曲面构件多道次旋压工艺轨迹建造方法与流程

本发明涉及板料塑性加工技术领域，具体地，涉及一种曲面构件多道次旋压工艺轨迹建造方法，尤其是球面构件多道次旋压加工的工艺轨迹建造方法。

背景技术

多道次旋压工艺是成形复杂形状曲面薄壁构件的主要方法。多道次旋压工艺作为一种连续不均匀的局部塑性变形，其成形质量不仅与旋轮几何、进给比等参数有关，而且还强烈地受到道次旋压工艺轨迹的影响。旋压工艺轨迹包括每一道次旋轮轨迹形式和道次数目等，由于复杂而又灵活多变，目前还处于经验试错水平。在不同的旋压工艺轨迹作用下板坯会反复地产生塑性变形，在多道次旋压工艺轨迹约束下，板坯材料通过塑性累积形成所需的零件构形。合理的旋压工艺轨迹，可以有效地避免变形板坯法兰起皱、局部减薄、开裂等质量缺陷，因此，旋压工艺轨迹对于曲面薄壁构件多道次旋压的成形精度和效率都会产生至关重要的影响。

在多道次旋压成形旋轮加载轨迹方面，文献：“旋轮加载轨迹与方式对多道次普通旋压成形的影响”，研究了旋轮旋出轨迹对旋压成形质量的影响。得出了在直线轨迹、圆弧轨迹、渐开线轨迹中，渐开线轨迹对成形质量最好。对多道次旋压成形道次数目的确定以及每个道次的成形量分配均未涉及。

文献：“基于弯曲量的曲母线件多道次轨迹规划及变进给旋压方法研究”，研究了曲母线件多道次旋压成形相同道次不同变形量分配方式和相同变形量分配方式条件下不同道次数对旋压成形质量的影响。对多道次旋压成形道次数目的确定并未涉及。

现有文献对多道次旋压成形工艺多是涉及每个道次旋轮加载轨迹的研究和不同变形量分配方式的研究。尚未发现对曲面构件多道次旋压工艺轨迹参数化设计方法的公开报道。对于曲面构件多道次旋压工艺轨迹，尤其是道次数计算并无定量研究，无法实现各个道次旋压工艺轨迹数字规划，尤其是道次数计算。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种曲面构件多道次旋压工艺轨迹建造方法。

根据本发明提供的曲面构件多道次旋压工艺轨迹建造方法，包含以下步骤：

步骤s1：对法兰进行起皱预测，根据起皱预测结果获取曲面构件旋压的第一道次极限旋出角度α1；

步骤s2：确定多道次旋压成形道次数目n，其中n为正整数，且n≥2；

步骤s3：根据设定的旋轮旋出点分配策略，确认第一道次之后每个道次的旋出角度α2、α3、...、αn。

优选地，所述步骤s1包含以下步骤：

步骤s1.1：选取法兰在指定成形角度下对应的仿真的平面圆环；

步骤s1.2：提取法兰的平面圆环仿真数据，所述平面圆环仿真数据包含圆环内径r1、圆环外径r2、圆环径向应力σr以及圆环最大周向压应力σθmax；

步骤s1.3：根据平面圆环仿真数据，计算平面圆环临界周向压应力σθcri；

步骤s1.4：判断是否满足|σθmax|≤|σθcri|，若是，则返回执行步骤s1.1；若否，则将该指定成形角度作为第一道次极限旋出角度α1。

优选地，所述步骤s1.3包含以下步骤：

取板料弯曲应变能δu等于作用在板料中面的力所作的功δt时，变量σθ的值作为平面圆环临界周向压应力σθcri，其中：

式中：t为板料厚度；

为的平面应力状体下材料的模量刚度，其中α、β、κ、γ分别为四阶张量的四个下角标，分别取值1或2；

w为挠度曲面方程；

r、θ分别为柱坐标系上的两个坐标变量；

w0为波形振幅；

r1、r2分别为法兰圆环的内侧半径和外侧半径；

m为周向波形的个数；

b、c均为中间变量；

υ为泊松比。

优选地，所述步骤s2中，提取曲面构件旋压成形第一道次旋轮旋出时法兰周向最大的压应变e1；

从初始板料到旋压结束时，板坯由外径r1收缩至r2，根据板坯外径收缩量计算出板坯周向总的压应变为et；

n＝et/e1。

优选地，所述步骤s3中，以第一道次成形后旋轮的旋出点为基准，每个道次成形贴模轴向成形量δd相等，根据δd计算第一道次之后每个道次的旋出角度。

优选地，还包含步骤s4：绘制每道次旋压成形旋轮旋出时加载轨迹。

优选地，每道次旋压成形旋轮旋出轨迹均选用渐开线轨迹，采用单一往程旋压方式进行多道次旋压成形工艺规划，并绘制旋轮轨迹曲线。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的曲面构件多道次旋压工艺轨迹建造方法可以有效地避免旋压起皱，实现旋轮轨迹曲线高效规划。

2、本发明利用有限元技术和起皱判据相结合的方法，对曲面薄壁构件多道次旋压工艺轨迹进行参数化设计，实现曲面薄壁构件多道次旋压工艺数字化规划。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为曲面构件多道次旋压工艺轨迹设计方法；

图2为法兰起皱预测流程图；

图3为旋压法兰平面圆环周向压应力几何特征；

图4为等轴向长度旋出点分配策略；

图5为多道次旋压成形旋轮轨迹曲线；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的曲面构件多道次旋压工艺轨迹建造方法，包含以下步骤：步骤s1：对法兰进行起皱预测，根据起皱预测结果获取曲面构件旋压的第一道次极限旋出角度α1；步骤s2：确定多道次旋压成形道次数目n，其中n为正整数，且n≥2；步骤s3：根据设定的旋轮旋出点分配策略，确认第一道次之后每个道次的旋出角度α2、α3、...、αn。

所述步骤s1包含以下步骤：步骤s1.1：选取法兰在指定成形角度下对应的仿真的平面圆环；步骤s1.2：提取法兰的平面圆环仿真数据，所述平面圆环仿真数据包含圆环内径r1、圆环外径r2、圆环径向应力σr以及圆环最大周向压应力σθmax；步骤s1.3：根据平面圆环仿真数据，计算平面圆环临界周向压应力σθcri；步骤s1.4：判断是否满足|σθmax|≤|σθcri|，若是，则返回执行步骤s1.1；若否，则将该指定成形角度作为第一道次极限旋出角度α1。

所述步骤s1.3包含以下步骤：取板料弯曲应变能δu等于作用在板料中面的力所作的功δt时，变量σθ的值作为平面圆环临界周向压应力σθcri，其中：

式中：t为板料厚度；为的平面应力状体下材料的模量刚度，其中α、β、κ、γ分别为四阶张量的四个下角标，分别取值1或2；w为挠度曲面方程；r、θ分别为柱坐标系上的两个坐标变量；w0为波形振幅；r1、r2分别为法兰圆环的内侧半径和外侧半径；m为周向波形的个数；b、c均为中间变量；υ为泊松比。

所述步骤s2中，提取曲面构件旋压成形第一道次旋轮旋出时法兰周向最大的压应变e1；从初始板料到旋压结束时，板坯由外径r1收缩至r2，根据板坯外径收缩量计算出板坯周向总的压应变为et；n＝et/e1。所述步骤s3中，以第一道次成形后旋轮的旋出点为基准，每个道次成形贴模轴向成形量δd相等，根据δd计算第一道次之后每个道次的旋出角度。优选地，还包含步骤s4：绘制每道次旋压成形旋轮旋出时加载轨迹。每道次旋压成形旋轮旋出轨迹均选用渐开线轨迹，采用单一往程旋压方式进行多道次旋压成形工艺规划，并绘制旋轮轨迹曲线。

优选实施方式：

本优选实施例中采取直径200mm、厚度1.8mm的2024-o铝合金，按照图5生成多道次旋压成形旋轮轨迹，具体包括以下步骤：

第一步：

成形过程中旋轮与芯模的间隙保持为板料初始厚度1.8mm不变，选用的进给比为1mm/r。首先，根据法兰起皱预测模型，确定第一道次旋出角度：将平面圆环仿真提取数据代入δu计算式和δt计算式，令δu＝δt，结合matlab进行数值求解计算，即可得到平面圆环失稳的临界周向压应力σθcri。将相应时刻旋压成形过程仿真中外环最大周向压应力σθmax与临界周向压应力σθcri做对比，如果满足|σθmax|＞|σθcri|，则圆环失稳发生。具体流程如图1所示，从芯模顶部的30°处开始，每成形5°提取仿真结果进行外环失稳预测。计算结果给出：当旋轮成形至40°时，平面圆环最大周向压应力大于临界起皱压应力，平面圆环失稳发生，该半球形构件旋压法兰起皱出现。

第二步：

根据有限元仿真结果，普旋成形第一道次旋轮旋出时法兰周向最大的压应变约为-0.0343；最终成形板坯由外径100mm收缩至70mm，其周向压应变约为-0.357。多道次旋压成形过程采用均匀控制周向变形量的方法，可以计算总的道次数约为n＝(-0.357)/(-0.0343)≈10。这样，由计算可知：可以通过10个道次实现直径为140mm的半球形构件成形。

第三步：

旋轮旋出点分配策略采用等轴向长度旋出点分配策略，如图4所示，即完成第一道次成形后，旋轮在a1点旋出，后续成形过程中每道次贴模轴向成形量δd相等，即满足a1、a2之间、a2、a3之间的轴向距离相同。当第一道次旋出角度α1和成形道次数目确定后，每道次的贴模成形量可以确定，从而可以确定第一道次之后每个道次的旋出角度α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8、α9、α10。

第四步：

每道次旋压成形旋轮旋出轨迹选用渐开线(具体的形式)轨迹，单一采用往程旋压(旋轮朝构件法兰边缘方向进给)的方式进行多道次旋压成形工艺规划。

采用该多道次旋压成形工艺规划方法，本实例进行了10道次普旋成形旋轮轨迹曲线绘制，如图5所示。根据进给比为1mm/r情况下10道次普旋成形结果，旋压出无起皱缺陷的曲面铝合金构件。因此，本发明提供的曲面构件多道次旋压工艺轨迹建造方法可以有效地避免旋压起皱，实现旋轮轨迹曲线高效规划。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。