基于起皱缺陷考虑的普旋旋轮路径的设计方法与流程

本发明涉及板料成形加工领域，涉及考虑起皱缺陷的临界旋轮路径的设计方法，主要用于旋轮路径的设计，避免板坯在普旋过程中发生起皱缺陷。

背景技术：

金属薄板旋压是一种局部塑性变形工艺，被尾顶和芯轴夹持的板坯由于旋轮力而产生局部塑性变形，随着芯轴的高速旋转和旋轮的进给运动，局部塑性变形逐渐扩大到整个板坯。由于具有成形力小和成形性能高等独特优势，金属薄板旋压工艺在航空，航天和民用产品的制造中发挥着重要作用。根据板厚变化情况，金属薄板旋压可以分为普旋和变薄旋压两大类。其中普旋过程中，板厚基本保持不变，旋压成形主要依靠板坯在单个或多个道次中的径向和周向变形来实现。尽管普旋工艺早已为人所知，但普旋的工艺设计仍然是一项具有挑战性的任务，工艺设计不当而导致的凸缘起皱缺陷会显着影响产品质量。旋轮路径的设计是普旋工艺设计中极其重要的一环，但是在目前的工业实践中，其设计仍然依赖于经验和试错法，不适当地浪费了大量的时间和材料。

国内外学者对普旋中旋轮路径的设计已进行了一些探索。然而，现有的研究成果大多是从提高成形精度和最小化应力应变及壁厚减薄率的角度，定性化分析各类型旋轮路径的合理性，仅针对特定工况有效。目前仍缺乏相关标准来设计避免凸缘起皱的旋轮路径。因此，工程中迫切需要开发出能够避免凸缘起皱的旋轮路径的快速有效设计方法，从而提高板坯的成形质量。本发明就是在这种背景下产生的。

技术实现要素：

针对目前普旋中旋轮路径设计方法存在的局限性，本发明提供一种基于起皱缺陷考虑的普旋旋轮路径的设计方法，用于快速有效地设计旋轮路径，避免板坯在普旋过程中发生起皱缺陷。

本发明采用以下技术方案来实现：基于起皱缺陷考虑的普旋旋轮路径的设计方法，该设计方法包括如下步骤，

s1、基于塑性成形理论，结合普旋力学特征建立考虑起皱缺陷的直线旋轮路径临界半锥角模型：

其中，为凸缘周向收缩影响下凸缘外缘处的等效应力，σs为材料屈服应力，t为板坯厚度，f为旋轮进给比，n为材料硬化指数，αcr为临界起皱状态下旋轮路径半锥角。

s2、将凸缘初始宽度b0分为i段考虑，其中rd为旋轮圆角半径，设各旋压段内旋轮路径半锥角保持恒定，采用式(1)依次计算每段路径临界起皱半锥角的大小，使凸缘在每段路径结束时均处于临界起皱状态，即可获得首道次临界起皱旋轮路径半锥角曲线。

s3、将给定曲面构件母线的半锥角曲线与首道次临界起皱旋轮路径半锥角曲线进行比较，若曲面构件的母线半锥角位于临界起皱旋轮路径半锥角曲线上方的安全成形区域内，则认为该曲面构件能够单道次普旋成形。否则，需要对其进行多道次普旋旋轮路径的设计。

s4、重复s2，将旋压过程分为i段且起旋点位置不变，依次计算后续各道次的临界起皱旋轮路径半锥角曲线，直至给定曲面构件的母线半锥角位于终道次临界起皱旋轮路径半锥角曲线上方的安全成形区域内为止。

s5、令各旋压道次中旋轮路径半锥角均大于临界起皱旋轮路径半锥角，避免凸缘起皱缺陷。

根据本发明，能够快速有效地设计旋轮路径，成功避免普旋过程中板坯的起皱缺陷，有效提高其成形质量。

附图说明

图1是考虑起皱缺陷的单道次普旋旋轮路径临界半锥角曲线示意图。

图2是曲面构件单道次普旋成形的可成形性预测：(a)锥形件，(b)凸曲面构件，(c)凹曲面构件。

图3是60°半锥角的铝合金锥形曲面普旋实验构件：(a)单道次普旋构件，(b)基于考虑起皱缺陷的普旋旋轮路径设计方法的多道次普旋构件。

图4是半锥角在80°至70°内变化的铝合金凸曲面普旋实验构件。

具体实施方式

本发明采用的技术方案为基于起皱缺陷考虑的普旋旋轮路径的设计方法，该设计方法包括如下步骤，

s1.基于塑性成形理论，结合普旋力学特征建立考虑起皱缺陷的直线旋轮路径临界半锥角模型：

其中，为凸缘周向收缩影响下凸缘外缘处的等效应力，σs为材料屈服应力，t为板坯厚度，f为旋轮进给比，n为材料硬化指数，αcr为临界起皱状态下旋轮路径半锥角。

s2.将凸缘初始宽度b0分为i段考虑，其中rd为旋轮圆角半径，设各旋压段内旋轮路径半锥角保持恒定，采用式(1)依次计算每段路径临界起皱半锥角的大小，使凸缘在每段路径结束时均处于临界起皱状态，即可获得首道次临界起皱旋轮路径半锥角曲线。

s3.将给定曲面构件母线的半锥角曲线与首道次临界起皱旋轮路径半锥角曲线进行比较，若曲面构件的母线半锥角位于临界起皱旋轮路径半锥角曲线上方的安全成形区域内，则认为该曲面构件可以单道次普旋成形。否则，需要对其进行多道次普旋旋轮路径的设计。

s4.重复s2，将旋压过程分为i段且起旋点位置不变，依次计算后续各道次的临界起皱旋轮路径半锥角曲线，直至给定曲面构件的母线半锥角位于终道次临界起皱旋轮路径半锥角曲线上方的安全成形区域内为止。

s5.令各旋压道次中旋轮路径半锥角均大于临界起皱旋轮路径半锥角，可避免凸缘起皱缺陷。

下面结合所附图1-图4说明采用本发明提出的方法来设计考虑起皱缺陷的普旋旋轮路径所需要的细节。

曲面构件单道次普旋成形的可成形性预测

基于获得的首道次临界起皱旋轮路径半锥角曲线(图1)，若锥形曲面构件的αz≥αcri，则该锥形曲面件可以进行单道次普旋成形而不发生凸缘起皱(图2(a))；针对凸曲面构件，若αt0≥αtt≥αcri，则凸曲面构件可以进行单道次普旋成形(图2(b))；对于凹曲面构件而言，只要αa0至αat的变化区间在安全成形区域内，则认为凹曲面构件可以单道次普旋成形(图2(c))。

应用本发明所提出的方法能够成功设计曲面构件的普旋旋轮路径，避免板坯在普旋过程中发生起皱缺陷。

实施例一：对于60°半锥角的铝合金锥形曲面目标构件，根据图2(a)可知，该构件在现有成形条件下无法由单道次普旋成形，其凸缘在单道次普旋过程中将会产生严重的起皱缺陷(图3(a))，因此对该构件进行多道次普旋旋轮路径设计。基于本发明所提出的方法，沿高于多道次临界起皱旋轮路径半锥角2°的旋轮路径对板坯进行加载，成形后的铝合金锥形曲面构件如图3(b)所示，其凸缘在普旋过程中未发生起皱缺陷。

实施例二：对于母线半锥角在80°至70°内变化的铝合金凸曲面目标构件(αt0＝80°，αtt＝70°)，采用本发明所提出的方法，计算可得其在现有成形条件下单道次普旋αcri＝62.5°，根据图2(b)认为该凸曲面构件可以由单道次普旋成形。成形后的铝合金凸曲面实验构件如图4所示，其凸缘在单道次普旋过程中确未产生起皱缺陷。

本发明关键技术在于，提出一种基于起皱缺陷考虑的普旋旋轮路径的设计方法，该方法能成功避免普旋过程中板坯的起皱缺陷，有效提高其成形质量。本方法适用于曲面构件单道次及多道次普旋成形技术中。