CN113458260B - 一种大曲率金属厚板精确预成型方法 - Google Patents

一种大曲率金属厚板精确预成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大曲率金属厚板精确预成型方法，包括以下步骤：1）设计模具；2）将热压零件展开，形成毛坯料，并将毛坯料放置于模具内；3）通过Abqus有限元仿真；4）铸造模具；5）安装模具；6）根据模具设计预留的零件外形余量的展开数模，并根据厚度方向余量选择毛坯料规格；7）热压毛坯，进行零件的预成型过程，得到成型零件。本发明提出了一整套一种大曲率金属厚板精确预成型方法，能够整体成型厚度尺寸大的invar钢模板毛坯，且制造精度达到±2mm，大幅度提高了复材模具模板的厚度均匀性及保证了后期模板的气密性，从而满足了复材零件的热均匀性及孔隙率，大幅度降低了制造成本及生产制造周期。

Description

一种大曲率金属厚板精确预成型方法
技术领域
本发明涉及航空设备制造技术领域，具体是指一种大曲率金属厚板精确预成型方法。
背景技术
先进复合材料零件因轻量化、耐腐蚀、可设计性强等优点被广泛应用于新一代战机的生产制造。在复材模具制造过程中，模具型面受零件外形决定，随着复材零件可设计性的提高，零件外形趋向于大曲率、深型腔等特征。为保证复材零件的整体质量，复材模具模板通常具有热均匀性及气密性的要求。为保证整体的结构强度，复材模具成型零件的模板厚度一般为12-16mm，且为保证复材零件成型过程的热均匀性，要求复材模具模板厚度的公差通常为±2mm，为保证复材模具气密性的要求，要求模具模板尽量采用整体成型，尽量避免焊接工艺，减少焊接缺陷导致的气密风险。
为保证复材零件的成型精度（复材零件热膨胀系数较低约3*10-6/℃），Invar钢由于其在-80℃~230℃具有很小的热膨胀系数1.6*10-6/℃（普通钢为1.2*10-5/℃），故在大型、重要、复杂的复材模具制造中得到广泛使用。目前国内的Invar钢基本均为国外进口，受国外公司生产尺寸限制，通常的Invar钢原材料厚度为9-30mm，且价格非常昂贵为150元/kg。
在以往的复材模具制造过程中通常采用局部压弯加分块焊接的方式成形曲率变化较小的模板，且预成型后的模板与理论差距大于±5-6mm，但对于较厚的大曲率Invar钢模板成型尚无有效的成型方案，尤其针对大曲率、深型腔的复材模具模板成型在国内均无有效高精度成型的先例。由于该技术瓶颈限制，导致我国某型飞机某部件多年来未实现复材零件的装机应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高了型面板预成型精度，减少了数控加工量，确保了后期复材模具成型过程的气密性及壁厚均匀性，特别适合于复杂曲面的Invar材料复材模具型面板的预成型的大曲率金属厚板精确预成型方法。
本发明通过下述技术方案实现：一种大曲率金属厚板精确预成型方法，包括以下步骤：
（1）设计模具：利用需要成形的零件外形，零件型面留3-5mm余量，零件非工作面留2-4mm余量，四周外形留40-80mm余量；
（2）将热压零件展开，形成毛坯料，并将毛坯料放置于模具内；
（3）通过Abqus有限元仿真，对零件热压后的损伤值及贴模度、压力进行仿真，并根据仿真结果修正压模；
（4）铸造模具，铸件表面留30mm余量，制造完成后测量型面，公差±0.1mm方可使用；
（5）安装模具；
（6）根据模具设计预留的零件外形余量的展开数模，并根据厚度方向余量选择毛坯料规格；
（7）热压毛坯，进行零件的预成型过程，得到成型零件。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1）设计的模具包括上模和下模，所述上模上部固定连接有通用模座，所述上模和下模之间两侧设置有导柱、导滑块、以及零件成型时固定毛坯零件的挡料块。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述上模和下模的材质均采用铸铁或铸钢件，且上模和下模还均设置有减轻槽，加强筋厚度为60-100mm，上模上设置有与机床定位U形槽。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述通用模座材料为Q235A，通用模座两长度方向为燕尾结构，尺寸与压机尺寸配合，通用模座与上模之间采用螺钉连接。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（5）安装模具的过程为，先将上模通用模座安装与上模上，并将通用模座安装于压机上。压模下模应放置于平台相应位置，不应在平台上固定下模，保持下模在压机平台上可自由移动。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（7）中，热压毛坯，进行零件的预成型的具体过程为：
（7.1）毛坯以10°C/min的速度加热到650℃，保温1h后，以100°C/h的速度加热到900±50℃，保温30-60分钟；
（7.2）将毛坯快速移至压模下模上，利用挡料块粗定位，上模下压，下压时应确保零件温度在800±50℃，压力为3500-6000吨，待上模移动至理论位置后，保持压力5-10分钟，待零件冷却至300℃以下时，松开压机压力；
（7.3）拆卸通用模座，期间不得移动上模，冷却1h以上，待零件温度下降至100℃以下时，方能取出零件。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（3）中通过Abqus有限元仿真，模板局部无法成形的厚度小于15mm，均可圆滑过渡，后期采用补焊的方式进行弥补；仿真压力大于5000吨时，需要考虑压模型面是否存在转角，导致局部过早接触，无法成行零件，并对零件进行局部修。
为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（7）中，热压零件冷却后，吊开模具，零件顶部用钢棒进行支撑至与压模贴膜，点焊钢棒与热压后的零件，并进行后续工作。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明提出了一整套一种大曲率金属厚板精确预成型方法，能够整体成型厚度尺寸大的invar钢模板毛坯，且制造精度达到±2mm，大幅度提高了复材模具模板的厚度均匀性及保证了后期模板的气密性，从而满足了复材零件的热均匀性及孔隙率，大幅度降低了制造成本及生产制造周期；
（2）本发明解决了由于材料尺寸及气密影响的复材模具制造过程中的型面板预成型问题，大大提高了型面板预成型精度，减少了数控加工量，确保了后期复材模具成型过程的气密性及壁厚均匀性；
（3）本发明用于复材模具型面板的预成型，特别适合于复杂曲面的Invar材料复材模具型面板的预成型，适宜广泛推广应用。
具体实施方式
为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本实施例的压模设计技术方案为：提取模具模板的内外型面，其中内型面（与框架接触一侧）留3mm余量，外型面留5-6mm余量，大致调平模板零件的长度方向高度，调平零件，使零件Z向无负角度，零件宽度方向外形留40-60mm余量，长度方向放置150-200mm余量。将提取的外型面外插延伸40-60mm后，再往外形方向外插延伸或沿某一角度拉伸（该角度不得小于原曲面的最小角度），利用设计完成的曲面切割凸台形成压模下模体。根据压模下模体型面，偏置热压的毛坯件厚度，形成压模的上模型面。
实施例2：
本实施例的压模设计方案为：压模设计完成后，通过将热压零件展开，形成毛坯料，并将毛坯料放置于下模上，在零件的长、宽方向分别设置挡料块，用于零件成型时固定毛坯零件。
实施例3：
本实施例的压模设计方案为：在压模设计完成后，将上模零件两端加宽厚度为60-100，宽度为100-150mm的耳片，并在耳片上设置间隔均匀、固定的U形槽。并根据热压机的燕尾尺寸设计一通用模座，模座燕尾部分与热压机配合，模座上设置一高度为70mm台阶，并根据上模上的U形槽位置设置间隔相同的U形槽。通用U型槽长度度涵盖通常一般深型腔模具上模的宽度差。
实施例4：
本实施例的压模设计方案为：压模采用铸钢材料，上下压模之间在四角位置设置导滑块用于上下压模粗定位，在宽度两端设置两根导柱，用于上下压模的精确定位。
实施例5：
本实施例一种大曲率金属厚板精确预成型方法为：通过Abqus有限元仿真,对零件热压后的损伤值及贴模度、压力进行仿真，并根据仿真结果修正压模。模板局部无法成形的厚度小于15mm，均可圆滑过渡，后期采用补焊的方式进行弥补。仿真压力大于5000吨时，需要考虑压模型面是否存在转角，导致局部过早接触，无法成行零件，并对零件进行局部修改。
实施例6：
本实施例的一种大曲率金属厚板精确预成型方法为：在上下压模设计完成后，对上下压模分别进行铸造，铸件表面留30mm余量，制造完成后分别测量型面，公差±0.1mm方可使用。
实施例7：
本实施例的一种大曲率金属厚板精确预成型方法为：在压模制造完成后，先将上模通用模座安装与上模上，并将通用模座安装于压机上。压模下模应放置于平台相应位置，不应在平台上固定下模，保持下模在压机平台上可自由移动。
实施例8：
本实施例零件热压方案为：模板毛坯材料为Invar，根据压模设计预留的零件外形余量的展开数模，并根据厚度方向余量（3mm+6mm=9mm）选择毛坯料规格。
实施例9：
本实施例零件热压方案为将模板毛坯以10°C/min的速度加热到650℃，保温1h后，以100°C/h的速度加热到900±50℃，保温30-60分钟，将模板毛坯快速移至压模下模上，利用挡料块粗定位，上模下压（下压时应确保零件温度在800±50℃），压力为3500-6000吨，待上模移动至理论位置后，保持压力5-10分钟，待零件冷却至300℃以下时，松开压机压力。拆卸通用模座（期间不得移动上模），冷却1h以上，待零件温度下降至100℃以下时，方能取出零件。本实施例要求的热压零件冷却后，吊开压模上模零件顶部用钢棒进行支撑至与压模贴膜，点焊钢棒与热压后的零件，并进行后续工作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种大曲率金属厚板精确预成型方法，所述方法用于复杂曲面的Invar材料复材模具型面板的预成型，其特征在于，包括以下步骤：
（1）设计模具：利用需要成形的零件外形，零件型面留3-5mm余量，零件非工作面留2-4mm余量，四周外形留40-80mm余量；所述步骤（1）设计的模具包括上模和下模，所述上模上部固定连接有通用模座，所述上模和下模之间两侧设置有导柱、导滑块、以及零件成型时固定毛坯料的挡料块；
（2）将热压零件展开，形成毛坯料，并将毛坯料放置于模具内；
（3）通过Abaqus有限元仿真，对零件热压后的损伤值及贴模度、压力进行仿真，并根据仿真结果修正压模；仿真压力大于5000吨时，需要考虑压模型面是否存在转角，导致局部过早接触，无法成型零件，并对零件进行局部修改；
（4）铸造模具，铸件表面留30mm余量，制造完成后测量型面，公差±0.1mm方可使用；
（5）安装模具；
（6）根据模具设计预留的零件外形余量的展开数模，并根据厚度方向余量选择毛坯料规格；
（7）热压毛坯，进行零件的预成型过程，得到成型零件；所述步骤（7）中，热压毛坯，进行零件的预成型的具体过程为：
（7.1）毛坯料以10℃/min的速度加热到650℃，保温1h后，以100℃/h的速度加热到900±50℃，保温30-60分钟；
（7.2）将毛坯料快速移至压模下模上，利用挡料块粗定位，上模下压，下压时应确保零件温度在800±50℃，压力为3500-6000吨，待上模移动至理论位置后，保持压力5-10分钟，待零件冷却至300℃以下时，松开压机压力；
（7.3）拆卸通用模座，期间不得移动上模，冷却1h以上，待零件温度下降至100℃以下时，方能取出零件。
2.根据权利要求1所述的一种大曲率金属厚板精确预成型方法，其特征在于，所述上模和下模的材质均采用铸铁或铸钢件，且上模和下模还均设置有减轻槽，加强筋厚度为60-100mm，上模上设置有与压机定位的U形槽。
3.根据权利要求1所述的一种大曲率金属厚板精确预成型方法，其特征在于，所述通用模座材料为Q235A，通用模座两长度方向为燕尾结构，尺寸与压机尺寸配合，通用模座与上模之间采用螺钉连接。
4.根据权利要求1所述的一种大曲率金属厚板精确预成型方法，其特征在于，所述步骤（5）安装模具的过程为，先将上模通用模座安装于上模上，并将通用模座安装于压机上，压模下模应放置于平台相应位置，不应在平台上固定下模，保持下模在压机平台上可自由移动。
5.根据权利要求1~4任一项所述的一种大曲率金属厚板精确预成型方法，其特征在于，所述步骤（7）中，热压零件冷却后，吊开模具，零件顶部用钢棒进行支撑至与压模贴膜，点焊钢棒与热压后的零件，并进行后续工作。
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