一种基于局部加载成形筋板件预制坯的优化方法，通过控制过渡区的材料流动和宏观缺陷以实现等温局部加载成形。本发明专利技术所优化设计的预制坯，可有效改善材料流动的均匀性，减少过渡区内跨筋的横向材料流动，提高筋型腔的充填能力。在工程运用上，改善了构件的使用性能，降低了生产成本，为实现钛合金大型复杂构件的成形一体化制造奠定基础。
【技术实现步骤摘要】
一种基于局部加载成形筋板件预制坯的优化方法
本专利技术涉及热加工领域中难变形合金的热加工锻造，具体是在局部加载成形方法制造筋板件的条件下，一种用于局部加载过渡区预制坯形状的优化方法。
技术介绍
航空宇航构件日益要求大型整体化、薄壁轻量化、形状复杂化。采用钛合金等高性能轻质合金材料和薄壁、整体、带筋的轻量化结构是提高零部件的性能和可靠性、实现装备轻量化的有效途径。由于钛合金变形抗力大，且构件结构复杂、投影面积大，采用传统锻造工艺整体成形此类构件不仅对设备吨位有很高的要求，而且容易出现材料充填困难、锻件质量难以保证等问题。因此，要求不断发展精确塑性成形新原理、新方法，研究开发先进的塑性成形技术以实现此类大型整体构件的成形制造。等温成形技术可显著降低材料流动应力，局部加载工艺不仅可有效降低锻造载荷，还可拓展成形构件的尺寸范围。等温局部加载成形技术将二者有机结合，为钛合金大型整体筋板构件的成形制造提供了一条新的有效途径，能够解决航空航天用高性能轻量化构件成形制造的难题，是迫切需要研究发展的先进塑性成形技术。在局部加载成形过程中，仅对工件某个局部区域施加载荷，然后通过变换加载位置、累积局部变形，从而成形整个构件。因此，构件上存在着加载区、未加载区和连接二者的过渡区。然而在成形过程中，过渡区会发生非常复杂的不均匀变形和材料流动，可能会产生折叠及充填不满等宏观成形缺陷。高鹏飞等在TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2014年，第76卷，5-8期，1339–1347页上发表的QuantitativeanalysisofthematerialflowintransitionalregionduringisothermallocalloadingformingofTi-alloyrib-webcomponent论文中研究发现在局部加载过渡区，成形过程中存在跨筋的横向材料转移，材料会由加载区转移至未加载区，这种材料转移是导致过渡区产生折叠缺陷的本质原因。而且，随着材料横向转移量的增加，折叠的严重程度呈线性关系增加。另外，张大伟等在JournalofMaterialsProcessingTechnology，2010年，第210卷，2期，258–266页上发表的Analysisoflocalloadingformingfortitanium-alloyT-shapedcomponentsusingslabmethod论文中研究了筋板构件在局部加载过程中的材料流动和充填情况，发现如果在上模行程完成前筋型腔若已充填完毕，当上模继续压下，型腔无法容纳继续充填的金属，这样将迫使充填型腔的金属沿腹板向外流动，造成大量金属沿一个方向快速移动，容易导致相邻已成形筋条产生折叠、穿筋、流线紊乱等缺陷，并造成锻造载荷急剧上升，减少模具使用寿命。相反地，如果在局部加载成形结束后，若筋型腔未充满，则会使筋高达不到要求。由于这些缺陷的控制难度较大，严重制约了等温局部加载这种先进成形工艺的发展与应用。上述论文虽然从成形工艺上分析了材料流动和成形缺陷的原因，并根据摩擦、压下量等工艺参数提出了一定的缺陷改进方法，但其未考虑预制坯形状对成形缺陷的影响。对于形状复杂的筋板件，即使采用优化的工艺参数，过渡区的宏观缺陷未必能完全消除，所制造筋板件的成形质量仍可能存在一定问题。另外，在公开号为CN102632172B、CN102601281A以及CN102632173A的专利中分别给出了一种确定筋板形三维构件局部加载成形用不等厚坯料的方法、确定三维框形构件局部加载成形用不等厚坯料的方法和确定二维局部加载成形用不等厚坯料的方法。在这些专利中，预制坯的形状采用的是简单形式的不等厚坯料，然而其设计仅针对于远离过渡区的整体加载区域，位于过渡区预制坯的形状仍采用的是等厚坯料。而采用等厚坯料难以实现过渡区上各部位的合理体积分配，如若在局部加载成形前初始体积分配不合理，仍然可能导致过渡区产生折叠、模具充填不满等宏观成形缺陷。过渡区是局部加载成形工艺特点的首要体现，起着不均匀变形协调的作用，其成形质量的好坏对构件的服役性能起着非常重要的作用。采用合理的预制坯形状，可以有效控制过渡区的材料流动并消除宏观成形缺陷。目前尚未见报道有在筋板件局部加载成形中，位于过渡区预制坯形状的优化设计。由于在上述专利中，预制坯的形状采用的是简单的不等厚坯料，其结构是通过台阶形式改变坯料不同区域的厚度分布，能够低成本高效地分配各区域的材料体积，为本专利技术中的预制坯优化设计提供了参考。
技术实现思路
为克服现有技术在筋板件局部加载成形中过渡区可能产生折叠和筋型腔充填不满的问题，本专利技术提出了一种基于局部加载成形筋板件预制坯的优化方法。本专利技术的具体过程是：步骤1，提取过渡区几何结构。步骤2，设计初始预制坯。初始预制坯采用等厚坯料。坯料在水平面内的投影形状等于过渡区几何结构的投影面积。步骤3，建立有限元模型。所建立的有限元模型包括组合模具与初始预制坯的几何外形、初始预制坯与组合模具之间的摩擦因子、上模的下压速度及压下量、初始预制坯和组合模具的温度。所述的构件中横向筋宽度方向的中心线为对称面，对该对称面一侧进行模拟仿真。模具采用现有技术中的组合模具，局部加载分区位置位于下模，在第一分块下模的下表面放置垫板，使第一分块下模向上突出，初始预制坯放置于上模与突出的第一分块下模之间。步骤4，局部加载成形。所述局部加载成形有两个加载步：第一加载步：将初始预制坯与组合模具一起置于加热炉中均速加热至970℃并保温1.5h。当上模压下时，所述的第一分块下模对初始预制坯施加载荷。上模行程结束后，保压10min。随后，压力机的冲头回程，完成第一加载步。所述上模的加载速度v为0.2mm/s，初始预制坯和组合模具之间的摩擦因子m为0.5。第二加载步：撤去垫板，使所述第一分块下模的下表面与所述第二分块下模的下表面处于同一水平面。将初始预制坯经过第一加载步成形后的工件与组合模具一起置于加热炉中均速加热至970℃并保温1.5h。启动压力机对工件进行第二加载步的加载成形。当上模压下时，所述的第二分块下模对工件施加载荷。上模行程结束后保压10min，随后压力机的冲头回程，完成第二加载步。所述上模的加载速度v为0.2mm/s，经过第一加载步成形后的工件和各分块模具之间的摩擦因子m为0.5。步骤5，观察初始预制坯成形后的充填和折叠情况，获得不产生折叠的最大材料转移率：通过观察初始预制坯成形后的充填和折叠情况，以获得不产生折叠的最大材料转移率。两个加载步结束后，通过所述的初始预制坯模拟后的成形结果观察充填和折叠情况。观察折叠情况：位于所述先加载区内紧邻分区筋的腹板处产生了折叠缺陷。获得不产生折叠时初始预制坯压入第三腹板的压入量Ie：Ie＝He-T2(1)T2为所述先加载区内紧邻分区筋腹板的厚度；该先加载区内紧邻分区筋腹板的厚度随所述压入量Ie的变化而变化，且压入量Ie的减少量与第三腹板厚度T2的增加量相同。将得到的Ie的初始值减小，并根据Ie的变化调整第三腹板厚度T2。重复步骤3的局部加载成形过程，观察第三腹板处折叠是否产生。如若折叠依然产生，将压入量Ie初始值再次减小，并本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于局部加载成形筋板件预制坯的优化方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，提取过渡区几何结构；步骤2，设计初始预制坯；初始预制坯采用等厚坯料；坯料在水平面内的投影形状等于过渡区几何结构的投影面积；步骤3，建立有限元模型：所建立的有限元模型包括组合模具与初始预制坯的几何外形、初始预制坯与组合模具之间的摩擦因子、上模的下压速度及压下量、初始预制坯和组合模具的温度；所述的构件中横向筋宽度方向的中心线为对称面，对该对称面一侧进行模拟仿真；模具采用现有技术中的组合模具，局部加载分区位置位于下模，在第一分块下模的下表面放置垫板，使第一分块下模向上突出，初始预制坯放置于上模与突出的第一分块下模之间；步骤4，局部加载成形：所述局部加载成形有两个加载步：第一加载步：将初始预制坯与组合模具一起置于加热炉中均速加热至970℃并保温1.5h；当上模压下时，所述的第一分块下模对初始预制坯施加载荷；上模行程结束后，保压10min；随后，压力机的冲头回程，完成第一加载步；所述上模的加载速度v为0.2mm/s，初始预制坯和组合模具之间的摩擦因子m为0.5；第二加载步：撤去垫板，使所述第一分块下模的下表面与所述第二分块下模的下表面处于同一水平面；将初始预制坯经过第一加载步成形后的工件与组合模具一起置于加热炉中均速加热至970℃并保温1.5h；启动压力机对工件进行第二加载步的加载成形；当上模压下时，所述的第二分块下模对工件施加载荷；上模行程结束后保压10min，随后压力机的冲头回程，完成第二加载步；所述上模的加载速度v为0.2mm/s，经过第一加载步成形后的工件和各分块模具之间的摩擦因子m为0.5；步骤5，观察初始预制坯成形后的充填和折叠情况：通过观察初始预制坯成形后的充填和折叠情况，以获得不产生折叠的最大材料转移率；两个加载步结束后，通过所述的初始预制坯模拟后的成形结果观察充填和折叠情况；观察折叠情况：位于所述先加载区内紧邻分区筋的腹板处产生了折叠缺陷。首先获得不产生折叠时初始预制坯压入该腹板的压入量Ie：Ie＝He‑T2 (1)T2为所述先加载区内紧邻分区筋腹板的厚度；该先加载区内紧邻分区筋腹板的厚度随所述压入量Ie的变化而变化，且压入量Ie的减少量与第三腹板厚度T2的增加量相同；将得到的Ie的初始值减小，并根据Ie的变化调整第三腹板厚度T2；重复步骤3的局部加载成形过程，观察第三腹板处折叠是否产生；如若折叠依然产生，将压入量Ie初始值再次减小，并同时调整第三腹板厚度T2，直至观察到不产生折叠为止；所述压入量Ie初始值每次减小的值为0.1mm；通过公式(2)得到材料转移率Mt：Mt＝[(Vf‑Vn)/Veigen]*100 (2)式中：Vf为第一加载步成形后，位于先加载区内的初始材料体积；Vf为第二加载步成形过程中，材料由后加载区转移至先加载区后，该材料的体积；根据得到的材料转移率Mt确定判断折叠缺陷的临界值Ct：Ct＝α*Mt (3)所述的Ct＝αMt；α为为安全系数，取值范围为0.95≤α＜1；据此，Ct作为预制坯优化设计的约束条件，以避免过渡区的折叠缺陷；在充填方面，所述的初始预制坯经过两个加载步成形后，发现未充满区域；为了定量分析出材料的充填情况，采用某根筋充满时刻下的未充填率Фu：Фu＝[(Veigen‑Vactual)/Veigen]*100 (4)式中：Veigen为过渡区几何结构的总体积，Vactual为过渡区内某根筋充满后，减去剩余压下量所需材料的体积；步骤6，预制坯的几何外形设计：所述预制坯被划分成三个区域，分别为不等厚坯料第一区域、不等厚坯料第二区域、不等厚坯料第三区域，每个区域的厚度有所不同，分别为H1，H2和H3；各区域的宽度由lleft和lright所调节，其中，lleft为第二纵向筋的中心线至所述的不等厚坯料第一区域的长度、lright为所述的第二纵向筋的中心线至所述的不等厚坯料第三区域的长度，lleft与lright之和等于所述的不等厚坯料第二区域的宽度；不等厚坯料的变厚度区采用倒角过渡，其过渡条件定义为：Rb＝△l/△H (5)式中：△l为倒角的长度，△H为变厚区的厚度差；根据推荐值；根据体积不变原理，H2作为因变值以确保体积恒定不变，通过改变H1，H3，lleft和lright四个数值，以此改变预制坯的初始体积分配；采用Box‑Behnken design实验设计方法，得出不同初始材料分配下的不等厚坯料的几何参数组合；把所设计出的不等厚坯料替换有限元模型中的初始预制坯5；重复步骤2的局部加载成形过程；局部加载成形结束后，获得相应坯料下的公式(4)和公式(5)中的材料转移率Mt和未充填率Фu的结果；步骤7，建立响应面模型：依据步骤6的计算结果，采用二阶多项式并结合逐步回归法，剔除对成形结果...
【技术特征摘要】
1.一种基于局部加载成形筋板件预制坯的优化方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，提取过渡区几何结构；步骤2，设计初始预制坯；初始预制坯采用等厚坯料；坯料在水平面内的投影形状等于过渡区几何结构的投影面积；步骤3，建立有限元模型：所建立的有限元模型包括组合模具与初始预制坯的几何外形、初始预制坯与组合模具之间的摩擦因子、上模的下压速度及压下量、初始预制坯和组合模具的温度；所述的构件中横向筋宽度方向的中心线为对称面，对该对称面一侧进行模拟仿真；模具采用现有技术中的组合模具，局部加载分区位置位于下模，在第一分块下模的下表面放置垫板，使第一分块下模向上突出，初始预制坯放置于上模与突出的第一分块下模之间；步骤4，局部加载成形：所述局部加载成形有两个加载步：第一加载步：将初始预制坯与组合模具一起置于加热炉中均速加热至970℃并保温1.5h；当上模压下时，所述的第一分块下模对初始预制坯施加载荷；上模行程结束后，保压10min；随后，压力机的冲头回程，完成第一加载步；所述上模的加载速度v为0.2mm/s，初始预制坯和组合模具之间的摩擦因子m为0.5；第二加载步：撤去垫板，使所述第一分块下模的下表面与所述第二分块下模的下表面处于同一水平面；将初始预制坯经过第一加载步成形后的工件与组合模具一起置于加热炉中均速加热至970℃并保温1.5h；启动压力机对工件进行第二加载步的加载成形；当上模压下时，所述的第二分块下模对工件施加载荷；上模行程结束后保压10min，随后压力机的冲头回程，完成第二加载步；所述上模的加载速度v为0.2mm/s，经过第一加载步成形后的工件和各分块模具之间的摩擦因子m为0.5；步骤5，观察初始预制坯成形后的充填和折叠情况：通过观察初始预制坯成形后的充填和折叠情况，以获得不产生折叠的最大材料转移率；两个加载步结束后，通过所述的初始预制坯模拟后的成形结果观察充填和折叠情况；观察折叠情况：位于所述先加载区内紧邻分区筋的腹板处产生了折叠缺陷。首先获得不产生折叠时初始预制坯压入该腹板的压入量Ie：Ie＝He-T2(1)T2为所述先加载区内紧邻分区筋腹板的厚度；该先加载区内紧邻分区筋腹板的厚度随所述压入量Ie的变化而变化，且压入量Ie的减少量与第三腹板厚度T2的增加量相同；将得到的Ie的初始值减小，并根据Ie的变化调整第三腹板厚度T2；重复步骤3的局部加载成形过程，观察第三腹板处折叠是否产生；如若折叠依然产生，将压入量Ie初始值再次减小，并同时调整第三腹板厚度T2，直至观察到不产生折叠为止；所述压入量Ie初始值每次减小的值为0.1mm；通过公式(2)得到材料转移率Mt：Mt＝[(Vf-Vn)/Veigen]*100(2)式中：Vf为第一加载步成形后，位于先加载区内的初始材料体积；Vf为第二加载步成形过程中，材料由后加载区转移至先加载区后，该材料的体积；根据得到的材料转移率Mt确定判断折叠缺陷的临界值Ct：Ct＝α*Mt(3)所述的Ct＝αMt；α为为安全系数，取值范围为0.95≤α＜1；据此，Ct作为预制坯优化设计的约束条件，以避免过渡区的折叠缺陷；在充填方面，所述的初始预制坯经过两个加载步成形后，发现未充满区域；为了定量分析出材料的充填情况，采用某根筋充满时刻下的未充填率Фu：Фu＝[(Veigen-Vactual)/Veigen]*100(4)式中：Veigen为过渡区几何结构的总体积，Vactual为过渡区内某根筋充满后，减去剩余压下量所需材料的体积；步骤6，预制坯的几何外形设计：所述预制坯被划分成三个区域，分别为不等厚坯料第一区域、不等厚坯料第二区域、不等厚坯料第三区域，每个区域的厚度有所不同，分别为H1，H2和H3；各区域的宽度由lleft和lright所调节，其中，lleft为第二纵向筋的中心线至所述的不等厚坯料第一区域的长度、lright为...
【专利技术属性】
技术研发人员：樊晓光，詹梅，魏科，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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