專利名稱：確定筋板形三維構(gòu)件局部加載成形用不等厚坯料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱加工領(lǐng)域中的難變形合金的熱加工鍛造，具體是一種確定筋板形三維構(gòu)件局部加載成形用不等厚坯料的方法。
背景技術(shù)：
采用高性能輕質(zhì)合金材料,如鈦合金，和輕量化結(jié)構(gòu)，如薄壁、整體、帶筋等結(jié)構(gòu)，是提高零部件的性能和可靠性、實(shí)現(xiàn)裝備輕量化的有效技術(shù)途徑。具有高筋薄腹結(jié)構(gòu)的大型筋板類整體構(gòu)件，有效地提高了結(jié)構(gòu)效率、減輕裝備重量并有具有優(yōu)異的服役性能，是航空航天飛行器中重要的輕量化承力構(gòu)件。此類大型復(fù)雜構(gòu)件不僅成形材料難變形而且構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投影面積大，采用傳統(tǒng)塑性成形工藝整體成形這類構(gòu)件需要巨型壓力機(jī)，普遍超出現(xiàn)有設(shè)備能力。采用模具分區(qū)實(shí)現(xiàn)局部加載并結(jié)合等溫鍛造能夠有效降低成形載荷、拓展設(shè)備能力。但是由于投影面積大以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其塑性成形過程中容易出現(xiàn)折疊、充填不滿等成形缺陷。一般地為了減少無益的材料流動(dòng)，坯料在水平投影形狀應(yīng)當(dāng)接近于鍛件投影形狀。同時(shí)為了保證型腔充填、避免成形缺陷，需要改變坯料厚度分布以獲得初步的體積分配。由于尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、并具有極端尺寸配合特征，此類筋板類整體構(gòu)件鍛造成形全過程的基于數(shù)值模擬方法的正向模擬分析需要較長的計(jì)算時(shí)間。采用基于數(shù)值模擬方法的反向模擬以及正向模擬的預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法較為困難，并需要較長的計(jì)算時(shí)間，限制了此類方法的應(yīng)用。對(duì)于筋板類構(gòu)件，一般其預(yù)成形坯料形狀類似于終鍛件，往往是對(duì)終鍛件筋的高、寬、圓角半徑進(jìn)行放縮來設(shè)計(jì)預(yù)成形坯料(T.阿爾坦等著，陸索譯.現(xiàn)代鍛造——設(shè)備、材料和工藝[M],北京:國防工業(yè)出版社，1982 J.C.Choi，B. M. Kim, S. W. Kim.Computer-aided design of blockers for rib-web type forging[J]. Journal MaterialsProcessing Technology, 1995, 54 (1-4) :314-321)。米用以上這些方法獲得的預(yù)成形還料形狀比較復(fù)雜，接近鍛件形狀，難以適用于大型復(fù)雜小批量筋板類整體構(gòu)件的塑性成形。對(duì)于此類大型復(fù)雜構(gòu)件，采用簡單不等厚坯料能夠低成本、有效改善型腔充填。楊合等人(孫念光，楊合，孫志超.大型鈦合金隔框等溫閉式模鍛成形工藝優(yōu)化[J]稀有金屬與工程，2009，38 (7) :1296-1300 ；Z. C. Sun,H. Yang. Forming quality oftitanium alloylarge-scale integral components isothermal local loading[J]. The Arabian Journalfor Science and Engineering, 2009, 34 (IC) :35-45)根據(jù)充填效果將構(gòu)件分為難成形區(qū)和易成形區(qū)，根據(jù)不同部分的材料體積設(shè)計(jì)坯料厚度 ，該不等厚坯料改善了型腔充填，但仍有部分區(qū)域明顯未充滿。張會(huì)等(張會(huì)，姚澤坤，戴亮，郭鴻鎮(zhèn).金屬結(jié)構(gòu)等溫成形過程金屬流動(dòng)規(guī)律與充填性的物理模擬[J].航空制造技術(shù)，2007，(I) =73-76,91)應(yīng)用物理模擬試驗(yàn)方法確定了 “Z”型界面的鈦合金筋板類構(gòu)件整體加載鍛造的不等厚坯料形狀，但是沒有考慮到模具分區(qū)的局部加載特征，而且實(shí)驗(yàn)方法周期長費(fèi)用高，特別是對(duì)于大型筋板類整體構(gòu)件，限制了此類方法的應(yīng)用。張大偉等在Journal Materials Processing Technology 第 210 卷，2 期，258-266頁上發(fā)表的 Analysis of local loading forming for titanium-alloy T-shapedcomponents using slab method論文中建立模具分區(qū)導(dǎo)致的局部加載狀態(tài)下的材料分流層處到筋型腔中心的距離計(jì)算公式，具體地如下模具分區(qū)導(dǎo)致的局部加載狀態(tài)下的下的材料分流層處到筋型腔中心的距離Xk采用公式⑴計(jì)算
_ bI
Xk =-a^Lb/!< ,(I)
x, =— I + b----crl > q
4 L mb J xL=b/2 H其中
ITflK^ / 7 , \
_ 0] aX L/2 =2K + ^f(l~b)q = 2K(l + —)
2b式中K為材料剪切屈服強(qiáng)度；b為筋寬；1為局部加載寬度；H為加載區(qū)坯料厚度；m為常剪切摩擦因子；0；￡為材料未流向筋型腔的腹板區(qū)內(nèi)坯料X軸方向的應(yīng)力，所述的腹板區(qū)內(nèi)坯料同加載上模和下模同時(shí)接觸；q為坯料內(nèi)筋和腹板相交界面上的X軸方向的平均單位壓力，所述的筋和腹板相交界面同筋型腔側(cè)壁重合。為改善型腔充填，采用不等厚坯料。所述不等厚坯料的表面為階梯狀，該階梯的厚度差為AH。但是公式(I)不適用于由該厚度差導(dǎo)致的局部加載狀態(tài)下材料分流層處的計(jì)
笪
o對(duì)于類似于圖4所示的隔框構(gòu)件，張大偉等人(張大偉，楊合，孫志超，樊曉光.大型復(fù)雜筋板類構(gòu)件局部加載等溫成形宏微觀模型[CL第三屆全國精密鍛造學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2008年12月3-5日，江蘇鹽城104-111)指出根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征該類整體構(gòu)件可看作為由框形構(gòu)件6和筋板形構(gòu)件7整體組合而成。所述的框形構(gòu)件6的橫截面為“工”字形；兩側(cè)側(cè)壁為弧形或直線或弧形和直線的組合；兩側(cè)側(cè)壁之間分布有筋條；兩側(cè)之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于側(cè)壁的長度，根據(jù)“形狀分類法”(T.阿爾坦等著，陸索譯.現(xiàn)代鍛造——設(shè)備、材料和工藝[M].北京國防工業(yè)出版社，1982)該構(gòu)件可歸為“長形鍛件”，所述“長形鍛件”的一個(gè)主尺寸顯著地大于其余二個(gè)尺寸；高寬比(h/b > I)顯著的筋條分布密集，區(qū)域內(nèi)的筋條交錯(cuò)分布。所述的筋板形構(gòu)件近似矩形；根據(jù)“形狀分類法”(T.阿爾坦等著，陸索譯.現(xiàn)代鍛造——設(shè)備、材料和工藝[M].北京國防工業(yè)出版社，1982)該構(gòu)件可歸為“盤形鍛件”，所述“盤形鍛件”的三個(gè)尺寸中有二個(gè)尺寸大致相等，并且大于鍛件的高度；高寬比(h/b >I)顯著的筋條的分布較框形構(gòu)件稀松，大部分區(qū)域的筋條沿一個(gè)方向分布。楊合等人(孫念光，楊合，孫志超.大型鈦合金隔框等溫閉式模鍛成形工藝優(yōu)化[J],稀有金屬與工程，2009,38(7) :1296-1300 ;Z. C. Sun，H. Yang. Forming quality oftitanium alloy large-scale integral components isothermal local loading [J]. TheArabian Journal for Science and Engineering, 2009, 34 (IC) :35-45)根據(jù)充填效果將構(gòu)件分為難成形區(qū)和易成形區(qū)，也分別對(duì)應(yīng)于上述的框形構(gòu)件6和筋板形構(gòu)件7。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的或者部分區(qū)域不能充滿，或者沒有考慮到模具分區(qū)的局部加載特征，或者成本高的不足，本發(fā)明提出了一種確定筋板形三維構(gòu)件局部加載成形用不等厚坯料的方法。本發(fā)明包括以下步驟步驟1，確定構(gòu)件各區(qū)域的界面；根據(jù)構(gòu)件幾何特征和加載變形特征確定各區(qū)域的界面；根據(jù)構(gòu)件幾何特征，確定與Y方向垂直的界面和X方向垂直的界面；根據(jù)加載變形特征，確定貫穿兩個(gè)加載區(qū)的界面；
步驟2，簡化確定的界面；所確定的各界面上表面和下表面均對(duì)稱地分布有多個(gè)筋條；各簡化界面均位于構(gòu)件厚度方向的對(duì)稱中心線一側(cè)，將各簡化界面分別記為第i簡化截面，其中i = I m ;將第i簡化界面內(nèi)的各筋條分別記為第j筋，j = I Iii ;所述的各簡化界面中貫穿兩個(gè)加載區(qū)的界面通過兩個(gè)加載步成形；在一個(gè)加載區(qū)內(nèi)的界面通過一個(gè)加載步成形；若成形第i簡化截面的筋條采用局部加載成形，加載中模具分區(qū)位置為分區(qū)筋的中心處；確定第i簡化截面的第2筋 第Iii-I筋中的一個(gè)筋條為分區(qū)筋；步驟3，確定各簡化界面處所需不等厚坯料形狀；通過對(duì)簡化界面進(jìn)行快速分析實(shí)現(xiàn)確定簡化界面處所需不等厚坯料形狀；在對(duì)簡化界面做快速分析時(shí)，取一塊不等厚坯料作為初始坯料，并根據(jù)初始坯料確定簡化界面的坯料形狀；對(duì)各簡化界面做快速分析中，有三種局部加載狀態(tài)和一種整體加載狀態(tài)；所述三種局部加載狀態(tài)分別是，由于模具部分加載形成的第一種局部加載狀態(tài)、由不同腹板區(qū)模具的不同深度形成的第二種局部加載狀態(tài)，以及由不等厚坯料的階梯狀表面存在的階梯厚度差A(yù)H導(dǎo)致的第三種局部加載狀態(tài)；在對(duì)各簡化界面進(jìn)行快速分析，以整體下模的各筋型腔處建立局部直角坐標(biāo)系；所述局部直角坐標(biāo)系的Y坐標(biāo)位于所處筋型腔寬度的對(duì)稱中心，并且各局部直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于該Y坐標(biāo)與X坐標(biāo)的交點(diǎn)處；對(duì)各簡化界面快速分析時(shí)當(dāng)所分析的簡化界面貫穿兩個(gè)加載區(qū)時(shí)，若成形第i簡化截面的筋條采用局部加載成形，具體過程a.根據(jù)簡化界面局部加載成形中的加載狀態(tài)確定分流層位置及筋型腔充填材料體積計(jì)算公式；根據(jù)簡化界面處所需不等厚坯、模具的幾何結(jié)構(gòu)特征，局部加載成形過程中會(huì)出現(xiàn)三種局部加載狀態(tài)和一種整體加載狀態(tài)；第一種局部加載狀態(tài)；坯料下表面與下模具配合；下模具表面有筋條的成形型腔；所述的第一種局部加載狀態(tài)位于加載區(qū)內(nèi)靠近分模位置的第一個(gè)完整筋型腔到分模位置之間；當(dāng)這一區(qū)域內(nèi)的坯料同加載上模和下模完全接觸，此時(shí)該區(qū)域的加載狀態(tài)為第一種局部加載狀態(tài)；第一種局部加載狀態(tài)下，局部加載寬度即為出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)區(qū)域內(nèi)靠近分模位置的第一個(gè)完整筋型腔中心到分區(qū)筋型腔側(cè)壁之間距離的二倍，所述分區(qū)筋型腔側(cè)壁是該筋型腔出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)一側(cè)的側(cè)壁；局部加載寬度I在局部加載階段中不變化，出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)區(qū)域內(nèi)的坯料厚度H同上模行程之間是線性關(guān)系；采用計(jì)算公式(I)計(jì)算第一種局部加載狀態(tài)下的材料分流層處到筋型腔中心的距離Xk

權(quán)利要求
1.一種確定筋板形三維構(gòu)件局部加載成形用不等厚坯料的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1，確定構(gòu)件各區(qū)域的界面；根據(jù)構(gòu)件幾何特征和加載變形特征確定各區(qū)域的界面；根據(jù)構(gòu)件幾何特征，確定與Y方向垂直的界面和X方向垂直的界面；根據(jù)加載變形特征，確定貫穿兩個(gè)加載區(qū)的界面； 步驟2，簡化確定的界面；所確定的各界面上表面和下表面均對(duì)稱地分布有多個(gè)筋條；各簡化界面均位于構(gòu)件厚度方向的對(duì)稱中心線一側(cè)，將各簡化界面分別記為第i簡化截面，其中i = I m;將第i簡化界面內(nèi)的各筋條分別記為第j筋，j = I Iii ; 所述的各簡化界面中貫穿兩個(gè)加載區(qū)的界面通過兩個(gè)加載步成形；在一個(gè)加載區(qū)內(nèi)的界面通過一個(gè)加載步成形； 若成形第i簡化截面的筋條采用局部加載成形，加載中模具分區(qū)位置為分區(qū)筋的中心處；確定第i簡化截面的第2筋 第Iii-I筋中的一個(gè)筋條為分區(qū)筋； 步驟3，確定各簡化界面處所需不等厚坯料形狀；通過對(duì)簡化界面進(jìn)行快速分析實(shí)現(xiàn)確定簡化界面處所需不等厚坯料形狀；在對(duì)簡化界面做快速分析時(shí)，取一塊不等厚坯料作為初始坯料，并根據(jù)初始坯料確定簡化界面的坯料形狀；對(duì)各簡化界面做快速分析中，有三種局部加載狀態(tài)和一種整體加載狀態(tài)；所述三種局部加載狀態(tài)分別是，由于模具部分加載形成的第一種局部加載狀態(tài)、由不同腹板區(qū)模具的不同深度形成的第二種局部加載狀態(tài)，以及由不等厚坯料的階梯狀表面存在的階梯厚度差△ H導(dǎo)致的第三種局部加載狀態(tài)；在對(duì)各簡化界面進(jìn)行快速分析，以整體下模的各筋型腔處建立局部直角坐標(biāo)系；所述局部直角坐標(biāo)系的Y坐標(biāo)位于所處筋型腔寬度的對(duì)稱中心，并且各局部直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于該Y坐標(biāo)與X坐標(biāo)的交點(diǎn)處； 對(duì)各簡化界面快速分析時(shí) 當(dāng)所分析的簡化界面貫穿兩個(gè)加載區(qū)時(shí)，若成形第i簡化截面的筋條采用局部加載成形，具體過程 a.根據(jù)簡化界面局部加載成形中的加載狀態(tài)確定分流層位置及筋型腔充填材料體積計(jì)算公式； 根據(jù)簡化界面處所需不等厚坯、模具的幾何結(jié)構(gòu)特征，局部加載成形過程中會(huì)出現(xiàn)三種局部加載狀態(tài)和一種整體加載狀態(tài)； 第一種局部加載狀態(tài)；坯料下表面與下模具配合；下模具表面有筋條的成形型腔；所述的第一種局部加載狀態(tài)位于加載區(qū)內(nèi)靠近分模位置的第一個(gè)完整筋型腔到分模位置之間；當(dāng)這一區(qū)域內(nèi)的坯料同加載上模和下模完全接觸，此時(shí)該區(qū)域的加載狀態(tài)為第一種局部加載狀態(tài)； 第一種局部加載狀態(tài)下，局部加載寬度即為出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)區(qū)域內(nèi)靠近分模位置的第一個(gè)完整筋型腔中心到分區(qū)筋型腔側(cè)壁之間距離的二倍，所述分區(qū)筋型腔側(cè)壁是該筋型腔出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)一側(cè)的側(cè)壁；局部加載寬度I在局部加載階段中不變化，出現(xiàn)第一種局部加載狀態(tài)區(qū)域內(nèi)的坯料厚度H同上模行程之間是線性關(guān)系；采用計(jì)算公式(I)計(jì)算第一種局部加載狀態(tài)下的材料分流層處到筋型腔中心的距離Xk
全文摘要
本發(fā)明公開了一種確定筋板形三維構(gòu)件局部加載成形用不等厚坯料的方法。本發(fā)明根據(jù)成形過程中的各種加載狀態(tài)確定了流入筋型腔材料體積的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)簡化界面的快速分析，縮短了確定坯料形狀的時(shí)間；根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果修改坯料形狀，確定滿足充填要求的不等厚坯料，降低了成本；確定的不等厚坯料體積分配合理，消除成形過程中存在的充不滿、折疊等缺陷，減少加工余量，降低了成形載荷，并且坯料形狀簡單易于制坯。
文檔編號(hào)B21J1/00GK102632172SQ20121004617
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者張大偉, 楊合, 樊曉光 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)