一种半椭球形零件充液拉深液压加载区间的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及拉深液压加载区间的设计方法，特别设及一种半楠球形零件充液拉深 液压加载区间的设计方法。
【背景技术】
[0002] 半楠球形零件广泛应用于火箭燃料胆箱、雷达探测器反射罩、大型胆藏容器等领 域，其主要成形方式包括分瓣成形-焊接、旋压、拉深等。分瓣成形-焊接法制造工序包括 下料、模压成形瓣片、二次切割、组装焊接。运种方法的缺点是工序复杂、过程中需要反复校 形、制造周期长；零件存在长焊缝，组织性能不均匀；零件为双曲率型面，焊接难度大、成形 精度差。半楠球零件旋压成形在国内外得到了广泛应用，然而由于轻量化、低成本的要求， 当成形零件厚径比（板材厚度和巧料直径的比值）极小时，成形过程中极易产生起皱缺陷， 只能通过多道次旋压控制起皱，存在工序复杂、成形精度难W保证的缺点。传统拉深成形厚 径比小于3%的半楠球形零件时，由于切向压应力难于控制而导致起皱缺陷，对于火箭中广 泛应用的半楠球形箱底零件，其厚径比一般小于0. 5%，所W为了控制起皱需要采用多道次 拉深成形，成形周期长、生产成本高。充液拉深是一种先进的板材成形技术，能够提高材料 成形极限、改善零件表面质量、节省模具费用。特别是由于液体压力作用能使板材发生反胀 变形，产生"软拉深筋"的效果，使产生起皱的切向压应力显著降低，从而控制起皱和开裂缺 陷。
[0003] 充液拉深过程最重要的工艺参数是液压加载（液体压力随拉深行程变化）区间的 设计。传统上只能通过反复地数值仿真和工艺试验摸索。工艺试验由于需要渐进式的多次 尝试，试验成本高、周期长，并且大尺寸零件对于设备吨位要求高、能耗大；数值仿真计算时 间长，是一种"试错法"，缺少理论指导、计算精度难W保证。半楠球零件作为工业应用中的 典型曲面件，充液拉深过程变形行为十分复杂，工艺加载区间的设计受到材料力学性能、工 艺参数、边界条件等影响，确定合理的工艺加载区间并控制起皱和开裂缺陷的发生极为困 难；此外，由于侣合金、不诱钢、低碳钢等多种材料的成形需要，进一步增加了优化加载区间 的难度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决多道次旋压控制起皱时，存在工序复杂，成形精度难W 保证的缺点；采用多道次拉深成形处理起皱缺陷时，成形周期长，生产成本高、充液拉深过 程工艺试验成本高、周期长，工艺试验中大尺寸零件对于设备吨位要求高、能耗大，缺少理 论指导，计算精度难W保证W及确定合理的工艺加载区间并控制起皱和开裂缺陷的发生极 为困难的问题，而提出的一种半楠球形零件充液拉深液压加载区间的设计方法。
[0005] 上述的发明目的是通过W下技术方案实现的：
[0006]步骤一、根据半楠球形零件的几何方程
-=I和成形材料设定模具的几何 尺寸、巧料的几何尺寸和成形材料的基本力学性能；
[0007] 其中：半楠球形零件长轴半径为a、半楠球形零件短轴半径为b、成形材料的基本 力学性能包括板厚方向性系数R、硬化指数n、强度系数K和分散性失稳应力Of。；
[0008] 步骤二、通过曲线绕轴旋转的回转体面积积分方法计算半楠球形凸模下行h时对 应的进入凹模区域板料面积；根据凹模区域板料面积计算凹模区域板料对应外边缘半径 炒;其中，凹模区域板料面积包括：贴靠半楠球形凸模区域面积和反胀区域面积及^两部 分；进入凹模区域板料对应外边缘半径Rh的具体公式为：
[0009]
[0010] 其中，R。为巧料半径；
[0011] 步骤=、计算半楠球形凸模达到充液拉深行程为h时的临界起皱液室压力和临 界破裂液室压力其中，
[0012] 其中，〇^为径向应力、*为巧料厚度、ah为半楠球形凸模与板料相切线和水平面 所成角度、Lh为反胀区域宽度、Xh为半楠球形凸模与板料切点的横坐标、y1为半楠球形凸 模与板料的摩擦系数；
[0013] 步骤四、将h+c重复W上步骤二~步骤S，直到获得全部拉深行程h+c=b为止， 从而获得半楠球形零件短轴半径b的if对应的临界破裂液室压力Pf曲线W及半楠球形零 件短轴半径b的戶if对应的临界起皱液室压力曲线；其中，C为半楠球形凸模下行的增加 量；C的范围为Imm~IOmm；
[0014] 步骤五、使用S型曲线slogistic3拟合的方法对临界破裂液室压力1\曲线和计 算得到的临界起皱液室压力曲线进行拟合，获得曲线O-A;
[001引步骤六、取Pf曲线和曲线的交点B，将点B与原点0连接，曲线O-B-Pf为合适的 工艺区间的上边界，拟合曲线O-A为合适的工艺区间的下边界，利用曲线O-B-Pf和O-A构 成的区间为合适的工艺加载区间。
[001引发明效果
[0017] 本发明设及一种曲面件充液拉深液压加载区间的设计方法，具体设及一种半楠球 形零件充液拉深液压加载区间的设计方法。本发明是要解决半楠球形零件充液拉深时，难 W通过数值模拟和工艺实验设计出合适的液压加载区间的问题，而提供一种快速、准确的 理论设计方法。
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] (1)本发明建立了半楠球形零件充液拉深液压加载区间的设计方法，在该区间内 进行充液拉深能获得无起皱和开裂缺陷的合格零件；
[0020] (2)本发明方法计算过程简单，不受零件尺寸和材料种类的限制；
[0021] (3)本发明方法计算速度快计算时间小于1秒，可大量节省工艺实验成本和数值 模拟时间；
[0022] (4)本发明方法计算结果准确、可靠（如附图5所示），可W直接用于指导工程试 验和生产。
[0023] 本发明可用于侣合金板材、低碳钢板材的半楠球形零件充液拉深成形，可用于巧 料厚度为1. 5mm~8. 2mm板材的半楠球形零件充液拉深成形。
【附图说明】
[0024] 图1是具体方式一提出的一种半楠球形零件充液拉深液压加载区间的设计方法 流程图；
[00巧]图2是具体方式=提出的本发明充液拉深行程为h时示意图，其中1为凸模，2为 板材，3为凹模，4为压边圈，A区为板料贴靠凸模区域，B区为板材反胀区域，C区是位于压 边圈和凸模之间的板料；Pr为液体压力，A。点和B。点为反胀区域的左边界和右边界；
[0026] 图3为【具体实施方式】四提出的充液拉深行程为h时，板材反胀区域受力状态示意 图；
[0027] 图4为实施例一提出的半楠球形零件充液拉深液压加载区间的设计结果示意图；
[0028] 图5(a)为实施例一提出的半楠球形零件充液拉深液压加载区间的实验结果示意 图；
[0029] 图5(b)为实施例一提出的半楠球形零件充液拉深液压加载区间的实验结果中的 路径1-起皱侣合金零件示意图；
[0030] 图5(c)为实施例一提出的半楠球形零件充液拉深液压加载区间实验结果中的路 径2-合格侣合金零件示意图；
[0031] 图6为实施例二提出的半楠球形零件充液拉深液压加载区间的设计结果示意图；
[0032] 图7为实施例二提出的半楠球形零件充液拉深液压加载区间的数值仿真结果示 意图；
[0033] 图8为实施例=提出的半楠球形零件充液拉深液压加载区间的设计结果示意图；
[0034] 图9为实施例=提出的半楠球形零件充液拉深液压加载区间的数值仿真结果示 意图；
[0035] 图10为实施例四提出的半楠球形零件充液拉深液压加载区间的设计结果示意 图；
[0036] 图11为实施例四提出的半楠球形零件充液拉深液压加载区间的数值仿真结果示 意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0037] 一：结合图1本实施方式的一种半楠球形零件充液拉深液压加载区 间的设计方法，具体是按照W下步骤制备的：
[0038] 步骤一、根据半楠球形零件的几何方程
和成形材料设定模具的几何 尺寸、巧料的几何尺寸和成形材料的基本力学性能；
[0039] 其中，半楠球形零件长轴半径为a、半楠球形零件短轴半径为b、成形材料的基本 力学性能包括板厚方向性系数R、硬化指数n、强度系数K和分散性失稳应力O成形材料 具体指代侣合金、不诱钢、低碳钢和高强钢等；
[0040] 步骤二、通过曲线绕轴旋转的回转体面积积分方法计算半楠球形凸模下行h时对 应的进入凹模区域板料面积；根据凹模区域板料面积计算凹模区域板料对应外边缘半径 Rh;其中，凹模区域板料面积包括：贴靠半楠球形凸模区域面积和反胀区域面积两部 分；进入凹模区域板料对应外边缘半径Rh的具体公式为：
[0041]
[0042] 其中，R。为巧料半径；
[0043] 步骤=、计算半楠球形凸模达到充液拉深行程为h时的临界起皱液室压力/^和临 界破裂液室压力其中，
[0044] 其中，〇^为径向应力、*为巧料厚度、ah为半楠球形凸模与板料相切线和水平面 所成角度、Lh为反胀区域宽度、Xh为半楠球形凸模与板料切点的横坐标、y1为半楠球形凸 模与板料的摩擦系数；
[0045] 步骤四、将h+c重复W上步骤二~步骤S，直到获得全部拉深行程h+c=b为止， 从而获得全部拉深行程b的if对应的临界破裂液室压力Pf曲线W及全部拉深行程b的 对应的临界起皱液室压力曲线；其中，C为半楠球形凸模下行的增加量；C的范围为Imm ~ IOmm；
[0046] 步骤五、使用S型曲线slogistic3拟合的方法对临界