CN113584283A - 一种多厚度构件蠕变时效成形模具的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多厚度构件蠕变时效成形模具的设计方法，包括以下步骤：S1、根据目标曲面构件的厚度范围，建立目标曲面构件的三维模型，将目标曲面构件三维模型进行平面展开，并设计与目标曲面构件展开平面形状相适配的坯料；S2、为坯料赋予材料参数与蠕变本构特性，利用有限元仿真软件模拟蠕变时效成形过程，得到初步模具型面；S3、为其他厚度的目标曲面构件选择相适配的层叠板；S4、获得不同厚度曲面构件与所需层叠板的厚度的匹配和叠放方式规律；S5、得到最终模具型面，进行加工得到成形模具。本发明方法设计出的成形模具能够实现同一套模具成形不同结构或者厚度的具有相似几何特征的构件，有效节省了模具设计和加工费用。

Description

一种多厚度构件蠕变时效成形模具的设计方法

技术领域

本发明涉及大型构件形性一体化制造技术领域，特别地，涉及一种多厚度构件蠕变时效成形模具的设计方法。

背景技术

复杂曲面构件(如贮箱瓜瓣等)在采用蠕变时效精确成形工艺中，其成形精度主要依据模具形状以及成形工艺(包括压力、温度、时间)来决定。在实际蠕变时效成形工艺中，在卸载阶段，由于构件存在回弹，且回弹量大小与构件的厚度及结构有较大关系，因此，当曲面薄壁构件厚度发生改变时，原有的模具就不再满足精准成形的要求，需要重新设计或者加工模具会造成大量的人力、财力浪费。

目前采用对模具进行二次修正和调整工艺参数的方法。模具修正通过改变模具有效成形型面实现对新厚度薄壁构件的成形，但这种方法存在较大的弊端。对于构件厚度变大的情况，通常采用去除材料法进行修正，但是受模具设计厚度的限制，而且需要对模具型面进行重新加工，成本较高，时间较长，效率较低；对于构件厚度减少的情况，则不能采用此种方法，以模具修正不能解决构件变薄的问题。调整工艺参数法通过调整蠕变时效成形技术中的压力、温度、时间等参数，对应力大小以及蠕变量进行调控。由于蠕变时效成形属于形性一体化制造技术，温度和时间的调整会影响到最终产品的性能，故一般不考虑调整温度和时间参数。而对于厚度变小的构件，减小压力会造成构件不能有效贴膜，导致成形偏差较大；对于厚度变大的构件，则不能通过此方法解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多厚度构件蠕变时效成形模具的设计方法，对于给出的构件成形范围，通过改变构件整体刚体，以解决背景技术中提出的同一套模具不能用于蠕变时效成形相似形状不同厚度构件的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多厚度构件蠕变时效成形模具的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据目标曲面构件的厚度范围，建立目标曲面构件的三维模型，将目标曲面构件三维模型进行平面展开，并设计与目标曲面构件展开平面形状相适配的坯料，且所述坯料的厚度不小于所述目标曲面构件的厚度范围的最大值；

S2、为所述坯料赋予材料参数与蠕变本构特性，并利用有限元仿真软件模拟蠕变时效成形过程，得到与厚度值最大的所述目标曲面构件相匹配的初步模具型面；

S3、先分别为目标曲面构件厚度范围内的多个其他厚度目标曲面构件各选择多块不同厚度的层叠板，每块层叠板均设置为与其所对应的目标曲面构件展开平面的形状相同、大小相等；再将每块层叠板与所述坯料在厚度方向上叠放在一起置于所述步骤S2中确定的初步模具型面上，通过仿真比对层叠板的厚度选择范围内每一块不同厚度层叠板下目标曲面构件的成形精度，并以目标曲面构件的最终成形精度为依据，为每一块其他厚度目标曲面构件一一选定相适应厚度的层叠板；

S4、根据所述步骤S3获得针对不同厚度目标曲面构件与所需层叠板的厚度的匹配规律和叠放方式；

S5、根据层叠板的匹配规律得到最终模具型面，并根据最终模具型面加工得到能够蠕变时效成形多厚度目标曲面构件的成形模具。

进一步的，所述层叠板的厚度选择范围为目标曲面构件厚度范围内的最大厚度值与当前目标曲面构件的厚度值之差的0.8～1.5倍，且所述层叠板的厚度选择范围为与计算范围边界相邻最近的公差为0.5mm自然数列中的值。

进一步的，所述步骤S3中多个其他厚度目标曲面构件的厚度均匀递减0.5～1mm；也即从厚度值最大的所述目标曲面构件开始，后一个目标曲面构件的厚度和与其相邻的前一个目标曲面构件的厚度差为0.5～1mm。

进一步的，所述目标曲面构件的厚度范围为3～10mm，所述目标曲面构件为椭球面双曲率曲面构件，所述目标曲面构件的材料为铝合金。

进一步的，所述步骤S3中，所述层叠板与所述坯料的材料相同或者不同。

进一步的，所述坯料为2219固溶态铝合金。

进一步的，所述层叠板选用牌号为2A12的铝合金或牌号为2219的铝合金。

进一步的，所述层叠板贴设于所述坯料的下方，并一端固定在所述成形模具上。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明的一种多厚度构件蠕变时效成形模具的设计方法，能够实现同一套模具成形不同结构或者厚度的具有相似几何特征的构件，有效节省了模具设计和加工费用。

(2)、采用本发明方法获得的成形模具用于蠕变时效成形目标曲面构件时，采用模具上定位板料的方式，不需要对用于目标曲面构件成形的铝合金坯料和层叠板进行刚性连接，无需预留余量造成材料浪费，无需对板料进行额外加工耗时费力。

(3)、采用本发明方法获得的成形模具适用范围不受展开后形状限制，同时在成形误差要求不高时，可认为该方法可同时成形两块不同厚度、形状相同的复杂曲面构件，有效提高了生产效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中真空热压罐法蠕变时效成形构件的工装示意图；

图2是本发明层叠板和坯料板与工装配合的局部结构示意图；

所示工装及定位装置配合示意图；

其中，1-层叠板，2-坯料板，3-定位台，4-成形模具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明实施例的一种多厚度构件蠕变时效成形模具的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据目标曲面构件的厚度范围，建立目标曲面构件的三维模型，将目标曲面构件三维模型进行平面展开，并设计与目标曲面构件展开平面形状相适配的坯料，且坯料的厚度不小于目标曲面构件的厚度范围的最大值。

S2、为坯料赋予材料参数与蠕变本构特性，并利用有限元仿真软件模拟蠕变时效成形过程，得到与厚度值最大的目标曲面构件相匹配的初步模具型面。

S3、先分别为目标曲面构件厚度范围内的多个其他厚度目标曲面构件各选择多块不同厚度的层叠板，每块层叠板均设置为与其所对应的目标曲面构件展开平面的形状相同、大小相等；再将每块层叠板与所述坯料在厚度方向上叠放在一起置于所述步骤S2中确定的初步模具型面上，通过仿真比对层叠板的厚度选择范围内每一块不同厚度层叠板下目标曲面构件的成形精度，并以目标曲面构件的最终成形精度为依据，为每一块其他厚度目标曲面构件一一选定相适应厚度的层叠板。所述层叠板的厚度选择范围为目标曲面构件厚度范围内的最大厚度值与当前目标曲面构件的厚度值之差的0.8～1.5倍，且所述层叠板的厚度选择范围为与计算范围边界相邻最近的公差为0.5mm自然数列中的值。需要说明的是，该步骤中厚度在目标曲面构件的厚度范围内，且厚度小于最大目标曲面构件的厚度值的多个目标曲面构件被称为其他厚度目标曲面构件，这些且相邻两个其他厚度目标曲面构件的厚度差为0.5～1mm。也即从厚度值最大的所述目标曲面构件开始，后一个目标曲面构件的厚度和与其相邻的前一个目标曲面构件的厚度差为0.5～1mm。本实施例对于其他形状相同厚度不同的目标曲面构件，可通过改变构件整体刚度和模具型面的方法在成形模具上实现精确成形。具体地，通过改变板料厚度来改变刚度，将另一块与板料形状相同、材料相同或者不同的层叠板至于其上，通过实验测得层叠板材料的应力应变特性与弹性模量输入仿真系统中，通过仿真结果对比，为多个其他厚度目标曲面构件一一选择出合适的匹配厚度的层叠板。并通过将不同厚度的层叠板置于构件下方或上方来改变模具型面，通过仿真对比，选择出合适的匹配厚度。

S4、根据步骤S3获得针对不同厚度目标曲面构件与所需层叠板的厚度的匹配和叠放方式规律。步骤S2和S3可以得到针对不同厚度曲面构件在前述成形模具上蠕变时效成形所需层叠板的厚度以及放置方式的匹配规律，明确该成形模具可适用的成形曲面构件厚度范围以及是否满足设计要求。若适用范围大于所需范围，可按照目标曲面构件厚度上限(无层叠板)所匹配的初步模具确定最终模具型面，同时亦可以考虑将层叠板置于构件之下的方式使适用范围等于所需范围；若适用范围小于所需范围，则需要考虑采用上置刚度更大的层叠板进行匹配(增加弹性模量或者厚度)。

S5、采用上述方法调整后，使模具型面满足产品要求，进行加工得到匹配的成形模具。

实施例

本实施例提供一种多厚度构件蠕变时效成形模具的设计方法，该成形模具用于成形的目标曲面构件的厚度范围为3～10mm，目标曲面构件为铝合金的椭球面双曲率曲面构件。

具体设计方法包括以下步骤：

1、将坯料裁剪为曲面构件展开后平面形状的外接梯形，其尺寸为上底740mm、下底1350mm、高1400mm、厚度为10mm；

2、目标曲面构件的成形材料选用2219固溶态铝合金，其在最佳时效温度165℃下的力学性能与材料参数如下表1所示：

表1 2219固溶态铝合金在时效温度165℃下的力学性能与材料参数

3、将上述2219固溶态铝合金的力学性能与材料参数输入有限元仿真软件中，在有限元仿真软件中模拟蠕变时效成形过程，得到适用的初步模具型面；

4、层叠板材料选用铝合金材料，选用牌号为2A12铝合金，通过实验测得其应力应变特性。

5、将层叠板裁剪为与坯料相同形状和尺寸，优选层叠板在上、坯料在下的方式叠合，通过仿真比对不同厚度层叠板下，曲面构件的最终成形精度，选定相适应厚度的层叠板。其中，层叠板厚度选择范围为(目标曲面构件厚度范围内的最大厚度值-当前目标曲面构件的厚度值)*(0.8～1.5)，厚度范围选择为与计算范围边界相邻最近的公差为0.5mm自然数列中的值。再换用层叠板，重复上述过程，得到结果如下表2所示(单位mm)：

表2与不同厚度目标曲面构件相适应的层叠板厚度

6、满足目标曲面构件的成形范围要求，得到最终的模具型面，进行加工。

结合参见图1和图2所示，采用本发明方法设计的成形模具用于成形某厚度构件成形时，层叠板1和坯料板2按照相应的方式叠放，保证边缘对齐且贴合面平整，用透气毡包裹至无尖锐棱角。采用本发明的成形模具成形目标曲面构件的过程为：

1、将层叠板1和坯料板2共同置于模具上，在成形模具4边缘采用多个内凹形定位台3对其进行定位，内凹形定位台的高度应至少为层叠板和坯料板两块板料厚度之和的1.5倍，多个定位台平行于板料边长方向的长度总和应不少于板料边长的60％，优选定位台材料与模具型面材料相同，采用Q235钢，采用焊接方式连接。其中，根据所成形构件的形状不同，成形模具上定位台位置的选取应保证板料在气压加载过程中不会在水平面内发生滑动。

2、在成形模具四周贴上至少一层高温密封胶，在模具型面上方包覆真空袋，利用热压罐自带真空嘴将板料与成形模具之间抽真空，使板料在气压作用下尽可能贴合成形模具。

3、将构件与成形模具送入热压罐中进行蠕变时效成形，出热压罐后拆去包覆的真空袋和透气毡，取出构件，即完成同模具不同厚度薄壁构件的制作。

4、验证后，可得到针对厚度范围在3-10mm的薄壁复杂曲面构件成形模具以及具体工艺方法。

在本发明优选的实施例中，根据确定的匹配和叠放方式规律，选定实际生产中两块板料所需的厚度和叠放方式，将两块板料在厚度方向上叠放在一起置于前述确定的成形模具上，在成形模具边缘将两块板料进行定位，防止在加载过程中板料之间发生相对滑动，同时保证加载后板料可以准确贴合有效成形区域。

在本发明优选的实施例中，在两块板料外侧包覆透气毡，在成形模具上进行定位，定位后在模具型面与板料上表面包覆真空膜，四周用密封胶密封，通过真空嘴对其中形成的密封空间抽真空。将成形模具与板料整体送入真空热压罐中，进行蠕变时效成形过程，降温卸载后拆开真空膜，取出构件即为所需成形目标形状，从而完成大型曲面构件的精确成形。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多厚度构件蠕变时效成形模具的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据目标曲面构件的厚度范围，建立目标曲面构件的三维模型，将目标曲面构件三维模型进行平面展开，并设计与目标曲面构件展开平面形状相适配的坯料，且所述坯料的厚度不小于所述目标曲面构件的厚度范围的最大值；

S2、为所述坯料赋予材料参数与蠕变本构特性，并利用有限元仿真软件模拟蠕变时效成形过程，得到与厚度值最大的所述目标曲面构件相匹配的初步模具型面；

S3、先分别为目标曲面构件厚度范围内的多个其他厚度目标曲面构件各选择多块不同厚度的层叠板，每块层叠板均设置为与其所对应的目标曲面构件展开平面的形状相同、大小相等；再将每块层叠板与所述坯料在厚度方向上叠放在一起置于所述步骤S2中确定的初步模具型面上，通过仿真比对层叠板的厚度选择范围内每一块不同厚度层叠板下目标曲面构件的成形精度，并以目标曲面构件的最终成形精度为依据，为每一块其他厚度目标曲面构件一一选定相适应厚度的层叠板；

S4、根据所述步骤S3获得针对不同厚度目标曲面构件与所需层叠板的厚度的匹配规律和叠放方式；

S5、根据层叠板的匹配规律得到最终模具型面，并根据最终模具型面加工得到能够蠕变时效成形多厚度目标曲面构件的成形模具。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述层叠板的厚度选择范围为目标曲面构件厚度范围内的最大厚度值与当前目标曲面构件的厚度值之差的0.8～1.5倍，且所述层叠板的厚度选择范围为与计算范围边界相邻最近的公差为0.5mm自然数列中的值。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中多个其他厚度目标曲面构件的厚度均匀递减0.5～1mm；也即从厚度值最大的所述目标曲面构件开始，后一个目标曲面构件的厚度和与其相邻的前一个目标曲面构件的厚度差为0.5～1mm。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述目标曲面构件的厚度范围为3～10mm，所述目标曲面构件为椭球面双曲率曲面构件，所述目标曲面构件的材料为铝合金。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述层叠板与所述坯料的材料相同或者不同。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述坯料为2219固溶态铝合金。

7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述层叠板选用牌号为2A12的铝合金或牌号为2219的铝合金。

8.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述层叠板贴设于所述坯料的下方，并一端固定在所述成形模具上。

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