本發(fā)明屬于金屬塑性加工領(lǐng)域,涉及了一種板料成形方法,適用于大型三維曲面零件的拉伸成形。
背景技術(shù):
拉伸成形是大型三維曲面零件的重要加工方法,在飛機蒙皮、高速列車流線型車頭蒙皮等制造中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的板料拉伸成形采用整體式夾鉗,拉形過程中鉗口對板料施加的拉伸成形力在板料端部橫向各點大小與方向都相同,導(dǎo)致板料沿橫向分布的伸長量無法控制,造成變形不均,引起破裂、起皺以及滑移線、粗晶等缺陷,這些問題在鋁合金、鈦合金等變形量可控制范圍很小的材料成形時尤為突出。另外,整體加載模式還導(dǎo)致貼模困難,為保證貼模,板料必須留有足夠長度的懸空段,導(dǎo)致成形后形成較大的工藝廢料。盡管人們已進(jìn)行了不少研究工作,但傳統(tǒng)拉伸成形中存在的成形缺陷、貼模不良等問題很難徹底解決。
采用離散式多點加載的方式,可通過對各加載點拉伸成形力的控制,使板料以拉伸變形量最小的變形方式獲得三維曲面,從而避免成形缺陷產(chǎn)生,實現(xiàn)大變形量的曲面零件成形。同時,可解決拉伸成形中的貼模不良等問題,并減少工藝余料,顯著節(jié)省材料。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
在傳統(tǒng)的板料拉伸成形中,造成各種成形缺陷的主要原因是板料沿橫向分布的伸長量無法有效控制,針對這一問題,本發(fā)明將提供一種基于多點力加載方式的三維曲面拉伸成形方法,采用多點力加載的方式控制板料拉伸成形過程,拉伸成形力通過加載控制單元施加于板料兩端的一系列離散點上,各加載點所施加的拉伸成形力的大小及方向均獨立控制,通過對各離散點處拉伸成形力的實時控制,以最小的拉伸變形量實現(xiàn)三維曲面零件的拉伸成形過程,從而避免成形缺陷產(chǎn)生,獲得高質(zhì)量的曲面零件。
本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的,結(jié)合附圖說明如下:
采用基于多點力加載方式的三維曲面拉伸成形方法,以排列于拉形模具左側(cè)的m個左側(cè)加載控制單元及排列于拉形模具右側(cè)的m個右側(cè)加載控制單元作為拉伸成形加載工具,在板料左端部的m個左端離散加載控制點及板料右端部的m個右端離散加載控制點上對板料施加實時控制的拉伸成形力,使板料以拉伸變形伸長量最小的變形方式與模具型面逐漸貼合,獲得高質(zhì)量的拉伸成形曲面零件;所述的m個左側(cè)加載控制單元及m個右側(cè)加載控制單元沿拉形模具的橫向均勻分布;每個左側(cè)加載控制單元及每個右側(cè)加載控制單元均由A液壓缸、B液壓缸及夾料鉗組成,每個左端離散加載控制點處所施加的拉伸成形力由一個左側(cè)加載控制單元獨立控制,每個右端離散加載控制點處所施加的拉伸成形力由一個右側(cè)加載控制單元獨立控制,拉伸成形力的大小與方向的變化通過改變A液壓缸與B液壓缸內(nèi)的液體壓力來實現(xiàn)。其特征在于,本方法具體步驟如下:
步驟一、基于模具型面上長度最短的模具型面縱向截面輪廓曲線的長度,確定出拉伸成形所需要的坯料的長度,即拉伸成形開始時刻板料的長度,其具體過程為:
1)第k個左側(cè)加載控制單元與第k個右側(cè)加載控制單元構(gòu)成第k對加載控制單元,第k對加載控制單元之間對應(yīng)的模具型面縱向截面輪廓線為第k個模具型面縱向截面輪廓線,提取出第k個模具型面縱向截面輪廓線,確定其參數(shù)方程Pk(θ):
其中y為水平方向坐標(biāo)軸,z為豎直方向坐標(biāo)軸;參數(shù)坐標(biāo)θ為第k個模具型面縱向截面輪廓線的切線方向與y軸方向的夾角。
2)計算第k個模具型面縱向截面輪廓線的曲線長度Lk:
其中θk1為第k個模具型面縱向截面輪廓線在模具的左邊緣處的切線與y軸方向的夾角,θk2第k個模具型面縱向截面輪廓線在模具的右邊緣處的切線與y軸方向的夾角;ρk(θ)為第k個模具型面縱向截面輪廓線在參數(shù)坐標(biāo)θ處的曲率半徑,由公式(3)計算:
3)在全部的m個模具型面縱向截面輪廓線的長度Lk(k=1,2,…,m)之中,確定出長度最短的縱向截面輪廓線,記為第k*個縱向截面輪廓線,拉伸成形所需要的坯料左半部分的長度l01由公式(4)計算,右半部分的長度l02由公式(5)計算:
其中δmin為保證塑性變形所需的最下伸長量,δmin=σy/E,σy為材料的屈服應(yīng)力,E為材料的彈性模量。
步驟二、確定從拉伸成形開始時刻t=0到拉伸成形結(jié)束時刻t=T各時刻位于板料左端部的m個左端離散加載控制點與板料右端部的m個右端離散加載控制點所需要的切向及法向的拉伸成形力,其中確定任一時刻t板料兩端的第k個離散加載控制點處拉伸成形力的具體過程為:
1)計算t時刻第k對加載控制單元之間變形后的板料輪廓線與拉形模具接觸邊界點的參數(shù)坐標(biāo)
其中,當(dāng)i=1時,為t時刻第k對加載控制單元之間變形后的板料輪廓線與拉形模具的左側(cè)接觸邊界點的參數(shù)坐標(biāo)當(dāng)i=2時,為t時刻第k對加載控制單元之間變形后的板料輪廓線與拉形模具的右側(cè)接觸邊界點的參數(shù)坐標(biāo)
2)板料的材料的變形抗力符合規(guī)律,其中,為等效應(yīng)力,為等效應(yīng)變,K為板料的材料強化系數(shù),n為板料的材料應(yīng)變硬化指數(shù)),第k個左端離散加載控制點處所需要的切向的拉伸成形力Fk1(t),利用公式(8)計算出t時刻板料右端部的第k個右端離散加載控制點處所需要的切向的拉伸成形力Fk2(t):
其中b為板料寬度,h為板料厚度,μ為板料與模具之間的摩擦系數(shù);
3)利用公式(9)計算出t時刻板料左、右端部第k個加載點所需要的法向的拉伸成形力Nk1(t)及Nk2(t):
其中,Nki(t)為第k個左端離散加載控制點處的法向拉伸成形力Nk1(t);當(dāng)i=2時,Nki(t)為第k個右端離散加載控制點處的法向拉伸成形力Nk2(t)。
步驟三、確定從拉伸成形開始時刻t=0到拉伸成形結(jié)束時刻t=T過程中各時刻位于拉形模具兩側(cè)各加載控制單元的A液壓缸和B液壓缸的液體壓力的隨時間變化歷程,其中確定任一時刻t第k對加載控制單元A液壓缸和B液壓缸的液體壓力的具體過程為:
1)利用公式(10)確定t時刻板料左端的第k個左端離散加載控制點處所需要的沿y軸方向的拉伸成形力利用公式(11)確定t時刻板料右端的第k個右端離散加載控制點處所需要的沿y軸方向的拉伸成形力
其中ΔP是板料兩端拉伸成形力之差,
2)利用公式(12)確定t時刻板料左、右兩端的第k個加載點所需要的沿z軸方向的拉伸成形力及
其中,當(dāng)i=1時,為t時刻板料左端的第k個左端離散加載控制點處z軸方向的拉伸成形力當(dāng)i=2時,為t時刻板料左端的第k個右端離散加載控制點處z軸方向的拉伸成形力
3)利用公式(13)確定t時刻拉形模具兩側(cè)第k個加載控制單元的A液壓缸的液體壓力PAki(t),利用公式(14)確定t時刻拉形模具兩側(cè)第k個加載控制單元的B液壓缸的液體壓力PBki(t):
其中,當(dāng)i=1時,PAki(t)為拉形模具左側(cè)的第k個加載控制單元的A液壓缸的液體壓力PAk1(t),PBki(t)為拉形模具左側(cè)的第k個加載控制單元的B液壓缸的液體壓力PBk1(t);當(dāng)i=2時,PAki(t)為拉形模具右側(cè)的第k個加載控制單元的A液壓缸的液體壓力PAk2(t),PBki(t)為拉形模具右側(cè)的第k個加載控制單元的B液壓缸的液體壓力PBk2(t);λ=sinαki cosβki+cosαki sinβki,αki為t時刻拉形模具兩側(cè)的第k個加載控制單元的A液壓缸的軸線與水平線的夾角,利用公式(15)計算;βki為t時刻拉形模具兩側(cè)的第k個加載控制單元的B液壓缸的軸線與水平線的夾角,利用公式(16)計算:
其中,dA為初始時刻t=0時A液壓缸的有效長度,dB為初始時刻t=0時B液壓缸的有效長度,α為初始時刻t=0時A液壓缸的軸線與水平線的夾角,β為初始時刻t=0時B液壓缸的軸線與水平線的夾角;當(dāng)i=1時,vki=vk1,vk1為左側(cè)第k個夾料鉗y方向的位移,由式(17)計算;當(dāng)i=1時,wki=wk1,wk1為左側(cè)第k個夾料鉗z方向的位移,由式(18)計算;當(dāng)i=2時,vki=vk2,vk2為右側(cè)第k個夾料鉗y方向的位移,由式(19)計算;當(dāng)i=2時,wki=wk2,wk2為右側(cè)第k個夾料鉗z方向的位移,由式(20)計算:
其中l(wèi)r為夾料鉗與拉形模具之間懸空區(qū)的長度,lr取100mm~300mm。
步驟四、根據(jù)步驟二和步驟三中得到的拉伸成形過程從t=0到t=T的各時刻、各加載控制單元A液壓缸和B液壓缸的液體壓力的隨時間變化歷程,通過各加載控制單元的夾料鉗在板料左端離散加載控制點、右端離散加載控制點處對板料施加隨時間t變化的拉伸成形力,對板料進(jìn)行三維曲面的拉伸成形。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是:
1.采用控制各加載控制單元的液壓缸的液體壓力的方式來控制拉伸成形,控制過程簡便、更容易實現(xiàn);
2.根據(jù)使板料縱向纖維拉伸變形伸長量最小的原則,確定板料兩端各離散點的拉伸成形力,可避免曲面成形過程中各種缺陷的產(chǎn)生,并實現(xiàn)大變形量的零件成形,獲得高質(zhì)量的曲面零件;
3.板料在成形過程中圍繞模具均勻轉(zhuǎn)動,改善了板料的貼模狀態(tài),可顯著減少工藝余料,節(jié)省材料。
附圖說明
圖1是多點力加載方式的三維曲面拉伸成形方法示意圖;
圖2是板料兩端離散加載控制單元與模具型面示意圖;
圖3是板料兩端離散加載控制點與成形曲面零件示意圖;
圖4是拉伸成形中的板料貼模過程示意圖;
圖5是t時刻第k對加載控制單元及其對應(yīng)的板料及模具型面縱向截面輪廓曲線示意圖;
圖6是計算第k對加載控制單元在板料左、右兩端加載點施加拉伸成形力的示意圖;
圖7是基于多點力加載方式的三維曲面拉伸成形方法步驟框圖。
圖中:1.拉形模具,2.左側(cè)加載控制單元,2.右側(cè)加載控制單元,4.左端離散加載控制點,5.右端離散加載控制點,6.模具型面,7.成形曲面零件,8.A液壓缸,9.B液壓缸,10.夾料鉗,11.坯料,12.模具型面縱向截面輪廓曲線,13.t時刻變形后的板料輪廓曲線。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實施方式:
本發(fā)明涉及的基于多點力加載方式的三維曲面拉伸成形方法,如圖1所示,以排列于拉形模具1左側(cè)的m個左側(cè)加載控制單元2及排列于拉形模具1右側(cè)的m個右側(cè)加載控制單元3作為拉伸成形加載工具,在板料左端部的m個左端離散加載控制點4及板料右端部的m個右端離散加載控制點5上對板料施加實時控制的拉伸成形力,如圖3所示,使板料以拉伸變形伸長量最小的變形方式與模具型面6逐漸貼合,獲得高質(zhì)量的拉伸成形曲面零件7,如圖4所示;所述的m個左側(cè)加載控制單元2及m個右側(cè)加載控制單元3,沿拉形模具1的橫向均勻分布;如圖1所示,每個左側(cè)加載控制單元2及每個右側(cè)加載控制單元3均由A液壓缸8、B液壓缸9及夾料鉗10組成,每個左端離散加載控制點4處所施加的拉伸成形力由一個左側(cè)加載控制單元2獨立控制,每個右端離散加載控制點5處所施加的拉伸成形力由一個右側(cè)加載控制單元3獨立控制,拉伸成形力的大小與方向的變化通過改變A液壓缸8與B液壓缸9內(nèi)的液體壓力來實現(xiàn)。
參閱圖4,板料的形狀是隨拉伸成形過程的進(jìn)行而逐漸變化的,在拉伸成形開始時刻,即未變形時,板料就是坯料11;在拉伸成形過程結(jié)束時,板料變成所需的特定形狀的成形曲面零件7;在拉伸成形過程中的任意時刻t,板料變形后由輪廓曲線13表示。
如圖7所示,基于多點力加載方式的三維曲面拉伸成形方法的具體步驟如下:
步驟一、基于模具型面6上長度最短的模具型面縱向截面輪廓曲線的長度,確定出拉伸成形所需要的坯料11,即拉伸成形開始時刻板料的長度(如圖4所示),其具體過程為:
1)參見圖2及圖5,第k個左側(cè)加載控制單元2與第k個右側(cè)加載控制單元3構(gòu)成第k對加載控制單元,第k對加載控制單元之間對應(yīng)的模具型面縱向截面輪廓線12為第k個模具型面縱向截面輪廓線,提取出第k個模具型面縱向截面輪廓線12,確定其參數(shù)方程Pk(θ):
其中y為水平方向坐標(biāo)軸,z為豎直方向坐標(biāo)軸;參數(shù)坐標(biāo)θ為第k個模具型面縱向截面輪廓線12的切線方向與y軸方向的夾角。
2)計算第k個模具型面縱向截面輪廓線12的曲線長度Lk:
其中θk1為第k個模具型面縱向截面輪廓線12在拉形模具1的左邊緣處的切線與y軸方向的夾角,θk2第k個模具型面縱向截面輪廓線12在拉形模具1的右邊緣處的切線與y軸方向的夾角;ρk(θ)為第k個模具型面縱向截面輪廓線12在參數(shù)坐標(biāo)θ處的曲率半徑,由公式(3)計算
3)在全部的m個模具型面縱向截面輪廓線12的長度Lk(k=1,2,…,m)之中,確定出長度最短的縱向截面輪廓線,記為第k*個縱向截面輪廓線,拉伸成形所需要的坯料11左半部分的長度l01由公式(4)計算,右半部分的長度l02由公式(5)計算:
其中δmin為保證塑性變形所需的最下伸長量,δmin=σy/E,σy為材料的屈服應(yīng)力,E為材料的彈性模量。
步驟二、確定從拉伸成形開始時刻t=0到拉伸成形結(jié)束時刻t=T過程中各時刻位于板料左端部的m個左端離散加載控制點4與板料右端部的m個右端離散加載控制點5所需要的切向及法向的拉伸成形力,其中確定任一時刻t板料兩端的第k個離散加載控制點處拉伸成形力的具體過程為:
1)參見圖5,根據(jù)板料繞模具均勻轉(zhuǎn)動的原則,計算t時刻第k對加載控制單元之間變形后的板料輪廓線13與拉形模具1接觸邊界點的參數(shù)坐標(biāo)
其中當(dāng)i=1時,為t時刻第k對加載控制單元之間變形后的板料輪廓線13與拉形模具1的左側(cè)接觸邊界點的參數(shù)坐標(biāo)當(dāng)i=2時,為t時刻第k對加載控制單元之間變形后的板料輪廓線13與拉形模具1的右側(cè)接觸邊界點的參數(shù)坐標(biāo)
2)板料的材料的變形抗力符合規(guī)律,其中,為等效應(yīng)力,為等效應(yīng)變,K為板料的材料強化系數(shù),n為材料應(yīng)變硬化指數(shù),根據(jù)縱向纖維拉伸變形伸長量最小的原則,利用公式(7)計算出t時刻板料左端部第k個左端離散加載控制點4處所需要的切向的拉伸成形力Fk1(t),利用公式(8)計算出t時刻板料右端部的第k個右端離散加載控制點5處所需要的切向的拉伸成形力Fk2(t):
其中b為板料寬度,h為板料厚度,μ為板料與模具之間的摩擦系數(shù);
3)利用公式(9)計算出t時刻板料左、右端部第k個加載點所需要的法向的拉伸成形力Nk1(t)及Nk2(t):
其中,當(dāng)i=1時,Nki(t)為第k個左端離散加載控制點4處的法向拉伸成形力Nk1(t);當(dāng)i=2時,Nki(t)為第k個右端離散加載控制點5處的法向拉伸成形力Nk2(t)。
步驟三、確定從拉伸成形開始時刻t=0到拉伸成形結(jié)束時刻t=T過程中各時刻位于拉形模具1兩側(cè)各加載控制單元的A液壓缸8和B液壓缸9的液體壓力的隨時間變化歷程,其中確定任一時刻t第k對加載控制單元A液壓缸8和B液壓缸9的液體壓力的具體過程為:
1)參見圖5,對水平方向拉伸成形力進(jìn)行力平衡,然后,利用公式(10)確定t時刻板料左端的第k個左端離散加載控制點4處所需要的沿y軸方向的拉伸成形力利用公式(11)確定t時刻板料右端的第k個右端離散加載控制點5處所需要的沿y軸方向的拉伸成形力
其中ΔP是板料兩端拉伸成形力之差,
2)利用公式(12)確定t時刻板料左、右兩端的第k個加載點所需要的沿z軸方向的拉伸成形力及
其中,當(dāng)i=1時,為t時刻板料左端的第k個左端離散加載控制點4處z軸方向的拉伸成形力當(dāng)i=2時,為t時刻板料左端的第k個右端離散加載控制點5處z軸方向的拉伸成形力
3)參見圖6,利用公式(13)確定t時刻拉形模具1兩側(cè)第k個加載控制單元的A液壓缸8的液體壓力PAki(t),利用公式(14)確定t時刻拉形模具1兩側(cè)第k個加載控制單元的B液壓缸9的液體壓力PBki(t):
其中,當(dāng)i=1時,PAki(t)為拉形模具1左側(cè)的第k個加載控制單元2的A液壓缸8的液體壓力PAk1(t),PBki(t)為拉形模具1左側(cè)的第k個加載控制單元2的B液壓缸9的液體壓力PBk1(t);當(dāng)i=2時,PAki(t)為拉形模具1右側(cè)的第k個加載控制單元2的A液壓缸8的液體壓力PAk2(t),PBki(t)為拉形模具1右側(cè)的第k個加載控制單元2的B液壓缸9的液體壓力PBk2(t);λ=sinαki cosβki+cosαki sinβki,αki為t時刻拉形模具1兩側(cè)的第k個加載控制單元的A液壓缸8的軸線與水平線的夾角,利用公式(15)計算;βki為t時刻拉形模具1兩側(cè)的第k個加載控制單元的B液壓缸9的軸線與水平線的夾角,利用公式(16)計算:
其中,dA為初始時刻t=0時A液壓缸8的有效長度,dB為初始時刻t=0時B液壓缸9的有效長度,α為初始時刻t=0時A液壓缸8的軸線與水平線的夾角,β為初始時刻t=0時B液壓缸9的軸線與水平線的夾角;當(dāng)i=1時,vki=vk1,vk1為左側(cè)第k個夾料鉗y方向的位移,由式(17)計算;當(dāng)i=1時,wki=wk1,wk1為左側(cè)第k個夾料鉗z方向的位移,由式(18)計算;當(dāng)i=2時,vki=vk2,vk2為右側(cè)第k個夾料鉗y方向的位移,由式(19)計算;當(dāng)i=2時,wki=wk2,wk2為右側(cè)第k個夾料鉗z方向的位移,由式(20)計算:
其中l(wèi)r為夾料鉗10與拉形模具1之間懸空區(qū)的長度,lr取100mm~300mm。
步驟四、根據(jù)步驟二和步驟三中得到的拉伸成形過程從t=0到t=T的各時刻、各加載控制單元A液壓缸8和B液壓缸9的液體壓力的隨時間變化歷程,通過各加載控制單元的夾料鉗10在板料左端離散加載控制點4、右端離散加載控制點5處對板料施加隨時間t變化的拉伸成形力,對板料進(jìn)行三維曲面的拉伸成形。