專利名稱：壓彎、點熱源復(fù)合成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈑金結(jié)構(gòu)件尤其是尺寸大、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的難成形
4反金結(jié)構(gòu)件的彎曲成形方法。 背景4支術(shù)
工程上有這樣一類鈑金零件，譬如飛機(jī)的蒙皮和整體(蒙皮與支撐 筋條一體化)壁板零件、火箭的整體燃料箱零件、船舶的船舷和曱板零 件以及汽車的覆蓋件等，需要采取壓彎或滾彎方式成形，滾彎是壓彎的 另 一種形式，指成形零件可以在被壓彎的同時隨支撐輥轉(zhuǎn)動。
壓彎或滾彎是目前壁板成形的主要方法。該方法利用三點彎曲方式 成形壁板，壁;f反由兩個支撐點所支撐，加載裝置控制壓頭在壁板上預(yù)定 的位置加載。壁板在載荷的作用下產(chǎn)生塑性變形，從而得到預(yù)期的幾何 外形。壓彎成形可以是一次成形也可以是多次或增量式成形(通過多次、 逐步的加載方法使坯件成形)。載荷大小和加載位置，以及加載次序都是 成形中需要考慮的問題。
對于飛機(jī)蒙皮和壁板類零件，由于尺寸大、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，采用該 方法變形量小、成形難度大、不能成形局部變形量大和筋條高的零件。 其主要體現(xiàn)是變形抗力大、回彈量大、易出現(xiàn)變形損傷(如筋條起皺 和開裂等)、成形精度較差。為了滿足其尺寸和形狀精度要求，對這類零 件往往需要采取小量變形多次退火的辦法成形，之后還需要根據(jù)經(jīng)驗采 用"人工錘敲"、"皮條抽打，，或"噴丸，，等手段進(jìn)行微調(diào)。但是，"人工 錘敲"、"皮條抽打，，往往依賴于加工者的經(jīng)驗，不易實現(xiàn)制造自動化。 除此之外，"人工錘敲"、"皮條抽打"容易在工件表面留下?lián)p傷，成為安 全隱患。大型民用飛機(jī)是絕對不允許"人工錘敲"、"皮條抽打，，的。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的問題，本發(fā)明提供了一種壓彎、點熱源復(fù)合成形方 法，該方法排除了成形過程中的人為影響和對操作人員經(jīng)驗的依賴，從
而實現(xiàn)成形工藝的自動化和智能化。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種壓彎點熱源復(fù)合成形方法，包括如下
步驟1)建立成形材料的力學(xué)性能和熱物性的相關(guān)性能參數(shù)、成形零件 的結(jié)構(gòu)、尺寸和形狀數(shù)據(jù)庫，以及材料在多物理場作用下的響應(yīng)規(guī)律， 建立計算平臺和專家系統(tǒng)，并通過該計算平臺對坯件的虛擬加工，對難 成形、需要點熱源加工的位置以及點熱源加工參數(shù)進(jìn)行預(yù)判斷，即通過 對加工過程的模擬得出點熱源的技術(shù)參數(shù)、需要點熱源加工的區(qū)域和軌 跡，以及加工時坯^f牛的約束條件；
2) 將步驟1)中的各項條件通過計算機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成點熱源加工 的各項工藝參數(shù)；
3) 在機(jī)械加工時，根據(jù)步驟2)中的參數(shù)通過計算機(jī)控制系統(tǒng)控制 進(jìn)行點熱源輔助加工以達(dá)到預(yù)期的成形效果；
4) 在步驟3)加工的同時，用于測量坯件狀態(tài)的傳感器向控制系統(tǒng) 反饋變形過程中的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，計算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)及時修 正工藝參數(shù)，從而在整個加工過程中形成閉環(huán)控制。
進(jìn)一步，所述步驟2)中點熱源加工的各項工藝參數(shù)包括能量、時間、 空間坐標(biāo)、速度、軌跡。
本發(fā)明通過在傳統(tǒng)機(jī)械成形大型件的過程中采用點熱源進(jìn)行加工， 可以對在機(jī)械成形過程中出現(xiàn)的難以變形的地方進(jìn)行^艮好地處理，因此 克服了機(jī)械成形可能帶來成形件損傷甚至破壞的缺點，主要包括如下兩 個方面第一、點熱源與材料之間的相互作用使成形件局部區(qū)域的變形 抗力下降由于點熱源產(chǎn)生的能量注入，材料在高溫下的結(jié)構(gòu)、組織發(fā) 生改變，材料的塑性流動能力增強(qiáng)，成形過程中的變形抗力下降，有助 于成形；第二、利用點熱源所產(chǎn)生的溫度梯度局部成形，材料對于不同 的溫度有著不同的響應(yīng) 一般來說，成形過程中處于溫度高的部分材料 變形較大，相反的，處于溫度低的部分變形相對較小，而這個差異足以 使坯件發(fā)生彎曲，改變作用強(qiáng)度，作用時間以及邊界條件可以控制其彎 曲方向和彎曲程度，并且坯件成形后有較好的定形性。


圖1為本發(fā)明對于鈥合金板彎曲時的對比效果圖。
具體實施例方式
本發(fā)明可以分為成形和精調(diào)兩種工作方案。所謂成形方案是在壓彎 (滾彎)成形的同時，向零件的難變形部位輸入點熱源能量。采用該方 法成形時，由點熱源能量轉(zhuǎn)變的熱能既可以降低點熱源作用區(qū)材料的變 形抗力，又可以通過其在零件厚度方向上建立的非均勻熱應(yīng)力場輔助零 件成形，因此能夠顯著提高上述成形件的壓彎成形量以及成形效率和成 形精度。難變形部位可以通過對成形零件的計算機(jī)模擬獲得。所謂精調(diào) 方案是對采用壓彎或上述壓彎點熱源復(fù)合方法成形但其成形精度尚未達(dá) 到設(shè)計要求的零件，向其對應(yīng)的彈性內(nèi)能集中區(qū)域輸入點熱源能量。其 精調(diào)作用是利用點熱源有選擇性的加熱作用區(qū)材料，使該區(qū)域的彈性內(nèi) 能因材料變形抗力降低以塑性變形的方式釋放來實現(xiàn)的。由于彈性內(nèi)能 集中區(qū)的位置以及精調(diào)所需點熱源能量的大小、注入方式和路徑均可以 通過計算機(jī)模擬確定并用機(jī)械手精準(zhǔn)實現(xiàn)，因此采用本方法的調(diào)整精度 明顯高于上述"人工錘敲"、"皮條抽打"和"噴丸"等方法。
大型結(jié)構(gòu)件在機(jī)械成形過程中會出現(xiàn)難以變形的地方，即，如果材 料抵抗變形的能力較強(qiáng)，而且在成形中局部的變形需求比較大，那么在 這些地方機(jī)械成形就顯示出了局限性。如果不斷加大載荷以適應(yīng)成形需 求，這有可能帶來成形件損傷更甚至破壞。本發(fā)明壓彎點熱源復(fù)合成形， 通過利用點熱源的單色性和穩(wěn)定性好、能量密度高、無污染、控制精度 高、可以很方便地實現(xiàn)成形加工的柔性化、自動化以及數(shù)字化和智能化 等特點，利用計算機(jī)模擬以及傳感器的反饋信號，對這些難于成形的局 部區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控、跟蹤和復(fù)合成形。在該過程中，點熱源在兩個方面起 到了作用，第一，點熱源與材料之間的相互作用使成形件局部區(qū)域的變
形抗力下降由于點熱源產(chǎn)生的能量注入，材料在高溫下的結(jié)構(gòu)、組織 發(fā)生改變，材料的塑性流動能力增強(qiáng)，成形過程中的變形抗力下降，有 助于成形。第二，利用點熱源所產(chǎn)生的溫度梯度局部成形材料對于不 同的溫度有著不同的響應(yīng)， 一般來說，成形過程中處于溫度高的部分材 料變形較大，相反的，處于溫度低的部分變形相對較小，而這個差異足 以使坯件發(fā)生彎曲，改變作用強(qiáng)度，作用時間可以控制其彎曲方向和彎 曲程度，并且坯件成形后有較好的定形性。 具體操作如下
1) 建立成形材料的力學(xué)性能和熱物性等相關(guān)性能參數(shù)以及成形零件 的結(jié)構(gòu)、尺寸和形狀數(shù)據(jù)庫，以及材料在多物理場(機(jī)械載荷、熱載荷) 的作用下的響應(yīng)規(guī)律，建立計算平臺和專家系統(tǒng)。并通過該計算平臺對 坯件的虛擬加工，對難成形、需要點熱源加工的位置以及點熱源加工參 數(shù)進(jìn)行預(yù)判斷，即通過對加工過程的模擬得出點熱源的技術(shù)參數(shù)、需要 點熱源加工的區(qū)域和軌跡，以及加工時坯件的約束條件；
2) 將步驟1)中的各項條件通過計算機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成點熱源加工 的能量、時間、空間坐標(biāo)、速度、軌跡等工藝參數(shù)；
3) 在機(jī)械加工時，根據(jù)步驟2)中的參數(shù)通過計算機(jī)控制系統(tǒng)控制 進(jìn)行點熱源輔助加工以達(dá)到預(yù)期的成形效果；
4) 在步驟3)加工的同時，用于測量坯件狀態(tài)的傳感器向控制系統(tǒng) 反饋應(yīng)力、應(yīng)變等實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，計算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)及時修 正工藝參數(shù)，從而在整個加工過程中形成閉環(huán)控制。
5) 對于精調(diào)工作方案，首先檢測待精調(diào)零件的形狀、尺寸與設(shè)計零 件的差異，然后根據(jù)l)、 2)、 3)、 4)確定精調(diào)方案，包括確定需要注入 點熱源能量的量級、部位、方式和軌跡等參數(shù)。精調(diào)工作可重復(fù)進(jìn)行， 直至成形零件達(dá)到設(shè)計要求為止。
點熱源的熱作用可以顯著提高材料的成形性能和定型性，在壓彎4mm 時，可以將鈦合金成形量由0 (無點熱源作用)變成了 2. 4鵬和3. lmm。 對于其他材料如鋁合金最高有43%的提高，ST14鋼板最高有56%的提高。 如圖1所示，1為未經(jīng)過點熱源加工的鈦合金板在壓彎24ran后的最終形 態(tài)，可以看到回彈量較大，2為鈦合金板在本發(fā)明方法的作用下壓彎24mm 后的最終狀態(tài)，可以看出回彈量顯著降低。圖中鈦合金板長度為150mm。
上述點熱源可采用激光、等離子束、火焰、感應(yīng)加熱或者電子束等。
權(quán)利要求
1、一種壓彎點熱源復(fù)合成形方法，其特征在于，包括如下步驟1)建立成形材料的力學(xué)性能和熱物性的相關(guān)性能參數(shù)、成形零件的結(jié)構(gòu)、尺寸和形狀數(shù)據(jù)庫，以及材料在多物理場作用下的響應(yīng)規(guī)律，建立計算平臺和專家系統(tǒng)，并通過該計算平臺對坯件的虛擬加工，對難成形、需要點熱源加工的位置以及點熱源加工參數(shù)進(jìn)行預(yù)判斷，即通過對加工過程的模擬得出點熱源的技術(shù)參數(shù)、需要點熱源加工的區(qū)域和軌跡，以及加工時坯件的約束條件；2)將步驟1)中的各項條件通過計算機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成點熱源加工的各項工藝參數(shù)；3)在機(jī)械加工時，根據(jù)步驟2)中的參數(shù)通過計算機(jī)控制系統(tǒng)控制進(jìn)行點熱源輔助加工以達(dá)到預(yù)期的成形效果；4)在步驟3)加工的同時，用于測量坯件狀態(tài)的傳感器向控制系統(tǒng)反饋變形過程中的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，計算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)及時修正工藝參數(shù)，從而在整個加工過程中形成閉環(huán)控制。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓彎點熱源復(fù)合成形方法，其特征在于，所述 步驟2)中點熱源加工的各項工藝參數(shù)包括能量、時間、空間坐標(biāo)、速度、 軌跡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓彎點熱源復(fù)合成形方法為1)首先通過計算平臺對坯件進(jìn)行模擬加工，對難于成形的局部區(qū)域進(jìn)行預(yù)判斷；2)根據(jù)步驟1)中得到點熱源加工參數(shù)；3)在機(jī)械式加工時，根據(jù)步驟2)中的參數(shù)通過計算機(jī)控制系統(tǒng)控制點熱源進(jìn)行復(fù)合加工；4)在步驟3)加工的同時，用于測量坯件狀態(tài)的傳感器向控制系統(tǒng)反饋應(yīng)力、應(yīng)變等實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過在傳統(tǒng)機(jī)械成形大型件的過程中采用點熱源進(jìn)行壓彎點熱源復(fù)合成形，可以對在機(jī)械成形過程中出現(xiàn)的難以變形的地方進(jìn)行很好地處理，因此克服了機(jī)械成形可能帶來成形件損傷更甚至破壞的缺點。
文檔編號G05B19/02GK101101481SQ20071011809
公開日2008年1月9日 申請日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月28日
發(fā)明者吳臣武, 青 彭, 王秀鳳, 羅耕星, 陳光南 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所