CN110000293A - 一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公了一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法，属于金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理领域，本发明的方法通过建立板料与模具间的热传导模型，获得成形结束时刻板料及模具表面的非均匀温度场分布，然后在非均匀温度下，对模具尺寸进行缩尺系数计算，进行初步结构设计，之后将毛坯料及模具数模导入仿真软件中，模拟热成形过程，并通过热传导获得大型模具的温度场和应力分布，并结合理论计算结果逆向修正模具结构设计，结构细化后进行生产；本发明的方法可以降低非均匀温度场与热膨胀系数对零件尺寸造成的误差，提高复杂曲面薄壁构件的尺寸精度，提升复杂曲面薄壁构件的合格率。

Description

一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法

技术领域

本发明属于金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理领域，是一种金属板材热校形工艺，尤其涉及一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法。

背景技术

在航空航天领域，产品零部件正向轻量化、复杂化及整体化方向发展，尤其是复杂曲面薄壁构件。钛合金由于比强度高，耐高温，耐腐蚀等优异性能被广泛应用于航空航天领域。但是，由于钛合金在常温状态下塑性差，变形抗力大，板材冷成形难，因此热成形是钛合金钣金成形的主要工艺。钛合金的热成形主要采用与热模具接触的板料加热方式，在完成加热后同时进行热校形处理，减少零件的回弹现象，保证零件的加工精度，并且此工艺方法对于零件板材的加热时间较短，因此零件成形中金相组织变化较少，能保证零件的服役寿命和性能要求。

然而，在实际工业生产时，需要先将模具放入恒温炉中进行加热，由于加热炉功率大，加热速度较快，导致模具加热过程中具有明显的非均匀温度场，此时模具各区域将受非均匀温度场的影响发生不同程度形变；并且为了加快成形效率，成形过程有时采用热模冷板的成形方式，这样导致成形零件各区域也在非均匀温度场下发生不同程度的膨胀，进而影响最终成形件的精度。

CN103769482A中提出了一种钛合金进气道零件的整体成形模具及方法，将模具固定在热成型压力机内加热，将圈圆完成后的圆形坯料放入下模型腔完成预成型，预成型后坯料两端封堵焊,并在端面焊接进气管路，利用气胀方式进行最终成形，得到满足尺寸要求的合格零件。该专利也指出成形模具是复杂曲面薄壁钛合金构件的重要保证，但是并未考虑到非均匀温度场对模具的形变的影响。

发明内容

针对非均匀温度场导致的模具非线性膨胀对钛合金复杂曲面薄壁构件及型面尺寸精度低的问题，本发明提出了一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法，减小了非均匀温度场与热膨胀系数对零件尺寸造成的误差，提高钛合金复杂曲面薄壁构件的尺寸精度，增加钛合金复杂曲面薄壁构件的合格率。

本发明是这样实现的：

步骤一、根据毛坯料热成形的温度，选择合适的模具材料，并对材料膨胀系数，弹性模量，高温应力应变关系等进行测定；

步骤二、建立板料与模具间的热传导模型，获得成形结束时刻板料及模具表面的非均匀温度场分布；

步骤三、基于材料的热胀冷缩效应，在非均匀温度下，对模具尺寸进行缩尺系数计算，以抵消不同温度下板料与模具相互膨胀导致的尺寸差异，根据零件尺寸完成模具的初步结构设计；

步骤四、将毛坯料及模具数模导入仿真软件中，模拟热成形过程，并通过热传导获得大型模具的温度场和应力分布，并结合理论计算结果逆向修正模具结构设计；

步骤五、重复步骤四，待模拟仿真结果达到蒙皮件技术要求后，考虑模具装配，板料毛坯件放置位置，板料毛坯件压边情况对模具结构进行细化；

步骤六、开始进行复杂曲面薄壁构件生产，针对实际生产结果进一步优化模具结构，再次生产。

进一步，所述的步骤二具体为：

2.1，设板料与模具间的热量的流向是单向的，且垂直于板料-模具的接触界面，则基于傅里叶定律，模具-板料界面处的热流密度表示为:

式中：φ_tool(t)为模具-板料界面处的热流密度，λ(T)为界面的热导率；

热流进行一维单向传导时化为：

式中：ρ(T)、C_p(T)分别为材料的密度和定压比热；

而在界面处单位时间传递的热量表示为：

Q_cond＝h_condA(T_M-T) (3)

式中：h_cond为界面的热传导换热系数；A为换热面积；T_M为模具温度；T为板料温度；

2.2，沿热量传递方向，在凸凹模各放置多个测温热电偶，热电偶的个数根据成形零件尺寸大小与表面复杂程度进行合理安排个数与位置，至少8个，凸凹模前后各放置两个，数量越多计算模具表面温度越精确。通过温度记录仪对各个热电偶的读数进行实时记录；假设从凹模表面到热电偶的距离为l,对凹模利用傅里叶定律和一维单向的导热微分方程可得方程组：

式中：λ、ρ、C_p分别为模具材料的热导率、密度和比热；

2.3，利用求出的热流密度和热电偶位置的温度以及热电偶距凹模表面距离可以得到凹模表面温度分布，凸模表面温度分布同理可求；

2.4，利用热流密度、传递的热量、凸凹模的表面温度以及板料不同位置分别到凸凹模表面的距估算出板料表面的非均匀温度场分布。

进一步，所述的步骤三具体为：

3.1，不同温度下板料与模具相互膨胀导致的尺寸差异，常温尺寸与高温尺寸存在如下关系：

D_m＝d_m+(1+α_mΔt)

D_l＝d_l+(1+α_lΔt) (5)

其中，D_m、D_l为高温下的模具、零件尺寸，d_m、d_l为常温下的模具、零件尺寸；α_m、α_l为模具和零件的热膨胀系数；Δt为高温与常温的差值；

3.2，在实际的加工过程中，必须保证高温下模具与零件的大小相等，上式连立，可得：

3.3，由于材料的线膨胀系数大于模具的线膨胀系数，因此，模具尺寸大于零件尺寸；将板料及模具划分为多个小单元，计算板料及模具在成形过程结束时刻各个单元的膨胀后的尺寸，进而逆向计算出模具各个单元的原始尺寸，并根据该尺寸完成模具的初步设计。

进一步，所述的上下模具采用左右对称的三对导向块进行定位与行程导正，导向块设置5mm大小的倒角，以保证上下运动时配合顺利。为了使得板料在高温下容易放置定位，在模具后面设置两个条状定位块，同时板料设置凸耳状的结构作为定位机构。模具与实验设备采用常规压板螺栓压紧方式，通过T形槽连接。从减重和节省材料的角度出发，模具在铸造过程中还需要设置减重槽。

本发明与现有技术的有益效果在于：

本发明通过建立板料与模具间的热传导模型，获得成形结束时刻板料及模具表面的非均匀温度场分布，然后在非均匀温度下，对模具尺寸进行缩尺系数计算，可以抵消不同温度下板料与模具相互膨胀导致的尺寸差异，进行初步结构设计，之后再对模具进行仿真模拟计算、细化修正，最终得到尺寸精度高、合格率高的复杂曲面薄壁构件；

利用本发明方法进行复杂曲面薄壁构件热成形模具设计，与现有的技术相比，可以降低非均匀温度场与热膨胀系数对零件尺寸造成的误差，提高复杂曲面薄壁构件的尺寸精度，提升复杂曲面薄壁构件的合格率。

附图说明

图1为一种复杂曲面薄壁构件热成形模具设计方法流程图；

图2为一种钛合金复杂曲面薄壁构件外观尺寸；

图3为凸凹模具热电偶分布示意图；

图4为钛合金复杂曲面薄壁构件热成形有限元仿真模型；

图5为模拟热成形后的模具应力场分布；

图6为利用本发明方法的最终设计模具结构图；

其中1-凸模，2-减重槽，3-定位块，4-凹模，5-导向块，6-吊耳。

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。

如图2所示，图2所示的是钛合金复杂曲面薄壁构件外观尺寸，本发明的方法尤其钛合金复杂曲面薄壁构件热成形模具，下述的方法采用一种大型复杂薄壁TA32钛合金蒙皮件热成形模具设计方法，具体步骤如图1所示，具体为：

步骤一、考虑到TA32热成形温度范围为750～800℃，由资料显示，不锈钢06Cr25Ni20相变温度较高，在高温下有较优良的蠕变强度特性，能够在高温下长时间作业，因此选用不锈钢06Cr25Ni20作为制造模具的材料；对TA32钛合金以及06Cr25Ni20不锈钢的热膨胀系数进行测定，最终得TA32钛合金的热膨胀系数为18×10^-6m/℃^-1，06Cr25Ni20不锈钢的热膨胀系数为18×10^-6m/℃^-1。

步骤二、在热成形过程中，板料和模具间存在热传导过程，热成形模具在温度梯度的作用下，通过热传导的方式将热量传给与之直接接触的板料。设热量的流向是单向的且垂直于板料-模具的接触界面，则基于傅里叶定律，模具-板料界面处的热流密度可以表示为：

式中：φ_tool(t)为模具-板料界面处的热流密度；λ(T)为界面的热导率。

热流进行一维单向传导时可化为：

式中：ρ(T)、C_p(T)分别为材料的密度和定压比热。

而在界面处单位时间传递的热量可表示为：

Q_cond＝h_condA(T_M-T) (3)

式中：h_cond为界面的热传导换热系数；A为换热面积；T_M为模具温度；T为板料温度。

沿热量传递方向，在凸凹模各放置多个测温热电偶，通过温度记录仪对各个热电偶的读数进行实时记录，温热电偶的放置如图3所示。假设从凹模表面到热电偶的距离为l,对凹模利用傅里叶定律和一维单向的导热微分方程可得方程组：

式中：λ、ρ、C_p分别为模具材料的热导率、密度和比热。利用求出的热流密度和热电偶位置的温度以及热电偶距凹模表面距离可以得到凹模表面温度分布，凸模表面温度分布同理可求。

利用热流密度、传递的热量、凸凹模的表面温度以及板料不同位置分别到凸凹模表面的距离可以大致估算出板料表面的非均匀温度场分布。

步骤三、材料存在热胀冷缩效应，在高温下钛合金材料与模具之间的膨胀系数不同，因此要对模具尺寸进行缩尺系数计算，以抵消高温下相互膨胀导致的尺寸差异。常温尺寸与高温尺寸存在如下关系：

D_m＝d_m+(1+α_mΔt)

D_l＝d_l+(1+α_lΔt) (5)

其中，D_m、D_l为高温下的模具、零件尺寸，d_m、d_l为常温下的模具、零件尺寸；α_m、α_l为模具和零件的热膨胀系数；Δt为高温与常温的差值。在实际的加工过程中，必须保证高温下模具与零件的大小相等，上式连立，可得：

由于一般情况下材料的线膨胀系数大于模具的线膨胀系数，因此一般情况下模具尺寸大于零件尺寸。

将板料及模具划分为多个小单元，计算板料及模具在成形过程结束时刻各个单元的膨胀后的尺寸，进而逆向计算出模具各个单元的原始尺寸，并根据该尺寸完成模具的初步设计。本发明在设计初始模具模型时将模具结构设计为下沉式模具结构，同时加大了毛坯的边界尺寸，增加了压边摩擦力。

步骤四、将毛坯料及模具数模装配好导入仿真软件中，如图4所示，输入材料参数，划分网格，设置好载荷与边界条件，模拟热成形过程，并通过热传导获得大型模具的模拟温度场和应力分布，本发明的钛合金复杂曲面薄壁构件应力场分布如图5所示，图中可以看出通过合模约束了板料边界，成形过程中板料边界处发生了折弯，边界附近的板料与模具发生相互摩擦，当中心点发生变形时，宽度方向的边界条件从自由移动改为位移约束，将中心点附近临界失稳时的微元受力状态由压-压改为压-拉，因此限制了材料向中心点流动，从而提高成形过程中板料的稳定性，减轻失稳的起皱的程度。通过所示的应力场分布优化模具尺寸，再进行模拟仿真分析，并结合理论计算结果逆向修正模具结构设计。

步骤五、重复步骤四，待模拟仿真结果达到蒙皮件技术要求后，考虑装配、重量等因素对模具结构进行细化。上下模具，即凸模1、凹模4采用左右对称的三对导向块5进行定位与行程导正，导向块5设置5mm大小的倒角，以保证上下运动时配合顺利。考虑到热成形模具在高温下会发生热膨胀现象，因此配合间隙应当适当加大，设计滑动间隙为H7/g6，可保证高温下配合间隙大致在H7/s6与H7/u6，满足配合要求。为了使得板料在高温下容易放置定位，在模具后面设置两个条状定位块3，同时板料设置凸耳状的结构作为定位机构。模具与实验设备采用常规压板螺栓压紧方式，通过T形槽连接。从减重和节省材料的角度出发，模具在铸造过程中还需要设置如图所示的减重槽2。所述模具的凸模1、凹模4的前端位置还设置有吊耳6，目的在于：利用行车起吊模具上的吊耳，才能将模具放入热压成形机床中。最终模具如图6所示。

步骤六、开始进行钛合金复杂曲面薄壁构件生产，针对实际生产结果进一步优化模具结构，再次生产，获得最终钛合金复杂曲面薄壁构件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、根据毛坯料热成形的温度，选择对应的模具材料，并对材料膨胀系数，弹性模量，泊松比，高温应力应变关系进行测定；

步骤二、建立板料与模具间的热传导模型，获得成形结束时刻板料及模具表面的非均匀温度场分布；

步骤三、基于材料的热胀冷缩效应，在非均匀温度下，对模具尺寸进行缩尺系数计算，以抵消不同温度下板料与模具相互膨胀导致的尺寸差异，根据零件尺寸完成模具的初步结构设计；

步骤四、将毛坯料及模具数模导入仿真软件中，模拟热成形过程，并通过热传导获得大型模具的温度场和应力分布，并结合理论计算结果逆向修正模具结构设计；

步骤五、重复步骤四，待模拟仿真结果达到蒙皮件技术要求后，考虑模具装配，板料毛坯件放置位置，板料毛坯件压边情况对模具结构进行细化；

步骤六、开始进行复杂曲面薄壁构件生产，针对实际生产结果进一步优化模具结构，再次生产，获得最终的复杂曲面薄壁构件。

2.根据权利要求1所述的一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：

2.1，设板料与模具间的热量的流向是单向的，且垂直于板料-模具的接触界面，则基于傅里叶定律，模具-板料界面处的热流密度表示为:

式中：φ_tool(t)为模具-板料界面处的热流密度，λ(T)为界面的热导率；

热流进行一维单向传导时化为：

式中：ρ(T)、C_p(T)分别为材料的密度和定压比热；

而在界面处单位时间传递的热量表示为：

Q_cond＝h_condA(T_M-T) (3)

式中：h_cond为界面的热传导换热系数；A为换热面积；T_M为模具温度；T为板料温度；

2.2，沿热量传递方向，在凸凹模各放置多个测温热电偶，通过温度记录仪对各个热电偶的读数进行实时记录；假设从凹模表面到热电偶的距离为l,对凹模利用傅里叶定律和一维单向的导热微分方程可得方程组：

式中：λ、ρ、C_p分别为模具材料的热导率、密度和比热；

2.3，利用求出的热流密度和热电偶位置的温度以及热电偶距凹模表面距离可以得到凹模表面温度分布，凸模表面温度分布同理可求；

2.4，利用热流密度、传递的热量、凸凹模的表面温度以及板料不同位置分别到凸凹模表面的距估算出板料表面的非均匀温度场分布。

3.根据权利要求1所述的一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：

3.1，不同温度下板料与模具相互膨胀导致的尺寸差异，常温尺寸与高温尺寸存在如下关系：

D_m＝d_m+(1+α_mΔt)

D_l＝d_l+(1+α_lΔt) (5)

其中，D_m、D_l为高温下的模具、零件尺寸，d_m、d_l为常温下的模具、零件尺寸；α_m、α_l为模具和零件的热膨胀系数；Δt为高温与常温的差值；

3.2，在实际的加工过程中，必须保证高温下模具与零件的大小相等，上式连立，可得：

3.3，由于材料的线膨胀系数大于模具的线膨胀系数，因此，模具尺寸大于零件尺寸；将板料及模具划分为多个小单元，计算板料及模具在成形过程结束时刻各个单元的膨胀后的尺寸，进而逆向计算出模具各个单元的原始尺寸，并根据该尺寸完成模具的初步设计。

4.根据权利要求1所述的一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法，其特征在于，所述的步骤五中涉及对模具结构进行细化，其中上下模具采用左右对称的三对导向块(5)进行定位与行程导正，导向块设置5mm大小的倒角，在模具后面设置两个条状定位块(3)，同时板料设置凸耳状的结构作为定位机构；所述的模具与实验设备采用常规压板螺栓压紧方式，通过T形槽连接；所述的模具在铸造过程中设置减重槽(2)。

5.根据权利要求1所述的一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法，其特征在于，所述的模具为钛合金复杂曲面薄壁构件热成形模具。