薄壁高筋阵列结构件多辊柔性生长成形方法技术

本发明专利技术涉及一种薄壁高筋阵列结构件多辊柔性生长成形方法，采用了多个轧辊，有效解决了单辊柔性生长成形过程中因约束不足而导致无法成形复杂薄壁高筋阵列结构件的问题，显著扩展了柔性生长成形方法的使用范围。通过对多轧辊辗压轨迹的合理规划，实现了多轧辊运动协调控制，能有效避免产生薄壁高筋充填不满，薄壁高筋生长不协调等问题，有效保证薄壁高筋阵列结构件成形效果。本发明专利技术所提出的薄壁高筋阵列结构件柔性生长成形方法，相比现有的铣削加工和焊接方法，能够显著提高材料利用率高、生产效率高，显著降低该类构件制造成本。显著降低该类构件制造成本。显著降低该类构件制造成本。

【技术实现步骤摘要】
薄壁高筋阵列结构件多辊柔性生长成形方法


[0001]本专利技术涉及薄壁高筋阵列结构件成形制造领域，更具体地说，涉及一种薄壁高筋阵列结构件多辊柔性生长成形方法。

技术介绍

[0002]薄壁高筋阵列结构件在航空、航天、石油化工等领域有着广泛的应用，如航空火箭大型壁板，大型飞机窗框，化工密封门等。如何制造高性能薄壁高筋阵列结构件是国际高端装备制造迫切需要解决的重大课题。现阶段，国内外对于此类薄壁高筋阵列结构件的制造方法主要有两种，铣削加工和焊接。铣削加工制造方法是通过多轴数控机床对大尺寸坯料进行去料加工，将薄壁高筋逐步铣削成形。该种方法不仅材料利用率极低，加工周期长，加工成本高，而且无法形成沿薄壁高筋形状分布的连续金属流线，严重削弱构件力学性能。焊接制造方法是将分开加工的薄壁底板和薄壁高筋通过焊接工艺连接成整体。该方法不仅工艺过程复杂，加工难度大，而且焊接连接区域的力学性能控制难度大，难以保证构件整体力学性能。因此，现有两种制造方法均不能满足高端装备对薄壁高筋阵列结构件高性能、高效率、低成本制造的要求。
[0003]柔性生长成形方法一种新型塑性成形方法，该方法通过约束金属某些方向的流动，使金属能够定量定向变形，十分适用于薄壁高筋的定向生长，因此该方法能有效解决薄壁高筋构件难以制造的难题，是实现薄壁高筋构件高性能、高效率、低成本制造的有效途径。然而现有的柔性生长成形方法采用单一轧辊，仅能实现形状简单的薄壁高筋成形。对于薄壁高筋阵列结构件，由于薄壁高筋结构形状复杂，难以通过单一轧辊成形。针对上述问题，本专利技术提出多辊柔性生长成形方法，即通过多个轧辊的协同运动，实现薄壁高筋阵列结构件柔性生长成形。由于多辊柔性生长成形方法中多轧辊的辗压轨迹设计难度大，多辊协调控制要求，目前国内外还没有多辊柔性生长成形方法相关报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种薄壁高筋阵列结构件多辊柔性生长成形方法，有效解决了薄壁高筋阵列结构件成形制造的技术难题。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种薄壁高筋阵列结构件多辊柔性生长成形方法，所述薄壁高筋阵列结构件中位于最外层的高筋为外筋，被外筋所包围空间内的高筋为内筋，薄壁高筋结构被内筋划分为M
×
N个薄壁阵列单元；多辊柔性生长成形方法包括以下步骤：
[0006]S1、预制坯设计与制造：将目标薄壁高筋阵列结构件各薄壁阵列单元转换为厚壁阵列单元，获得预制坯；预制坯的厚壁阵列单元筋高由公式(1)计算，预制坯的厚壁阵列单元筋厚由公式(2)计算，所有厚壁阵列单元组成预制坯的厚壁矮筋结构；预制坯的薄壁底板形状与薄壁高筋阵列结构件薄壁底板形状一致；预制坯采用轴向辗压成形工艺制造，预制坯厚壁矮筋型面和薄壁底板上表面由作空间回转运动的锥型上模成形，薄壁底板侧表面与
下表面由凹模成形；用于预制坯成形的坯料为厚壁板坯，厚壁板坯轴截面形状与目标薄壁高筋阵列结构件薄壁底板轴截面形状一致；
[0007][0008]t0＝(1+λ)t
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(2)
[0009]其中，λ为高筋伸长率，其值小于材料延伸率，并且保证预制坯厚壁矮筋在多辊柔性生长成形中能够被塑性锻透；H0为预制坯厚壁阵列单元筋高，t0预制坯厚壁阵列单元筋厚；H为目标薄壁高筋阵列结构件薄壁阵列单元筋高，t为目标薄壁高筋阵列结构件薄壁阵列单元筋厚；
[0010]S2、模具形状与运动设计：用于薄壁高筋阵列结构件多辊柔性生长成形的模具包括M
×
N个轧辊、1个约束凹模和1个下模；下模的型腔为等截面盲孔型腔，其轴截面形状与目标薄壁高筋阵列结构件薄壁底板轴截面形状一致，型腔深度大于目标薄壁高筋阵列结构件薄壁底板厚度；下模为固定模具，在柔性生长成形过程中保持静止；约束凹模为等截面拉伸体，其轴截面外轮廓形状与目标薄壁高筋阵列结构件薄壁底板轴截面形状一致，其轴截面内轮廓形状与目标薄壁高筋阵列结构件薄壁高筋外侧面轴截面形状一致，约束凹模仅能沿预制坯轴向运动；轧辊为实心棒，其半径小于所对应薄壁阵列单元内侧面最小圆角半径，其表面轮廓与所对应薄壁阵列单元内侧面轮廓匹配，轧辊可在空间内自由平移，但仅能绕自身轴线旋转；轧辊在摩擦力的作用下绕自身轴线发生自转，始终保持在厚壁阵列单元内壁作纯滚动；在柔性生长成形中，轧辊在各薄壁阵列单元内按照设计的辗压轨迹运动；
[0011]S3、多辊柔性生长成形装置组装：将步骤S1所获得预制坯置于步骤S2所设计的下模型腔内，预制坯薄壁底板下表面和侧表面与下模型腔贴合；约束凹模套在预制坯厚壁矮筋上，其内表面与厚壁矮筋外侧面贴合，其底面与预制坯薄壁底板上表面贴合，其外表面与下模型腔内侧壁贴合；在每个预制坯厚壁阵列单元内安装一个轧辊，各轧辊轴线与预制坯薄壁底板垂直，各轧辊的初始位置为所对应预制坯厚壁阵列单元中心位置；
[0012]S4、多轧辊辗压轨迹设计与辗压成形：各轧辊在所对应预制坯厚壁阵列单元内作多周辗压运动，首先位于奇数列厚壁阵列单元中的轧辊由中心位置向左侧移动，位于偶数列厚壁阵列单元中的轧辊由中心位置向右侧移动；各轧辊与厚壁阵列单元内壁接触后继续进给第一周轧辊进给量；此后，位于奇数行奇数列厚壁阵列单元和偶数行偶数列厚壁阵列单元中的轧辊沿厚壁阵列单元内壁作顺时针辗压运动，同时位于偶数行奇数列厚壁阵列单元和奇数行偶数列厚壁阵列单元中的轧辊沿厚壁阵列单元内壁作逆时针辗压运动；预制坯内筋在两个相对滚动轧辊所形成的孔型中发生变形，为双辊辗压变形模式，预制坯外筋在单个轧辊和约束凹模所形成的孔型中发生变形，为单辊辗压变形模式；当各轧辊同时完成第一周辗压后，轧辊继续进给下一周轧辊进给量，并再次沿厚壁阵列单元内壁作辗压运动，辗压运动方向与上一周方向相同；按照上述轧辊运动规律，设计多轧辊辗压轨迹，驱动各轧辊按照所设计的辗压轨迹运动，直至各轧辊进给量达到预设进给量；在约束凹模和轧辊作用下，预制坯厚壁阵列单元金属发生径向减薄变形和轴向生长变形，厚壁阵列单元逐渐变形成薄壁阵列单元，获得薄壁高筋阵列结构件终锻件；
[0013]S5、终锻件脱模：当所有轧辊按照步骤S4所设计的辗压轨迹运动完成后，各轧辊移动到所对应薄壁高筋阵列单元中距离薄壁高筋阵列结构件轴线最远的圆角处，并保持固定
不动；随后，约束凹模开始向上运动，终锻件在轧辊的限制下保持禁止，终锻件与约束凹模逐渐分离；此后，所有轧辊移动到各薄壁高筋阵列单元中心位置，取消轧辊对终锻件的约束，实现终锻件脱模。
[0014]上述方案中，当预制坯厚壁阵列单元筋厚较小时，步骤S4中轧辊的辗压运动方向始终不变，当预制坯厚壁阵列单元筋厚较大时，步骤S4中轧辊每辗压完成一周后，其辗压运动方向变为反方向，进行下一周辗压运动。
[0015]上述方案中，当轧辊运动至目标薄壁高筋阵列结构件外筋区域时，外筋在轧辊和约束凹模的作用下发生柔性生长，此时轧辊进给量为s，当轧辊运动至目标薄壁高筋阵列结构件内筋区域时，内筋在两个轧辊的共同辗压下发生柔性生长，此时每周轧辊进给量为s
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种薄壁高筋阵列结构件多辊柔性生长成形方法，所述薄壁高筋阵列结构件中位于最外层的高筋为外筋，被外筋所包围空间内的高筋为内筋，薄壁高筋结构被内筋划分为M
×
N个薄壁阵列单元；其特征在于，多辊柔性生长成形方法包括以下步骤：S1、预制坯设计与制造：将目标薄壁高筋阵列结构件各薄壁阵列单元转换为厚壁阵列单元，获得预制坯；预制坯的厚壁阵列单元筋高由公式(1)计算，预制坯的厚壁阵列单元筋厚由公式(2)计算，所有厚壁阵列单元组成预制坯的厚壁矮筋结构；预制坯的薄壁底板形状与薄壁高筋阵列结构件薄壁底板形状一致；预制坯采用轴向辗压成形工艺制造，预制坯厚壁矮筋型面和薄壁底板上表面由作空间回转运动的锥型上模成形，薄壁底板侧表面与下表面由凹模成形；用于预制坯成形的坯料为厚壁板坯，厚壁板坯轴截面形状与目标薄壁高筋阵列结构件薄壁底板轴截面形状一致；t0＝(1+λ)t
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(2)其中，λ为高筋伸长率，其值小于材料延伸率，并且保证预制坯厚壁矮筋在多辊柔性生长成形中能够被塑性锻透；H0为预制坯厚壁阵列单元筋高，t0预制坯厚壁阵列单元筋厚；H为目标薄壁高筋阵列结构件薄壁阵列单元筋高，t为目标薄壁高筋阵列结构件薄壁阵列单元筋厚；S2、模具形状与运动设计：用于薄壁高筋阵列结构件多辊柔性生长成形的模具包括M
×
N个轧辊、1个约束凹模和1个下模；下模的型腔为等截面盲孔型腔，其轴截面形状与目标薄壁高筋阵列结构件薄壁底板轴截面形状一致，型腔深度大于目标薄壁高筋阵列结构件薄壁底板厚度；下模为固定模具，在柔性生长成形过程中保持静止；约束凹模为等截面拉伸体，其轴截面外轮廓形状与目标薄壁高筋阵列结构件薄壁底板轴截面形状一致，其轴截面内轮廓形状与目标薄壁高筋阵列结构件薄壁高筋外侧面轴截面形状一致，约束凹模仅能沿预制坯轴向运动；轧辊为实心棒，其半径小于所对应薄壁阵列单元内侧面最小圆角半径，其表面轮廓与所对应薄壁阵列单元内侧面轮廓匹配，轧辊可在空间内自由平移，但仅能绕自身轴线旋转；轧辊在摩擦力的作用下绕自身轴线发生自转，始终保持在厚壁阵列单元内壁作纯滚动；在柔性生长成形中，轧辊在各薄壁阵列单元内按照设计的辗压轨迹运动；S3、多辊柔性生长成形装置组装：将步骤S1所获得预制坯置于步骤S2所设计的下模型腔内，预制坯薄壁底板下表面和侧表面与下模型腔贴合；约束凹模套在预制坯厚壁矮筋上，其内表面与厚壁矮筋外侧面贴合，其底面与预制坯薄壁底板...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩星会，华林，庄武豪，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：