專利名稱：確定筋板形三維構件局部加載成形用不等厚坯料的方法
技術領域：
本發明涉及熱加工領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件局部加載成形用不等厚坯料的方法。
背景技術：
采用高性能輕質合金材料,如鈦合金，和輕量化結構，如薄壁、整體、帶筋等結構，是提高零部件的性能和可靠性、實現裝備輕量化的有效技術途徑。具有高筋薄腹結構的大型筋板類整體構件，有效地提高了結構效率、減輕裝備重量并有具有優異的服役性能，是航空航天飛行器中重要的輕量化承力構件。此類大型復雜構件不僅成形材料難變形而且構件結構復雜、投影面積大，采用傳統塑性成形工藝整體成形這類構件需要巨型壓力機，普遍超出現有設備能力。采用模具分區實現局部加載并結合等溫鍛造能夠有效降低成形載荷、拓展設備能力。但是由于投影面積大以及結構復雜，其塑性成形過程中容易出現折疊、充填不滿等成形缺陷。一般地為了減少無益的材料流動，坯料在水平投影形狀應當接近于鍛件投影形狀。同時為了保證型腔充填、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、結構復雜、并具有極端尺寸配合特征，此類筋板類整體構件鍛造成形全過程的基于數值模擬方法的正向模擬分析需要較長的計算時間。采用基于數值模擬方法的反向模擬以及正向模擬的預成形優化設計方法較為困難，并需要較長的計算時間，限制了此類方法的應用。對于筋板類構件，一般其預成形坯料形狀類似于終鍛件，往往是對終鍛件筋的高、寬、圓角半徑進行放縮來設計預成形坯料(T.阿爾坦等著，陸索譯.現代鍛造——設備、材料和工藝[M],北京:國防工業出版社，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成形還料形狀比較復雜，接近鍛件形狀，難以適用于大型復雜小批量筋板類整體構件的塑性成形。對于此類大型復雜構件，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)根據充填效果將構件分為難成形區和易成形區，根據不同部分的材料體積設計坯料厚度 ，該不等厚坯料改善了型腔充填，但仍有部分區域明顯未充滿。張會等(張會，姚澤坤，戴亮，郭鴻鎮.金屬結構等溫成形過程金屬流動規律與充填性的物理模擬[J].航空制造技術，2007，(I) =73-76,91)應用物理模擬試驗方法確定了 “Z”型界面的鈦合金筋板類構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的局部加載特征，而且實驗方法周期長費用高，特別是對于大型筋板類整體構件，限制了此類方法的應用。張大偉等在Journal Materials Processing Technology 第 210 卷，2 期，258-266頁上發表的 Analysis of local loading forming for titanium-alloy T-shapedcomponents using slab method論文中建立模具分區導致的局部加載狀態下的材料分流層處到筋型腔中心的距離計算公式，具體地如下模具分區導致的局部加載狀態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為材料剪切屈服強度；b為筋寬；1為局部加載寬度；H為加載區坯料厚度；m為常剪切摩擦因子；0；￡為材料未流向筋型腔的腹板區內坯料X軸方向的應力，所述的腹板區內坯料同加載上模和下模同時接觸；q為坯料內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致的局部加載狀態下材料分流層處的計
笪
o對于類似于圖4所示的隔框構件，張大偉等人(張大偉，楊合，孫志超，樊曉光.大型復雜筋板類構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術研討會論文集，2008年12月3-5日，江蘇鹽城104-111)指出根據構件的結構特征該類整體構件可看作為由框形構件6和筋板形構件7整體組合而成。所述的框形構件6的橫截面為“工”字形；兩側側壁為弧形或直線或弧形和直線的組合；兩側側壁之間分布有筋條；兩側之間的距離遠遠小于側壁的長度，根據“形狀分類法”(T.阿爾坦等著，陸索譯.現代鍛造——設備、材料和工藝[M].北京國防工業出版社，1982)該構件可歸為“長形鍛件”，所述“長形鍛件”的一個主尺寸顯著地大于其余二個尺寸；高寬比(h/b > I)顯著的筋條分布密集，區域內的筋條交錯分布。所述的筋板形構件近似矩形；根據“形狀分類法”(T.阿爾坦等著，陸索譯.現代鍛造——設備、材料和工藝[M].北京國防工業出版社，1982)該構件可歸為“盤形鍛件”，所述“盤形鍛件”的三個尺寸中有二個尺寸大致相等，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件稀松，大部分區域的筋條沿一個方向分布。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)根據充填效果將構件分為難成形區和易成形區，也分別對應于上述的框形構件6和筋板形構件7。

發明內容
為克服現有技術中存在的或者部分區域不能充滿，或者沒有考慮到模具分區的局部加載特征，或者成本高的不足，本發明提出了一種確定筋板形三維構件局部加載成形用不等厚坯料的方法。本發明包括以下步驟步驟1，確定構件各區域的界面；根據構件幾何特征和加載變形特征確定各區域的界面；根據構件幾何特征，確定與Y方向垂直的界面和X方向垂直的界面；根據加載變形特征，確定貫穿兩個加載區的界面；
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稱地分布有多個筋條；各簡化界面均位于構件厚度方向的對稱中心線一側，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加載區的界面通過兩個加載步成形；在一個加載區內的界面通過一個加載步成形；若成形第i簡化截面的筋條采用局部加載成形，加載中模具分區位置為分區筋的中心處；確定第i簡化截面的第2筋 第Iii-I筋中的一個筋條為分區筋；步驟3，確定各簡化界面處所需不等厚坯料形狀；通過對簡化界面進行快速分析實現確定簡化界面處所需不等厚坯料形狀；在對簡化界面做快速分析時，取一塊不等厚坯料作為初始坯料，并根據初始坯料確定簡化界面的坯料形狀；對各簡化界面做快速分析中，有三種局部加載狀態和一種整體加載狀態；所述三種局部加載狀態分別是，由于模具部分加載形成的第一種局部加載狀態、由不同腹板區模具的不同深度形成的第二種局部加載狀態，以及由不等厚坯料的階梯狀表面存在的階梯厚度差AH導致的第三種局部加載狀態；在對各簡化界面進行快速分析，以整體下模的各筋型腔處建立局部直角坐標系；所述局部直角坐標系的Y坐標位于所處筋型腔寬度的對稱中心，并且各局部直角坐標系的坐標原點位于該Y坐標與X坐標的交點處；對各簡化界面快速分析時當所分析的簡化界面貫穿兩個加載區時，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.根據簡化界面局部加載成形中的加載狀態確定分流層位置及筋型腔充填材料體積計算公式；根據簡化界面處所需不等厚坯、模具的幾何結構特征，局部加載成形過程中會出現三種局部加載狀態和一種整體加載狀態；第一種局部加載狀態；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位于加載區內靠近分模位置的第一個完整筋型腔到分模位置之間；當這一區域內的坯料同加載上模和下模完全接觸，此時該區域的加載狀態為第一種局部加載狀態；第一種局部加載狀態下，局部加載寬度即為出現第一種局部加載狀態區域內靠近分模位置的第一個完整筋型腔中心到分區筋型腔側壁之間距離的二倍，所述分區筋型腔側壁是該筋型腔出現第一種局部加載狀態一側的側壁；局部加載寬度I在局部加載階段中不變化，出現第一種局部加載狀態區域內的坯料厚度H同上模行程之間是線性關系；采用計算公式(I)計算第一種局部加載狀態下的材料分流層處到筋型腔中心的距離Xk

權利要求
1.一種確定筋板形三維構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，確定構件各區域的界面；根據構件幾何特征和加載變形特征確定各區域的界面；根據構件幾何特征，確定與Y方向垂直的界面和X方向垂直的界面；根據加載變形特征，確定貫穿兩個加載區的界面； 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稱地分布有多個筋條；各簡化界面均位于構件厚度方向的對稱中心線一側，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加載區的界面通過兩個加載步成形；在一個加載區內的界面通過一個加載步成形； 若成形第i簡化截面的筋條采用局部加載成形，加載中模具分區位置為分區筋的中心處；確定第i簡化截面的第2筋 第Iii-I筋中的一個筋條為分區筋； 步驟3，確定各簡化界面處所需不等厚坯料形狀；通過對簡化界面進行快速分析實現確定簡化界面處所需不等厚坯料形狀；在對簡化界面做快速分析時，取一塊不等厚坯料作為初始坯料，并根據初始坯料確定簡化界面的坯料形狀；對各簡化界面做快速分析中，有三種局部加載狀態和一種整體加載狀態；所述三種局部加載狀態分別是，由于模具部分加載形成的第一種局部加載狀態、由不同腹板區模具的不同深度形成的第二種局部加載狀態，以及由不等厚坯料的階梯狀表面存在的階梯厚度差△ H導致的第三種局部加載狀態；在對各簡化界面進行快速分析，以整體下模的各筋型腔處建立局部直角坐標系；所述局部直角坐標系的Y坐標位于所處筋型腔寬度的對稱中心，并且各局部直角坐標系的坐標原點位于該Y坐標與X坐標的交點處； 對各簡化界面快速分析時 當所分析的簡化界面貫穿兩個加載區時，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.根據簡化界面局部加載成形中的加載狀態確定分流層位置及筋型腔充填材料體積計算公式； 根據簡化界面處所需不等厚坯、模具的幾何結構特征，局部加載成形過程中會出現三種局部加載狀態和一種整體加載狀態； 第一種局部加載狀態；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位于加載區內靠近分模位置的第一個完整筋型腔到分模位置之間；當這一區域內的坯料同加載上模和下模完全接觸，此時該區域的加載狀態為第一種局部加載狀態； 第一種局部加載狀態下，局部加載寬度即為出現第一種局部加載狀態區域內靠近分模位置的第一個完整筋型腔中心到分區筋型腔側壁之間距離的二倍，所述分區筋型腔側壁是該筋型腔出現第一種局部加載狀態一側的側壁；局部加載寬度I在局部加載階段中不變化，出現第一種局部加載狀態區域內的坯料厚度H同上模行程之間是線性關系；采用計算公式(I)計算第一種局部加載狀態下的材料分流層處到筋型腔中心的距離Xk
全文摘要
本發明公開了一種確定筋板形三維構件局部加載成形用不等厚坯料的方法。本發明根據成形過程中的各種加載狀態確定了流入筋型腔材料體積的計算公式，實現簡化界面的快速分析，縮短了確定坯料形狀的時間；根據數值模擬結果修改坯料形狀，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B21J1/00GK102632172SQ20121004617
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月28日 優先權日2012年2月28日
發明者張大偉, 楊合, 樊曉光 申請人:西北工業大學