CN111085833B - 一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法，在结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法的基础上，利用温度越高，材料变形抗力越低的特点，在具有直孔的坯料内部不同区域加热到相应预设温度范围，由此控制坯料塑性变形时内部材料的流动变形，从而减小弯曲内孔的畸变；所述控制方法如下：根据待加工的制件与弯曲孔的几何形状，利用三维造型软件建立具有直孔的坯料模型；利用数值模拟软件在内部具有温差的条件下对坯料进行塑性变形，使直孔成为所需要的弯曲孔形状；本发明的有益效果是：在结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法的基础上，本发明仅利用材料内部温度差达到减小弯孔体积塑性成形畸变程度的目的，简单易行、成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，具体涉及一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法。
背景技术
弯孔结构在诸多工业领域有着重要的应用价值。例如，注塑、压铸等成型的模具中，为了提高生产效率、控制产品质量，模块内通常设置有专门的冷却水道系统。为得到最佳效果，冷却水道应尽量沿着型腔的形状进行布置，即采用具有弯曲孔形的所谓“随形冷却”方式。此外，在一些液压元件的油路中，为减少阻力也希望避免90°的直转角。这些情况都涉及到了弯曲孔的加工，但采用传统切削加工的钻孔工艺无法实现弯孔的整体加工。迄今为止，已经提出的弯孔加工方法主要有：电火花加工、3D打印、电解加工、铸造、激光加工以及电子束加工等。但这些弯曲孔加工方法存在很多局限，具体如下：
1.实现的弯孔形状极其有限；
2.加工的装置复杂，提高了加工的成本；
3.存在着加工精度差的问题。
申请号为201810382686.3的专利，提出了一种结合钻孔与塑性变形的弯孔加工方法，其原理是：塑性成形可以改变坯料的外形并使材料内部产生流动变形，因此可以结合塑性变形与钻孔的工艺，通过塑性成形方法使利用钻孔得到的材料内部直孔产生变形，改变直孔的走向，从而得到弯曲孔的形状。这种方法利用传统的钻孔与塑性变形工艺方法，可以得到多种类型的弯曲内孔结构，但在该方法中，内孔塑性变形过程时附近的材料受到压应力而趋向于往孔内方向流动，可能造成内孔截面严重的畸变。为减小直孔截面畸变，该专利提出，在带直孔坯料进行塑性成形之前，在孔内增加填充物并将端部密封，塑性变形后再将填充物从坯料的孔内取出。但坯料变形方式属于体积成形，内孔附近材料受到较大静水应力，增加普通填充物后内孔畸变改善并不显著，且成形结束后需要妥善取出填充材料。
综上，基于结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法，存在着有效控制内孔畸变的问题，需要进一步研究弯孔体积塑性成形过程控制方法。
为了控制坯料塑性变形时内部材料的流动变形，减小弯曲内孔的畸变，为此我们提出一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法，以解决上述背景技术中提出的基于结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法，存在着有效控制内孔畸变的问题，需要进一步研究弯孔体积塑性成形过程控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法，在结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法的基础上，利用温度越高，材料变形抗力越低的特点，在具有直孔的坯料内部不同区域加热到相应预设温度范围，由此控制坯料塑性变形时内部材料的流动变形，从而减小弯曲内孔的畸变；所述控制方法如下：
步骤一：根据待加工的制件与弯曲孔的几何形状，利用三维造型软件建立具有直孔的坯料模型；
步骤二：利用数值模拟软件在室温条件下对坯料进行塑性变形，使直孔成为所需要的弯曲孔形状；
步骤三：根据弯曲孔截面畸变情况，将原始坯料划分为多个区域并加热到不同的预设温度范围；将每个区域视作一个影响因素，设置四个预设温度范围并作为相应的四个水平数，设计正交试验表；
步骤四：利用数值模拟软件在步骤三温度条件下对坯料进行塑性变形，使直孔成为所需要的弯曲孔形状；
步骤五：对比步骤二与步骤四得到的弯曲内孔最大畸变处的椭圆度，若步骤四所得结果的椭圆度小于步骤二所得结果的椭圆度，则说明利用材料内部温度差减小弯孔体积塑性成形畸变程度的方法可行；同时，根据步骤四得到的最小椭圆度值获得减小弯曲内孔畸变程度的最优温度差方案组合；若步骤四所得结果的椭圆度大于步骤二所得结果的椭圆度，则在材料锻造温度范围内改变四个预设温度范围，重复步骤三、四，直至小于步骤二所得结果的椭圆度；根据步骤四得到的最小椭圆度值获得减小弯曲内孔畸变程度的最优温度差方案组合。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述步骤一中，三维造型软件为Maya、3dsmax、Rhino、PRO/E中的一种或几种。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述步骤二中，数值模拟软件包括Simufact、DEFOPM-3D、ABAQUS。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述步骤三中，实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的方式是：利用加热器在待加热区域表面施加热流密度进行加热，同时，在待加热区域表面安置温度传感器，用于采集相应区域表面的当前温度值，根据材料特性结合表面温度值及热传输原理计算相应区域的温度分布，通过控制加热时间实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的目的。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述步骤三中，实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的方式还可以是：预设区域目标温度范围T1-T2，在数值模拟软件ABAQUS中，设定待加热区域表面热流密度值QL，输入材料导热系数γ，区域初始温度T0，预设一个分析步时间τ，即加热时间为τ，模拟得到的区域温度范围为T3-T4，若T4<T1，说明加热时间τ不够，则增加τ；若T3<T1，且T4>T2，说明热流密度值QL太小，则增大QL；若T3>T1，且T4>T2，说明热流密度值QL太大，则减小QL；若T3>T2，说明加热时间太长，则减小τ；由此根据模拟结果得到的相应区域温度场反复调节热流密度值QL及加热时间τ，直至达到区域目标温度，即T3≥T1，且T4≤T2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法的基础上，本发明仅利用材料内部温度差达到减小弯孔体积塑性成形畸变程度的目的，简单易行、成本低廉。
附图说明
图1为本发明的根据热传输原理实现区域加热到目标温度方法的流程图；
图2为本发明的根据ABAQUS模拟反复试错实现区域加热到目标温度方法的流程图；
图3为本发明的S形坯料内部区域划分示意图；
图4为本发明的室温下的S形坯料压制模型剖面图；
图5为本发明的室温下的S形坯料压制结果剖面图；
图6为本发明内部具有温度差的S形坯料压制模型剖面图；
图7为本发明内部具有温度差的S形坯料压制结果剖面图；
图8为本发明的正交表4号试验结果剖面图；
图9为本发明的正交表8号试验结果剖面图；
图10为本发明的正交表15号试验结果剖面图；
图11为本发明的新增试验结果剖面图；
图12为本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12，本发明提供一种技术方案：一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法，在结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法的基础上，利用温度越高，材料变形抗力越低的特点，在具有直孔的坯料内部不同区域加热到相应预设温度范围，由此控制坯料塑性变形时内部材料的流动变形，从而减小弯曲内孔的畸变；包括如下步骤：
步骤一：根据待加工的制件与弯曲孔的几何形状，利用三维造型软件建立具有直孔的坯料模型；三维造型软件为Maya、3dsmax、Rhino、PRO/E中的一种或几种；
步骤二：利用数值模拟软件在室温条件下对坯料进行塑性变形，使直孔成为所需要的弯曲孔形状；数值模拟软件包括Simufact、DEFOPM-3D、ABAQUS；
步骤三：根据弯曲孔截面畸变情况，将原始坯料划分为多个区域并加热到不同的预设温度范围；将每个区域视作一个影响因素，设置四个预设温度范围并作为相应的四个水平数，设计正交试验表；
实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的方式是：利用加热器在待加热区域表面施加热流密度进行加热，同时，在待加热区域表面安置温度传感器，用于采集相应区域表面的当前温度值，根据材料特性结合表面温度值及热传输原理计算相应区域的温度分布，通过控制加热时间实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的目的；原始坯料的其他区域同理可实现加热到目标温度；
实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的方式还可以是：预设区域目标温度范围T1-T2，在数值模拟软件ABAQUS中，设定待加热区域表面热流密度值QL，输入材料导热系数γ，区域初始温度T0，预设一个分析步时间τ，即加热时间为τ，模拟得到的区域温度范围为T3-T4，若T4<T1，说明加热时间τ不够，则增加τ；若T3<T1，且T4>T2，说明热流密度值QL太小，则增大QL；若T3>T1，且T4>T2，说明热流密度值QL太大，则减小QL；若T3>T2，说明加热时间太长，则减小τ；由此根据模拟结果得到的相应区域温度场反复调节热流密度值QL及加热时间τ，直至达到区域目标温度，即T3≥T1，且T4≤T2；
步骤四：利用数值模拟软件在步骤三温度条件下对坯料进行塑性变形，使直孔成为所需要的弯曲孔形状；
步骤五：对比步骤二与步骤四得到的弯曲内孔最大畸变处的椭圆度，若步骤四所得结果的椭圆度小于步骤二所得结果的椭圆度，则说明利用材料内部温度差减小弯孔体积塑性成形畸变程度的方法可行；同时，根据步骤四得到的最小椭圆度值获得减小弯曲内孔畸变程度的最优温度差方案组合；若步骤四所得结果的椭圆度大于步骤二所得结果的椭圆度，则在材料锻造温度范围内改变四个预设温度范围，重复步骤三、四，直至小于步骤二所得结果的椭圆度；根据步骤四得到的最小椭圆度值获得减小弯曲内孔畸变程度的最优温度差方案组合。
以图3所示的模块为例对本发明进行进一步说明，坯料材料为Al6061，外形尺寸为160mm×60mm×40mm，内部直孔孔径大小为6mm，将带直孔的S形坯料划分为A、B、C、D四个区域，四个区域需要加热到相应的预设温度范围，再压制坯料，使内部直孔弯曲。
利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据待加工的制件与弯曲孔的几何形状，利用三维造型软件建立具有直孔的坯料模型；
步骤二：利用数值模拟软件在室温条件下对坯料进行塑性变形，使直孔成为所需要的弯曲孔形状；模拟模型中，下板固定，上板下压速度为10mm/s，上板下压量为12mm；压制模型见图4、压制结果见图5；得到的弯曲内孔最大畸变处的椭圆度从模拟软件中提取并计算，其值为0.26；
步骤三：根据弯曲孔截面畸变情况，将原始坯料划分为四个区域，见图3，四个区域分别加热到相应的预设温度范围；将每个区域视作一个影响因素，相应的预设温度范围作为相应的水平数，设计正交试验表；见表1；
表1正交试验
实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的方式是：利用加热器在原始坯料中某块区域，即待加热区域表面施加热流密度进行加热，所述加热器可以是电阻丝；同时，在待加热区域表面安置温度传感器，所述温度传感器可以是热电偶，用于采集加热区域的表面温度值，根据材料特性结合表面温度值及热传输原理计算加热区域的温度分布，通过控制加热时间实现区域加热到目标温度的目的；进一步，具体控制加热时间的方法是：
第一步，预设待加热区域目标温度范围T1-T2,待加热区域温度差ΔT＝T2-T1，根据非稳态导热公式
计算施加在待加热区域表面的热流密度QL，上述公式中L表示待加热区域在温度梯度方向的长度，γ表示材料的导热系数；由此根据温度差ΔT反求热流密度QL，例如图3中A区域待加热表面，即A区域上表面需要加热到TL＝460℃，A、B分界线位置需要加热到Tc＝420℃，则温度差ΔT为40℃，L为20mm，材料的导热系数为155/(m.℃),根据公式(1)即可计算出需要的热流密度值QL是620000w/mm2；
第二步，根据公式
计算加热器需要加热的时间τ，公式(2)中TL表示待加热区域表面需要加热的温度，即为待加热区域温度最大值T2，T0表示待加热区域的初始温度，a表示材料的导温系数，QL、L、γ与公式(1)所述意义相同，例如A区域上表面需要加热到TL＝460℃，A区域的初始温度为25℃，L为20mm，材料的导热系数为155w/(m.℃)，材料导温系数a为0.04m2/h,热流密度值QL根据公式(1)所求为620000w/mm2，将上述值代入公式(2)中求得加热器需要加热的时间τ为126s；图3中B、C、D区域同理可实现加热到目标温度；
另外，实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的方式还可以是：预设区域目标温度范围T1-T2，在数值模拟软件ABAQUS中，设定待加热区域表面热流密度值QL，输入材料导热系数γ，区域初始温度T0，预设一个分析步时间τ，即加热时间为τ，模拟得到的区域温度范围为T3-T4，若T4<T1，说明加热时间τ不够，则增加τ；若T3<T1，且T4>T2，说明热流密度值QL太小，则增大QL；若T3>T1，且T4>T2，说明热流密度值QL太大，则减小QL；若T3>T2，说明加热时间太长，则减小τ；由此根据模拟结果得到的相应区域温度场反复调节热流密度值QL及加热时间τ，直至达到区域目标温度，即T3≥T1，且T4≤T2；
例如，图1中A区域预设目标温度范围是420-460℃，根据模拟结果得到的A区域温度范围是20-300℃，则增加τ；若A区域温度范围是20-500℃，则增大QL；若A区域温度范围是450-600℃，则减小QL；若A区域温度范围是500-600℃，则减小τ；进一步，再次根据调整后的热流密度值QL及加热时间τ模拟，根据模拟结果反复调节热流密度值QL及加热时间τ，直至达到区域目标温度；图3中的B、C、D区域同理可实现加热到目标温度；
步骤四：利用数值模拟软件在步骤三温度条件下对坯料进行塑性变形，使直孔成为所需要的弯曲孔形状；坯料内部具有温度差的14号试验压制模型见图6、坯料内部具有温度差的14号试验压制结果见图7；其中，14号试验A、B、C、D区域相应温度范围分别为420-460℃、140-180℃、280-340℃、0-40℃。
根据所设计正交试验表各方案的模拟结果，2、3、7、8、11号试验所得结果的椭圆度小于步骤二所得结果的椭圆度，说明利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法可行，另外，8号试验所得结果的椭圆度最小，为所设计正交试验范围内减小弯曲内孔畸变程度的最优温度差方案组合。
进一步，分析4、8、15号试验结果：4号试验中，A区域温度范围是0-40℃，B、C、D区域温度范围是420-460℃；由于C、D区域材料温度高于A区域，其变形抗力低于A区域，材料较A区域更易于流动，因此，在上板下压过程中，C、D区域材料更易向下流动；在温度分界线左右两侧材料流动速度不一致而呈现出孔型“错位”现象，且孔最大畸变位置出现在温度范围是420-460℃的区域，见图8，8号试验中，A、B、C、D区域温度范围分别是140-180℃、420-460℃、280-340℃、140-180℃，内孔畸变程度较小；由于B、C区域温度均比包含内孔的A、D区域温度高，故B、C区域材料较A、D区域材料变形抗力更低；因此，B、C区域材料在上板下压过程中较A、D区域更易向两侧自由端流动，造成A、D区域材料在高度方向的变形量较B、C区域小，故内孔畸变程度减小，另外，A区域孔畸变程度小于D区域，这是A、B区域温度差大于C、D区域温度差的结果，见图9；15号试验中，A、B、C、D区域温度范围分别是420-460℃、280-340℃、140-180℃、420-460℃，内孔畸变严重，见图10；由于包含内孔的A、D区域温度较高，在上板下压过程中变形较B、C区域更严重，因此内孔变形量大，畸变严重。
根据以上分析，新增试验：A、B、C、D区域温度范围分别是0-40℃、420-460℃、420-460℃、0-40℃，所得结果的椭圆度为0.11，见图11，与内部无温度差的室温条件所得结果相比，弯曲内孔畸变程度减小了58％。
在结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法的基础上，利用材料内部温度差可达到减小弯曲内孔畸变程度的目的；此外，包含内孔的区域温度越低，其余温度越高，即高度方向上温度差越大，越有利于减小内孔畸变程度，由此为实际加工提供切实可行的理论指导。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法，其特征在于：在结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法的基础上，利用温度越高，材料变形抗力越低的特点，在具有直孔的坯料内部不同区域加热到相应预设温度范围，由此控制坯料塑性变形时内部材料的流动变形，从而减小弯曲内孔的畸变；所述控制方法如下：
步骤一：根据待加工的制件与弯曲孔的几何形状，利用三维造型软件建立具有直孔的坯料模型；
步骤二：利用数值模拟软件在室温条件下对坯料进行塑性变形，使直孔成为所需要的弯曲孔形状；
步骤三：根据弯曲孔截面畸变情况，将原始坯料划分为多个区域并加热到不同的预设温度范围；将每个区域视作一个影响因素，设置四个预设温度范围并作为相应的四个水平数，设计正交试验表；
步骤四：利用数值模拟软件在步骤三温度条件下对坯料进行塑性变形，使直孔成为所需要的弯曲孔形状；
步骤五：对比步骤二与步骤四得到的弯曲内孔最大畸变处的椭圆度，若步骤四所得结果的椭圆度小于步骤二所得结果的椭圆度，则说明利用材料内部温度差减小弯孔体积塑性成形畸变程度的方法可行；同时，根据步骤四得到的最小椭圆度值获得减小弯曲内孔畸变程度的最优温度差方案组合；若步骤四所得结果的椭圆度大于步骤二所得结果的椭圆度，则在材料锻造温度范围内改变四个预设温度范围，重复步骤三、四，直至小于步骤二所得结果的椭圆度；根据步骤四得到的最小椭圆度值获得减小弯曲内孔畸变程度的最优温度差方案组合。
2.根据权利要求1所述的一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法，其特征在于：所述步骤一中，三维造型软件为Maya、3dsmax、Rhino、PRO/E中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法，其特征在于：所述步骤二中，数值模拟软件包括Simufact、DEFOPM-3D、ABAQUS。
4.根据权利要求1所述的一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法，其特征在于：所述步骤三中，实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的方式是：利用加热器在待加热区域表面施加热流密度进行加热，同时，在待加热区域表面安置温度传感器，用于采集相应区域表面的当前温度值，根据材料特性结合表面温度值及热传输原理计算相应区域的温度分布，通过控制加热时间实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的目的。
5.根据权利要求1所述的一种利用局部温差控制弯孔体积塑性成形畸变的方法，其特征在于：所述步骤三中，实现原始坯料分区域加热到相应预设温度范围的方式还可以是：预设区域目标温度范围T1-T2，在数值模拟软件ABAQUS中，设定待加热区域表面热流密度值QL，输入材料导热系数γ，区域初始温度T0，预设一个分析步时间τ，即加热时间为τ，模拟得到的区域温度范围为T3-T4，若T4<T1，说明加热时间τ不够，则增加τ；若T3<T1，且T4>T2，说明热流密度值QL太小，则增大QL；若T3>T1，且T4>T2，说明热流密度值QL太大，则减小QL；若T3>T2，说明加热时间太长，则减小τ；由此根据模拟结果得到的相应区域温度场反复调节热流密度值QL及加热时间τ，直至达到区域目标温度，即T3≥T1，且T4≤T2。
Priority Applications (1)
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