CN113642180B - 旋压成形状态在线感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能制造技术领域，公开了一种旋压成形状态在线感知方法，本方法基于激光扫描仪获得旋轮作用半径r和凸缘宽度d两个表征曲面件瞬时构形的几何参数；通过单向拉伸试验获得坯料弹性模量E和泊松比μ两个材料参数；根据这四个参数结合瞬时归一化减薄率公式计算曲面件瞬时归一化减薄率；在此基础上，根据瞬时归一化减薄率实现了工件旋压成形状态的在线感知。本发明中曲面件瞬时归一化减薄率公式、瞬时归一化减薄率与旋压成形状态的关系均具有明确的理论和实践基础，能够确保对曲面件旋压成形状态在线感知结果的准确性，可在旋压成形过程中为实时调整工艺参数提供基础依据。

Description

旋压成形状态在线感知方法

技术领域

本发明属于智能制造技术领域，涉及激光在线测量在旋压成形技术中的应用,具体地说是一种旋压成形状态在线感知方法。

背景技术

复杂曲面件具有结构强度高、重量轻、可靠性高等优点，广泛应用于航空航天领域。旋压成形技术是一种先进的塑性成形技术，具有成本低、加工周期短、柔性高等特点，是复杂曲面件的重要成形方式。旋压成形过程中坯料由尾顶和通用夹持模固定并以一定转速旋转，通过对旋压工艺参数的设计和控制，旋轮对坯料施加局部加载作用，产生连续的局部变形进而实现整体成形。由于所成形工件曲面复杂多变、曲率变化大，且没有特定形状芯模的支撑和约束，工件瞬时构形变化规律极其复杂。

此外，旋压成形是一个高度非线性的渐进成形过程，工件瞬时构形动态变化对变形区成形状态产生影响，成形过程中可能产生剪旋状态、剪旋-普旋过渡状态和普旋状态三种旋压成形状态，且随旋压进程动态变化，后继成形强烈依赖于当前状态，表现出显著的时变与遗传影响特征。旋压成形状态一旦调控不当就容易出现壁厚偏差、起皱等成形缺陷。因此，开发旋压成形状态的在线感知技术，对控制曲面件成形缺陷和提高旋压成形质量具有重要意义。

目前，国内外尚无关于旋压成形状态的感知技术，主要问题在于：

一、尚未建立旋压成形过程中，工件瞬时构形和旋压成形参数与旋压成形状态之间的关系。

二、虽然工件瞬时构形在线测量有机器视觉在线测量、超声波在线测量等多种方式，但现仍难以应用在旋压成形过程中，难以真正实现对曲面件瞬时构形的在线测量。1、机器视觉在线测量,基于机器视觉获得无芯模旋压工件瞬时构形需要事先标记工件表面，依靠标记的运动轨迹获得构形信息。然而在旋压过程中，坯料的塑性变形会破坏表面标记，使得曲面件瞬时构形的在线测量难以实现。2、超声波在线测量。超声波在线测量对工件表面质量要求高，且测量头需与旋转工件时刻保持接触，而曲面件旋压过程中坯料处于旋转状态，测量点的位置信息时刻变化，并无法满足超声波在线测量的要求。

发明内容

为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种旋压成形状态在线感知方法，以能够基于激光扫描仪实现对曲面件旋压成形状态的在线精确感知。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种旋压成形状态在线感知方法，在旋压成形过程中，坯料初始厚度t₀已知前提下，提取曲面件瞬时构形的旋轮作用半径r和凸缘宽度d，并获取坯料的弹性模量E和泊松比μ；

利用上述参数计算凸缘内径R_i与外径R₀之比ρ_i和凸缘刚度M_f后，预测曲面件瞬时归一化减薄率

根据曲面件瞬时归一化减薄率

判断曲面件旋压成形状态：

式1中，E的单位为MPa；μ的单位为1；t₀的单位为mm；R₀的单位为mm；ρ_i的单位为1。

作为本发明的限定，凸缘内径R_i与外径R₀之比ρ_i的计算公式如下所示：

式3中，r的单位为mm；d的单位为mm。

作为本发明的进一步限定，凸缘刚度M_f是凸缘发生单位角度转动时需要的外部弯矩值，计算公式如下所示：

作为本发明的另一种限定，曲面件瞬时构形的旋轮作用半径r和凸缘宽度d基于激光扫描仪中提取；坯料的弹性模量E和泊松比μ通过单向拉伸试验获取。

作为本发明的进一步限定，该方法具体包括以下步骤：

S1、机床中安装激光扫描仪，保证激光线垂直入射，有效测量范围覆盖芯模与工件最外侧之间区域；

S2、旋压成形过程中，每隔t秒从激光扫描仪上提取曲面件瞬时构形后，在PC端提取曲面件的旋轮作用半径r和凸缘宽度d；

S3、测量坯料初始厚度t₀，并通过单向拉伸试验获取坯料弹性模量E和泊松比μ；

S4、将步骤S2、步骤S3获取的参数输入PC端，根据式1计算曲面件瞬时归一化减薄率

S5、根据式2判断曲面件旋压成形状态。

作为本发明的再进一步限定，步骤S1中，工件的上侧安装有一台激光扫描仪，并且，所述激光扫描仪的激光线与机床主轴方向相平行。

作为本发明的更进一步限定，激光扫描仪与坯料的垂直距离为280～290mm，激光扫描仪与机床主轴的垂直距离为38～43mm。

本发明基于激光扫描仪获得旋轮作用半径r和凸缘宽度d两个表征曲面件瞬时构形的几何参数；通过单向拉伸试验获得坯料弹性模量E和泊松比μ两个材料参数；根据这四个参数结合瞬时归一化减薄率公式计算曲面件瞬时归一化减薄率；在此基础上，根据瞬时归一化减薄率实现了工件旋压成形状态的在线感知。本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：

(1)本发明中曲面件瞬时归一化减薄率公式、瞬时归一化减薄率与旋压成形状态的关系均具有明确的理论和实践基础，能够确保对曲面件旋压成形状态在线感知结果的准确性；

(2)本发明提供的曲面件旋压成形状态判据，是旋压成形过程中实时调整工艺参数的基础，可降低旋压成形过程中凸缘波动程度，避免起皱缺陷的形成，并调控成形壁厚，进而能实现曲面件的高精度高性能成形；

(3)本发明基于激光扫描仪和PC端，可实现对曲面件旋压成形过程中成形状态的自感知，结合机床中旋压成形工艺参数智能优化和动态执行模块，能够显著提高旋压成形的智能化程度；

(4)本发明基于激光扫描仪获得曲面件瞬时构形，根据曲面件瞬时构形可计算出旋轮作用半径r和凸缘宽度d两个几何参数；能够有效避免机器视觉在线测量表面标记易被破坏、超声波在线测量测量头需与旋转工件时刻保持接触的问题。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。

图1为曲面件旋压成形状态在线感知的装置结构示意图；

图2为曲面件旋压成形状态在线感知曲面件的特征参数示意图；

图3为曲面件旋压凸缘受力状态示意图，其中，图3a为凸缘受力简化模型示意图，图3b为对中面建立柱面坐标系示意图；

图4为曲面件旋压成形状态在线感知的流程图；

图5为实施例3中t时刻曲面件的瞬时构形轮廓图；

图6为实施例4中多方法所得壁厚的数值对照示意图；

图中：1、坯料；2、旋轮；3、尾顶块；4、激光扫描仪；5、芯模。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和理解本发明，并不用于限定本发明。

实施例1曲面件瞬时归一化减薄率公式的推导

本实施例提出了一种新的可直接预测曲面件瞬时归一化减薄率的数学公式，利用旋轮2作用半径r、凸缘宽度d、坯料1的弹性模量E和泊松比μ四个旋压成形过程中的关键参数，即可计算旋压成形过程中曲面件某一时刻的归一化减薄率。该公式的具体推导过程如下：

一、曲面件瞬时构形重要几何参数的确定

曲面件旋压成形过程中工件主要分为两个区域，已成形区和未成形区。其中未成形区为凸缘部分，在成形过程中凸缘宽度特征不断变化，不同工件构形下的凸缘宽度各不相同；同时，旋轮2圆角圆心到芯模5中心轴之间的坯料1已完成了变形，已成形区域的部分逐渐增加，旋轮2作用半径不断变化，因此旋轮2作用半径r和凸缘宽度d是衡量工件瞬时构形的两个重要几何参数，对凸缘刚度M_f有重要影响。

二、凸缘内外径之比ρ_i、凸缘刚度M_f理论计算公式的确定

旋压成形过程中凸缘的受力可简化为内缘受均布弯矩M₀，外缘简支的轴对称圆环薄板弯曲问题。如图2所示，当凸缘(圆环薄板)的内径为R_i，外径为R₀，厚度为T₀时，凸缘内外径之比ρ_i为：

式3中，ρ_i——凸缘内外径之比，单位为1；

R_i——凸缘内径，单位为mm；

R₀——凸缘外径，单位为mm；

r——旋轮2作用半径，单位为mm；

d——凸缘宽度，单位为mm。

由Kirchhoff-Love假设，对凸缘的受力分析可以简化到中面上，对中面建立柱坐标系，计算中面上的内力及变形，参考图3a和图3b。凸缘刚度M_f是凸缘内缘弯矩M与内缘转角的比值。计算公式如下所示：

式4中，E——坯料1的弹性模量，单位为MPa；

μ——坯料1的泊松比，单位为1。

三、曲面件瞬时归一化减薄率公式的确定

凸缘刚度M_f与瞬时归一化减薄率之间存在良好的相关性，凸缘刚度决定了未成形区对变形区的约束作用，进而影响变形区的受力状态和减薄率。凸缘刚度与曲面件瞬时归一化减薄率

之间的关系可表示如下：

将式4带入式1即可得预测曲面件瞬时归一化减薄率

的数学公式：

式1中，t₀——坯料1初始厚度，单位为mm。

四、曲面件旋压成形状态的确定

根据式1预测的曲面件瞬时归一化减薄率

可将曲面件旋压成形状态分为剪旋状态、剪旋-普旋过渡状态和普旋状态，具体判断公式如下：

旋压成形过程中，坯料1初始厚度t₀已知前提下，通过进一步提取曲面件瞬时构形的旋轮2作用半径r和凸缘宽度d，获取坯料1的弹性模量E和泊松比μ；利用式1预测曲面件瞬时归一化减薄率

再利用式2判断曲面件旋压成形状态，即可实现旋压成形状态的在线感知。

实施例2一种旋压成形状态在线感知方法

本实施例基于激光扫描仪4获得曲面件瞬时构形，提取旋轮2作用半径r和凸缘宽度d两个表征曲面件瞬时构形的几何参数；从单向拉伸试验获得坯料1弹性模量E和泊松比μ两个材料参数；根据这四个参数结合实施例1中的式1，预测曲面件瞬时归一化减薄率

在此基础上，根据实施例1中的式2，判断曲面件旋压成形状态，进而实现曲面件旋压成形状态的在线感知。

如图4所示，本实施包括以下步骤，其中，步骤S3也可先于步骤S1、步骤S2进行：

步骤S1、在机床上安装激光扫描仪4，保证激光线垂直入射，有效测量范围覆盖芯模5与工件最外侧之间区域。(坯料1是工件未成形时的初始状态)

本实施例对曲面件旋压成形的机床为现有结构，所不同的仅在于激光扫描仪4的安装。如图1所示，机床上设有用于夹持坯料1的芯模5和尾顶块3，以及用于对坯料1施加局部加载作用，使坯料1产生连续局部变形的旋轮2。其中，机床中坯料1的上侧安装有一台激光扫描仪4，并且激光扫描仪的激光线与机床主轴方向平行。

步骤S2、旋压成形过程中，每隔t秒从激光扫描仪4上提取曲面件瞬时构形后，在PC端提取曲面件的旋轮2作用半径r和凸缘宽度d。

利用激光扫描仪4提取到曲面件的瞬时构形后，对轮廓线进行曲线拟合，计算拟合曲线的一阶导数，判断一阶导数的突变区域，得到旋轮2作用半径r的终止位置，再结合激光扫描仪4的X坐标和所得曲面件瞬时构形的起始点可计算出旋轮2作用半径r和凸缘宽度d。

步骤S3、测量获取坯料1初始厚度t₀，并通过单向拉伸试验获取坯料1弹性模量E和泊松比μ。

步骤S4、将步骤S2、步骤S3获取的参数输入到PC端，根据实施例1中的式3、式4、式5计算曲面件瞬时归一化减薄率

步骤S5、依据实施例1中的式2判断曲面件的旋压成形状态。

当

时，曲面件处于普旋状态；

当

时，曲面件处于剪旋-普旋过渡状态；

当

时，曲面件处于剪旋状态。

实施例3一种旋压成形状态在线感知方法

本实施例以坯料1半径110mm、坯料1厚度1mm、芯模5半径45mm、旋轮2半锥角α为50°的曲面件旋压过程为例，对曲面件旋压成形某一时刻的状态进行判断。其中，坯料1材料选用1060铝合金，初始凸缘宽度d₀＝65mm，初始坯料1厚度t₀＝1mm。具体步骤如下所示：

步骤S1、机床中坯料1上侧安装一台激光扫描仪4，并保证：a、激光扫描仪的激光线与机床主轴方向平行；b、激光扫描仪4与坯料1的垂直距离为280～290mm，激光扫描仪4与机床主轴的垂直距离为38～43mm。

本实施例中，激光扫描仪4与坯料1的垂直距离为285mm，激光扫描仪4与机床主轴的垂直距离为40mm。

步骤S2、旋压成形过程中，t时刻从激光扫描仪4上提取曲面件瞬时构形，如图5所示，由此在PC端提取t时刻曲面件的旋轮2作用半径r＝76.1642mm、凸缘宽度d＝33.8358mm。

步骤S3、对于1060铝合金，通过单向拉伸试验获取弹性模量E＝71700MPa和泊松比μ＝0.33。

步骤S4、利用步骤S2和步骤S3获取的几何参数和材料参数，通过实施例1中的式1、式3、式4计算t时刻曲面件瞬时归一化减薄率

步骤S5、依据实施例1中的式2判断曲面件的旋压成形状态。t时刻，

曲面件处于剪旋状态。

实施例4曲面件瞬时归一化减薄率

公式(式1)的验证实验

S1、实施例3的曲面件旋压成形过程中，利用激光扫描仪4提取t₁～t₁₀10个时刻的瞬时构形，再在PC端分别提取t₁～t₁₀时刻旋轮作用半径r和凸缘宽度d后，通过实施例1中的式1计算t₁～t₁₀每个时刻的曲面件瞬时归一化减薄率

并利用现有的曲面件壁厚计算公式：

计算t₁～t₁₀时刻曲面件的壁厚；

S2、实施例3的曲面件旋压成形过程结束后，从旋压机机床上取下曲面件，利用超声波测厚仪测得凸缘宽度d＝75～103.527mm范围内的壁厚；

S3、在ABAQUS/Explicit平台上开展数值模拟，依据实施例3相关参数成形曲面件，并提取凸缘宽度d＝75～103.527mm范围内的壁厚。

利用上述三种方法所得到的壁厚如图6所示，可以看出数值模拟方法和实验方法所得壁厚接近，而相比于数值模拟方法和实验方法所得壁厚，依据实施例1中曲面件瞬时归一化减薄率

和现有曲面件壁厚计算公式(即本发明提供的公式计算方法)所得壁厚较小。

数值模拟方法所得壁厚与本发明提供的公式计算方法所得壁厚的最大差异为11.4％，平均差异为6.7％，从而说明本发明提供的公式计算方法的结果准确率较高，可满足工程要求。

需要说明的是，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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (7)

1.一种旋压成形状态在线感知方法，其特征在于：在旋压成形过程中，坯料初始厚度t₀已知前提下，提取曲面件瞬时构形的旋轮作用半径r和凸缘宽度d，并获取坯料的弹性模量E和泊松比μ；

利用上述参数计算凸缘内径R_i与外径R₀之比ρ_i和凸缘刚度M_f后，预测曲面件瞬时归一化减薄率

根据曲面件瞬时归一化减薄率

判断曲面件旋压成形状态：

式1中，E的单位为MPa；μ的单位为1；t₀的单位为mm；R₀的单位为mm；ρ_i的单位为1。

2.根据权利要求1所述的旋压成形状态在线感知方法，其特征在于：凸缘内径R_i与外径R₀之比ρ_i的计算公式如下所示：

式3中，r的单位为mm；d的单位为mm。

3.根据权利要求2所述的旋压成形状态在线感知方法，其特征在于：凸缘刚度M_f是凸缘发生单位角度转动时需要的外部弯矩值，计算公式如下所示：

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的旋压成形状态在线感知方法，其特征在于：曲面件瞬时构形的旋轮作用半径r和凸缘宽度d基于激光扫描仪中提取；坯料的弹性模量E和泊松比μ通过单向拉伸试验获取。

5.根据权利要求4所述的旋压成形状态在线感知方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

S1、机床中安装激光扫描仪，保证激光线垂直入射，有效测量范围覆盖芯模与工件最外侧之间区域；

S2、旋压成形过程中，每隔t秒从激光扫描仪上提取曲面件瞬时构形后，在PC端提取曲面件的旋轮作用半径r和凸缘宽度d；

S3、测量坯料初始厚度t₀，并通过单向拉伸试验获取坯料弹性模量E和泊松比μ；

S4、将步骤S2、步骤S3获取的参数输入PC端，根据式1计算曲面件瞬时归一化减薄率

S5、根据式2判断曲面件旋压成形状态。

6.根据权利要求5所述的旋压成形状态在线感知方法，其特征在于：步骤S1中，工件的上侧安装有一台激光扫描仪，并且，所述激光扫描仪的激光线与机床主轴方向相平行。

7.根据权利要求6所述的旋压成形状态在线感知方法，其特征在于：激光扫描仪与坯料的垂直距离为280～290mm，激光扫描仪与机床主轴的垂直距离为38～43mm。

Images