CN111090910B - 提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法 - Google Patents
提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法，包括以下步骤：S1、建立直角坐标系；S2、确定锥形薄壁高筋构件与包络模曲面方程；S3、确定包络模表面一点A′(x′,y′,z′)在空间包络成形过程中的轨迹点A”(xt',yt',zt')坐标；S4、判断包络模该点在包络成形过程中和锥形薄壁高筋构件是否发生干涉；S5、若包络模表面一点在运动过程中与锥形薄壁高筋构件不发生干涉，保留该点，否则将该点沿其法向往内侧偏移微小距离，如果继续干涉继续偏移，直至干涉消失；将包络模所有表面点均进行干涉判断与补偿，得到无干涉的包络模。本发明可高效实现任意锥形薄壁高筋构件空间包络成形包络模设计，具有很强的通用性和实用性。
Description
技术领域
本发明涉及锥形薄壁高筋构件成形领域，更具体地说，涉及一种提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法。
背景技术
薄壁高筋构件质量轻、刚度高、强度高、承载能力强，是航空航天装备关键主承力构件，主要用于制造火箭舱体和燃料储箱、飞机机身和机翼等结构件。但薄壁高筋构件外形尺寸大、形状复杂，生产制造比较困难。
目前主要的加工方法有铣削、精密铸造、焊接等，然而这些工艺存在材料利用率低，加工成本高，制造的零件性能不理想且使用寿命低等诸多缺陷。传统锻造工艺虽然能高效率、低成本地制造高性能零件，但受限于锻压机的吨位不足和材料难以充填等问题无法直接用来成形薄壁高筋构件。
空间包络成形方法是通过连续局部塑性变形实现构件整体成形的先进制造技术，特别适合成形薄壁构件。在空间包络成形过程中，利用包络模回转运动以及构件不均匀受力，可以成形锥形薄壁高筋构件。在空间包络成形过程中，包络模对锥形薄壁高筋构件产生干涉，从而影响精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法，锥形薄壁高筋构件包括弧形的腹板和位于腹板一侧的筋板，包络模用于成形锥形薄壁高筋构件，包括以下步骤：
S1、建立直角坐标系，将锥形薄壁高筋构件锥顶点作为坐标原点O，以通过坐标原点的主轴中心线为z轴，以包络模进给方向为z轴负向，建立直角坐标系O-xyz；
S2、确定锥形薄壁高筋构件与包络模曲面方程；
S3、确定包络模表面一点A′(x′,y′,z′)在空间包络成形过程中的轨迹点A”(xt',yt',zt')坐标；
S4、判断包络模该点表面一点A′(x′,y′,z′)在包络成形过程中和锥形薄壁高筋构件是否发生干涉，判断方法为：当包络模表面一点运动过程中位于锥形薄壁高筋构件实体内部，此时该点A′(x′,y′,z′)存在干涉；
S5、若包络模表面一点A′(x′,y′,z′)在运动过程中与锥形薄壁高筋构件不发生干涉，保留该点A′(x′,y′,z′)，否则将该点A′(x′,y′,z′)沿其法向往内侧偏移微小距离，如果继续干涉继续偏移，直至干涉消失；将包络模所有表面点均进行干涉判断与补偿，得到无干涉的包络模。
上述方案中，锥形薄壁高筋构件与包络模曲面方程获取方法为：
锥角为180°时薄壁高筋构件由平面组成，任取一平面得其平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，对应的锥形薄壁高筋构件曲面方程为f(x”,y”,z”)＝0，包络模曲面方程为f(x',y',z')＝0；得到锥形薄壁高筋构件与包络模曲面方程的计算方程如公式(1)所示：
式中，θ是锥形薄壁高筋构件锥角补角的二分之一，γ是包络模锥角补角的二分之一。
上述方案中，包络模表面点的轨迹点坐标计算方程如公式(2)所示：
式中，ω是包络模转速，t是包络模运动时间。
上述方案中，判断包络模和锥形薄壁高筋构件是否发生干涉方法：选取锥形薄壁高筋构件任意一条筋进行干涉判断，分别取该筋与某顶点相邻的三个表面E,F,G与其对面E',F',G'以及包络模表面某时刻任意一点o'，由方程组(3)分别得到三个表面E,F,G上到点o'(xo,yo,zo)距离最短的各自对应点e(xe,ye,ze),f(xf,yf,zf),g(xg,yg,zg)，由方程组(4)得到直线o'e与表面E'的交点e'(xe',ye',ze')，直线o'f与表面F'的交点f'(xf',yf',zf')以及直线o'g与表面G'的交点g'(xg',yg',zg')；若满足方程组(5)、(6)或(7)中任意一个方程组，此时干涉存在，若该点任意时刻均不满足方程组(5)、(6)或(7)，则该点对该筋不产生干涉；依次检测其余所有筋，观察该点干涉情况；曲面上距离一点最短的点计算方程如公式(3)所示；直线与曲面的交点计算方程如公式(4)所示；该时刻包络模此点与此筋干涉判断计算方程如公式(5)(6)(7)所示：
式中，(x”,y”,z”)是曲面f(x”,y”,z”)＝0上距离(x',y',z')最短的点；
式中，(x”',y”',z”')是曲面f(x”',y”',z”')＝0上与点(x',y',z')、点(x”,y”,z”)共线的点；
上述方案中，包络模表面点补偿方法：若包络模表面一点在运动过程中与锥形薄壁高筋构件不发生干涉，保留该点，否则将该点沿其法向往内侧偏移微小距离，如果继续干涉继续偏移，直至干涉消失；将包络模所有表面点均进行干涉判断与补偿，得到无干涉的包络模；补偿后包络模表面点坐标计算方程如公式(8)所示：
式中，(x1',y1',z1')是包络模表面点补偿坐标，(Fx,Fy,Fz)是包络模表面点法向向量(指向内侧)，k是偏移系数，n是偏移次数；
式(8)中:
实施本发明的提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法，具有以下有益效果：
1、本发明提出的提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法，可高效实现任意锥形薄壁高筋构件空间包络成形包络模设计，具有很强的通用性和实用性。
2、通过本发明可以实现由锥形薄壁高筋构件到包络模的精确计算，包络模设计精度高，从而提高了构件的成型精度。
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是包络模和锥形薄壁高筋构件成型模具示意图
图2是包络模和锥形薄壁高筋构件干涉情况示意图；
图3是三维直角坐标系的建立示意图；
图4是锥形薄壁高筋构件三维模型示意图；
图5是包络模上点o某时刻和锥形薄壁高筋构件干涉关系示意图；
图6是消除干涉的包络模三维模型。
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。
本发明提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法，包括以下步骤：
S1、确定锥形薄壁高筋构件空间包络成形包络模补偿原则。空间包络成形方法是指在锥形包络模复杂回转摇摆运动和凹模直线进给运动的耦合作用下，通过连续局部塑性变形实现构件整体成形的先进制造方法。空间包络成形过程中，锥形薄壁高筋构件与包络模可能发生干涉进而影响构件成形精度，甚至使构件报废，所以需要对包络模进行补偿，从而消除干涉。包络模补偿原则为：在建立的空间直角坐标系下，当包络模表面一点运动过程中位于锥形薄壁高筋构件实体内部，此时该点存在干涉。通过补偿方程对包络模该点进行一次或多次补偿，直至干涉完全消除。在建立的空间直角坐标系下，当包络模表面一点运动过程中位于锥形薄壁高筋构件实体内部，此时该点存在干涉，如图1-2所示。通过补偿方程对包络模该点进行一次或多次补偿，直至干涉完全消除。
S2、建立直角坐标系。将锥形薄壁高筋构件顶点作为坐标原点O，以通过坐标原点的机床主轴中心线为z轴，以包络模进给方向为z轴负向，x轴平分其中一条筋，建立直角坐标系O-xyz，如图3-4所示。其中，锥角为180°时薄壁高筋构件长度140mm、宽度140mm、腹板厚2mm，横纵各有四条筋，筋厚3mm、筋高20mm。
S3、确定锥形薄壁高筋构件与包络模曲面方程。锥角为180°时薄壁高筋构件由平面组成，任取一平面得其平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，对应的锥形薄壁高筋构件曲面方程为f(x”,y”,z”)＝0，包络模曲面方程为f(x',y',z')＝0。
S4、确定包络模表面一点A′(x′,y′,z′)在空间包络成形过程中的轨迹点A”(xt',yt',zt')坐标。
S5、判断包络模该点在包络成形过程中和构件是否发生干涉。
S6、根据步骤S5中的干涉判断，确定包络模表面点补偿方案。
上述方法中，锥形薄壁高筋构件锥角为175°，包络模锥角为170°，锥形薄壁高筋构件与包络模曲面方程的计算方程如公式(1)所示。
上述方法中，包络模转速为5r/s,t＝0时包络模母线与x轴正向接触，时包络模表面点的点坐标计算方程如公式(2)所示。
上述方法中，判断包络模和构件是否发生干涉方法：选取锥形薄壁高筋构件任意一条筋进行干涉判断，分别取该筋与某顶点相邻的三个表面E,F,G与其对面E',F',G'以及包络模表面一点o(23.2849,1.9138,13.0860)，由公式(2)可知时该点移动至o'(22.9932,1.4085,13.6537)，由方程组(3)可以分别得到/>时三个表面E,F,G上到点o'距离最短的各自对应点e(20.7631,1.4128,13.5566),f(23.5433,1.4422,1.0299),g(22.9932,70.0667,0)，由方程组(4)可以得到直线oe与表面E'的交点e'(23.7600,1.4070,13.6871)，直线of与表面F'的交点f'(22.6726,1.3889,21.0109)以及直线og与表面G'的交点g'(22.9932,-68.9219,27.6400)。满足方程组(6)，此时干涉存在，如图5所示。/>时三个表面E,F,G上到点o'距离最短的各自对应点计算方程如公式(3)所示。直线与曲面的交点计算方程如公式(4)所示。/>时点o'与此筋干涉判断计算方程如公式(5)(6)(7)所示：
式中，(x”,y”,z”)是曲面f(x”,y”,z”)＝0上距离o'最短的点。
式中，(x”',y”',z”')是曲面f(x”',y”',z”')＝0上与点o'、点(x”,y”,z”)共线的点。
上述方法中，包络模表面点o(23.2849,1.9138,13.0860)在空间包络成形过程中与锥形薄壁高筋构件发生干涉，将该点沿其法向(0.9992,-0.002,0.0435)偏移，偏移系数取0.001,偏移1052次后点o1'(24.3361，1.9117，13.1317)不发生干涉，该点即为补偿点。将包络模所有表面点均进行干涉判断与补偿，得到无干涉的包络模，如图6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 (5)
1.一种提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法，锥形薄壁高筋构件包括弧形的腹板和位于腹板一侧的筋板，包络模用于成形锥形薄壁高筋构件，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立直角坐标系，将锥形薄壁高筋构件锥顶点作为坐标原点O，以通过坐标原点的主轴中心线为z轴，以包络模进给方向为z轴负向，建立直角坐标系O-xyz；
S2、确定锥形薄壁高筋构件与包络模曲面方程；
S3、确定包络模表面一点A′(x′,y′,z′)在空间包络成形过程中的轨迹点A”(xt',yt',zt')坐标；
S4、判断包络模表面一点A′(x′,y′,z′)在包络成形过程中和锥形薄壁高筋构件是否发生干涉，判断方法为：当包络模表面一点运动过程中位于锥形薄壁高筋构件实体内部，此时该点A′(x′,y′,z′)存在干涉；
S5、若包络模表面一点A′(x′,y′,z′)在运动过程中与锥形薄壁高筋构件不发生干涉，保留该点A′(x′,y′,z′)，否则将该点A′(x′,y′,z′)沿其法向往内侧偏移，如果继续干涉继续偏移，直至干涉消失；将包络模所有表面点均进行干涉判断与补偿，得到无干涉的包络模。
2.根据权利要求1所述的提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法，其特征在于，锥形薄壁高筋构件与包络模曲面方程获取方法为：
锥角为180°时薄壁高筋构件由平面组成，任取一平面得其平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，对应的锥形薄壁高筋构件曲面方程为f(x”,y”,z”)＝0，包络模曲面方程为f(x',y',z')＝0；得到锥形薄壁高筋构件与包络模曲面方程的计算方程如公式(1)所示：
式中，θ是锥形薄壁高筋构件锥角补角的二分之一，γ是包络模锥角补角的二分之一。
3.根据权利要求2所述的提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法，其特征在于，包络模表面点的轨迹点坐标计算方程如公式(2)所示：
式中，ω是包络模转速，t是包络模运动时间。
4.根据权利要求3所述的提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法，其特征在于，判断包络模和锥形薄壁高筋构件是否发生干涉方法：选取锥形薄壁高筋构件任意一条筋进行干涉判断，分别取该筋与某顶点相邻的三个表面E,F,G与其对面E',F',G'以及包络模表面某时刻任意一点o'，由方程组(3)分别得到三个表面E,F,G上到点o'(xo,yo,zo)距离最短的各自对应点e(xe,ye,ze),f(xf,yf,zf),g(xg,yg,zg)，由方程组(4)得到直线o'e与表面E'的交点e'(xe',ye',ze')，直线o'f与表面F'的交点f'(xf',yf',zf')以及直线o'g与表面G'的交点g'(xg',yg',zg')；若满足方程组(5)、(6)或(7)中任意一个方程组，此时干涉存在，若该点o'(xo,yo,zo)任意时刻均不满足方程组(5)、(6)或(7)，则该点o'(xo,yo,zo)对该筋不产生干涉；依次检测其余所有筋，观察该点干涉情况；曲面上距离一点最短的点计算方程如公式(3)所示；直线与曲面的交点计算方程如公式(4)所示；该时刻包络模此点与此筋干涉判断计算方程如公式(5)(6)(7)所示：
式中，(x”,y”,z”)是曲面f(x”,y”,z”)＝0上距离(x',y',z')最短的点；
式中，(x”',y”',z”')是曲面f(x”',y”',z”')＝0上与点(x',y',z')、点(x”,y”,z”)共线的点；
5.根据权利要求4所述的提高锥形薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模补偿方法，其特征在于，包络模表面点补偿方法：若包络模表面一点在运动过程中与锥形薄壁高筋构件不发生干涉，保留该点，否则将该点沿其法向往内侧偏移，如果继续干涉继续偏移，直至干涉消失；将包络模所有表面点均进行干涉判断与补偿，得到无干涉的包络模；补偿后包络模表面点坐标计算方程如公式(8)所示：
式中，(x1',y1',z1')是包络模表面点补偿坐标，(Fx,Fy,Fz)是包络模表面点指向包络模内侧的法向向量，k是偏移系数，n是偏移次数；
式(8)中:
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