一种航天超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法技术

本发明专利技术提供了一种航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法，属于芯球设计技术领域。它解决了现有技术中采用相等厚度的芯球的问题。本航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法包括以下步骤：步骤S1：管材类型判断；步骤S2：确定芯棒设计基本方案；步骤S3：确定芯棒设计初步方案；步骤S4：确定芯球个数；步骤S5：罗列变厚度芯球组合方案；步骤S6：确定变厚度芯球最终组合方案。本发明专利技术具有在超薄壁管材在绕弯成形过程中，弯曲段的应力分布和变形程度都是均匀的，降低了芯棒支撑和芯球的设计要求的优点。撑和芯球的设计要求的优点。撑和芯球的设计要求的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种航天超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法


[0001]本专利技术属于芯球设计
，涉及一种变厚度芯球的设计方法，尤其涉及一种航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法。

技术介绍

[0002]超薄壁管以其高强度、高性能、轻量化等优点，在航空航天领域得到应用，如：新型战机、民用大飞机的环控系统，大型运载火箭的输送系统，都采用超薄壁管件作为关键轻量化构件，在保证综合性能的前提下尽量减轻自重，提高飞行、作战和运载能力。
[0003]金属管材常用弯曲方法有绕弯、压弯、滚弯、推弯等。其中，基于旋转牵引原理的数控绕弯成形，由于能够实现弯曲过程数字化，且精确、稳定、高效，已成为满足航空航天等高科技领域发展的重要成形技术。
[0004]金属管材数控绕弯成形原理如图2所示，成形模具主要包括弯曲模、夹紧模、弯曲模镶块、压模、防皱模以及芯棒等。其中，芯棒包含芯轴和芯球两部分。弯曲前，管材的前端被夹紧模与弯曲模镶块夹紧，外侧被压模压紧，内侧与弯曲模相切处设置有防皱模，内部安装有芯棒。绕弯成形时，弯曲模以角速度ω在O点绕Z轴转动，夹紧模和弯曲模镶块同步转动。管材在夹紧模和弯曲模镶的牵引作用下绕弯曲模凹槽旋转，形成所需弯曲半径。压模以线速度v沿X轴方向移动。
[0005]超薄壁管材在绕弯成形时，非常容易出现弯裂、起皱、截面畸变和回弹等问题，是一个多成形缺陷的复杂成形过程。其中，弯裂、起皱、塌陷直接导致报废，而壁厚减薄、增厚、截面畸变和回弹则影响超薄壁弯管的成形精度和使用性能。因此，超薄壁管材在数控绕弯成形时，需要在管材内部安装芯棒，对管材提供内部支撑，以防止管材外侧塌陷，从而可以改善弯管的截面畸变问题。同时，芯棒与防皱模配合，可以抑制管材内侧失稳起皱现象。可以看出，芯棒对提高超薄壁管材绕弯成形质量具有非常重要意义。
[0006]而目前常用的球窝式芯棒，都是采用相等厚度的芯球。而超薄壁管材在绕弯成形过程中，弯曲段的应力分布和变形程度都是不均匀的，起弯处的应力应变明显较大，这对芯棒支撑和芯球的设计提出了更高的要求。

技术实现思路

[0007]为了对超薄壁管材绕弯成形提供更好的内部支撑效果，防止管材内侧失稳起皱，同时提高壁厚分布均匀性，减小截面椭圆度，本专利技术提出一种航空航天超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法，以提高航空航天用超薄壁弯管的成形质量和试弯成功率。
[0008]本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009]步骤S1：管材类型判断：获取需数控绕弯成形的金属管材规格，包括外径D和壁厚t，判断管材是否属于超薄壁管，
[0010]当D/t≥100时，管材属于超薄壁管，执行步骤S2；
[0011]当D/t＜100时，管材不属于超薄壁管，执行步骤S7；
[0012]步骤S2：确定芯棒设计基本方案：获取芯棒的参数，包括：芯轴直径d
s
、芯轴伸出量e
m
、芯球直径d
b
、芯球厚度k、芯球个数n和芯球间隙s，设具有等厚度芯球的芯棒设计方案为芯棒设计基本方案，所述的芯棒设计基本方案包括计算芯棒支撑角度；
[0013]步骤S3：确定芯棒设计初步方案：根据所述的芯棒设计基本方案设计芯棒设计初步方案，所述的芯棒设计初步方案包括不同的芯球厚度、不同的芯球个数和相同芯棒支撑角度，设不同的芯球厚度为k1、k2、
…
、k
n
；
[0014]步骤S4：确定芯球个数：根据芯棒支撑角度范围，确定芯球个数n；
[0015]步骤S5：罗列变厚度芯球组合方案：根据芯球个数对不同的芯球厚度进行组合，获得变厚度芯球组合方案；
[0016]步骤S6：确定变厚度芯球最终组合方案：对采用不同芯球厚度的变厚度芯球组合方案的超薄壁管材的绕弯成形过程进行仿真计算，分析不同变厚度芯球组合方案对超薄壁弯管对于成形质量的影响，获得变厚度芯球最终组合方案；
[0017]步骤S7：结束。
[0018]在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤S2中，芯棒支撑角度计算公式为：
[0019][0020]式中：θ
m
为芯棒支撑角度；e
m
为芯轴伸出量；R为弯曲半径；n为芯球个数；k为芯球厚度；s为芯球间隙。
[0021]在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤S5中，所述的变厚度芯球组合方案中，靠近芯轴处的芯球厚度薄于远离芯轴处的芯球。
[0022]在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤S5中，变厚度芯球的芯棒支撑角度计算公式为：
[0023][0024]式中：k1、k2、
…
、k
n
为各个变厚度芯球的厚度；
[0025]n
k1
、n
k2
、
…
、n
kn
为厚度为k1、k2、
…
、k
n
的芯球个数。
[0026]在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤S6中，成形质量的评价指标包括应力分布、壁厚变化和截面畸变。
[0027]在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤S6中，使用有限元发析软件进行仿真计算。
[0028]在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤S6中，所述的壁厚变化根据壁厚减薄率和壁厚增厚率判断，
[0029]壁厚减薄率表达式为：
[0030]ζ1＝(t—t1)/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0031]式中：ζ1为壁厚减薄率；t为管材的原始壁厚；t1为弯曲后减薄的弯管壁厚；
[0032]当t1取弯管的最小壁厚t
1,min
时，ξ1对应最大壁厚减薄率ξ
1,max
。；
[0033]壁厚增厚率表达式为：
[0034]ζ2＝(t2—t)/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0035]式中：ζ2为壁厚增厚率；t2—弯曲后增厚的弯管壁厚；
[0036]当t2取弯管的最大壁厚t
2,max
时，ξ2对应最大壁厚增厚率ξ
2,max
。
[0037]在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤S6中，所述的截面畸变用椭圆度来衡量表达式为：
[0038][0039]式中：为椭圆度；D
max
为弯管某一截面的最大外径、D
min
为弯管某一截面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：管材类型判断：获取需数控绕弯成形的金属管材规格，包括外径D和壁厚t，判断管材是否属于超薄壁管，当D/t≥100时，管材属于超薄壁管，执行步骤S2；当D/t＜100时，管材不属于超薄壁管，执行步骤S7；步骤S2：确定芯棒设计基本方案：获取芯棒的参数，包括：芯轴直径d
s
、芯轴伸出量e
m
、芯球直径d
b
、芯球厚度k、芯球个数n和芯球间隙s，设具有等厚度芯球的芯棒设计方案为芯棒设计基本方案，所述的芯棒设计基本方案包括计算芯棒支撑角度；步骤S3：确定芯棒设计初步方案：根据所述的芯棒设计基本方案设计芯棒设计初步方案，所述的芯棒设计初步方案包括不同的芯球厚度、不同的芯球个数和相同芯棒支撑角度，设不同的芯球厚度为k1、k2、
…
、k
n
；步骤S4：确定芯球个数：根据芯棒支撑角度范围，确定芯球个数n；步骤S5：罗列变厚度芯球组合方案：根据芯球个数对不同的芯球厚度进行组合，获得变厚度芯球组合方案；步骤S6：确定变厚度芯球最终组合方案：对采用不同芯球厚度的变厚度芯球组合方案的超薄壁管材的绕弯成形过程进行仿真计算，分析不同变厚度芯球组合方案对超薄壁弯管对于成形质量的影响，获得变厚度芯球最终组合方案；步骤S7：结束。2.根据权利要求1所述的一种航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法，其特征在于，步骤S2中，芯棒支撑角度计算公式为：式中：θ
m
为芯棒支撑角度；e
m
为芯轴伸出量；R为弯曲半径；n为芯球个数；k为芯球厚度；s为芯球间隙。3.根据权利要求1所述的一种航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法，其特征在于，步骤S5中，所述的变厚度芯球组合方案中，靠近芯轴处的芯球厚度薄于远离芯轴处的芯球。4.根据权利要求1所述的一种航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法，其特征在于，步骤S5中，变厚度芯球的芯棒支撑角度计算公式为：式中：k1、k2...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋兰芳，林姚辰，王亚群，李恒，张树有，林伟明，王自立，
申请(专利权)人：浙江工业大学之江学院，
类型：发明
国别省市：