CN110026478A - 基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的方法和装置，根据优化的渐进成形路径，通过高度可调的多点式工具头实时构造模具型面，调节气源改变气压，保证筋板件每次与所构造的模具型面贴合；并利用专用温控箱对每次贴合后的筋板件实施振动蠕变复合时效成形，直到成形面的回弹率ΔK/H不大于ε时，成型结束并获得最终成形面。本方法通过实时构造形变曲面和引入低频振动来实现时效成形中筋板件的渐进成形和形性调控，不仅避免了多套模具加工、安装与调试过程，在释放成形中内应力的同时，还增加了材料内位错数量、强化晶粒，达到缩短时效时间、降低回弹、增强晶粒分布均匀性和提升筋板件尺寸稳定性目的。
Description
技术领域
本发明属于金属板件时效成形技术领域，涉及了一种筋板件曲面成形的方法和装置，更具体地说，是一种基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的方法和装置，特别适用于大型筋板件、薄板件或复杂曲面构件的快速、精确成形和高质量成性。
背景技术
筋板件在飞机、汽车、高铁等产品的部件上有着广泛的应用。蠕变时效成形是一种一次成型技术，它是利用筋板件发生蠕变变形而获得的相应形状和性能的一种方法。与传统的成型方法相比，采用蠕变时效成形方法成形筋板件，可减少裂纹形成率、提高板件的成形精度和抗腐蚀能力。然而，该技术无法将筋板件的弹性形变全部转化为塑性形变，使得成形后的筋板件始终存在一定的回弹量，尤其在薄型筋板件、大型整体壁板上的回弹更大，严重影响其成形精度；再者，纯蠕变时效成形会花费较长的高温热处理时间和较长的模具修型周期，从而导致不必要的经费浪费。因此，工业上通常对蠕变时效成形前或蠕变时效成形后的筋板件进行振动处理，目的是为了消减成形过程中产生的残余应力，保证筋板件尺寸的最终稳定性。但是实践发现：先蠕变时效后振动或先振动后蠕变时效的单步顺序操作法仍然存在较长的蠕变时效时间和变形后内应力分布不均匀、残余应力消除不彻底等问题，这种单步顺序操作法的残余应力消除率一般只能达到30％～50％，很难实现筋板件的精确成形。可见，单步顺序操作法不能满足实际需要，若能基于上述蠕变时效一次成型在性能和回弹方面的缺点提出一种复合工艺，使得成形后的筋板件残余应力消除率达到80％以上，回弹率尽可能小，而且还能提高筋板件综合力学性能，缩短其成形时间，已成为现代制造行业迫切需要的技术。
发明内容
为了解决筋板件时效成形时间长、试模次数多，且成形后回弹量大、内应力分布不均、残余应力消除不彻底、晶粒颗粒大等问题，本发明提供了一种基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的方法和装置，根据SVR支持向量机理论和回弹补偿原理，优化筋板件的渐进成形路径，利用特制的工具头可在竖直方向上实现精度为0.1mm的进给，实时构造出每一个成形路径的模具型面，然后，调节气源改变气压，保证筋板件每次与所构造的模具型面贴合，并利用专用温控箱对每次贴合后的筋板件实施振动蠕变复合时效成形，由于在优化渐进成形路径中对筋板件的回弹量进行了补偿计算，使得每一步因回弹造成的形状误差得到削弱，又由于在每一步成形中引入了低频振动，使得筋板件具有更大的振动位移，组织内的位错数量逐渐增多并趋于稳定位置，而蠕变时效使筋板件发生应力松弛，组织内晶粒得到细化，从而达到了提高筋板件综合性能和型面精度的双重效果，多点模具成形的形变曲面在卸载并发生回弹后即为筋板件的最终成形面。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现：
一种基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的方法的具体步骤如下：
(A)筋板件放置于真空袋内，气管插入真空袋中，密封真空袋，用压条将筋板件和真空袋一起装夹并牢固，固定后的筋板件处于专用温控箱内的多点模具上的正中间位置；
(B)根据渐进成形路径第1次调节工具头，构造成形用的模具型面，同时调节气管的吸气口，使吸气口上表面不高于所构造的模具型面最底端；
(C)调节真空泵的气源气压，通过气管从真空袋内部抽真空，使筋板件与工具头所构造的第1次模具型面贴合；
(D)打开时温控制器的温控按钮，使炉腔内的温度升温并保持在蠕变时效温度的±1.5℃内，当温度稳定时，开始筋板件的蠕变计时；在蠕变时效成形过程中，打开振动控制仪的按钮，对振动平台的固有频率f进行恒加速度扫频，通过激振器对工具头施加低频振动，从而间接对筋板件实施同步振动，振动完成后，关闭振动控制仪的按钮，完成第1次复合时效成形；
(E)根据SVR支持向量机理论设计的模具型面来规划渐进成形路径，第K次调节工具头，并依次按照上述(B)、(C)和(D)步骤中的实施方式，完成第K次复合时效成形；当第K次成形面的回弹增量ΔK与模具型面的弦高H的比值不大于ε(≤5％)时，停止实施振动蠕变复合时效成形，否则，进行第K+1(K为自然数)次成形。
所述筋板件的薄板厚度和筋条高度分别为1～3mm和13～20mm，筋板件的总高度为13～22mm，筋板件通过铣削方式或者搅拌摩擦焊接方式制备而成。
所述(D)中，对筋板件实施蠕变热时效处理，蠕变持续时间为30～900min，蠕变加热温度为30℃～600℃，蠕变时效所需压力为0.4～2Bar，筋板件贴合所需压力为2～8Bar，筋板件贴合通过带报警功能的接触式位移传感器监控；所述振动为低频振动，激振频率为(0.4～0.6)f，获得的加速度为1～30m/s2，每次构造的模具型面需振动1～20次，每次振动持续时间和相邻两次振动的间隔时间分别为3～15min和2～300min。
所述(D)中，通过调节激振器内线圈中的电流大小为一恒定值，确保频率变化时，只要驱动流经激振器的电流恒定，激振器输出力大小也恒定，根据F＝ma可知，质量m不变时，可实现振动平台的恒加速度扫频；通过1A213E型低频压电式加速度传感器对电荷的归一化拾振，获取与电荷灵敏度一致的加速度值。
低频振动是在交变正弦激振力激振下，通过相位差别法来判定筋板件激振时的特殊位置及激振前后的相位变化规律；沿筋板件X和Y两个方向振动信号作nx和ny个切点，当ny/nx＝fx/fy呈整数比时，两个方向上的函数与能合成为一椭圆图形，当或时，图形为过原点的直线，当时，图形为以X和Y轴对称的椭圆，当为其它任意值时，图形为各不相同的椭圆。
与所述方法配套的基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形装置，主要包括专用温控箱、支架、筋板件、多点模具、振动平台、激振器和真空泵，它们之间的位置连接关系如下：所述专用温控箱放置于支架的橡胶垫脚上，专用温控箱上设有控制时间和温度的时温控制器，专用温控箱底部设有M×N个点阵式通孔，每个通孔与振动平台的螺纹孔同轴线。
所述筋板件放置于真空袋内并置于多点模具正上方的中心处，筋板件通过螺栓组件与压条固定锁紧，压条设于立柱上，立柱一端穿过专用温控箱上的通孔与振动平台螺接，立柱另一端通过螺栓组件与顶板连接，顶板两侧中心处各设有一螺纹孔，顶杆穿过螺纹孔并顶紧在压条上，实现筋板件的三点固定，避免筋板件在压紧后中间部分翘曲(拱起)。
所述多点模具由M×N个工具头刚性连接而成，工具头穿过专用温控箱底部上的通孔螺接在振动平台上，与地面刚性接触的振动平台为一独立部件，其与专用温控箱和支架均无接触，避免对筋板件施加振动时，造成专用温控箱的炉内控温不稳定的影响，同时排除阻尼因素的影响，确保拾振频率为无阻尼的固有频率。
所述激振器两端分别与振动控制仪和工具头连接与接触，激振器安装于夹紧装置上，夹紧装置固定在侧板上，侧板通过螺栓组件与L型角钢连接，L型角钢固定在支架上。
所述工具头为一三段式特制工具，工具头的上段设有一球顶，球顶设有一耐高温的接触式位移传感器，中段设有一与振动平台连接用的细牙精密螺纹，下段设有一进给用的精度至少为0.1mm的刻度；工具头在竖直方向上每向上(向下)转动一圈，工具头就向上(向下)进给1毫米，根据蠕变理论和回弹补偿原理优化获得的渐进成形路径，调节多点模具的工具头，可实时构造出所需的模具型面。
所述真空袋与气管相通，气管穿过专用温控箱底部的专用通孔和振动平台上的专用螺纹孔与真空泵连接；所述激振器通过夹紧装置在竖直方向上可进行上下调节、定位并固定，保证工具头在工作的过程中始终与工具头接触良好，从而实现对筋板件的激振处理。
本发明具有的优点和有益效果：
(1)由于本发明采用振动蠕变复合时效成形方法，与先蠕变时效后振动或先振动后蠕变时效的单步顺序操作法相比，本发明方法具有成形时间短、尺寸稳定性好、残余应力释放更彻底、微观晶粒更小和分布更均匀导致的综合力学性能更高等优点；
(2)本发明采用型面可调的、由多个工具头构成的多点模具为成形工具，避免了多套模具的加工、安装与调试过程，实现了热时效过程中一次性成型筋板件的功能；本发明的装置采用气压加载及热时效过程中型面可控的方式，扩大了装置在成形不同类型的薄板件、大型整体壁板或复杂曲面构件等曲面零件的适用范围，降低了研发成本；
(3)本发明在振动蠕变复合时效成形过程中采用渐进成形方法，使得筋板件在每一次成形过程中的残余应力得到释放，最大程度地使组织内的位错数量处于稳定位置，微观晶粒得到细化，进而使筋板件的最终型面精度和成形性能得到双重提升的效果。
根据回弹补偿原理和SVR支持向量机理论的渐进成形路径是解决筋板件时效成形时间长、试模次数多，且内应力分布不均、晶粒颗粒大等问题的一种有效途径；这种成形方法在回弹补偿筋板件形状误差的基础上，利用逆向工程的曲面重构思想确定渐进成形步次参数，通过设计出合理的模具型面成形路径，利用特制的工具头可在竖直方向上进行调节，实时构造出每一个成形路径的型面，然后，调节气源改变气压，保证筋板件每次与所构造的模具型面贴合，并利用专用温控箱对每次贴合后的筋板件实施振动蠕变复合时效成形，使每一步因回弹造成的形状误差得到削弱，也使筋板件具有更大的振动位移，组织内的位错数量逐渐增多并趋于稳定位置，从而提高筋板件综合性能和型面精度的协同调控能力。
附图说明
图1是一种基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的装置的装配示意图。
图2是图1去掉专用温控箱和部分工具头的结构示意图。
图3是本发明方法的回弹补偿原理图。
图4是本发明方法的SVR支持向量机理论的t步成形路径设计图。
图5是本发明方法沿筋板件长度方向对称面处横截面的渐进成形路径图。
图6是本发明方法的实施步骤框图。
图7是本发明方法沿筋板件长度方向对称面处横截面的成形过程示意图。
图中：1专用温控箱；2顶板；3真空袋；4筋板件；5压条；6多点模具；7真空泵；8气管；9激振器；10夹紧装置；11振动控制仪；12时温控制器；13立柱；14橡胶垫脚；15支架；16L型角钢；17振动平台；18工具头；19顶杆；20侧板。
具体实施方式
以下结合实施例和附图进一步说明本发明，而非限制本发明。
各实施例中，将筋板件4沿其长度方向切割并制备成复合时效成形用的试样；利用该试样进行振动蠕变复合时效成形测试、回弹测量及力学性能拉伸测试，其中，回弹率按下式计算：ζ＝[(Kt+1-Kt)/H]×100％＝(ΔK/H)×100％，式中Kt和Kt+1分别为第t次和第t+1次的弦高，t取自然数，H为模具型面的弦高，焊接接头拉伸标准采用GB/T2651-89；如图3和图4所示的回弹补偿计算模具型面过程，它是将渐进修正的所有模具型面离散为若干个与理想设计形状K0相关联的方程，方程与方程之间拟采用回弹增量ΔKi相互传递，通过改变离散方程的角标值i，便可构造如图5所示的t步渐进成形路径，回弹补偿迭代方程如下：
Kb1＝K0 (1)
Kbi+1＝K0+ΔKi (2)
ΔKi＝Kbi-Ki (3)
当且仅当ΔK＝|Ki-K0|≤ε(i为整数)时，补偿停止。式中：K0：最终外形形状尺寸；Kbi+1：第i次回弹补偿后的弧形面尺寸；ΔKi：第i次修正后的回弹增量；Ki：第i次成形回弹后的弧形面尺寸。
各实施例中，测量加速度时，X向信号为Fx＝F0sinwt，Y向信号为共振时，w＝w0且时，X轴信号与Y轴信号的相位差为π/2，合成的图形为一个正椭圆时，停止振动输入，将此时的振动频率乘以0.4～0.6系数后，作为新的激振频率对筋板件4施振。
实施例1
参见图1、图2、图6及图7，筋板件4的材料为7075-T6铝合金板材，采用铣削方式制备成规格为300mm长、150mm宽和总高为15mm厚(薄板厚2mm、筋条高13mm)的试样；试样沿筋条长度方向的最终成形面曲率半径为2200mm，优化后的渐进成形路径步次为4次；先将试样放置于真空袋3内并置于多点模具6正上方的中心处，再将气管8插入真空袋3中并密封，将密封后的试样连同真空袋3一起通过螺栓组件与压条5固定锁紧，并用顶杆20顶紧压条5，避免锁紧后的试样两侧的中间处发生翘曲，同时调节M×N个工具头18，构造出第1次模具型面，然后，调节气管8吸气口的位置，使吸气口上表面与所构造的模具型面最底端平齐；打开真空泵开关，调节气源压力，抽出真空袋3内部的真空，使试样与工具头18所构造的第1次模具型面贴合，当M×N个工具头18的报警器都鸣响时，关闭真空泵开关，此时筋板件4贴合所需压力为2.2Bar；同时打开专用温控箱1的温控按钮，加热160℃的蠕变温度并维持该温度不变的条件下持续6h的蠕变时效成形；在蠕变热时效过程中，每次振动加载时间为5min，振动间隔时间为30min，卸载前总共振动10次，每次振动前测得的固有频率f平均为1283.5Hz，对应的平均加速度为4.5m/s2；按上述工艺重复3次，即完成了试样的渐进成形全过程；最后，关闭温控按钮降温，并卸除专用温控箱内的气压，测量筋板件4的回弹率ζ为87.3％，接头的抗拉强度为母材的72.8％。
实施例2
参见图1、图2、图5及图6，筋板件4的薄板材料为3mm厚的7075-T6铝合金板材，筋板件4的筋条材料为5mm厚、16mm高的8090-T8铝锂合金板材，采用搅拌摩擦焊接方式焊接为规格为240mm长、120mm宽，带筋总高为19mm厚的试样；试样沿筋条长度方向的最终成形面曲率半径为1200mm，优化后的渐进成形路径步次为6次；采用实施例1中的步骤进行试样的装夹与固定；打开真空泵开关，调节气源压力，抽出真空袋3内部的真空，使试样与工具头18所构造的第1次模具型面贴合，当M×N个工具头18的报警器都鸣响时，关闭真空泵开关，此时筋板件4贴合所需压力为4.5Bar；同时打开专用温控箱1的温控按钮，加热190℃的蠕变温度并维持该温度不变的条件下持续8h的蠕变时效成形；在蠕变热时效过程中，每次振动加载时间为10min，振动间隔时间为50min，卸载前总共振动12次，每次振动前没得的固有频率f平均为2312.4Hz，对应的平均加速度为14.8m/s2；按上述工艺重复5次，即完成了试样的渐进成形全过程；最后，关闭温控按钮降温，并卸除专用温控箱内的气压，测量筋板件4的回弹率ζ为82.5％，接头的抗拉强度为母材的78.4％。
最后，还要注意的是，以上列举的仅是本发明的二个具体实施例。显然，本发明还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)筋板件(4)放置于真空袋(3)内，气管(8)插入真空袋(3)中并密封，装夹并牢固筋板件(4)的两侧；
(B)根据渐进成形路径第1次调节工具头(18)，构造成形用的模具型面，同时调节气管(8)的吸气口，使吸气口上表面不高于所构造的模具型面最底端；
(C)调节真空泵(7)的气源压力，通过气管(8)从真空袋(3)内部抽真空，使筋板件(4)与工具头(18)所构造的第1次模具型面贴合；
(D)打开时温控制器(12)的温控按钮实施蠕变热时效处理，使炉腔内的温度升温并保持在蠕变时效温度的±1.5℃内，当温度稳定时，开始筋板件(4)的蠕变计时；在蠕变时效成形过程中，打开振动控制仪(11)的按钮，对振动平台(17)的固有频率f进行恒加速度扫频，通过激振器(9)对筋板件(4)实施振动，振动完成后，关闭振动控制仪(11)的按钮，完成第1次复合时效成形；
(E)根据SVR支持向量机理论设计的模具型面来规划渐进成形路径，第K次调节工具头(18)，并依次按照上述(B)、(C)和(D)步骤中的实施方式，完成第K次振动蠕变复合时效成形；当第K次成形面的回弹增量ΔK与模具型面的弦高H的比值不大于ε(≤5％)时，停止实施振动蠕变复合时效成形，否则，进行第K+1(K为自然数)次成形。
2.根据权利要求1所述的基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的方法，其特征在于，所述(D)中，对筋板件(4)实施蠕变热时效处理，蠕变持续时间为30～900min，蠕变加热温度为30℃～600℃，蠕变时效所需压力为0.4～2Bar，筋板件(4)贴合所需压力为2～8Bar，筋板件(4)贴合通过带报警功能的接触式位移传感器监控；所述振动为低频振动，激振频率为(0.4～0.6)f，获得的加速度为1～30m/s2，每次构造的模具型面需振动1-20次，每次振动持续时间和相邻两次振动的间隔时间分别为3～15min和2～300min。
3.根据权利要求2所述的基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的方法，其特征在于，所述低频振动是通过相位差别法来判定筋板件(4)激振时的特殊位置及激振前后的相位变化规律。
4.根据权利要求1所述的基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的方法，其特征在于，所述(D)中，通过调节激振器(9)内线圈中的电流大小为一恒定值，实现振动平台(17)的恒加速度扫频。
5.一种基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的装置，其特征在于，包括专用温控箱(1)、支架(15)、筋板件(4)、多点模具(6)、振动平台(17)、激振器(9)和真空泵(7)；所述专用温控箱(1)放置于支架(15)的橡胶垫脚(14)上，专用温控箱(1)上设有控制时间和温度的时温控制器(12)；所述筋板件(4)放置于真空袋(3)内并置于多点模具(6)正上方的中心处，筋板件(4)通过螺栓组件与压条(5)固定锁紧，压条(5)设于立柱(13)上，立柱(13)一端穿过专用温控箱(1)上的通孔与振动平台(17)螺接，立柱(13)另一端通过螺栓组件与顶板(2)连接，顶板(2)两侧中心处各设有一螺纹孔，顶杆(19)穿过螺纹孔并顶紧在压条(5)上，实现筋板件(4)的三点固定；所述多点模具(6)由M×N个工具头(18)刚性连接而成，工具头(18)穿过专用温控箱(1)底部上的通孔螺接在振动平台(17)上，振动平台(17)为一独立部件，其与专用温控箱(1)和支架(15)均无接触；所述激振器(9)两端分别与振动控制仪(11)和工具头(18)连接，激振器(9)安装于夹紧装置(10)上，夹紧装置(10)固定在侧板(20)上，侧板(20)通过螺栓组件与L型角钢(16)连接，L型角钢(16)固定在支架(15)上。
6.根据权利要求5所述的基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的装置，其特征在于，所述工具头(18)为一三段式特制工具，工具头(18)的上段设有一球顶，球顶设有一耐高温的接触式位移传感器，中段设有一连接用的精密螺纹，下段设有一进给用的精度至少为0.1mm的刻度；工具头(18)在竖直方向上每向上(向下)转动一圈，工具头(18)就向上(向下)进给1毫米，根据渐进成形路径调节多点模具(6)的工具头(18)，可实时构造出所需的模具型面。
7.根据权利要求5所述的基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的装置，其特征在于，所述真空袋(3)与气管(8)相通，气管(8)穿过专用温控箱(1)底部的专用通孔和振动平台(17)上的专用螺纹孔与真空泵(7)连接。
8.根据权利要求5所述的基于气压加载的振动蠕变复合时效渐进成形的装置，其特征在于，所述激振器(9)通过夹紧装置(10)在竖直方向上可进行上下调节、定位并固定，保证工具头(18)在工作的过程中始终与工具头(18)接触良好，从而实现对筋板件(4)的激振处理。
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