专利名称：确定三维框形构件局部加载成形用不等厚坯料的方法
技术领域：
本发明涉及热加工领域中的难变形合金的热加工锻造，具体是一种确定框形三维构件局部加载成形用不等厚坯料的方法。
背景技术：
采用高性能轻质合金材料,如钛合金，和轻量化结构，如薄壁、整体、带筋等结构， 是提高零部件的性能和可靠性、实现装备轻量化的有效技术途径。具有高筋薄腹结构的大型筋板类整体构件，有效地提高了结构效率、减轻装备重量并有具有优异的服役性能，是航空航天飞行器中重要的轻量化承力构件。此类大型复杂构件不仅成形材料难变形而且构件结构复杂、投影面积大，采用传统塑性成形工艺整体成形这类构件需要巨型压力机，普遍超出现有设备能力。采用模具分区实现局部加载并结合等温锻造能够有效降低成形载荷、拓展设备能力。但是由于投影面积大以及结构复杂，其塑性成形过程中和容易出现折叠、充填不满等成形缺陷。一般地为了减少无益的材料流动，坯料在水平投影形状应当接近于锻件投影形状。同时为了保证型腔充填、避免成形缺陷，需要改变坯料厚度分布以获得初步的体积分配。由于尺寸大、结构复杂、并具有极端尺寸配合特征，此类筋板类整体构件锻造成形全过程的基于数值模拟方法的正向模拟分析需要较长的计算时间。采用基于数值模拟方法的反向模拟以及正向模拟的预成形优化设计方法较为困难，并需要较长的计算时间，限制了此类方法的应用。对于筋板类构件，一般其预成形坯料形状类似于终锻件，往往是对终锻件筋的高、宽、圆角半径进行放缩来设计预成形坯料(T.阿尔坦等著，陆索译.现代锻造——设备、材料和工艺[M],北京:国防工业出版社，1982 J.C.Choi，B. M. Kim, S. ff. Kim. Computer-aided design of blockers for rib-web type forging[J]. Journal Materials Processing Technology, 1995, 54 (1-4) :314-321)。米用以上这些方法获得的预成形还料形状比较复杂，接近锻件形状，难以适用于大型复杂小批量筋板类整体构件的塑性成形。对于此类大型复杂构件，采用简单不等厚坯料能够降低成本、有效改善型腔充填。 杨合等人(孙念光，杨合，孙志超.大型钛合金隔框等温闭式模锻成形工艺优化[J].稀有金属与工程，2009, 38 (7) :1296-1300 ；Z. C. Sun, H. Yang. Forming quality of titanium alloy large-scale integral components isothermal local loading[J]. The Arabian Journal for Science and Engineering, 2009, 34 (IC) :35-45)根据充填效果将构件分为难成形区和易成形区，根据不同部分的材料体积设计坯料厚度，该不等厚坯料改善了型腔充填，但仍有部分区域明显未充满。张会等(张会，姚泽坤，戴亮，郭鸿镇.金属结构等温成形过程金属流动规律与充填性的物理模拟[J].航空制造技术，2007，(I) =73-76,91)应用物理模拟试验方法确定了 “Z”型界面的钛合金筋板类构件整体加载锻造的不等厚坯料形状，但是没有考虑到模具分区的局部加载特征，而且实验方法周期长费用高，特别是对于大型筋板类整体构件，限制了此类方法的应用。张大伟等在Journal Materials Processing Technology 第 210 卷，2 期，258-266页上发表的 Analysis of local loading forming for titanium-alloy T-shaped components using slab method论文中建立模具分区导致的局部加载状态下的材料分流层处到筋型腔中心的距离计算公式，具体地如下 模具分区导致的局部加载状态下的下的材料分流层处到筋型腔中心的距离Xk采用公式⑴计算其中σ I
b/2 _ V
,ττ2\⑴
I -\-b----σ-J …> q
mb
=δ/2
q = 2K(l + —) 2b
式中κ为材料剪切屈服强度；b为筋宽；1为局部加载宽度；H为加载区坯料厚度； m为常剪切摩擦因子；0；￡为材料未流向筋型腔的腹板区内坯料X轴方向的应力，所述的腹板区内坯料同加载上模和下模同时接触；q为坯料内筋和腹板相交界面上的X轴方向的平均单位压力，所述的筋和腹板相交界面同筋型腔侧壁重合。为改善型腔充填，采用不等厚坯料。所述不等厚坯料的表面为阶梯状，该阶梯的厚度差为ΛΗ。但是公式(I)不适用于由该厚度差导致的局部加载状态下材料分流层处的计
笪
ο对于类似于图4所示的隔框构件，张大伟等人(张大伟，杨合，孙志超，樊晓光.大型复杂筋板类构件局部加载等温成形宏微观模型[CL第三届全国精密锻造学术研讨会论文集，2008年12月3-5日，江苏盐城104-111)指出根据构件的结构特征该类整体构件可看作为由框形构件6和筋板形构件7整体组合而成。所述的框形构件6的横截面为“工”字形；两侧侧壁为弧形或直线或弧形和直线的组合；两侧侧壁之间分布有筋条；两侧之间的距离远远小于侧壁的长度，根据“形状分类法”(T.阿尔坦等著，陆索译.现代锻造——设备、材料和工艺[Μ].北京国防工业出版社， 1982)该构件可归为“长形锻件”，所述“长形锻件”的一个主尺寸显著地大于其余二个尺寸； 高宽比(h/b > I)显著的筋条分布密集，区域内的筋条交错分布。所述的筋板形构件近似矩形；根据“形状分类法”(T.阿尔坦等著，陆索译.现代锻造——设备、材料和工艺[Μ].北京国防工业出版社，1982)该构件可归为“盘形锻件”，所述“盘形锻件”的三个尺寸中有二个尺寸大致相等，并且大于锻件的另一尺寸；高宽比(h/b > D显著的筋条的分布较框形构件稀松，大部分区域的筋条沿一个方向分布。杨合等人(孙念光，杨合，孙志超.大型钛合金隔框等温闭式模锻成形工艺优化 [J],稀有金属与工程，2009,38(7) :1296-1300 ;Z. C. Sun，H. Yang. Forming quality of titanium alloy large-scale integral components isothermal local loading[J]. The Arabian Journal for Science and Engineering, 2009, 34 (IC) :35-45)根据充填效果将构件分为难成形区和易成形区，也分别对应于上述的框形构件6和筋板形构件7。
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发明内容
为克服现有技术中存在的或者部分区域不能充满，或者没有考虑到模具分区的局部加载特征，或者成本高的不足，本发明提出了一种确定三维框形构件局部加载成形用不等厚坯料的方法。本发明包括以下步骤步骤1，确定构件的界面；界面由弧形界面和同X方向垂直的直线界面两部分组成并贯穿两个加载区；所述的界面平行于构件宽度的中心线步骤2，简化确定的界面；所确定的界面上表面和下表面均对称地分布有多个筋条；以构件厚度方向的对称中心线一侧为简化界面，并将该简化界面内的各筋条分别记为第i筋，i = I η ;成形简化界面的筋条采用局部加载成形，加载中模具分区位置为分区筋的中心处；确定第2筋 第η-I筋中的一个筋条为分区筋；步骤3，确定简化界面处所需不等厚坯料形状；通过对简化界面进行快速分析实现确定简化界面处所需不等厚坯料形状；在对简化界面做快速分析时，取一块不等厚坯料作为初始坯料，并根据初始坯料确定简化界面的坯料形状；对简化界面做快速分析中，有三种局部加载状态和一种整体加载状态；所述三种局部加载状态分别是，由于模具部分加载形成的第一种局部加载状态、由不同腹板区模具的不同深度形成的第二种局部加载状态， 以及由不等厚坯料的阶梯状表面存在的阶梯厚度差△ H导致的第三种局部加载状态；在对各简化界面进行快速分析，以整体下模的各筋型腔处建立局部直角坐标系；所述局部直角坐标系的Y坐标位于所处筋型腔宽度的对称中心，并且各局部直角坐标系的坐标原点位于该Y坐标与X坐标的交点处；对简化界面进行快速分析，确定简化界面的坯料形状；具体过程a.根据简化界面局部加载成形中的加载状态确定分流层位置及筋型腔充填材料体积计算公式；根据简化界面处所需不等厚坯、模具的几何结构特征，局部加载成形过程中会出现三种局部加载状态和一种整体加载状态；第一种局部加载状态；坯料下表面与下模具配合；下模具表面有筋条的成形型腔；所述的第一种局部加载状态位于加载区内靠近分模位置的第一个完整筋型腔到分模位置之间；当这一区域内的坯料同加载上模和下模完全接触，此时该区域的加载状态为第一种局部加载状态；第一种局部加载状态下，局部加载宽度即为出现第一种局部加载状态区域内靠近分模位置的第一个完整筋型腔中心到分区筋型腔侧壁之间距离的二倍，所述分区筋型腔侧壁是该筋型腔出现第一种局部加载状态一侧的侧壁；局部加载宽度I在局部加载阶段中不变化，出现第一种局部加载状态区域内的坯料厚度H同上模行程之间是线性关系；采用计算公式(I)计算第一种局部加载状态下的材料分流层处到筋型腔中心的距离xk
权利要求
1.一种确定三维框形构件局部加载成形用不等厚坯料的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1，确定构件的界面；界面由弧形界面和同X方向垂直的直线界面两部分组成并贯穿两个加载区；所述的界面平行于构件宽度的中心线步骤2，简化确定的界面；所确定的界面上表面和下表面均对称地分布有多个筋条； 以构件厚度方向的对称中心线一侧为简化界面，并将该简化界面内的各筋条分别记为第i 筋，i = I η ;成形简化界面的筋条采用局部加载成形，加载中模具分区位置为分区筋的中心处；确定第2筋 第η-I筋中的一个筋条为分区筋；步骤3，确定简化界面处所需不等厚坯料形状；通过对简化界面进行快速分析实现确定简化界面处所需不等厚坯料形状；在对简化界面做快速分析时，取一块不等厚坯料作为初始坯料，并根据初始坯料确定简化界面的坯料形状；对简化界面做快速分析中，有三种局部加载状态和一种整体加载状态；所述三种局部加载状态分别是，由于模具部分加载形成的第一种局部加载状态、由不同腹板区模具的不同深度形成的第二种局部加载状态，以及由不等厚坯料的阶梯状表面存在的阶梯厚度差△ H导致的第三种局部加载状态；在对各简化界面进行快速分析，以整体下模的各筋型腔处建立局部直角坐标系；所述局部直角坐标系的Y坐标位于所处筋型腔宽度的对称中心，并且各局部直角坐标系的坐标原点位于该Y 坐标与X坐标的交点处；对简化界面进行快速分析，确定简化界面的坯料形状；具体过程a.根据简化界面局部加载成形中的加载状态确定分流层位置及筋型腔充填材料体积计算公式；根据简化界面处所需不等厚坯、模具的几何结构特征，局部加载成形过程中会出现三种局部加载状态和一种整体加载状态；第一种局部加载状态；坯料下表面与下模具配合；下模具表面有筋条的成形型腔； 所述的第一种局部加载状态位于加载区内靠近分模位置的第一个完整筋型腔到分模位置之间；当这一区域内的坯料同加载上模和下模完全接触，此时该区域的加载状态为第一种局部加载状态；第一种局部加载状态下，局部加载宽度即为出现第一种局部加载状态区域内靠近分模位置的第一个完整筋型腔中心到分区筋型腔侧壁之间距离的二倍，所述分区筋型腔侧壁是该筋型腔出现第一种局部加载状态一侧的侧壁；局部加载宽度I在局部加载阶段中不变化，出现第一种局部加载状态区域内的坯料厚度H同上模行程之间是线性关系；采用计算公式(I)计算第一种局部加载状态下的材料分流层处到筋型腔中心的距离xk:
全文摘要
一种确定三维框形构件局部加载成形用不等厚坯料的方法，本发明根据成形过程中的各种加载状态确定了流入筋型腔材料体积的计算公式，实现简化界面的快速分析，缩短了确定坯料形状的时间；根据数值模拟结果修改坯料形状，确定满足充填要求的不等厚坯料，降低了成本；确定的不等厚坯料体积分配合理，消除成形过程中存在的充不满、折叠等缺陷，减少加工余量，降低了成形载荷，并且坯料形状简单易于制坯。
文档编号B21J5/00GK102601281SQ20121004617
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者张大伟, 杨合, 樊晓光 申请人:西北工业大学