CN111375666B - 复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法 - Google Patents

复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法，将毛坯置于凹模中，通过辗压模成形复杂带筋曲面构件，包括以下步骤：S1、毛坯设计：所述毛坯为平面板料，其形状与待成形复杂带筋曲面构件外轮廓形状一致，且其外轮廓尺寸大于复杂带筋曲面构件外轮廓尺寸；S2、辗压模锥角设计；S3、径轴向包络辗压中心O′确定；S4、辗压模形状设计；S5、径轴向包络辗压初始阶段；S6、径轴向包络辗压成形阶段；S7、径轴向包络辗压成形结束阶段；S7、径轴向包络辗压成形结束阶段；S8、构件顶出。本发明通过径轴向包络辗压成形方法制造的复杂带筋曲面构件，构件回弹减小，成形精度高，有效解决了传统切削加工回弹大的难题。

Description

复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法
技术领域
本发明涉及复杂带筋曲面构件制造技术领域，更具体地说，涉及一种复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法。
背景技术
复杂带筋曲面构件广泛用于制造火箭、飞机舱体、储箱箱体等，其力学性能直接影响舱体、箱体的承载能力和服役寿命。目前复杂带筋曲面构件的制造方法有两种。一种是切削加工方法，即将坯料切削成复杂带筋曲面构件，该方法材料利用率低，制造周期长，并且制造过程中构件的金属流线被切断，降低构件力学性能，影响舱体和箱体的服役寿命。另一种是将切削的复杂带筋平面构件弯曲成曲面构件，该方法弯曲工艺复杂，构件回弹严重，筋板精度难以保证，并且筋板易于失稳甚至折断，且筋板和底板容易产生应力集中，严重影响构件可靠性和服役寿命。综上，现有制造方法不能满足复杂带筋曲面构件高性能、高效率、低成本制造要求，复杂带筋曲面构件高性能、高效率、低成本制造技术已成为国际重大装备制造技术研究的前沿。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种成形精度高、工件性能优异、制造效率高的复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法，将毛坯置于凹模中，通过辗压模成形复杂带筋曲面构件，包括以下步骤：
S1、毛坯设计：所述毛坯为平面板料，其形状与待成形复杂带筋曲面构件外轮廓形状一致，且其外轮廓尺寸大于复杂带筋曲面构件外轮廓尺寸；
S2、辗压模锥角设计：所述辗压模为锥体，其锥角
Figure GDA0002746506200000021
由公式(1)确定：
Figure GDA0002746506200000022
式中：α是旋转角，复杂带筋曲面构件绕转动轴旋转α角后的几何形状和旋转前完全重合；m0是正整数，并且m0需要满足条件
Figure GDA0002746506200000023
保证径轴向空间包络成形结束后，辗压模在退出过程中不和复杂带筋曲面构件的筋板发生干涉；
S3、径轴向包络辗压中心O′确定：径轴向包络辗压中心O′是复杂带筋曲面构件的转动轴和辗压模轴线的交点，距离复杂带筋曲面构件底板上表面的垂直距离为h；
S4、辗压模形状设计：辗压模是由多个凸台组成的锥体，凸台顶部用来成形构件曲面底板，凸台之间的间隙用来成形构件复杂筋板；辗压模几何形状按公式(2)设计；
Figure GDA0002746506200000024
式中：坐标系z轴为复杂带筋曲面构件转动轴，坐标原点O为z轴和复杂带筋曲面构件底板上表面交点，ρOθ平面为经过坐标原点并垂直z轴的平面；(ρ,θ,z)为复杂带筋曲面构件表面任意点的极坐标，(ρ′,θ′,z′)为锥形辗压模对应点的极坐标；
Figure GDA0002746506200000025
S5、径轴向包络辗压初始阶段：将加热后的毛坯放入预热的凹模上方，凹模带动毛坯绕自身轴线以转速n1做匀速旋转运动，锥形辗压模位于凹模一侧，其绕自身轴线以转速n2做匀速旋转运动，同时可沿凹模轴线做上下直线运动，沿凹模径向做水平直线运动；凹模轴线和辗压模轴线位于同一平面内；预热的锥形辗压模从凹模外侧移动到毛坯上方指定位置，此时径轴向包络辗压中心O′位于点O″位置，点O″的坐标(ρ0,θ0,H)由公式(3)设计；
Figure GDA0002746506200000031
式中，δ是纵向筋板与水平面的夹角；
S6、径轴向包络辗压成形阶段：辗压模以较快速度v1沿方向
Figure GDA0002746506200000032
运动向凹模靠近，在辗压模和凹模的共同作用下，毛坯首先发生弯曲变形，毛坯下表面逐渐和凹模型腔贴合，该过程中毛坯厚度变化较小，曲率逐渐增大；当毛坯和凹模型腔完全贴合后，辗压模以较慢速度v2沿方向
Figure GDA0002746506200000033
运动继续向凹模靠近，毛坯金属轴向减薄、径向流动充填辗压模各凸台之间的间隙形成筋板；
S7、径轴向包络辗压成形结束阶段：成形结束后，辗压模和凹模停止转动，辗压模沿
Figure GDA0002746506200000034
方向以速度v3远离凹模，直至辗压模在构件顶面以上，随后辗压模沿径向退出至凹模外侧；
S8、构件顶出：在凹模底部布置多个顶料杆，顶料杆向上运动，将构件顶出凹模型腔。
上述方案中，辗压模和凹模转动方向相同，且两者的转速满足公式(4)：
Figure GDA0002746506200000035
上述方案中，所述辗压模的进给速度v1和v2由公式(5)确定，确保复杂带筋曲面构件的横纵筋不发生错位；
Figure GDA0002746506200000041
式中：b0是毛坯厚度，b是构件底板厚度，m1和m2是正整数。
上述方案中，成形结束后，为保证辗压模在退出过程中不和复杂带筋曲面构件发生干涉，辗压模退出运动由水平和竖直两个运动合成，其水平速度vρ和竖直速度vz由公式(6)确定，运动方向为
Figure GDA0002746506200000042
Figure GDA0002746506200000043
上述方案中，所述顶料杆位于构件横纵筋交叉处。
实施本发明的复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法，具有以下有益效果：
(1)本发明的复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法通过辗压模和凹模协同作用，实现了复杂带筋曲面构件直接由毛坯一次整体近净成形，大幅提高了生产效率和材料利用率，节约了制造时间和制造成本，是一种高效、绿色成形方法，有效解决了传统切削加工材料利用率低、制造周期长、制造成本高的难题。
(2)径轴向包络辗压成形过程中，通过锥形辗压模多道次反复辗压，构件内部晶粒细化，金属流线连续，从而大幅提高了构件力学性能和承载能力，有效解决了传统切削加工不能细化晶粒、不能形成连续金属流线，从而导致构件力学性能和承载能力差的难题。
(3)通过径轴向包络辗压成形方法制造的复杂带筋曲面构件，构件回弹减小，成形精度高，有效解决了传统切削加工回弹大的难题。
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是复杂带筋曲面构件三维模型示意图；
图2是毛坯三维模型示意图；
图3是锥形辗压模三维模型示意图；
图4是径轴向包络辗压中心确定方法示意图；
图5是复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形初始示意图；
图6是复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形阶段示意图；
图7是凹模中顶料杆的布置位置示意图。
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。
本发明复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法，复杂带筋曲面构件包括曲面底板和复杂筋板(如图1所示)，包括如下步骤：
S1、毛坯设计：毛坯为平面板料，其形状与复杂带筋曲面构件外轮廓形状一致，且其外轮廓尺寸大于复杂带筋曲面构件外轮廓尺寸，设计的毛坯如图2所示，保证毛坯弯曲后位于凹模底部，且弯曲后毛坯外轮廓与凹模侧壁贴合。
S2、辗压模锥角设计：辗压模为锥体，如图3所示，辗压模锥角
Figure GDA0002746506200000052
由公式(1)确定。
Figure GDA0002746506200000051
式中：旋转角α＝180°，复杂带筋曲面构件绕转动轴旋转α角后的几何形状和旋转前完全重合；正整数m0＝1，满足条件1≤m0＜2，保证径轴向空间包络成形结束后，辗压模在退出过程中不和复杂带筋曲面构件的筋板发生干涉。
S3、径轴向包络辗压中心O′确定：径轴向包络辗压中心O′是复杂带筋曲面构件的转动轴和辗压模轴线的交点，该点到复杂带筋曲面构件底板上表面的垂直距离h＝15mm，如图4所示。
S4、辗压模几何形状设计：辗压模是由多个凸台组成的锥体，凸台顶部用来成形构件曲面底板，凸台之间的间隙用来成形构件复杂筋板。辗压模几何形状按公式(2)设计，如图3所示。
Figure GDA0002746506200000061
式中：坐标系z轴为复杂带筋曲面构件转动轴，坐标原点O为z轴和复杂带筋曲面构件底板上表面交点，ρOθ平面为经过坐标原点并垂直z轴的平面，如图4所示；复杂带筋曲面构件表面上一点的极坐标
Figure GDA0002746506200000062
为锥形辗压模对应点的极坐标；
Figure GDA0002746506200000063
S5、径轴向包络辗压初始阶段：将加热到450℃的毛坯放入预热至250℃的凹模上方，凹模带动毛坯绕自身轴线以转速n1做匀速旋转运动，预热至250℃的锥形辗压模位于凹模一侧，其绕自身轴线以转速n2做匀速旋转运动，同时可沿凹模轴线做上下直线运动，沿凹模径向做水平直线运动。凹模轴线和辗压模轴线位于同一平面内，如图5所示。预热的锥形辗压模从凹模外侧移动到毛坯上方指定位置，此时径轴向包络辗压中心O′位于点O″位置，纵向筋板与水平面的夹角δ＝77°，点O″的坐标(ρ0,θ0,H)由公式(3)设计。
Figure GDA0002746506200000064
S6、径轴向包络辗压成形阶段：辗压模以较快速度v1沿方向
Figure GDA0002746506200000065
运动向凹模靠近，在辗压模和凹模的共同作用下，毛坯首先发生弯曲变形，毛坯下表面逐渐和凹模型腔贴合，该过程中毛坯厚度变化较小，曲率逐渐增大。当毛坯和凹模型腔完全贴合后，辗压模以较慢速度v2沿方向
Figure GDA0002746506200000066
运动继续向凹模靠近，毛坯金属轴向减薄、径向流动充填辗压模各凸台之间的间隙形成筋板，如图6所示。
S7、径轴向包络辗压结束阶段：成形结束后，辗压模和凹模停止转动，辗压模沿
Figure GDA0002746506200000071
方向以速度v3远离凹模，直至辗压模在构件顶面以上，随后辗压模沿径向退出至凹模外侧。
S8、构件顶出：在凹模底部布置多个顶料杆，顶料杆向上运动，将构件顶出凹模型腔。
进一步的，辗压模和凹模转动匹配方法为：辗压模和凹模的转动方向相同，根据公式(4)确定凹模的转速n1＝2rad/s，辗压模的转速n2＝4rad/s。
Figure GDA0002746506200000072
进一步的，辗压模进给速度确定方法为：径轴向包络辗压成形过程中，辗压模进给速度v1和v2由公式(5)确定，确保复杂带筋曲面构件的横纵筋不发生错位。
Figure GDA0002746506200000073
式中：毛坯厚度b0＝10mm，构件底板厚度b＝3mm，正整数m1＝8，m2＝2。
进一步的，辗压模退出运动：成形结束后，为保证锥形辗压模在退出过程中不和复杂带筋曲面构件发生干涉，辗压模退出运动由水平和轴向两个运动合成，其水平速度vρ和竖直速度vz由公式(6)确定，运动方向为
Figure GDA0002746506200000074
Figure GDA0002746506200000075
式中：纵向筋板与水平面的夹角δ＝77°，辗压模退出速度v3＝8mm/s。
进一步的，在构件横纵筋交叉处均匀对称设计16根顶料杆，避免在顶出过程中影响构件曲面底板几何形状和精度，如图7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)

1.一种复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法，其特征在于，将毛坯置于凹模中，通过辗压模成形复杂带筋曲面构件，包括以下步骤：
S1、毛坯设计：所述毛坯为平面板料，其形状与待成形复杂带筋曲面构件外轮廓形状一致，且其外轮廓尺寸大于复杂带筋曲面构件外轮廓尺寸；
S2、辗压模锥角设计：所述辗压模为锥体，其锥角
Figure FDA0002746506190000011
由公式(1)确定：
Figure FDA0002746506190000012
式中：α是旋转角，复杂带筋曲面构件绕转动轴旋转α角后的几何形状和旋转前完全重合；m0是正整数，并且m0需要满足条件
Figure FDA0002746506190000013
保证径轴向空间包络成形结束后，辗压模在退出过程中不和复杂带筋曲面构件的筋板发生干涉；
S3、径轴向包络辗压中心O′确定：径轴向包络辗压中心O′是复杂带筋曲面构件的转动轴和辗压模轴线的交点，距离复杂带筋曲面构件底板上表面的垂直距离为h；
S4、辗压模形状设计：辗压模是由多个凸台组成的锥体，凸台顶部用来成形构件曲面底板，凸台之间的间隙用来成形构件复杂筋板；辗压模几何形状按公式(2)设计；
Figure FDA0002746506190000014
式中：坐标系z轴为复杂带筋曲面构件转动轴，坐标原点O为z轴和复杂带筋曲面构件底板上表面交点，ρOθ平面为经过坐标原点并垂直z轴的平面；(ρ,θ,z)为复杂带筋曲面构件表面任意点的极坐标，(ρ′,θ′,z′)为锥形辗压模对应点的极坐标；
Figure FDA0002746506190000021
S5、径轴向包络辗压初始阶段：将加热后的毛坯放入预热的凹模上方，凹模带动毛坯绕自身轴线以转速n1做匀速旋转运动，锥形辗压模位于凹模一侧，其绕自身轴线以转速n2做匀速旋转运动，同时可沿凹模轴线做上下直线运动，沿凹模径向做水平直线运动；凹模轴线和辗压模轴线位于同一平面内；预热的锥形辗压模从凹模外侧移动到毛坯上方指定位置，此时径轴向包络辗压中心O′位于点O″位置，点O″的坐标(ρ0,θ0,H)由公式(3)设计；
Figure FDA0002746506190000022
式中，δ是纵向筋板与水平面的夹角；
S6、径轴向包络辗压成形阶段：辗压模以较快速度v1沿方向
Figure FDA0002746506190000023
运动向凹模靠近，在辗压模和凹模的共同作用下，毛坯首先发生弯曲变形，毛坯下表面逐渐和凹模型腔贴合，该过程中毛坯厚度变化较小，曲率逐渐增大；当毛坯和凹模型腔完全贴合后，辗压模以较慢速度v2沿方向
Figure FDA0002746506190000024
运动继续向凹模靠近，毛坯金属轴向减薄、径向流动充填辗压模各凸台之间的间隙形成筋板；
S7、径轴向包络辗压成形结束阶段：成形结束后，辗压模和凹模停止转动，辗压模沿
Figure FDA0002746506190000025
方向以速度v3远离凹模，直至辗压模在构件顶面以上，随后辗压模沿径向退出至凹模外侧；
S8、构件顶出：在凹模底部布置多个顶料杆，顶料杆向上运动，将构件顶出凹模型腔。
2.根据权利要求1所述的复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法，其特征在于，辗压模和凹模转动方向相同，且两者的转速满足公式(4)：
Figure FDA0002746506190000031
3.根据权利要求1所述的复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法，其特征在于，所述辗压模的进给速度v1和v2由公式(5)确定，确保复杂带筋曲面构件的横纵筋不发生错位；
Figure FDA0002746506190000032
式中：b0是毛坯厚度，b是构件底板厚度，m1和m2是正整数。
4.根据权利要求1所述的复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法，其特征在于，成形结束后，为保证辗压模在退出过程中不和复杂带筋曲面构件发生干涉，辗压模退出运动由水平和竖直两个运动合成，其水平速度vρ和竖直速度vz由公式(6)确定，运动方向为
Figure FDA0002746506190000033
Figure FDA0002746506190000034
5.根据权利要求1所述的复杂带筋曲面构件径轴向包络辗压成形方法，其特征在于，所述顶料杆位于构件横纵筋交叉处。
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