CN111014456A - 大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法,使用离散多点模具,结合弹性垫与模板的使用,抑制夹芯复合板多点成形过程中压痕的产生,通过合理地设计多点模具的型面,补偿弹性垫变形与复合板回弹变形造成的影响,消除成形误差,实现大型夹芯复合板曲面的精确塑性成形;本成形方法省去了传统的整体模具及其制造、加工与调试的过程,显著地降低了成本,能实现不同形状曲面成形件的柔性、快速成形,可以满足金属塑性加工领域对大型金属夹芯型复合板三维曲面零件加工新技术的需求,具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于金属塑性加工领域,公开了一种大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法,适用于大型金属夹芯型复合板三维曲面零件的塑性成形。
背景技术
随着各种轻量化夹芯型复合板如蜂窝板、泡沫夹芯板等在航空、航天、交通运输、建筑、军事等领域应用越来越广泛,工程领域对于大型夹芯复合板三维曲面的需求量也越来越大。多点成形技术不需要专用模具能实现大型夹芯复合板曲面零件的低成本、高效、快速塑性成形。但是,由于在成形过程中多点模具与复合板之间是离散的点接触方式,在接触点处多点模具对变形的夹芯复合板施加集中力,极易在成形件表面产生凹坑形成压痕缺陷,特别是相对密度很低的夹芯板压痕问题更为突出;另外,由于复合板曲面通常尺寸较大,但曲面的曲率不大,这些曲面零件在成形中的回弹变形比较大,严重影响其成形精度,因此,压痕缺陷与回弹变形问题是复合板曲面多点成形中需要解决的技术难题。
发明内容
为解决大型金属夹芯复合板三维曲面零件的、高效、低成本塑性成形问题,本发明提供一种基于离散多点模具的成形方法,结合弹性垫与模板的使用,抑制夹芯复合板多点成形过程中压痕的产生,通过合理地设计多点模具的型面,补偿弹性垫变形与复合板回弹变形造成的影响,消除成形误差,实现大型夹芯复合板曲面的精确塑性成形。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的:
大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法,以上多点模具、上模板、上弹性垫、下多点模具、下模板和下弹性垫作为成形工具,对夹芯复合板进行对压塑性成形;上模板与上多点模具接触,上弹性垫位于上模板与夹芯复合板之间;下模板与下多点模具接触,下弹性垫位于下模板与夹芯复合板料之间;夹芯复合板是由两个面板及夹持在两个面板中间的夹芯构成,面板与夹芯粘接或者焊接在一起;上多点模具型面与下多点模具型面的曲面形状均由规则排列的m列n行个基本体单元的高度来控制,基本体单元的端部为球冠;基于夹芯复合板到复合板曲面成形件成形过程中所产生的双向弹塑性弯曲变形以及上弹性垫与下弹性垫的压缩变形,预测出回弹变形量与弹性垫压缩变形量,构造出能够补偿回弹变形与弹性垫压缩变形的多点模具型面用于夹芯复合板多点成形,通过成形曲面形状预补偿的方式抵消弹性垫压缩变形与复合板回弹变形造成的形状误差,从而实现大型双曲度复合板曲面零件的无缺陷精确成形,具体步骤如下:
步骤一、设定基本体单元的高度方向为z-坐标轴方向,并设定基本体单元的列排列方向为x-坐标轴方向,基本体单元的行排列方向为y-坐标轴方向;确定各基本体单元的中心线在x-方向的坐标xi及y-方向的坐标yj,其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;m是基本体单元的列数,n是基本体单元的行数;确定出复合板曲面成形件的目标曲面在x-y坐标系下的方程s(x,y);
步骤二、利用公式(1)确定弹性垫的压缩变形量
其中,Ht为弹性垫的厚度,Et为弹性垫的材料的弹性模量,A为复合板曲面成形件在xy平面的投影面积,P为上多点模具上施加的压力;
式中为目标曲面的方程s(x,y)在x-方向的曲率,为目标曲面的方程s(x,y)在y-方向的曲率;h为夹芯复合板的两个面板与夹芯的总厚度,t为夹芯复合板的面板的厚度,E为夹芯复合板的面板的材料的弹性模量,σs为复合夹芯板的面板所使用的材料的初始屈服应力,μ为复合夹芯板的面板所使用的材料的泊松比,Ep为复合夹芯板的面板所使用的材料的线性强化模量;
步骤四、基于三次B样条函数,通过插值得到由方程(4)表示的回弹补偿曲面在x=xi处的截面线的方程及由方程(5)表示的回弹补偿曲面在y=yj处的截面线的方程:
其中,Bk,4(x)与Bl,4(y)为三次B样条基函数,bi,l由方程(6)确定,bk,j由方程(7)确定;
其中,sx(xi,y)由方程(4)给出,sy(x,yj)由方程(5)给出;δ为上弹性垫的压缩变形量,由公式(1)给出,Ht为上弹性垫的厚度,Hb为上模板的厚度,r为基本体单元的球冠的半径;为上多点模具的第i列第j行基本体单元与曲线sy(x,yj)切点的x-坐标,由方程(11)给出;为上多点模具的第i列第j行基本体单元与曲线sx(xi,y)的切点的y-坐标,由方程(12)给出;
其中,sx(xi,y)由方程(4)给出,sy(x,yj)由方程(5)给出;δ为下弹性垫的压缩变形量,由公式(1)给出,Ht为下弹性垫的厚度,Hb为下模板的厚度,r为基本体单元的球冠的半径;为下多点模具的第i列第j行基本体单元与曲线sy(x,yj)切点的x-坐标,由方程(14)给出;为下多点模具的第i列第j行基本体单元与曲线sx(xi,y)的切点的y-坐标,由方程(15)给出;
步骤七、根据上多点模具与下多点模具中的各基本体单元的高度方向坐标与调整各基本体单元的高度,形成用于多点成形的上多点模具型面与下多点模具型面;对夹芯复合板进行多点对压成形,上多点模具与下多点模具合模后,夹芯复合板变形成为与回弹补偿曲面一致的形状;上多点模具与下多点模具分开后,成形曲面产生回弹变形,回弹变形结束后,获得形状与目标曲面的方程s(x,y)一致的曲面成形件。
进一步的技术方案包括:
所述的上弹性垫与下弹性垫,在夹芯复合板成形过程中产生的压缩变形是弹性变形,成形过程结束后能恢复到原来的形状。上弹性垫与下弹性垫的材料是聚氨酯或者是橡胶材料,上弹性垫与下弹性垫的厚度取为Ht=(5~10)h。
所述的上模板与下上模板是可变形的金属薄板,上模板与下上模板的厚度取为Hb=(0.2~0.5)h。
所述的上模板与上弹性垫粘接在一起,下上模板与下弹性垫粘接在一起,以便于成形中多次反复使用。
与现有技术相比本发明的有益效果是:
1.采用多点可调模具成形大型夹芯复合板曲面,省去了传统的整体模具及其制造、加工与调试的过程,显著降低了成本,并能实现不同形状曲面成形件的柔性、快速成形;
2.采用弹性垫与模板可抑制多点成形中压痕的产生,实现无缺陷成形;
3.通过模具型面补偿方法,消除了弹性垫变形与复合板回弹变形造成的成形误差,实现复合板曲面的精确塑性成形。
综上所述,本方法可以满足金属塑性加工领域对大型金属夹芯型复合板三维曲面零件加工新技术的需求,具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述的大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法的成形原理示意图;
图2是本发明所述的大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法的上多点模具型面、下多点模具型面及复合板曲面成形件与回弹补偿曲面示意图;
图3是本方法使用的多点模具的基本体单元分布图,即图2中A-A方向的投影图;
图4是本方法使用的上弹性垫及上模板的示意图;
图5是本方法使用的下弹性垫及下模板的示意图;
图6是本发明可成形的板料即夹芯复合板的结构示意图;
图7是本发明所述的大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法的步骤五与步骤六中的上多点模具的基本体单元和下多点模具的基本体单元的高度坐标计算的示意图。
图中:1.上多点模具,2.下多点模具,3.上模板,4.下模板,5.上弹性垫,6.下弹性垫,7.夹芯复合板,8.上多点模具型面,9.上多点模具型面,10.基本体单元,11.复合板曲面成形件,12.目标曲面,13.回弹补偿曲面,14.面板,15.夹芯。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式:
本发明提供给了一种大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法,以上多点模具1、上模板3、上弹性垫5、下多点模具2、下模板4和下弹性垫6作为成形工具,对夹芯复合板7进行对压塑性成形;上模板3与上多点模具1接触,上弹性垫5位于上模板3与夹芯复合板7之间;下模板4与下多点模具2接触,下弹性垫6位于下模板4与夹芯复合板料7之间;夹芯复合板7是由两个面板14及夹持在两个面板14中间的夹芯15构成,面板14与夹芯15粘接或者焊接在一起;上多点模具型面8与下多点模具型面9的曲面形状均由规则排列的m列n行个基本体单元10的高度来控制,基本体单元10的端部为球冠;基于夹芯复合板7到复合板曲面成形件11成形过程中所产生的双向弹塑性弯曲变形以及上弹性垫5与下弹性垫6的压缩变形,预测出回弹变形量与弹性垫压缩变形量,构造出能够补偿回弹变形与弹性垫压缩变形的多点模具型面用于夹芯复合板多点成形,通过成形曲面形状预补偿的方式抵消弹性垫压缩变形与复合板回弹变形造成的形状误差,从而实现大型双曲度复合板曲面零件的无缺陷精确成形。
如图4、图5所示,上弹性垫5与下弹性垫6,在夹芯复合板7成形过程中产生的压缩变形是弹性变形,成形过程结束后能恢复到原来的形状。上弹性垫5与下弹性垫6的材料可以是聚氨酯,也可以是橡胶材料。上弹性垫5与下弹性垫6的厚度取为Ht=(5~10)h;
如图4、图5所示,上模板3与下上模板4是可变形的金属薄板,上模板3与下上模板4的厚度取为Hb=(0.2~0.5)h;
如图4、图5所示,上模板3与上弹性垫5粘接在一起,下上模板4与下弹性垫6粘接在一起,以便于成形中多次反复使用。
本发明所述的大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法的具体步骤如下:
步骤一、设定基本体单元10的高度方向为z-坐标轴方向,并设定基本体单元10的列排列方向为x-坐标轴方向,基本体单元10的行排列方向为y-坐标轴方向,如图3所示;确定各基本体单元10的中心线在x-方向的坐标xi及y-方向的坐标yj,其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;m是基本体单元10的列数,n是基本体单元10的行数;确定出复合板曲面成形件11的目标曲面12(如图2所示)在x-y坐标系下的方程s(x,y);
步骤二、利用公式(1)确定弹性垫的压缩变形量
其中,Ht为弹性垫的厚度,Et为弹性垫的材料的弹性模量,A为复合板曲面成形件11在xy平面的投影面积,P为上多点模具1上施加的压力;
步骤三、基于夹芯复合板7(如图6所示)的材料性能参数、夹芯复合板7的厚度以及复合板曲面成形件11的曲率,利用公式(2)与公式(3)计算在多点模具各基本体中心点(xi,yj)处回弹补偿曲面13(如图2所示)的x-方向曲率及y-方向曲率
式中为目标曲面12的方程s(x,y)在x-方向的曲率,为目标曲面12的方程s(x,y)在y-方向的曲率;如图6所示,h为夹芯复合板7的两个面板14与夹芯15的总厚度,t为夹芯复合板7的面板14的厚度,E为夹芯复合板7的面板14的材料的弹性模量,σs为复合夹芯板的面板14所使用的材料的初始屈服应力,μ为复合夹芯板的面板14所使用的材料的泊松比,Ep为复合夹芯板的面板14所使用的材料的线性强化模量;
步骤四、基于三次B样条函数,通过插值得到由方程(4)表示的回弹补偿曲面13在x=xi处的截面线的方程及由方程(5)表示的回弹补偿曲面13在y=yj处的截面线的方程:
其中,Bk,4(x)与Bl,4(y)为三次B样条基函数,bi,l由方程(6)确定,bk,j由方程(7)确定;
其中,sx(xi,y)由方程(4)给出,sy(x,yj)由方程(5)给出;δ为上弹性垫5的压缩变形量,由公式(1)给出;如图4所示,Ht为上弹性垫3的厚度,Hb为上模板3的厚度,r为基本体单元10的球冠的半径;为上多点模具1的第i列第j行基本体单元10与曲线sy(x,yj)切点的x-坐标,由方程(11)给出;为上多点模具1的第i列第j行基本体单元10与曲线sx(xi,y)的切点的y-坐标,由方程(12)给出;
其中,sx(xi,y)由方程(4)给出,sy(x,yj)由方程(5)给出;δ为下弹性垫6的压缩变形量,由公式(1)给出;如图5所示,Ht为下弹性垫6的厚度,Hb为下模板4的厚度,r为基本体单元10的球冠的半径;为下多点模具2的第i列第j行基本体单元10与曲线sy(x,yj)切点的x-坐标,由方程(14)给出;为下多点模具2的第i列第j行基本体单元10与曲线sx(xi,y)的切点的y-坐标,由方程(15)给出;
Claims (4)
1.大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法,以上多点模具(1)、上模板(3)、上弹性垫(5)、下多点模具(2)、下模板(4)和下弹性垫(6)作为成形工具,对夹芯复合板(7)进行对压塑性成形;上模板(3)与上多点模具(1)接触,上弹性垫(5)位于上模板(3)与夹芯复合板(7)之间;下模板(4)与下多点模具(2)接触,下弹性垫(6)位于下模板(4)与夹芯复合板料(7)之间;夹芯复合板(7)是由两个面板(14)及夹持在两个面板(14)中间的夹芯(15)构成,面板(14)与夹芯(15)粘接或者焊接在一起;上多点模具型面(8)与下多点模具型面(9)的曲面形状均由规则排列的m列n行个基本体单元(10)的高度来控制,基本体单元(10)的端部为球冠;基于夹芯复合板(7)到复合板曲面成形件(11)成形过程中所产生的双向弹塑性弯曲变形以及上弹性垫(5)与下弹性垫(6)的压缩变形,预测出回弹变形量与弹性垫压缩变形量,构造出能够补偿回弹变形与弹性垫压缩变形的多点模具型面用于夹芯复合板多点成形,通过成形曲面形状预补偿的方式抵消弹性垫压缩变形与复合板回弹变形造成的形状误差,从而实现大型双曲度复合板曲面零件的无缺陷精确成形,其特征在于,具体步骤如下:
步骤一、设定基本体单元(10)的高度方向为z-坐标轴方向,并设定基本体单元(10)的列排列方向为x-坐标轴方向,基本体单元(10)的行排列方向为y-坐标轴方向;确定各基本体单元(10)的中心线在x-方向的坐标xi及y-方向的坐标yj,其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;m是基本体单元(10)的列数,n是基本体单元(10)的行数;确定出复合板曲面成形件(11)的目标曲面(12)在x-y坐标系下的方程s(x,y);
步骤二、利用公式(1)确定弹性垫的压缩变形量
其中,Ht为弹性垫的厚度,Et为弹性垫的材料的弹性模量,A为复合板曲面成形件(11)在xy平面的投影面积,P为上多点模具(1)上施加的压力;
步骤三、基于夹芯复合板(7)的材料性能参数、夹芯复合板(7)的厚度以及复合板曲面成形件(11)的曲率,利用公式(2)与公式(3)计算在多点模具各基本体中心点(xi,yj)处回弹补偿曲面(13)的x-方向曲率及y-方向曲率
式中为目标曲面(12)的方程s(x,y)在x-方向的曲率,为目标曲面(12)的方程s(x,y)在y-方向的曲率;h为夹芯复合板(7)的两个面板(14)与夹芯(15)的总厚度,t为夹芯复合板(7)的面板(14)的厚度,E为夹芯复合板(7)的面板(14)的材料的弹性模量,σs为复合夹芯板(7)的面板(14)所使用的材料的初始屈服应力,μ为复合夹芯板(7)的面板(14)所使用的材料的泊松比,Ep为复合夹芯板(7)的面板(14)所使用的材料的线性强化模量;
步骤四、基于三次B样条函数,通过插值得到由方程(4)表示的回弹补偿曲面(13)在x=xi处的截面线的方程及由方程(5)表示的回弹补偿曲面(13)在y=yj处的截面线的方程:
其中,Bk,4(x)与Bl,4(y)为三次B样条基函数,bi,l由方程(6)确定,bk,j由方程(7)确定;
其中,sx(xi,y)由方程(4)给出,sy(x,yj)由方程(5)给出;δ为上弹性垫(5)的压缩变形量,由公式(1)给出,Ht为上弹性垫(3)的厚度,Hb为上模板(3)的厚度,r为基本体单元(10)的球冠的半径;为上多点模具(1)的第i列第j行基本体单元(10)与曲线sy(x,yj)切点的x-坐标,由方程(11)给出;为上多点模具(1)的第i列第j行基本体单元(10)与曲线sx(xi,y)的切点的y-坐标,由方程(12)给出;
其中,sx(xi,y)由方程(4)给出,sy(x,yj)由方程(5)给出;δ为下弹性垫(6)的压缩变形量,由公式(1)给出,Ht为下弹性垫(6)的厚度,Hb为下模板(4)的厚度,r为基本体单元(10)的球冠的半径;为下多点模具(2)的第i列第j行基本体单元(10)与曲线sy(x,yj)切点的x-坐标,由方程(14)给出;为下多点模具(2)的第i列第j行基本体单元(10)与曲线sx(xi,y)的切点的y-坐标,由方程(15)给出;
2.根据权利要求1所述的大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法,其特征在于,所述的上弹性垫(5)与下弹性垫(6),在夹芯复合板(7)成形过程中产生的压缩变形是弹性变形,成形过程结束后能恢复到原来的形状,上弹性垫(5)与下弹性垫(6)的材料是聚氨酯或者是橡胶材料,上弹性垫(5)与下弹性垫(6)的厚度取为Ht=(5~10)h。
3.根据权利要求1所述的大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法,其特征在于,所述的上模板(3)与下上模板(4)是可变形的金属薄板,上模板(3)与下上模板(4)的厚度取为Hb=(0.2~0.5)h。
4.根据权利要求1所述的大型夹芯复合板曲面的无缺陷多点成形方法,其特征在于,所述的上模板(3)与上弹性垫(5)粘接在一起,下上模板(4)与下弹性垫(6)粘接在一起,以便于成形中多次反复使用。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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