CN111310296A - 一种应用于复杂曲面的变密度金属板材点阵芯体设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂曲面变密度金属板材点阵芯体设计及成形方法,属于金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理领域,步骤一、建立所需成形的零件模型,确定镂空芯板筋条宽度以及筋条数量;步骤二、计算零件等效高度,拟合截面外形,获取反射线与截面交点;步骤三、完成网格芯板初步设计;步骤四、利用仿真工艺完成芯板筋条的设计;步骤五、获取高精度镂空网格芯板以及上下面板;步骤六、在芯板的非扩散连接区域涂覆止焊剂,将芯板与面板叠层放置进行扩散连接;步骤七、超塑成形;步骤八、利用切割的方法得到钛合金三维点阵夹层结构;该方法能够得到满足技术要求的更高精度、更可靠的三维点阵结构零件。
Description
技术领域
本发明属于金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理领域,具体是一种复杂曲面变密度金属板材点阵芯体设计及成形方法。
背景技术
三维点阵结构作为一种新型的超轻质结构,具有轻质高强、抗爆炸冲击、电磁屏蔽、散热隔热、吸声降噪、多功能设计性等应用潜力,在航空、航天、汽车、船舶等工业领域受到了广泛的关注与应用。其中,变相对密度的点阵结构具有更加多样化的结构形式和设计方法,能够适应更加复杂的工作环境,充分发挥点阵结构的应用潜力。但是,在实际工程应用中,受传统的制造工艺的限制,常用的点阵结构通常只采用固定的相对密度,若采用增材制造的方式可以成形变密度的点阵结构,但是由于增材制造可成形材料较少,成形时间长、成本高,成形后表面质量及组织性能差,无法得到广泛应用。
CN109101671A中公布了一种在有限元软件中应用的变密度与变构型三维点阵结构建模方法,它将结构实体模型分解成多个子结构,然后对所有子结构计算点阵结构布局,再建立杆单元及其联结,最后实现了变密度与变构型三维点阵结构建模。该方法设计的点阵结构复杂,目前仅能够通过增材制造的方法进行成形,因此可成形的材料有限,费用较高、成形时间长,设计时需要考虑支撑的情况,成形后还需要进行磨砂、去支撑、热处理等后处理,精度较低。
CN102990300A公开了一种钛合金三维点阵夹层结构的制备方法,它采用高压水切割或数控加工方式将板料加工成镂空网格结构,然后将芯板与面板进行打磨与表面化学清理,再利用扩散连接工艺将镂空芯板与面板连接,最后利用超塑成形获得钛合金三维点阵夹层结构。该方法可以精确成形出具有复杂外形的钛合金三维点阵夹层结构,层间结合良好,组织性能高且稳定;但是,利用高压水切割加工成形精度不高,表面质量较差,镂空网格芯板打磨不易控制。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题,公开了一种复杂曲面变密度金属板材点阵芯体设计及成形方法,该方法实现复杂曲面变密度钛合金板材点阵芯体结构的设计以及超塑成形/扩散连接工艺成形,提高成形前镂空网格芯体尺寸精度及表面质量,获得比增材制造工艺成形的零件更好的力学性能,最终得到满足技术要求的高精度三维点阵结构零件。
本发明的设计方法的步骤为:
步骤一、建立所需成形的零件模型,分析零件表面受力情况,确定镂空芯板筋条宽度以及筋条数量;
步骤二、计算零件等效高度,拟合截面外形,获取反射线与截面交点;
步骤三、生成派生截面,获取焊接中心点坐标,完成网格芯板初步设计:在所有节点处作与初始两个截面平行的若干派生截面,所有截面相交成的网格结构与水平面相交的点即为金属板材点阵芯体结构扩散连接工艺的焊接中心点;
步骤四、根据超塑成形工艺仿真完成芯层点阵结构单边宽度、扩散焊接焊点大小以及扩散焊接处圆角等设计,即利用点阵结构超塑成形工艺仿真并结合最小质量约束以及力学性能要求,对芯板筋条宽度、圆角及焊点尺寸进行优化,获得最终尺寸结果;
步骤五、将钛合金板材切割成确定尺寸的面板及芯板,获取高精度镂空网格芯板以及上下面板;
步骤六、在芯板的非扩散连接区域涂覆止焊剂,将芯板与面板叠层放入扩散连接设备中进行扩散连接;
步骤七、取出扩散连接后的多层板,同超塑成形模具放入超塑成形设备中进行超塑成形;
步骤八、从超塑成形模具中取出成形后的预制坯,再利用切割的方法得到钛合金三维点阵夹层结构。
进一步,所述的步骤二具体为:
2.1,获取零件复杂型面任一等效高度点相互垂直的两个截面的外形,等效高度点计算如公式(1)所示:
2.2,以该一等效高度点为起点分别在两个截面内作出与水平线夹角为45°与135°的反射线,并与零件上下两个型面相交为若干节点;
2.3,求点的方式为,利用高次多项式拟合截面外形,确定等效高度点的坐标利用点斜式方程与多项式方程相交,求出所有的交点的坐标(x1,y1)、(x2,y2)······(xn,yn),筋条的宽度设为b,并且筋条的圆角设为r,所有x需满足如下公式:xn-xn-1≥b+2r,记下所有满足要求的节点。
进一步,所述的步骤五具体为:
5.1,采用电火花线切割或激光切割方式将钛合金板材切割成确定外边缘尺寸的面板及芯板;
5.2,加工芯板的镂空网格结构,先用砂纸对芯板进行打磨,采用电化学加工方式将钛合金板材加工成镂空网格结构,并且将芯板上非焊点部分的板料厚度铣薄0.04~0.06mm。防止止焊剂的厚度不均对其焊点所受的压力造成影响。
进一步,所述的步骤六具体为:在芯板的非扩散连接区域涂覆氮化硼止焊剂,然后按照面板-芯板-面板的顺序叠层放置,对多层板材边缘进行封焊,接着将多层板材与扩散连接模具一起放入可加压的真空扩散连接设备中,进行扩散连接;其中真空度为1.0×10-3~5.0×10-2Pa,扩散温度为900~920℃,压力为2~3MPa,保压时间为30~90min。
进一步,所述的步骤七的超塑成形具体为:将扩散连接后的预制坯从扩散连接模具中取出,放入超塑成形模具中,在抽气管中通入氩气进行超塑成形,其中超塑成形工艺参数为:超塑成形温度为900~920℃,压力为2~4MPa,保压时间为60~120min。
进一步,所述的步骤八中采用电火花线切割或激光切割加工的切割方法加工出钛合金三维点阵夹层结构。
本发明与现有技术相比的有益效果在于:
通过本发明的方法能够实现复杂曲面变密度钛合金板材点阵芯体结构的设计以及超塑成形/扩散连接工艺成形,提高成形前镂空网格芯体尺寸精度及表面质量,获得比增材制造工艺成形的零件更好的力学性能,最终得到满足技术要求的高精度三维点阵结构零件。其中,成形零件的上下型面高度差应小于40mm,高温环境(600℃)下所受压力小于3MPa。
附图说明
图1为复杂曲面变密度金属板材点阵芯体设计及成形工艺流程图;
图2为复杂曲面变密度金属板材点阵芯体设计示意图;
图3为点阵镂空芯板的结构示意图与其中一面的止焊剂涂覆图形;
图4为点阵镂空芯板的结构示意图与另一面的止焊剂涂覆图形;
图5为复杂曲面点阵结构局部示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚,明确,以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,为本发明一种复杂曲面变密度钛合金板材点阵芯体设计及成形工艺流程图,现在列举具体的实例进行说明:
1)建立所需成形的零件模型,分析零件表面受力情况,根据技术要求,大致确定镂空芯板筋条宽度以及筋条数量;
2)如图2所示,获取零件复杂型面任一等效高度点相互垂直的两个截面的外形,等效高度点计算如公式(1)所示:
其中,为零件的等效高度,V总为零件的总体积,S为零件在水平面投影的面积;以该一等效高度点为起点分别在两个截面内作出与水平线夹角为45°与135°的反射线,并与零件上下两个型面相交为若干节点;求点的方式为,利用高次多项式拟合截面外形,确定等效高度点的坐标利用点斜式方程与多项式方程相交,求出所有的交点的坐标(x1,y1)、(x2,y2)······(xn,yn),由于筋条有一定宽度b,并且筋条件有一定圆角r,因此所有x需满足如下公式:xn-xn-1≥b+2r,记下所有满足要求的节点;
3)如图2所示,在所有节点处作与初始两个截面平行的若干派生截面,所有截面相交成的网格结构与水平面相交的点即为钛合金板材点阵芯体结构扩散连接工艺的焊接中心点;
4)根据超塑成形工艺仿真完成芯层点阵结构单边宽度、扩散连接焊点大小以及扩散焊接处圆角等设计;
5)采用电火花线切割或激光切割方式将钛合金板材切割成确定外边缘尺寸的面板及芯板;
6)加工芯板的镂空网格结构,先用砂纸对芯板进行打磨,采用电化学加工方式将钛合金板材加工成镂空网格结构;其中,电解液为15%NaBr+10%NaCl,电解工艺参数为:电流密度20~50A/cm2,电源输出频率25Hz,加工时间5~60s;得到光滑平整、具有金属光泽的加工表面,表面粗糙度值达Ra2.0μm以下;最终网格芯板如图2所示。
7)在芯板的非扩散连接区域涂覆止焊剂,止焊剂为氮化硼,如图3及图4中所示的阴影部分为止焊剂涂覆区域,然后按照面板-芯板-面板的顺序叠成放置,对多层板材边缘进行封焊,接着将多层板材与扩散连接模具一起放入可加压的真空扩散连接设备中,进行扩散连接;其中真空度为1.0×10-3~5.0×10-2Pa,扩散温度为900~920℃,压力为2~3MPa,保压时间为30~90min。
8)超塑成形,将扩散连接后的预制坯从扩散连接模具中取出,放入超塑成形模具中,在抽气管中通入氩气进行超塑成形,其中超塑成形工艺参数为:超塑成形温度为900℃~920℃,压力为2~4MPa,保压时间为60~120min;
9)从超塑成形模具中取出成形后的预制坯,采用电火花线切割或激光切割加工等切割方法加工出钛合金三维点阵夹层结构,其局部示意图如图5所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种应用于复杂曲面的变密度金属板材点阵芯体设计方法,其特征在于,所述方法的步骤为:
步骤一、建立所需成形的零件模型,分析零件表面受力情况,确定镂空芯板筋条宽度以及筋条数量;
步骤二、计算零件等效高度,拟合截面外形,获取反射线与截面交点;
步骤三、生成派生截面,获取焊接中心点坐标,完成网格芯板初步设计:在所有节点处作与初始两个截面平行的若干派生截面,所有截面相交成的网格结构与水平面相交的点即为金属板材点阵芯体结构扩散连接工艺的焊接中心点;
步骤四、利用点阵结构超塑成形工艺仿真并结合最小质量约束以及力学性能要求,对芯板筋条宽度、圆角及焊点尺寸进行优化,获得最终尺寸结果;
步骤五、将钛合金板材切割成确定尺寸的面板及芯板,获取高精度镂空网格芯板以及上下面板;
步骤六、在芯板的非扩散连接区域涂覆止焊剂,将芯板与面板叠层放入扩散连接设备中进行扩散连接;
步骤七、取出扩散连接后的多层板,同超塑成形模具放入超塑成形设备中进行超塑成形;
步骤八、从超塑成形模具中取出成形后的预制坯,再利用切割的方法得到钛合金三维点阵夹层结构。
2.根据权利要求1所述的一种应用于复杂曲面的变密度金属板材点阵芯体设计方法,其特征在于,所述的步骤二具体为:
2.1,获取零件复杂型面任一等效高度点相互垂直的两个截面的外形,等效高度点计算如公式(1)所示:
2.2,以该一等效高度点为起点分别在两个截面内作出与水平线夹角为45°与135°的反射线,并与零件上下两个型面相交为若干节点;
3.根据权利要求1所述的一种应用于复杂曲面的变密度金属板材点阵芯体设计方法,其特征在于,所述的步骤五具体为:
5.1,采用电火花线切割或激光切割方式将钛合金板材切割成确定外边缘尺寸的面板及芯板;
5.2,加工芯板的镂空网格结构,先用砂纸对芯板进行打磨,采用电化学加工方式将钛合金板材加工成镂空网格结构,并且将芯板上非焊点部分的板料厚度铣薄0.04~0.06mm。
4.根据权利要求1所述的一种应用于复杂曲面的变密度金属板材点阵芯体设计方法,其特征在于,所述的步骤六具体为:在芯板的非扩散连接区域涂覆氮化硼止焊剂,然后按照面板-芯板-面板的顺序叠层放置,对多层板材边缘进行封焊,接着将多层板材与扩散连接模具一起放入可加压的真空扩散连接设备中,进行扩散连接;其中真空度为1.0×10-3~5.0×10-2Pa,扩散温度为900~920℃,压力为2~3MPa,保压时间为30~90min。
5.根据权利要求1所述的一种应用于复杂曲面的变密度金属板材点阵芯体设计方法,其特征在于,所述的步骤七的超塑成形具体为:将扩散连接后的预制坯从扩散连接模具中取出,放入超塑成形模具中,在抽气管中通入氩气进行超塑成形,其中超塑成形工艺参数为:超塑成形温度为900~920℃,压力为2~4MPa,保压时间为60~120min。
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GR01 | Patent grant | ||
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