CN110918847B

CN110918847B - 一种薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法

Info

Publication number: CN110918847B
Application number: CN201911174094.3A
Authority: CN
Inventors: 华林; 韩星会; 胡亚雄; 庄武豪
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-11-26
Also published as: CN110918847A

Abstract

本发明涉及一种薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法，薄壁高筋壁板构件包括腹板和网格状的高筋，包括如下步骤：S1、锻件设计：在薄壁高筋壁板构件最外侧顶面设计飞边，飞边和水平面夹角为0°～45°；S2、毛坯设计；S3、包络模设计；S4、空间包络成形；S5、锻件顶出；S6、切边：将薄壁高筋壁板锻件高筋型面放置于带有凹槽的切边下模中，切边下模凹槽的宽度大于锻件高筋厚度0.1～0.3mm，切边下模凹槽深度大于锻件高筋高度0.5～1.0mm切边上模下行将锻件飞边切除；S7、将薄壁高筋壁板锻件夹紧在机床夹具中，切除高筋余量，获得薄壁高筋壁板构件。本发明提出的薄壁高筋壁板空间包络成形方法将毛坯一次整体成形成目标锻件，材料损失小，制造周期大幅缩短，制造成本降低。

Description

一种薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法

技术领域

本发明涉及空间包络成形领域，更具体地说，涉及一种薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法。

背景技术

薄壁高筋壁板构件具有重量轻、刚性好、承载能力强等优点，在特种车辆、船舶、航空航天等领域有广泛应用。目前薄壁高筋壁板构件主要制造方法是机械加工方法和焊接方法。其中，机械加工方法通过铣削将板坯多余材料去除，获得薄壁高筋壁板构件。该方法材料利用率低，制造周期长，并且制造过程中刀具会切断构件表面金属流线，降低构件力学性能和服役寿命。焊接方法将分体制造的高筋和腹板焊接成薄壁高筋壁板构件，该方法在焊接接头处强度削弱，降低了壁板构件力学性能。同时，焊接后的壁板构件会产生热变形，降低壁板构件制造精度，从而影响装备的整体性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法，可以将毛坯一次整体成形成目标锻件，材料损失小，制造周期短，制造成本降低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法，薄壁高筋壁板构件包括腹板和网格状的高筋，包括如下步骤：

S1、锻件设计：在薄壁高筋壁板构件最外侧顶面设计飞边，飞边和水平面夹角为0°～45°；同时，在薄壁高筋壁板构件高筋顶面增加余量获得锻件，其中高筋顶面余量从中心向外侧逐渐增大且最外侧高筋顶面不留余量；

S2、毛坯设计：毛坯为板料，其形状和薄壁高筋壁板锻件外形一致，其长度和宽度分别大于薄壁高筋壁板锻件长度和宽度0.1～0.3mm；

S3、包络模设计：包络模为多个独立的凸台组成的非回转锥体，每个凸台的顶面与薄壁高筋壁板锻件腹板相匹配，各凸台之间的凹槽侧壁和底部分别与薄壁高筋壁板锻件高筋侧壁和顶部相匹配，最外围各凸台外侧壁和凹模内侧壁形成的凹槽与薄壁高筋壁板锻件最外侧高筋相匹配；包络模的形状按公式(1)设计：

式中：(ρ,θ,z)为薄壁高筋壁板锻件表面上任意一点的极坐标，(ρ′,θ′,z′)为非回转锥形包络模上对应点的极坐标，α为非回转锥形包络模锥角；

将包络模绕包络中心转动一周的空间包络运动分解成n个时刻，获取每个时刻包络模与薄壁高筋壁板锻件之间的相对位置关系，从包络模上去除每个时刻包络模与薄壁高筋壁板锻件干涉区域，获得新的包络模几何模型，保证包络模与薄壁高筋壁板锻件不干涉；

S4、空间包络成形：将加热后的毛坯放入凹模型腔中，包络模绕包络转动中心运动，凹模和包络模相互靠近并对毛坯进行辗压，在包络模和凹模的协同作用下，毛坯发生连续局部塑性变形，且包络模任意位置径向轮廓线与毛坯对应径向轮廓线在任意时刻重合；包络模各个凸台的顶面成形各个腹板，包络模各个凸台之间的凹槽成形各个高筋，包络模最外围各凸台外侧壁和凹模内侧壁形成的凹槽成形壁板最外侧高筋，凹模底面成形高筋相对的型面；空间包络成形过程中毛坯金属先流动充填高筋，当高筋完全充满时，多余毛坯金属流出凹模型腔形成飞边，获得薄壁高筋壁板锻件；

S5、锻件顶出：成形结束后，凹模向下运动至初始位置，位于薄壁高筋壁板锻件高筋交叉处的顶杆向上运动，顶出锻件；

S6、切边：将薄壁高筋壁板锻件高筋型面放置于带有凹槽的切边下模中，切边下模凹槽的宽度大于锻件高筋厚度0.1～0.3mm，切边下模凹槽深度大于锻件高筋高度0.5～1.0mm，切边上模下行将锻件飞边切除；

S7、将薄壁高筋壁板锻件夹紧在机床夹具中，切除高筋余量，获得薄壁高筋壁板构件。

上述方法中，包络模自转轴和公转轴的交点为包络转动中心，包络转动中心位置的确定方法为：选取距离锻件几何中心最近的高筋交叉点、高筋中点或多条高筋围成的最小区域几何中心作为包络转动中心，并且包络转动中心位于壁板构件腹板上表面。

上述方法中，空间包络成形过程中包络模的运动方式为：包络模同时绕自转轴和公转轴旋转，自转和公转转速相同、方向相反，公转轴为通过包络转动中心的竖直轴线，公转轴与自转轴夹角γ恒定，自转和公转的转速为恒定值，包络模运动过程中相对毛坯发生滑动，包络模每转动一圈的相对滑动量L按公式(2)计算：

L＝2πρ(1-cosγ) (2)

式中：ρ为滑动位置到公转轴的距离。

上述方法中，凹模型腔与薄壁高筋壁板锻件下表面完全匹配，凹模型腔内壁靠近顶面位置设计周向凹槽，凹槽深度0.1～0.2mm，防止薄壁高筋壁板锻件翘曲变形。

实施本发明的薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法，具有以下有益效果：

(1)本发明实现了薄壁高筋壁板构件空间包络成形，能够成形具有不同形状和数量高筋的薄壁高筋壁板，适用范围广泛，产品多样。

(2)相对于传统的机械加工方法和焊接方法，本发明提出的薄壁高筋壁板空间包络成形方法将毛坯一次整体成形成目标锻件，材料损失小，制造周期大幅缩短，制造成本降低。

(3)本发明提出的薄壁高筋壁板空间包络成形方法，包络模在空间包络成形过程中对毛坯进行多道次反复辗压，获得金属流线完整的锻件，同时细化锻件内部晶粒，改善高筋和腹板交界处的应力状态，从而提高薄壁高筋壁板的力学性能和承载能力。

(4)本发明通过分析包络模在空间包络成形过程中和薄壁高筋壁板构件匹配关系，推导出包络模形状计算公式，并对计算出的包络模形状进行优化，获得与薄壁高筋壁板锻件不干涉的包络模，进而提高薄壁高筋壁板锻件成形精度。

(5)本发明在设计顶杆位置时，将顶杆放置于薄壁高筋壁板锻件高筋交叉处，该位置刚度大，锻件在顶出过程中仅发生较小的弹性变形，不影响锻件精度；如果顶杆位于其他位置，锻件在顶出过程中可能发生难以逆转的塑性变形，甚至锻件腹板被顶杆顶穿。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是薄壁高筋壁板构件的俯视图；

图2是图1中薄壁高筋壁板构件A-A截面的剖视图

图3是薄壁高筋壁板锻件三维模型；

图4是薄壁高筋壁板锻件剖面图；

图5是毛坯三维模型；

图6是包络模三维模型；

图7是薄壁高筋壁板锻件空间包络成形初始示意图；

图8是薄壁高筋壁板锻件空间包络成形过程有限元模拟图，其中图a)凹模进给量0mm，b)凹模进给量0.2mm，c)凹模进给量0.4mm，d)凹模进给量0.6mm，e)凹模进给量0.8mm，f)凹模进给量1.0mm；

图9是薄壁高筋壁板锻件空间包络成形结束示意图；

图10是凹模的三维模型。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法制造的薄壁高筋壁板构件包括腹板和网格状的高筋，成形方法包括如下步骤：

S1、锻件设计：在薄壁高筋壁板构件(如图1和图2所示)最外侧顶面设计飞边，飞边和水平面夹角为30°。同时，在薄壁高筋壁板构件高筋顶面增加余量获得锻件(如图3所示)，其中距离中心最近和最外侧的高筋高度不变，在两者之间的高筋顶面余量增加2mm，如图4所示。

S2、毛坯2设计：毛坯2为板料，其形状和薄壁高筋壁板锻件外形一致，其长度和宽度分别大于薄壁高筋壁板锻件长度和宽度均为168.4mm，其厚度根据毛坯2和锻件体积相等原则确定为6.5mm，如图5所示。

S3、包络模1设计：包络模1为多个独立的凸台组成的复杂非回转锥体，每个凸台的顶面与薄壁高筋壁板锻件腹板相匹配，各凸台之间的凹槽侧壁和底部分别与薄壁高筋壁板锻件高筋侧壁和顶部相匹配，最外围各凸台外侧壁和凹模3内侧壁形成的凹槽与薄壁高筋壁板锻件最外侧高筋相匹配。包络模1的形状按公式(1)设计，设计完成的包络模1如图6所示。

式中：(ρ,θ,z)为薄壁高筋壁板锻件表面上任意一点的极坐标，(ρ′,θ′,z′)为非回转锥形包络模1上对应点的极坐标，α为非回转锥形包络模1锥角，α＝178°。

将包络模1绕包络中心转动一周的空间包络运动分解成3600个时刻，获取每个时刻包络模1与薄壁高筋壁板锻件之间的相对位置关系，从包络模1上去除每个时刻包络模1与薄壁高筋壁板锻件干涉区域，获得新的包络模1几何模型，保证包络模1与薄壁高筋壁板锻件不干涉，提高薄壁高筋壁板锻件成形精度。

S4、空间包络成形：到450℃的毛坯2放入预热至250℃的凹模3型腔中，预热至250℃的包络模1绕包络转动中心运动，如图7示。毛坯2在凹模3带动下以速度v＝5mm/s向上运动和包络模1接触，在包络模1和凹模3的协同作用下，毛坯2发生连续局部塑性变形，且包络模1任意位置径向轮廓线与毛坯2对应径向轮廓线在任意时刻完全重合。包络模1各个凸台的顶面成形壁板对应的各个腹板，包络模1各个凸台之间的凹槽成形壁板对应的各个高筋，包络模1最外围各凸台外侧壁和凹模3内侧壁形成的凹槽成形壁板最外侧高筋，凹模3底面成形壁板高筋相对的型面。且空间包络成形过程中毛坯2金属首先流动充填包络模1凹槽形成壁板高筋(如图8(b)所示)，随着凹模3向上运动，壁板高筋的高度逐渐增加(如图8(c)～8(e)所示)，当高筋完全充满时，多余毛坯2金属流出凹模3型腔形成飞边(如图8(f)所示)，获得薄壁高筋壁板锻件5，如图9所示。

S5、锻件顶出：成形结束后，凹模3向下运动至初始位置，位于薄壁高筋壁板锻件5高筋交叉处对应位置的顶杆4同时向上运动，顶出锻件5。

S6、切边：将薄壁高筋壁板锻件高筋型面放置于带有凹槽的切边下模中，切边下模凹槽的宽度大于锻件高筋厚度0.3mm，切边下模凹槽深度大于锻件高筋高度1.0mm。切边上模下行将锻件飞边切除。

进一步的，包络模1自转轴和公转轴的交点为包络模1转动中心，包络模1转动中心位置的确定方法为：选取锻件几何中心作为包络模1转动中心，并且包络模1转动中心位于壁板构件腹板上表面，如图7所示。

进一步的，包络模1运动方式为：包络模1同时绕自转轴和公转轴旋转，自转和公转转速相同、方向相反，公转轴为通过包络模1转动中心的竖直轴线。公转轴与自转轴夹角恒定为2°，自转和公转的转速为恒定值5rad/min。包络模1运动过程中相对毛坯2发生滑动，按公式计算出包络模1每转动一圈的最大相对滑动量L＝0.45mm。

进一步的，凹模3型腔与薄壁高筋壁板锻件下表面完全匹配，凹模3型腔内壁靠近顶面位置设计周向凹槽，凹槽深度0.2mm，防止薄壁高筋壁板锻件翘曲变形，如图10所示。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法，薄壁高筋壁板构件包括腹板和网格状的高筋，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法，其特征在于，包络模自转轴和公转轴的交点为包络转动中心，包络转动中心位置的确定方法为：选取距离锻件几何中心最近的高筋交叉点、高筋中点或多条高筋围成的最小区域几何中心作为包络转动中心，并且包络转动中心位于壁板构件腹板上表面。

3.根据权利要求1所述的薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法，其特征在于，空间包络成形过程中包络模的运动方式为：包络模同时绕自转轴和公转轴旋转，自转和公转转速相同、方向相反，公转轴为通过包络转动中心的竖直轴线，公转轴与自转轴夹角γ恒定，自转和公转的转速为恒定值，包络模运动过程中相对毛坯发生滑动，包络模每转动一圈的相对滑动量L按公式(2)计算：

L＝2πρ(1-cosγ) (2)

式中：ρ为滑动位置到公转轴的距离。

4.根据权利要求1所述的薄壁高筋壁板构件空间包络成形方法，其特征在于，凹模型腔与薄壁高筋壁板锻件下表面完全匹配，凹模型腔内壁靠近顶面位置设计周向凹槽，凹槽深度0.1～0.2mm，防止薄壁高筋壁板锻件翘曲变形。