CN112296232A - 提高薄壁高筋构件高筋成形极限的复合成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高薄壁高筋构件高筋成形极限的复合成形方法，用于制造具有薄底座和窄高环筋的薄壁高筋构件，成形方法包括以下步骤：S1、预成形件设计：用于成形目标薄壁高筋构件的预成形件包括薄底座和宽矮环筋；S2、包络‑柔性生长复合成形模具设计：包络‑柔性生长复合成形分为包络预成形和柔性生长成形两个工序，包络预成形模具包括摆动锥模、包络凹模和顶出环组成，柔性生长成形模具包括下模板、制约模、辗压模和脱模顶杆；S3、预成形件包络预成形；S4、柔性生长成形装置拼装；S5、辗压模辗压路线规划与柔性生长成形；S6、目标构件脱模。本发明将包络成形工艺和柔性生长成形工艺相结合，能够有效提高薄壁高筋构件高筋成形极限。

Description

提高薄壁高筋构件高筋成形极限的复合成形方法
技术领域
本发明涉及薄壁高筋构件成形制造领域，更具体地说，涉及一种提高薄壁高筋构件高筋成形极限的复合成形方法。
背景技术
当前我国资源能源逐渐匮乏，环境污染日益严重，为此航空、航天、航海、高铁、汽车等装备制造领域提出了运载装备轻量化的迫切需求。为了同时满足运载装备的性能需求和轻量化需求，运载装备中大量采用薄壁高筋构件。薄壁高筋构件不仅底座厚度极薄，而且筋窄且高，导致其制造难度极大。目前薄壁高筋构件广泛采用两类工艺制造，焊接工艺和切削加工工艺。焊接工艺是先将薄底座和窄高筋单独制造，再通过焊接技术将二者连接成一个构件，属于非整体式制造，难以制造出组织性能均匀的薄壁高筋构件。切削加工工艺虽然能够实现薄壁高筋构件整体制造，但由于该工艺需要切除大量金属，切削效率低，材料利用率低，并且无法获得连续金属流线，因此该工艺难以实现薄壁高筋构件高效优质制造。相比上述两种工艺，近净塑性成形工艺具有制造效率高、材料利用率高和产品质量优等优点，是实现薄壁高筋构件高效优质制造的重要途径，然而目前尚未提出有效的薄壁高筋构件近净塑性成形工艺。
包络成形工艺是一种先进的连续局部塑性成形工艺，该工艺是通过摆动锥模的多循环辗压运动和凹模的约束作用迫使坯料发生轴向减薄变形，十分适用于成形薄板类构件，但该工艺成形高筋的能力有限，因此难以实现薄壁高筋构件塑性成形。柔性生长成形工艺是通过制约模限制金属径向流动，同时通过辗压模的局部辗压运动迫使坯料发生径向减薄和轴向长高变形，十分适用于成形具有窄高筋的构件，但无法成形薄板类构件。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种提高薄壁高筋构件高筋成形极限的复合成形方法，其将包络成形工艺和柔性生长成形工艺相结合，能够有效提高薄壁高筋构件高筋成形极限。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种提高薄壁高筋构件高筋成形极限的复合成形方法，用于制造具有薄底座和窄高环筋的薄壁高筋构件，成形方法包括以下步骤：
S1、预成形件设计：用于成形目标薄壁高筋构件的预成形件包括薄底座和宽矮环筋；保持窄高环筋轴截面外侧壁轴截面轮廓不变，作为宽矮环筋外侧壁轴截面轮廓，将目标构件窄高环筋轴截面内侧壁轮廓向内偏移，获得宽矮环筋轴截面内侧壁轮廓；以上述所建立的宽矮环筋轴截面轮廓为基准，将目标构件窄高环筋转换成具有相同体积的预成形件宽矮环筋；预成形件薄底座尺寸与目标构件薄底座尺寸一致，窄高环筋和宽矮环筋的厚度之比必须保证在目标构件柔性生长成形过程中从窄高环筋内侧壁到窄高环筋外侧壁均发生塑性变形；
S2、包络-柔性生长复合成形模具设计：包络-柔性生长复合成形分为包络预成形和柔性生长成形两个工序，包络预成形模具包括摆动锥模、包络凹模和顶出环组成，柔性生长成形模具包括下模板、制约模、辗压模和脱模顶杆；包络凹模型腔由预成形件宽矮环筋型面和薄底座下表面组合所得；摆动锥模为锥型体，其锥体母线与预成形件薄底座上表面匹配；顶出环为多边形环体，其轴截面形状与宽矮环筋轴截面形状相同；制约模为具有通孔型腔的等轴截面体，其通孔型腔轴截面轮廓与目标构件窄高环筋外侧壁轴截面轮廓相同；辗压模为柱形体，其轴截面轮廓最大曲率半径不大于窄高环筋轴截面内侧壁轮廓最小曲率半径；下模板为光滑平板；
S3、预成形件包络预成形：用于预成形件包络预成形的坯料为厚板坯，厚板坯轴截面轮廓由预成形件薄底座轴截面轮廓向内等距离偏置所得，并且厚板坯轴截面轮廓大于预成形件宽矮环筋外侧壁轴截面轮廓，厚板坯厚度确保预成形件包络成形过程中不出现缩孔缺陷；将厚板坯置入包络凹模内，厚板坯轴线与约束凹模轴线重合，厚板坯侧表面任一位置到包络凹模型腔侧表面距离相等；将摆动锥模任一锥体母线倾斜至水平位置，将该母线与厚板坯上表面接触，并将摆动锥模锥顶点移动至厚板坯轴线与厚板坯上表面交点处；驱动摆动锥模在厚板坯上表面作多循环滚动，驱动包络凹模向上作进给运动，迫使厚板坯逐渐减薄成薄底座，同时成形宽矮环筋；此后，撤去摆动锥模，顶出环向上运动，顶出带飞边的预成形件，切除预成形件薄底座四周飞边，获得无飞边的预成形件；
S4、柔性生长成形装置拼装：将步骤S3包络成形所得无飞边的预成形件垂直翻转后放置于柔性生长成形下模板上，预成形件薄底座下表面与下模板贴合，预成形件轴线与制约模轴线重合；将制约模沿轴线向下移动，制约模下表面压在预成形件薄底座上表面，制约模型腔内侧壁与预成形件宽窄环筋外侧壁贴合；将辗压模移动至制约模型腔内，辗压模侧表面与预成形件宽窄环筋内侧壁相切，辗压模轴线与预成形件轴线平行；
S5、辗压模辗压路线规划与柔性生长成形：驱动辗压模沿预成形件宽矮环筋内侧壁轮廓作切向滚动，同时驱动辗压模沿宽矮环筋内侧壁法向进给，在辗压模和制约模作用下迫使宽矮环筋发生径向减薄和轴向生长变形；当辗压模绕预成形件轴线运动一周后，将辗压模切向滚动方向转为反向，保持法向进给方向不变，继续下一循环辗压运动；按照上述规律驱动辗压模进行多循环辗压运动，直至辗压模法向进给量达到预定值；此后停止辗压模法向进给运动，继续保持辗压模沿环筋内侧壁轮廓作切向滚动至少一周，获得目标构件；
S6、目标构件脱模：柔性生长成形结束后，将辗压模移出制约模型腔，多个脱模顶杆移入制约模型腔；各脱模顶杆底面与已成形目标构件薄底座上表面贴合，各脱模顶杆侧表面与已成形目标构件窄高环筋内侧壁贴合；此后，脱模顶杆固定不动，制约模向上运动，将已成形目标构件与制约模分离；最后脱模顶杆复位，取出目标薄壁高筋构件。
上述方案中，步骤S5中辗压模沿宽矮环筋内侧壁法向进给的每周进给量为非恒定值，在柔性生长成形前期，辗压模每周进给量较大，保证塑性变形区能够穿透整个宽矮环筋，在柔性生长成形后期，辗压模每周进给量较小，保证窄高环筋柔性生长成形过程稳定。
上述方案中，所述脱模顶杆为圆棒体。
实施本发明的提高薄壁高筋构件高筋成形极限的复合成形方法，具有以下有益效果：
(1)本发明将包络成形工艺和柔性生长成形工艺复合，能够显著提升薄壁高筋构件筋高的成形极限。
(2)相比切削加工工艺和焊接成形工艺，本发明所提出的薄壁高筋构件包络-柔性生长复合成形工艺具有制造效率高、材料利用率高和构件性能优等优点，是实现薄壁高筋构件高效优质制造的重要途径。
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为薄壁高筋构件示意图；
图2为薄壁高筋构件预成形件示意图；
图3为预成形件包络预成形模具与装置示意图；
图4为薄壁高筋构件柔性生长成形装置模具与装置示意图；
图5为薄壁高筋构件包络-柔性生长复合成形厚板坯示意图；
图6为薄壁高筋构件柔性生长成形辗压模辗压路线规划示意图；
图7为薄壁高筋构件柔性生长成形过程示意图；
图8为薄壁高筋构件柔性生长成形脱模示意图。
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。
图1为本实例中待成形的四边形薄壁高筋构件，该构件由薄底座和窄高环筋组成，其主要尺寸参数如表1。
表1薄壁高筋构件主要尺寸参数
Figure BDA0002714199220000041
Figure BDA0002714199220000051
预成形件设计：用于成形目标薄壁高筋构件的预成形件由薄底座和宽矮环筋组成，如图2所示。保持窄高环筋轴截面外侧壁轴截面轮廓不变，作为宽矮环筋外侧壁轴截面轮廓，将目标构件窄高环筋轴截面内侧壁轮廓向内偏移3.5mm，获得宽矮环筋轴截面内侧壁轮廓。以上述宽矮环筋轴截面轮廓为基准，将目标构件窄高环筋转换成具有相同体积的预成形件宽矮环筋，宽矮环筋高度为10.38mm。预成形件薄底座尺寸与目标构件薄底座尺寸一致，宽矮环筋和窄高环筋的厚度之比为2.4，能够保证在目标构件柔性生长成形过程中从窄高环筋内侧壁到窄高环筋外侧壁均发生塑性变形。
包络-柔性生长复合成形模具设计：包络-柔性生长复合成形分为包络预成形和柔性生长成形两个工序，包络预成形模具由摆动锥模1、包络凹模2和顶出环3组成，如图3所示。柔性生长成形模具由下模板4、制约模5、辗压模6和脱模杆7组成，如图4所示。包络凹模型腔与预成形件宽矮环筋型面和薄底座下表面形状一致。摆动锥模锥型体，其锥体母线与预成形件薄底座上表面匹配，顶出环为多边形环体，其轴截面形状与宽矮环筋相同。制约模为具有通孔型腔的等轴截面体，其通孔型腔轴截面与目标构件窄高环筋外侧壁轴截面相同。辗压模为柱形体，其轴截面轮廓最大曲率半径为20mm，不大于窄高环筋轴截面内侧壁轮廓最小曲率半径23mm。下模板为光滑平板，脱模杆圆棒体。
预成形件包络预成形：用于预成形件包络预成形的坯料为厚板坯，如图5所示。厚板坯轴截面轮廓由预成形件薄底座轴截面轮廓向内等距离偏置10mm所得，并且厚板坯轴截面轮廓大于预成形件宽矮环筋外侧壁轴截面轮廓，厚板坯厚度为8mm，能够确保预成形件包络成形过程中不出现缩孔缺陷。将厚板坯置入包络凹模内，厚板坯轴线与约束凹模轴线重合，厚板坯侧表面任一位置到包络凹模型腔侧表面距离相等。将摆动锥模任一锥体母线倾斜至水平位置，并将该母线与厚板坯上表面接触，摆动锥模锥顶点位于厚板坯轴线与厚板坯上表面交点处，如图3所示。驱动摆动锥模在厚板坯上表面作多循环滚动，驱动包络凹模向上作进给运动，迫使厚板坯逐渐减薄成薄底座，同时成形宽矮环筋。此后，撤去摆动锥模，顶出环向上运动，顶出带飞边的预成形件，切除预成形件薄底座四周飞边，获得无飞边的预成形件。
柔性生长成形装置拼装：图4为柔性生长成形装置示意图。将无飞边的预成形件垂直翻转后放置于柔性生长成形下模板上，预成形件薄底座下表面与下模板贴合，预成形件轴线与制约模轴线重合。将制约模沿轴线向下移动，制约模下表面压在预成形件薄底座上表面，制约模型腔内侧壁与预成形件宽窄环筋外侧壁贴合。将辗压模移动至制约模型腔内，辗压模侧表面与预成形件宽窄环筋内侧壁相切，辗压模轴线与预成形件轴线平行。
辗压模辗压路线规划与柔性生长成形：图6为辗压模辗压路线规划示意图。驱动辗压模沿预成形件宽矮环筋内侧壁轮廓作切向滚动，切向滚动方向为顺时针方向，同时驱动辗压模沿宽矮环筋内侧壁法向进给，其辗压路线为A1-B1-C1-D1。当辗压模绕预成形件轴线运动一周后，将辗压模切向滚动方向转为逆时针方向，保持法向进给方向不变，继续下一循环辗压运动，其辗压路线为A2-B2-C2-D2。按照上述规律驱动辗压模进行多循环辗压运动，直至辗压模法向进给量达到预定值。此后停止辗压模法向进给运动，继续保持辗压模沿环筋内侧壁轮廓作切向滚动至少2周，获得目标构件窄高环筋。在柔性生长成形前4周，辗压模每周进给量为0.5mm，保证塑性变形区能够穿透整个宽矮环筋，在柔性生长成形后6周，辗压模每周进给量为0.25mm，保证窄高环筋柔性生长过程稳定。在辗压模和制约模作用下迫使宽矮环筋发生径向减薄和轴向生长变形，如图7所示。
目标构件脱模：柔性生长成形结束后，将辗压模移出制约模型腔，多个脱模顶杆移入制约模型腔。各脱模顶杆底面与已成形目标构件薄底座上表面贴合，各脱模顶杆侧表面与已成形目标构件窄高环筋内侧壁贴合。此后，脱模顶杆固定不动，制约模向上运动，将已成形目标构件与制约模分离。最后脱模顶杆复位，取出目标薄壁高筋构件，如图8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 (3)

1.一种提高薄壁高筋构件高筋成形极限的复合成形方法，用于制造具有薄底座和窄高环筋的薄壁高筋构件，其特征在于，成形方法包括以下步骤：
S1、预成形件设计：用于成形目标薄壁高筋构件的预成形件包括薄底座和宽矮环筋；保持窄高环筋轴截面外侧壁轴截面轮廓不变，作为宽矮环筋外侧壁轴截面轮廓，将目标构件窄高环筋轴截面内侧壁轮廓向内偏移，获得宽矮环筋轴截面内侧壁轮廓；以上述所建立的宽矮环筋轴截面轮廓为基准，将目标构件窄高环筋转换成具有相同体积的预成形件宽矮环筋；预成形件薄底座尺寸与目标构件薄底座尺寸一致，窄高环筋和宽矮环筋的厚度之比必须保证在目标构件柔性生长成形过程中从窄高环筋内侧壁到窄高环筋外侧壁均发生塑性变形；
S2、包络-柔性生长复合成形模具设计：包络-柔性生长复合成形分为包络预成形和柔性生长成形两个工序，包络预成形模具包括摆动锥模、包络凹模和顶出环组成，柔性生长成形模具包括下模板、制约模、辗压模和脱模顶杆；包络凹模型腔由预成形件宽矮环筋型面和薄底座下表面组合所得；摆动锥模为锥型体，其锥体母线与预成形件薄底座上表面匹配；顶出环为多边形环体，其轴截面形状与宽矮环筋轴截面形状相同；制约模为具有通孔型腔的等轴截面体，其通孔型腔轴截面轮廓与目标构件窄高环筋外侧壁轴截面轮廓相同；辗压模为柱形体，其轴截面轮廓最大曲率半径不大于窄高环筋轴截面内侧壁轮廓最小曲率半径；下模板为光滑平板；
S3、预成形件包络预成形：用于预成形件包络预成形的坯料为厚板坯，厚板坯轴截面轮廓由预成形件薄底座轴截面轮廓向内等距离偏置所得，并且厚板坯轴截面轮廓大于预成形件宽矮环筋外侧壁轴截面轮廓，厚板坯厚度确保预成形件包络成形过程中不出现缩孔缺陷；将厚板坯置入包络凹模内，厚板坯轴线与约束凹模轴线重合，厚板坯侧表面任一位置到包络凹模型腔侧表面距离相等；将摆动锥模任一锥体母线倾斜至水平位置，将该母线与厚板坯上表面接触，并将摆动锥模锥顶点移动至厚板坯轴线与厚板坯上表面交点处；驱动摆动锥模在厚板坯上表面作多循环滚动，驱动包络凹模向上作进给运动，迫使厚板坯逐渐减薄成薄底座，同时成形宽矮环筋；此后，撤去摆动锥模，顶出环向上运动，顶出带飞边的预成形件，切除预成形件薄底座四周飞边，获得无飞边的预成形件；
S4、柔性生长成形装置拼装：将步骤S3包络成形所得无飞边的预成形件垂直翻转后放置于柔性生长成形下模板上，预成形件薄底座下表面与下模板贴合，预成形件轴线与制约模轴线重合；将制约模沿轴线向下移动，制约模下表面压在预成形件薄底座上表面，制约模型腔内侧壁与预成形件宽窄环筋外侧壁贴合；将辗压模移动至制约模型腔内，辗压模侧表面与预成形件宽窄环筋内侧壁相切，辗压模轴线与预成形件轴线平行；
S5、辗压模辗压路线规划与柔性生长成形：驱动辗压模沿预成形件宽矮环筋内侧壁轮廓作切向滚动，同时驱动辗压模沿宽矮环筋内侧壁法向进给，在辗压模和制约模作用下迫使宽矮环筋发生径向减薄和轴向生长变形；当辗压模绕预成形件轴线运动一周后，将辗压模切向滚动方向转为反向，保持法向进给方向不变，继续下一循环辗压运动；按照上述规律驱动辗压模进行多循环辗压运动，直至辗压模法向进给量达到预定值；此后停止辗压模法向进给运动，继续保持辗压模沿环筋内侧壁轮廓作切向滚动至少一周，获得目标构件；
S6、目标构件脱模：柔性生长成形结束后，将辗压模移出制约模型腔，多个脱模顶杆移入制约模型腔；各脱模顶杆底面与已成形目标构件薄底座上表面贴合，各脱模顶杆侧表面与已成形目标构件窄高环筋内侧壁贴合；此后，脱模顶杆固定不动，制约模向上运动，将已成形目标构件与制约模分离；最后脱模顶杆复位，取出目标薄壁高筋构件。
2.根据权利要求1所述的提高薄壁高筋构件高筋成形极限的复合成形方法，其特征在于，步骤S5中辗压模沿宽矮环筋内侧壁法向进给的每周进给量为非恒定值，在柔性生长成形前期，辗压模每周进给量较大，保证塑性变形区能够穿透整个宽矮环筋，在柔性生长成形后期，辗压模每周进给量较小，保证窄高环筋柔性生长成形过程稳定。
3.根据权利要求1所述的提高薄壁高筋构件高筋成形极限的复合成形方法，其特征在于，所述脱模顶杆为圆棒体。
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