CN108971355A - 基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，属于蒙皮成形起皱消除的工艺方法领域，本发明方法通过对模具间隙进行优化设计及制造即可实现优质蒙皮的批量生产，适用于多种高强材料蒙皮零件成形，尤其是钛合金蒙皮零件的制造；压‑压的应力状态是起皱的主要原因，合理设计间隙，利用渐变的摩擦阻力形成可控阻力场，从而限制板材成形过程中的流动，减少板材中压‑压的应力状态，达到消除起皱的目的，获得波纹度符合技术要求的优质零件；本发明方法可以作为钛合金大曲面蒙皮热成形中消除起皱而获得优质零件的新方法。

Description

基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法

技术领域

本发明属于蒙皮成形起皱消除的工艺方法领域，特别是关于大曲面飞机钛合金蒙皮热成形预制过程中消除起皱的方法。

背景技术

飞机机动性能提升对气动外形提出了更高的要求，曲面蒙皮是航空产业中重要的外覆零件。其成形过程依据材料特性而决定：铝合金薄蒙皮采用多点柔性模具拉形，复合材料蒙皮采用热压成型，高强不锈钢、高强铝合金、钛及钛合金蒙皮则多采用热成形的方式。热成形是指将金属材料加热至再结晶温度以上，利用金属材料在高温下塑性提高、变形抗力降低的特点制造零件的一种压力加工技术。热成形解决了金属材料因高强的使用性能而无法冷加工的难题，促进了高强板材的广泛应用，航空工业可获得具有高强性能的曲面蒙皮的同时降低飞行器重量，提升飞行器的强度及其飞行性能。

由于板材较薄、曲面曲率变化等因素，在钛合金蒙皮热成形过程中局部区域发生失稳，从而出现起皱现象，如“孟庆磊,孙宾,王瑶,刘杰,杜云章.钛合金马鞍形薄蒙皮热压成形起皱缺陷控制[J].锻压技术,2018,43(05):23-26.”、“韩金全,陈石平,徐龙,李卫东,万敏.某复杂蒙皮拉形中起皱缺陷的消除[J].精密成形工程,2015,7(02):55-59.”等研究均旨在消除成形过程蒙皮零件起皱的现象，在工程上又称为波纹度超差的缺陷。成形过程中蒙皮起皱的现象是不可逆的，试验件损坏难以修复的同时会导致模具表面损伤。所以快速发现起皱区域及调整模具参数而得到良好成品具有重要的工程应用价值及经济意义。

国内现有飞机蒙皮成形的专利主要集中于工装与常温成形方法：CN201710939493.9公开了一种热拉形装置及其成形工艺，利用钛合金材料特性进行均匀拉形，但仅针对简单曲面蒙皮且需要固定毛坯，连续生产性差；CN201711494930.7公开了一种常温拉形装置及复合铣削加工方法，但并不适用于高强材料的成形，耗能大且无法控制回弹；CN201710538209.7公开了一种飞机蒙皮拉伸成形方法，用变换胎膜的方式降低曲率而逐步拉伸，减少过拉和起皱的问题，程序复杂且不适用于高强材料。CN201610862099.5则公开了一种蒙拉成形与充液成形复合的工艺方法，复杂的结构提高了生产效率但并不适用于常温塑性差的高强材料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，从模具设计的源头控制蒙皮热成形起皱的现象，只需对模具间隙进行优化设计及制造即可实现优质蒙皮的批量生产，适用于多种高强材料蒙皮零件成形，尤其是钛合金蒙皮零件的制造。

本发明是这样实现的：

一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：首先判断是否属于钛合金大曲面蒙皮热成形，否，则退出；是，则进入步骤二；

步骤二：依据零件设计图及热成形模具设计等间隙热成形模具，并构建模型；步骤三：输入参数，参数包括高温下变形的应力应变关系、蠕变行为的应力应变关系、热膨胀系数及成形温度，成形速度的热成形工艺参数，利用有限元软件模拟热成形过程，得出钛合金大曲面蒙皮零件的成形效果图；

步骤四：按成品件的技术要求判断是否存在起皱现象；

4.1，存在起皱现象，则依据起皱面积区分为局部区域与全截面两种类型，找出相应的区域；存在全截面则为全截面类型，仅存在区域则为局部区域类型；

4.2，不存在起皱现象，即表面光滑、表面波纹度在规定范围内，则进入步骤七；

步骤五：针对步骤四中起皱类型进行模具间隙优化：优先针对全截面起皱全局间隙优化，再次仿真，即导入间隙优化后的模具模型，利用步骤三中参数再次进行有限元仿真消除全截面起皱后针对零件压-压状态对应的模具局部区域起皱进行模具间隙优化，局部区域减小间隙；

步骤六：利用进行渐变间隙优化修正后的模具模型再次进行有限元模拟仿真，直至无起皱现象；后进入步骤七制造最优渐变间隙的模具及准备试制件的展开毛坯；

步骤七：制造模具及准备试制件的毛坯下料；

步骤八：试制钛合金大曲面蒙皮零件，达到要求则按此工艺批量生产。

进一步，所述的步骤二具体为：

2.1，选择模具材料，测定钛合金的高温流变特性及模具材料、钛合金板材的热膨胀系数，最终确定热成形工艺参数，与此同时获取钛合金大曲面蒙皮零件的尺寸图，并以此为依据设计等间隙模具；

2.2，设计的等间隙热成形模具的间隙值t₀：

t₀＝1.1t_b(1+α_j·ΔT)

式中，t_b为钛合金大曲面蒙皮零件厚度，α_j为钛合金热膨胀系数，ΔT为成形温度与常温之差。

进一步，所述的模具材料的选择依据钛合金材料特性及批量决定，选择为中硅钼球墨铸铁或耐热钢；所述的工艺参数依据钛合金板材的高温流变特性及热成形设备性能确定。钛合金板材的高温流变应力应变曲线由高温拉伸试验确定，试验依据《GB 4338-2006金属材料高温拉伸试验方法》；钛合金板材的拉伸应力松弛试验确定保压时间，试验依据《GB10120-2013金属材料拉伸应力松弛试验方法》；钛合金板材及模具材料的热膨胀系数的测定依据《GB 4339-2008金属材料热膨胀特征参数的测定》。

进一步，所述的步骤三具体为：在有限元软件ABAQUS中导入步骤二中构建的模型及设置相应的参数，进行模拟计算，得出壁厚分布图、主应力云图和成形效果图。

进一步，所述的步骤四具体为：查看模拟结果对比产品的技术要求，确定曲面起皱区域，判断缺陷为局部区域起皱还是全截面起皱；从板材应力云图确定拉-压状态、压-压状态的区域，并获得相应区域最大增厚率及波纹度，其中起皱区域中心波纹波峰波谷的高度差为波幅d，相邻波峰的水平距离为波长l。

进一步，所述的步骤五具体为：

5.1，针对全截面的起皱，找出零件全截面起皱区域两端主应力最小值在模具上对应的点，在全截面上取近似点连接成线，将此线对应的模具间隙值调整至设计的值：

若全截面皱纹波幅d≥t_b，或波纹度d/l≥0.5，对应间隙设计为最小值t_min＝t_b(1+α_j·ΔT)；否则间隙值为t_q＝(1.1-0.1d/t_b)t_b(1+α_j·ΔT)),其余区域圆滑过渡；

5.2，针对局部区域起皱，确定拉-压及压-压的应力状态区域，在区域外选取板材主应力值最小的点形成等应力圈，对应的设置模具间隙值t_j＝(1.1-0.1d/t_b)t_b(1+α_j·ΔT)，其余区域沿轴线作渐变过渡,，即轴线为从应力状态中心均匀发散作6条等应力圈的法线，渐变方式单边渐变与对称渐变。

进一步，所述的步骤七中：模具毛坯经过锻造，型面加工过程中按照热成型设备的安装要求加工工装夹具预留面，可保证批量生产的寿命要求。模具的制造和毛坯准备按常规模具制造方法。

进一步，所述的步骤八中：零件试制前，对模具、零件进行清洗去除表面污染物，并均匀喷涂高温润滑剂；蒙皮零件简单清洗干燥后，检测起皱现象是否蒙皮零件要求；肉眼观察和触感表面无明显皱纹，仪器检测波纹度的波幅和波长均符合零件出厂要求即可按工艺参数进行批量生产。

进一步，因为有限元模拟过程中的物理场构建与工况下的存在差距，可能会出现微起皱，在热成形前控制微起皱区域对应的模具表面高温润滑剂的厚度即可实现试制件的成功，从而进行批量合格钛合金大曲面零件的生产。在热成形前控制微起皱区域对应的模具表面高温润滑剂的厚度，确保润滑作用的有效，同时对微起皱区域外的平整环区增加高温润滑剂的喷涂，形成的保护膜厚度是中心区域的2倍。

本发明与现有技术的有益效果在于：

1)本发明针对钛合金大曲面蒙皮热成形起皱的现象提出了模具设计方法，从模具设计的源头控制蒙皮热成形起皱的现象，实现高质批量生产。同时借助有限元软件模拟结果的近似准确性对模具设计进行重复优化，节省模具的再制造成本，更准确、快捷的实现渐变间隙模具的设计及制造。

2)针对摩擦力主要影响因素，精确控制模具间隙，调整模具闭合时模具板料接触压力构建渐变的摩擦阻力形成可控阻力场，辅以高温润滑剂调节小区域的摩擦系数，从而限制板材成形过程中的流动，精确减小板材中压-压应力状态，实现消除起皱并获得波纹度符合技术要求的优质零件。

3)适用于多种高强材料蒙皮零件成形，尤其是钛合金蒙皮零件的制造。只需一次表征材料特性，优化设计的渐变间隙模具生产零件，缩短产品周期。同时此方法只需改变模具本身尺寸参数，无须改变模具结构，也不改变生产节拍，也可用于蒙皮模具的修模或改造；

4)本发明的方法采用的渐变间隙模具可以消除曲面蒙皮热成形过程中的起皱现象，与现有技术的方法相比，只需对模具间隙进行优化设计及制造即可实现优质蒙皮的批量生产，适用于多种高强材料蒙皮零件成形，尤其是钛合金蒙皮零件的制造；压-压的应力状态是起皱的主要原因，合理设计间隙，利用渐变的摩擦阻力形成可控阻力场，从而限制板材成形过程中的流动，减少板材中压-压的应力状态，达到消除起皱的目的，获得波纹度符合技术要求的优质零件；此方法可以作为钛合金大曲面蒙皮热成形中消除起皱而获得优质零件的新方法。

附图说明

图1是本发明方法的实施流程图；

图2是本发明实施例中TA32高温流变应力应变曲线及应力松弛曲线图；2a为高温流变应力应变曲线，2b为应力松弛曲线；

图3是本发明实施例中波纹度、全截面起皱与局部区域起皱示意图；3a为波纹度示意图，3b为全截面起皱示意图，3c为局部区域起皱示意图；

图4是本发明实施例中全截面间隙优化及局部区域间隙优化示意图；4a为全截面间隙优化，4b为局部区域间隙优化；

图5是本发明实施例中单边渐变与对称渐变原理示意图；5a为单边渐变，5b为对称渐变；

图6是模具优化前后的蒙皮零件模拟结果图；6a为全截面起皱仿真结果，6b为局部区域起皱仿真结果，6c为局部区域起皱效果图，6d为最优间隙模具仿真的无明显起皱效果图；

图7是本发明实施例中零件的波纹度检测数据示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，提出了一种钛合金大曲面蒙皮零件热成形模具的设计方法，钛合金大曲面蒙皮热成形毛坯为国标的钛合金板材，采用模具热成形的工艺方式，其方法过程如图1所示，下面以TA32钛合金大曲面蒙皮零件为例，详细介绍本发明的实施步骤。

步骤1：:判断TA32是钛合金，零件壁厚为1.5mm，零件是大曲面蒙皮，需要采用热成形工艺，故可以进入步骤2：

步骤2：选择模具材料为310S，依据国标测定TA32板材在700℃-825℃、应变率0.01^-1和0.005s^-1下的高温流变应力应变曲线及两种预应变下的应力松弛曲线，如图2所示。综合选取工艺参数：加工温度为775℃、应变速率尽量控制在0.01^-1以下、保压时间为10min。模具材料310S的热膨胀系数为21×10^-6·℃^-1，TA3板材的热膨胀系数为14×10^-6·℃^-1。获取钛合金大曲面蒙皮零件的尺寸图，并以此为依据设计等间隙模具，其余尺寸按常规设计，初始间隙设计为t₀＝1.1×1.5×(1+14×10^-6×750)≈1.67mm；

步骤3：导入模具及毛坯模型，输入TA32在775℃的材料参数，设置步骤2中确定的工艺参数。利用有限元软件ABAQUS模拟热成形过程，得出钛合金大曲面蒙皮零件的成形效果图、壁厚分布图、主应力云图；

步骤4：成品件的技术要求为无明显起皱，波纹度为0.1mm/300mm，最大波幅为0.2mm。判断是否存在起皱现象，找出相应的区域，依据起皱面积区分为局部区域与全截面两种类型，如图3所示。从图6(a)可以确认为全截面起皱，最大增厚率为105％，依据图3(a)示意得波纹度参数：波幅d＝1.6mm、波长约为l＝8mm。

步骤5中，确定全截面起皱区域两端主应力最小值在模具上对应的点，在全截面上取近似点连接成线41，如图4(a)所示。因全截面起皱区域波幅大于板厚1.5mm，故将此线对应的模具间隙值调整至最小值t_min＝1.5×(1+14×10^-6×750)＝1.5mm；其余区域圆滑过渡。修改模具间隙再次进行有限元模拟仿真，获得如图6(b)所示的无全截面起皱的模拟结果，存在局部区域起皱现象，增厚率为41％，波纹度参数为：波幅d＝0.6mm、波长约为l＝4mm。确定起皱区域中拉-压及压-压的应力状态区域，在区域外选取板材主应力值最小的点形成等应力圈42，对应的设置模具间隙值t_j＝(1.1-0.1×0.6/1.5)×1.5×(1+14×10^-6×750)＝1.607mm，其余区域沿轴线作线性渐变过渡(轴线为从应力状态中心均匀发散作6条等应力圈的法线43)，如图4(b)所示。线性渐变方式单边渐变与对称渐变，如图5所示，以等间隙中心线51为基准，从原始值t₀线性过渡至应力圈设置间隙值t_j，改变下模型面52尺寸而满足间隙为单边渐变；同时对称的改变上模型面53、下模具型面52尺寸而满足渐变间隙为对称渐变。两种方式效果相似，单边渐变的模具修改量相对较少，采用单边渐变的方式优化模具间隙。再次导入有限软件中模拟仿真，获得图6(d)的无起皱现象的效果图。故可进入步骤6。

步骤6：获得最优的渐变间隙模具的型面尺寸，设计出符合热成形机床工装的模具，生成模具加工图纸及零件毛坯的图纸。对经过锻造的310S材料按照图纸进行铣削加工，制造出模具；对1.5mm厚的TA32板材进行水刀切割，制作出零件毛坯。

步骤7：对模具、零件用酒精擦洗并晾干，清除表面油污、粉末等污染物，并均匀喷涂立方氮化硼。按照步骤1中设定的工艺参数对毛坯零件进行热成形加工，去除蒙皮零件简单清洗干燥后，肉眼观察和触感表面无明显皱纹，使用O2DS二维激光扫描仪对零件进行多区域检测，测定波纹度的波幅、波长及波纹度，如图7所示。

步骤8：存在区域1的波纹度参数在要求附近，采用控制高温润滑剂喷涂量的方法再次改进成形件波纹度检测要求，在区域圈边界对应的模具表面加大高温润滑剂的喷涂量，喷涂时间是区域中心的两倍，再次试制件。清洗干燥后再次检测，均符合零件出厂要求即可按工艺参数进行批量生产。

以上所述，是本发明已实现的较好的具体实施方式，但本发明的保护范文并不局限于此，任何基于此方法而实现蒙皮零件起皱的消除或者生产装置的替换或改变，都应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：首先判断是否属于钛合金大曲面蒙皮热成形，否，则退出；是，则进入步骤二；

步骤二：依据零件设计图及热成形模具设计等间隙热成形模具，并构建模型；

步骤三：输入参数，利用有限元软件模拟热成形过程，得出钛合金大曲面蒙皮零件的成形效果图；

步骤四：按成品件的技术要求判断是否存在起皱现象；

4.1，存在起皱现象，则依据起皱面积区分为局部区域与全截面两种类型，找出相应的区域；存在全截面则为全截面类型，仅存在区域则为局部区域类型；

4.2，不存在起皱现象，则进入步骤七；

步骤五：针对步骤四中起皱类型进行模具间隙优化：优先针对全截面起皱全局间隙优化，利用步骤三方法再次仿真消除全截面起皱后针对零件压-压状态对应的模具局部区域起皱进行模具间隙优化，局部区域减小间隙；

步骤六：利用进行渐变间隙优化修正后的模具模型再次进行有限元模拟仿真，直至无起皱现象；后进入步骤七制造最优渐变间隙的模具及准备试制件的展开毛坯；

步骤七：制造模具及准备试制件的毛坯下料；

步骤八：试制钛合金大曲面蒙皮零件，达到要求则按此工艺批量生产。

2.根据权利要求1所述的一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：

2.1，选择模具材料，测定钛合金的高温流变特性及模具材料、钛合金板材的热膨胀系数，最终确定热成形工艺参数，与此同时获取钛合金大曲面蒙皮零件的尺寸图，并以此为依据设计等间隙模具；

2.2，设计的等间隙热成形模具的间隙值t₀：

t₀＝1.1t_b(1+α_j·ΔT)

式中，t_b为钛合金大曲面蒙皮零件厚度，α_j为钛合金热膨胀系数，ΔT为成形温度与常温之差。

3.根据权利要求2所述的一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，其特征在于，所述的模具材料的选择依据钛合金材料特性及批量决定，选择为中硅钼球墨铸铁或耐热钢；所述的工艺参数依据钛合金板材的高温流变特性及热成形设备性能确定。

4.根据权利要求1所述的一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：在有限元软件中导入步骤二中构建的模型及设置相应的参数，所述的参数包括高温下变形的应力应变关系、蠕变行为的应力应变关系、热膨胀系数及热成形工艺参数，进行模拟计算，得出壁厚分布图、主应力云图和成形效果图。

5.根据权利要求1所述的一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：查看模拟结果对比产品的技术要求，确定曲面起皱区域，判断缺陷为局部区域起皱还是全截面起皱；从板材应力云图确定拉-压状态、压-压状态的区域，并获得相应区域最大增厚率及波纹度，其中起皱区域中心波纹波峰波谷的高度差为波幅d，相邻波峰的水平距离为波长l。

6.根据权利要求1所述的一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，其特征在于，所述的步骤五具体为：

5.1，针对全截面的起皱，找出零件全截面起皱区域两端主应力最小值在模具上对应的点，在全截面上取近似点连接成线，将此线对应的模具间隙值调整至设计的值：

若全截面皱纹波幅d≥t_b，或波纹度d/l≥0.5，对应间隙设计为最小值t_min＝t_b(1+α_j·ΔT)；否则间隙值为t_q＝(1.1-0.1d/t_b)t_b(1+α_j·ΔT)),其余区域圆滑过渡；

5.2，针对局部区域起皱，确定拉-压及压-压的应力状态区域，在区域外选取板材主应力值最小的点形成等应力圈，对应的设置模具间隙值t_j＝(1.1-0.1d/t_b)t_b(1+α_j·ΔT)，其余区域沿轴线作渐变过渡，即轴线为从应力状态中心均匀发散作6条等应力圈的法线，渐变方式单边渐变与对称渐变。

7.根据权利要求1所述的一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，其特征在于，所述的步骤七中：模具毛坯经过锻造，型面加工过程中按照热成型设备的安装要求加工工装夹具预留面。

8.根据权利要求1所述的一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，其特征在于，所述的步骤八中：零件试制前，对模具、零件进行清洗去除表面污染物，并均匀喷涂高温润滑剂；蒙皮零件简单清洗干燥后，检测起皱现象是否蒙皮零件要求；肉眼观察和触感表面无明显皱纹，仪器检测波纹度的波幅和波长均符合零件出厂要求即可按工艺参数进行批量生产。

9.根据权利要求8所述的一种基于渐变间隙模具消除大曲面蒙皮起皱的方法，其特征在于，若试制件出现微起皱，在热成形前控制微起皱区域对应的模具表面高温润滑剂的厚度，确保润滑作用的有效，同时对微起皱区域外的平整环区增加高温润滑剂的喷涂，形成的保护膜厚度为中心区域的2倍；之后再进行批量合格钛合金大曲面零件的生产。