应变速率下变形，进而控制连接高压气瓶的进气阀门对板料施加气压的大小与快慢。
5.如权利要求1所述的一种超塑成形过程的控制方法，其特征在于：对零件成形过程中加压曲线的设计步骤为采用数字化设计软件对预成形零件空腔进行分层处理，获得每一层空腔的体积数值，包括hi和li的值，hi为第i层空腔的高度，li为第i层空腔的长度，分层后的每一层体积vi为成形过程中空腔体积的等效变化，根据体积vi的变化计算出等效应变速率，最终反应到真空密封盒内的气体压力pi的变化上，通过计算机控制系统控制加压速度，当加压速度低于等效应变速率，则加压速度增大，当加压速度高于等效应变速率，则减小加压速度，从而获得最佳的加压曲线。
6.如权利要求1所述的一种超塑成形过程的控制方法，其特征在于：等效后的分层与实际成形过程中板料形状的变化，结合预先设计的计算机控制程序实现等效应变速率与实际零件成形的变形程度的对应，监测变形程度和成形完整性，从而实现零件制造。
7.如权利要求5所述的一种超塑成形过程的控制方法，其特征在于：加压速度通过计算机控制系统控制，围绕等效应变速率进行控制。
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