CN110633501B - 一种确定环件刚模胀形力能参数的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定环件刚模胀形力能参数的方法，基于刚模胀形基本原理和刚模胀形模具受力平衡条件，采用积分的方法求解均布在环件内表面各胀形力的合力；利用半圆环受力平衡条件求解单个凸模胀形力，更精确的确定单个凸模胀形力。同时，充分考虑了芯轴与凸模、凸模与底盘之间的摩擦力以及凸模、芯轴的重力，更加细致的分析了芯轴的受力情况，使芯轴压下力的理论计算模型更贴近实际情况，能够更精确的确定芯轴压下力。相较于现有技术近似估算力能参数的方法，明显提高了环件刚模胀形力能参数确定的精确性。并且通过获取的刚模胀形工装参数和环件参数，实现了从物理理论与数学理论上直接确定环件刚模胀形力能参数，提高了效率，降低了成本，而且可靠性更高。

Description

一种确定环件刚模胀形力能参数的方法

技术领域

本发明属于塑性加工领域，具体涉及一种确定环件刚模胀形力能参数的方法。

背景技术

高性能高精度环件在航空航天领域具有广阔的应用前景，目前一般采用双向轧制+刚模胀形的方法成形此类环件。环件双向轧制通过连续的局部塑性变形可实现环形坯料壁厚减薄，直径扩大的均匀充分变形，获得组织均匀、性能优异的高性能环件。环件采用轧环机轧制后，受环件尺寸、轧制工艺及设备局限性的影响，其形状精度及尺寸精度一般不高，且轧制后的环件残余应力较大，在后续加工工序中易产生翘曲、变形甚至开裂等缺陷。而环件刚模胀形通过刚性模具的挤压作用使环件发生均匀的径向扩张变形，可以校正环件形状及尺寸，消除残余应力，对实现环件尺寸精化、提高材料利用率具有重要作用。2017年12月8号公开的中国实用新型专利说明书CN206716829U公开了一种用于环形工件的胀形装置，该装置结构简单、胀形效果好，但却未从力能容限的角度进行胀形驱动装置选取和设备结构强度验证，导致胀形装置在设计中缺乏理论依据，实际应用也受到极大限制。通过现有技术间接测量环件刚模胀形力能参数或者近似估算力能参数，不仅效率低成本高，而且可靠性及准确性都较差。由于难以精确确定环件刚模胀形力能参数，导致胀形设备结构强度设计、液压驱动装置选择、胀形工艺能耗控制无据可依，进而使胀形工艺设计及装备研制受到极大阻碍，严重制约了环件刚模胀形装置及技术的发展。

发明内容

为克服现有技术中存在的难以精确确定环件刚模胀形力能参数的不足，本发明提出了一种确定环件刚模胀形力能参数的方法。

本发明的具体过程是：

具体过程是：

步骤1，获取刚模胀形工装参数：

通过测量的方式获取刚模胀形工装参数；

所述刚模胀形工装参数包括：芯轴的锥角θ，芯轴的质量为m₁，芯轴圆周表面与凸模内圆周面的接触摩擦因子为μ₁，单个凸模的质量为m₂，凸模下表面与底座滑轨的接触摩擦因子为μ₂。

步骤2，获取环件参数：

通过测量的方式获取环件参数；所述环件参数包括：环件的壁厚b、环件的高度h和环件材料在胀形温度下的抗拉强度σ_b。

步骤3，确定环件刚模胀形力能参数

所述环件刚模胀形力能参数是单个凸模胀形力和芯轴压下力。

第一步，确定单个凸模胀形力：

环件在胀形过程中处于受力平衡状态，选取半圆环进行受力分析，半圆环受到凸模施加在半圆环内表面的胀形力和另一半圆环施加在两个截面的拉力而保持平衡。单个凸模胀形力P由式(4)确定：

式中，P为单个凸模胀形力，n为刚模胀形工装的凸模个数，b为环件的壁厚，h为环件的高度，σ_b为环件材料在胀形温度时的抗拉强度。

第二步，确定芯轴压下力：

芯轴与凸模在胀形过程中的受力处于平衡状态，确定所述芯轴与凸模的受力状态、凸模的受力状态和芯轴的受力状态；

所确定的芯轴与凸模之间的受力状态是：

由于所述芯轴的外圆周表面与凸模的内圆周表面紧密贴合，该凸模的外圆周表面与环件内表面紧密贴合，则：

该芯轴的圆周表面受到凸模的压力F₁，并且F₁的方向垂直于该F₁所作用的芯轴表面。芯轴与凸模之间摩擦力f₁的方向平行于该f₁所在的芯轴与凸模的接触面。芯轴的重力G₁的方向竖直向下；芯轴所需的压下力为F，该压下力的方向平行于芯轴轴线。

所确定的凸模的受力状态是：

凸模受到来自芯轴的压力F₁'与该芯轴受到来自凸模的压力F₁大小相等方向相反。凸模受到来自芯轴的摩擦力f₁'与芯轴受到来自凸模的摩擦力f₁大小相等方向相反。

凸模受到环件的压力P'与环件受到凸模的胀形力P大小相等方向相反。凸模受到方向竖直向下的重力G₂。凸模受到来自底座3竖直向上的支撑力F₂。凸模与底座滑轨之间的摩擦力为f₂，f₂的方向平行于凸模对应滑轨的方向。

所确定的芯轴的受力状态是：

在垂直于芯轴轴线的方向上，芯轴受到n个凸模的压力F₁和n个凸模的摩擦力f₁，F₁和f₁关于芯轴轴线对称，在垂直芯轴轴线方向上合力为零。

在平行芯轴轴线方向上，芯轴的压下力F和芯轴重力G₁与n个凸模的压力F₁和n个凸模的摩擦力f₁在平行芯轴轴线方向的分力保持平衡，则有：

得到芯轴压下力F：

F＝n(F₁·cosθ+f₁·cosθ))-G₁ (6)

通过式(13)确定芯轴压下力：

式中，θ为芯轴的锥角，m₁为芯轴的质量，μ₁为芯轴圆周表面与凸模内圆周面的接触摩擦因子，m₂为单个凸模的质量，μ₂为凸模下表面与底座滑轨的接触摩擦因子，g为重力加速度。

至此，完成了环件刚模胀形力能参数的确定。

为解决环件刚模胀形力能参数难以精确确定的问题，本发明首先获取刚模胀形工装参数及环件参数，然后确定环件刚模胀形力能参数。本发明基于刚模胀形基本原理和刚模胀形模具受力平衡条件，采用积分的方法求解均布在环件内表面各胀形力的合力，再利用半圆环受力平衡条件求解单个凸模胀形力，该方法可更精确的确定单个凸模胀形力；同时，充分考虑了芯轴与凸模、凸模与底盘之间的摩擦力以及凸模、芯轴的重力等，更加细致的分析了芯轴的受力情况，使芯轴压下力的理论计算模型更贴近实际情况，可更精确的确定芯轴压下力。相较于现有技术近似估算力能参数的方法，明显提高了环件刚模胀形力能参数确定的精确性。而且，本发明通过获取的刚模胀形工装参数和环件参数，实现了从物理理论与数学理论上直接确定环件刚模胀形力能参数，与现有技术直接或间接测量力能参数相比，提高了效率，降低了成本，而且可靠性更高。

为进一步说明本发明中新技术的精确性与可靠性，将本发明中新技术所确定的胀形力能参数的理论值与经过实验验证的高精度有限元仿真模型计算得到胀形力能参数的模拟值进行对比。图9所示为单个凸模胀形力、芯轴压下力的理论值与模拟值在稳定胀形阶段的对比，从对比结果可以看出，理论值与模拟值误差很小，不超过4％，说明本发明中新技术所确定的胀形力能参数可准确预测实际的胀形力能参数，证实了本发明中确定环件刚模胀形力能参数的方法的精确性。图10为随机条件下的五组环件刚模胀形力能参数理论值与模拟值的最大误差图，发现在不同条件下，理论值与模拟值误差均很小，最大不超过6％，说明本发明中新技术的在不同条件下都具有较高的精确性，证实了本发明中确定环件刚模胀形力能参数的方法的可靠性。环件刚模胀形力能参数的确定对胀形设备结构强度设计、液压驱动器件选择、胀形工艺能耗控制具有重要意义，为环件刚模胀形工艺设计及装备研制奠定了理论基础。

附图说明

图1为装配有环件的刚模胀形工装简图。

图2为装配有环件的刚模胀形工装爆炸图。

图3为装配有环件的刚模胀形工装俯视图，其中A-A为过芯轴轴线的剖面。

图4为环件在A-A剖面的剖面图。

图5为半圆环的截面示意图。

图6为半圆环的受力分析图。

图7为装配有环件的刚模胀形工装在A-A剖面的剖面图。

图8为A-A剖面的刚模胀形工装受力分析图。

图9为本发明的流程图。

图10为环件刚模胀形力能参数理论值与模拟值的对比图。其中：曲线a为芯轴压下力的理论值曲线，曲线b为芯轴压下力的模拟值曲线，曲线c为单个凸模胀形力的理论值曲线，曲线d为单个凸模胀形力的模拟值曲线。

图11为随机条件下的五组环件刚模胀形力能参数理论值与模拟值的最大误差图。其中：e为单个凸模胀形力的最大误差，f为芯轴压下力的最大误差。

图中：1.芯轴；2.凸模；3.底座；4.环件。

具体实施方式

本实施例是一种确定环件刚模胀形力能参数的方法，具体过程是：

步骤1，获取刚模胀形工装参数：

通过测量的方式获取刚模胀形工装参数。所述刚模胀形工装参数包括：芯轴锥角θ，芯轴1的质量为m₁，芯轴1圆周表面与凸模2内圆周面的接触摩擦因子为μ₁，单个凸模2的质量为m₂，凸模2下表面与底座3的滑轨的接触摩擦因子为μ₂。

所述刚模胀形工装采用现有技术。该刚模胀形工装为环件刚模胀形所用工装，包括芯轴1、n个凸模2和底座3，n为正整数，且n＝6～18。本实施例中，所述环件的外直径为11m，凸模2的数量为16个。

所述芯轴1为圆锥台形，该圆锥台的锥角为θ。芯轴1的小直径端位于n个凸模2组成的环形结构内，并分别与各所述凸模2的内圆周面贴合。所述芯轴1的质量为m₁，凸模2的质量记为m₂。该芯轴圆周表面与凸模2的内圆周面的接触摩擦因子为μ₁。

所述底座3的上表面均布有n个径向的滑轨，并使各所述凸模分别与各滑轨配合并可沿滑轨来回移动。该凸模2下表面与底座3的滑轨的接触摩擦因子为μ₂。

如图3所示，n个凸模2是分开的扇形块形状，各扇形块组合时形成环形结构，环件4套装在该环形结构上，且环件4的内表面与n个凸模2的外圆周面紧密贴合。当芯轴1在凸模2内沿芯轴轴向向下移动时，使n个凸模2在底座3的滑轨上沿径向同步移动扩散，使环件4受到n个凸模施加的均匀的压力，从而达到胀形环件的目的。

本实施实例中，所述刚模胀形工装参数分别为：芯轴1的锥角θ＝84°，芯轴1的质量m₁＝5000kg，芯轴1圆周表面与凸模2内圆周面的接触摩擦因子μ₁＝0.15，单个凸模2的质量m₂＝3000kg，凸模2下表面与底座3的滑轨的接触摩擦因子μ₂＝0.2。

步骤2，通过测量的方式获取环件参数：

所述环件参数包括：环件的壁厚b，环件的高度h，环件的材料在胀形温度时的抗拉强度σ_b。

所述环件材料为2219铝合金，胀形温度为350℃，所述2219铝合金在350℃时的抗拉强度σ_b＝52MPa。环件的壁厚为b，高度为h。所述胀形温度为环件在刚模胀形时环件各位置的平均温度。

将所述环件沿轴线剖分为半圆环形，该半圆环的截面为矩形，如图4所示。该截面的宽度即为所述环件的壁厚，该截面的高度即为所述环件的高度。

本实施例中，测量后得到所述环件参数分别为：环件的壁厚b＝0.26m，高度h＝0.54m。

步骤3，确定环件刚模胀形力能参数

所述环件刚模胀形力能参数是单个凸模胀形力和芯轴压下力。

第一步，确定单个凸模胀形力：

所述确定单个凸模胀形力的具体过程是：

由于环件在胀形过程中受力处于平衡状态，故以半圆环为研究对象，进行受力分析。

如图6所示。胀形过程中，半圆环的两个截面上的拉应力为环件材料在胀形温度时的抗拉强度σ_b；半圆环内表面单位面积的胀形力记为P_e，该胀形力的方向为环件的径向。

所述胀形力是指环件胀形过程中凸模2对环件4的内表面施加的力。胀形力作用于半圆环内表面且均匀分布，施加在半圆环内表面上任意一点的胀形力与所述半圆环中任一截面之间的夹角为β，β的取值范围为[0,π]。

将各胀形力分解为平行于半圆环截面方向上的各分力与垂直半圆环截面方向上的各分力，平行于半圆环截面方向上的各分力的合力为零，垂直半圆环截面方向上的各分力的合力与另一半圆环的拉力平衡，通过公式(1)表示：

式中，P_e为半圆环内表面上单位面积的胀形力，b为环件的壁厚，h为环件的高度，D为环件的内直径，σ_b为环件材料在胀形温度时的抗拉强度。

由式(1)得到半圆环内表面上单位面积的胀形力P_e为：

刚模胀形工装中共有n个凸模，每个凸模的外圆周面与半圆环内表面紧密贴合，得到单个凸模与半圆环的接触面积S为：

凸模通过接触对环件内表面施加胀形力，从而使环件沿径向产生均匀的扩张变形。由式(2)、(3)得到单个凸模所需的胀形力P为：

式中，P为单个凸模所需的胀形力，方向为环件的径向，n为刚模胀形工装中凸模的个数。

在本实施实例中，环件的壁厚b＝0.26m，环件的高度h＝0.54m，刚模胀形工装的凸模个数n＝16，胀形温度为350℃，2219铝合金在350℃的抗拉强度σ_b＝52MPa。得到单个凸模所需的胀形力P≈28.6×10⁵N。

第二步，确定芯轴压下力：

所述确定芯轴压下力的具体过程是：

Ⅰ确定所述芯轴与凸模之间的受力状态：

在图7所示环件刚模胀形工装的剖面上对该胀形模具进行受力分析。该剖面的受力分析如图8所示。n个凸模2均布在芯轴1圆周表面，对该凸模进行受力分析：

该芯轴1的圆周表面与凸模2的内圆周表面紧密贴合，使该芯轴1的圆周表面受到凸模2的压力F₁，并且F₁的方向垂直于该F₁所作用的芯轴表面。芯轴1与凸模2之间摩擦力f₁的方向平行于该f₁所在的芯轴与凸模的接触面。芯轴1的重力G₁的方向竖直向下；芯轴所需的压下力为F，该压下力的方向平行于芯轴轴线。

当该凸模2内圆周面与芯轴1的圆周表面紧密贴合时，该凸模的外圆周面则与环件4内表面紧密贴合。凸模2受到芯轴1的压力F₁'与该芯轴1受到凸模2的压力F₁为相互作用力，即F₁'和F₁大小相等方向相反。

凸模2受到来自芯轴1的摩擦力f₁'与芯轴1受到来自凸模2的摩擦力f₁为相互作用力，即f₁'与f₁大小相等方向相反。

凸模2受到环件4的压力P'与环件4受到凸模2的胀形力P为相互作用力，P'与P大小相等方向相反。凸模2受到的重力为G₂，G₂的方向竖直向下。凸模2受到的底座3的支撑力F₂，F₂的方向竖直向上。凸模2受到的底座3的滑轨的摩擦力f₂，f₂的方向平行于凸模2对应滑轨的方向。

Ⅱ确定芯轴的受力：

在垂直芯轴轴线方向上，芯轴1受到n个凸模2的压力F₁和n个凸模2的摩擦力f₁，F₁和f₁关于芯轴轴线对称，在垂直芯轴轴线方向上合力为零。

在平行芯轴轴线方向上，芯轴1的压下力F和芯轴重力G₁与n个凸模2的压力F₁和n个凸模2的摩擦力f₁在平行芯轴轴线方向的分力保持平衡，则有：

得到芯轴1压下力F：

F＝n(F₁·cosθ+f₁·cosθ))-G₁ (6)

Ⅲ确定凸模的受力：

在垂直芯轴轴线方向上，环件4对凸模2的压力P'、底座3的滑轨对凸模2的摩擦力f₂及芯轴1对凸模2的摩擦力f₁'在垂直芯轴轴线方向的分力与芯轴1对凸模2的压力F₁'在垂直芯轴轴线方向的分力保持平衡，则有：

P′+f₂+f₁′cosθ＝F₁sinθ (7)

在平行芯轴轴线方向上，凸模2重力G₂、芯模1的压力F₁'及芯模1的摩擦力f₁'在平行芯轴轴线方向的分力与底座3的支撑力F₂保持平衡，则有：

G₂+f₁′sinθ+F₁′cosθ＝F₂ (8)

凸模2受到芯轴1的力与芯轴1受到凸模2的力为相互作用力，凸模2受到环件4的力与环件4受到凸模2的力为相互作用力，则：

f₁′＝f₁，F₁′＝F₁，P′＝P (9)

且根据滑动摩擦性质可知：

f₁＝μ₁F₁，f₂＝μ₂F₂ (10)

设重力加速度为g，得到：

G₁＝m₁g，G₂＝m₂g (11)

由式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)得到：

将式(4)代入式(12)可得，芯轴所需压下力F为：

式中，n为刚模胀形工装中凸模的个数，θ为芯轴锥角，m₁为芯轴的质量，m₂单个凸模的质量，μ₁为芯轴圆周表面与凸模内圆周面的接触摩擦因子，μ₂为凸模下表面与底座滑轨的接触摩擦因子，b为环件的壁厚，h为环件的高度，σ_b为环件材料在胀形温度时的抗拉强度。

在本实施例中，刚模胀形工装中凸模个数n＝16，芯轴的锥角θ＝84°，芯轴的质量m₁＝5000kg，单个凸模的质量m₂＝3000kg，芯轴圆周表面与凸模内圆周面的接触摩擦因子μ₁＝0.15，凸模下表面与底座滑轨的接触摩擦因子μ₂＝0.2，环件的壁厚b＝0.26m，环件的高度h＝0.54m，胀形温度为350℃，环件的材料为2219铝合金，2219铝合金在350℃时的抗拉强度σ_b＝52MPa。得到芯轴所需的压下力F≈125.1×10⁵N。

至此，完成了环件刚模胀形力能参数的确定。

Claims (4)

1.一种确定环件刚模胀形力能参数的方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，获取刚模胀形工装参数：

通过测量的方式获取刚模胀形工装参数；

所述刚模胀形工装参数包括：芯轴的锥角θ，芯轴的质量为m₁，芯轴圆周表面与凸模内圆周面的接触摩擦因子为μ₁，单个凸模的质量为m₂，凸模下表面与底座滑轨的接触摩擦因子为μ₂；

步骤2，获取环件参数：

通过测量的方式获取环件参数；所述环件参数包括：环件的壁厚b、环件的高度h和环件材料在胀形温度下的抗拉强度σ_b；

步骤3，确定环件刚模胀形力能参数

所述环件刚模胀形力能参数是单个凸模胀形力和芯轴压下力；

第一步，确定单个凸模胀形力：

环件在胀形过程中处于受力平衡状态，选取半圆环进行受力分析，半圆环受到凸模施加在半圆环内表面的胀形力和另一半圆环施加在两个截面的拉力而保持平衡；单个凸模胀形力P由式(4)确定：

式中，P为单个凸模胀形力，n为刚模胀形工装的凸模个数，b为环件的壁厚，h为环件的高度，σ_b为环件材料在胀形温度时的抗拉强度；

第二步，确定芯轴压下力：

芯轴与凸模在胀形过程中的受力处于平衡状态，确定所述芯轴与凸模的受力状态、凸模的受力状态和芯轴的受力状态；通过式(13)确定芯轴压下力：

式中，θ为芯轴的锥角，m₁为芯轴的质量，μ₁为芯轴圆周表面与凸模内圆周面的接触摩擦因子，m₂为单个凸模的质量，μ₂为凸模下表面与底座滑轨的接触摩擦因子，g为重力加速度；

至此，完成了环件刚模胀形力能参数的确定。

2.如权利要求1所述确定环件刚模胀形力能参数的方法，其特征在于，所确定的芯轴与凸模之间的受力状态是：

由于所述芯轴的外圆周表面与凸模的内圆周表面紧密贴合，该凸模的外圆周表面与环件内表面紧密贴合，则：

该芯轴的圆周表面受到凸模的压力F₁，并且F₁的方向垂直于该F₁所作用的芯轴表面；芯轴与凸模之间摩擦力f₁的方向平行于该f₁所在的芯轴与凸模的接触面；芯轴的重力G₁的方向竖直向下；芯轴所需的压下力为F，该压下力的方向平行于芯轴轴线。

3.如权利要求1所述确定环件刚模胀形力能参数的方法，其特征在于，所确定的凸模的受力状态是：

凸模受到来自芯轴的压力F₁'与该芯轴受到来自凸模的压力F₁大小相等方向相反；

凸模受到来自芯轴的摩擦力f₁'与芯轴受到来自凸模的摩擦力f₁大小相等方向相反；

凸模受到环件的压力P'与环件受到凸模的胀形力P大小相等方向相反；凸模受到方向竖直向下的重力G₂；凸模受到来自底座3竖直向上的支撑力F₂；凸模与底座滑轨之间的摩擦力为f₂，f₂的方向平行于凸模对应滑轨的方向。

4.如权利要求1所述确定环件刚模胀形力能参数的方法，其特征在于，所确定的芯轴的受力状态是：

在垂直于芯轴轴线的方向上，芯轴受到n个凸模的压力F₁和n个凸模的摩擦力f₁，F₁和f₁关于芯轴轴线对称，在垂直芯轴轴线方向上合力为零；

在平行芯轴轴线方向上，芯轴的压下力F和芯轴重力G₁与n个凸模的压力F₁和n个凸模的摩擦力f₁在平行芯轴轴线方向的分力保持平衡，则有：

得到芯轴压下力F：

F＝n(F₁·cosθ+f₁·cosθ))-G₁ (6)。

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