薄壁高筋筒形构件包络辗压成形方法

摘要

本发明涉及一种薄壁高筋筒形构件包络辗压成形方法，包括：将圆环毛坯放置在套筒内，圆环毛坯外壁紧贴套筒内壁，包络辊外壁紧贴圆环毛坯内壁，上下环形盖板紧贴套筒上下端面以约束圆环毛坯轴向高度；套筒带动圆环毛坯绕自身轴线以转速主动转动，包络辊绕自身轴线以转速主动转动，同时沿径向以速度v进给辗压圆环毛坯；在包络辊、套筒共同作用下，包络辊与圆环毛坯作包络运动，圆环毛坯发生连续局部塑性变形，直至高筋被包络辊完全包络成形；所述包络辊包括纵筋型腔、横筋型腔和夹持端，纵筋型腔和横筋型腔分别用来成形目标薄壁高筋筒形构件纵筋和横筋。本发明实现了薄壁高筋筒形构件包络辗压成形，成形构件性能好，工艺生产效率和材料利用率高。

说明书

技术领域

本发明涉及薄壁高筋筒形构件制造领域，更具体地说，涉及一种薄壁高筋筒形构件包络辗压成形方法。

背景技术

薄壁高筋筒形构件具有高强度、轻量化等优势，在交通、能源、航空航天、国防科工等工业领域应用广泛。薄壁高筋筒形构件壁薄、筋高、筋纵横交错呈网格状，复杂截面形状使此类构件高性能制造成为难题。目前制造薄壁高筋筒形构件方法主要是切削加工和焊接。切削加工薄壁高筋筒形构件，是通过轧制或锻造方法，预先制备简单筒形毛坯，通过铣削去除内壁多余金属，将加强筋部分依次成形。切削加工方法材料利用率低、生产效率低，并且金属流线被切断，构件性能下降，难以满足薄壁高筋筒形构件在航空航天领域严苛的服役条件。薄壁高筋筒形构件焊接制造是一种分体式制造方法，通过轧制成形得到薄壁筒形腹板，再将机加工得到的高筋通过搅拌摩擦焊或激光焊方法焊接在腹板上。焊缝区域削弱了高筋与腹板连接处强度和承载能力。由于上述问题，切削加工和焊接都无法高性能、高效率、低成本制造薄壁高筋筒形构件。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种薄壁高筋筒形构件包络辗压成形方法，实现了薄壁高筋筒形构件高性能、高效率、低成本制造。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种薄壁高筋筒形构件包络辗压成形方法，包括：

将圆环毛坯放置在套筒内，圆环毛坯外壁紧贴套筒内壁，包络辊外壁紧贴圆环毛坯内壁，上下环形盖板紧贴套筒上下端面以约束圆环毛坯轴向高度；

套筒带动圆环毛坯绕自身轴线以转速ω₁主动转动，包络辊绕自身轴线以转速ω₂主动转动，同时沿径向以速度v进给辗压圆环毛坯；在包络辊、套筒共同作用下，包络辊与圆环毛坯作包络运动，圆环毛坯发生连续局部塑性变形，直至高筋被包络辊完全包络成形；

所述包络辊包括纵筋型腔、横筋型腔和夹持端，夹持端与包络辊驱动装置相连，纵筋型腔和横筋型腔分别用来成形目标薄壁高筋筒形构件纵筋和横筋。

上述方案中，套筒的转速ω₁和包络辊的转速ω₂满足以下公式：

其中，(x₀,y₀)为包络辊与目标薄壁高筋筒形构件线速度相等点的坐标，e为包络辊轴线与套筒轴线之间的距离。

上述方案中，圆环毛坯外径等于目标薄壁高筋筒形构件外径，高度等于目标薄壁高筋筒形构件高度，圆环毛坯内径r₃由以下公式计算得到：

其中，目标薄壁高筋筒形构件高为h，内半径为r₁，外半径为r₂，横筋和纵筋径向高度都为w，纵筋数量为n，纵筋宽度为2l，横筋数量为m，横筋轴向高度t。

上述方案中，包络辊上对应点坐标(x',y',z')和目标薄壁高筋筒形构件上任意一点坐标(x,y,z)之间满足以下公式：

其中，(x₀,y₀)为包络辊与目标薄壁高筋筒形构件线速度相等点的坐标，e为包络辊轴线与套筒轴线之间的距离。

上述方案中，包络辊与目标薄壁高筋筒形构件间干涉判断方法如下：

当包络辊与目标薄壁高筋筒形构件纵筋接触的位置位于包络辊型腔外，此时干涉存在，反之，干涉不存在；干涉判据：当有式(4)成立时，干涉存在；

y_ti≠f₁(x_ti,t)>

在式(4)中，y_t＝f₁(x_t,t)表达式为式(5)，(x_ti,y_ti,t)为由式(6)、(7)联立解得解集中任意一解；式(5)-(7)计算方式如下：

结合式(3)，得到包络辊型腔区域在t时刻表达式(5)：

式(6)为目标构件纵筋区域在t时刻表达式：

式(7)为包络辊圆柱截面表达式：

(x_t-e)²+y_t²≤(r₁-e)²>

上述方案中，将任意时刻包络辊上干涉区逐一去除，获得修正后的包络辊，修正后的包络辊与目标筒形构件不发生干涉；对运动状态分析，发现包络辊与目标筒形构件之间存在的干涉区域包括AGCF、AHK两种情况，精确计算并切除每一时刻干涉区域，即得到无干涉包络辊；计算方式如下：

在任意时刻t，干涉区域AGCF四个端点中：点A、C由式(8)、(11)确定；点G由式(10)、(13)联立确定；点F由式(9)、(15)联立确定；若无G或F点，则干涉区域不存在，反之，需在包络辊上切除此区域以消除干涉；

在任意时刻t，干涉区域AHK三个端点中：点A由方程(8)确定；点K由式(10)、(13)联立确定；点H由式(9)、(13)联立确定；若无点K或点H，则干涉区域不存在，反之，需在包络辊上切除此区域以消除干涉；

在初始位置有A(a,b)，B(c,b)，E(a,-b)，上述涉及式(8)-(15)计算过程如下：

a)计算目标筒形薄壁高筋构件上点A在t时刻坐标，以式(8)表示：

b)计算目标薄壁高筋筒形构件上边AB在t时刻方程，以式(9)表示：

c)计算目标薄壁高筋筒形构件上边AE在t时刻方程，以式(10)表示：

d)计算包络辊上点C在t时刻坐标，以式(11)表示：

式(11)中(x_C,y_C)以式(12)表示:

e)计算包络辊上边CD在t时刻坐标：

式(13)中(x_CD,y_CD)以式(14)表示:

f)包络辊外圆方程以式(15)表示：

实施本发明的薄壁高筋筒形构件包络辗压成形方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用的是一种连续局部塑性成形方法，金属流线完整、构件性能高，极大提高了材料利用率及生产效率，是一种降低能源消耗的绿色制造工艺，突破了薄壁高筋筒形构件高性能、高效率、低成本制造难题，在薄壁高筋筒形构件高性能、高效率、低成本制造领域具有广阔的应用前景。

2、本发明的薄壁高筋筒形构件包络辗压成形方法对包络辊进行修正，避免了包络辊与目标薄壁高筋筒形构件干涉，提高了薄壁高筋筒形构件制造精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为薄壁高筋筒形构件包络辗压成形开始时的示意图；

图2为圆环毛坯的示意图；

图3为薄壁高筋筒形构件包络辗压成形结束时的示意图

图4为目标薄壁高筋筒形构件的示意图；

图5为包络辊三维图；

图6为包络辊与目标薄壁高筋筒形构件干涉区域示意图一；

图7为包络辊与目标薄壁高筋筒形构件干涉区域示意图二；

图8为包络辊修正前后对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-8所示，在本发明的薄壁高筋筒形构件包络辗压成形方法包括以下步骤：

S1、成形原理。如图1所示，将圆环毛坯放置在套筒内，圆环毛坯外壁紧贴套筒内壁，包络辊外壁紧贴圆环毛坯内壁，上下环形盖板紧贴套筒上下端面以约束圆环毛坯轴向高度。套筒带动圆环毛坯绕自身轴线以转速ω₁转动，包络辊绕自身轴线以转速ω₂转动，同时沿径向以速度v进给辗压圆环毛坯。在包络辊、套筒共同辗压下，圆环毛坯发生连续局部塑性变形，直至高筋被完全包络成形。套筒与包络辊转速满足：

(x₀,y₀)为包络辊与目标薄壁高筋筒形构件线速度相等点的坐标，e为包络辊轴线与套筒轴线之间的距离。

取x₀＝50,y₀＝0,e＝25，解得转速比为1:2，套筒转速2πrad/s，包络辊转速4πrad/s。

S2、毛坯设计。圆环毛坯设计为圆形环件，圆环毛坯外径等于目标薄壁高筋筒形构件外径，高度等于目标薄壁高筋筒形构件高度。圆环毛坯内径r₃计算得到：

目标薄壁高筋筒形构件如图4所示，式(2)中目标薄壁高筋筒形构件高为h＝50mm，构件内半径为r₁＝50mm，外半径为r₂＝54mm，横、纵筋径向高度为w＝5mm，纵筋数量为n＝10，纵筋厚度为2l＝8mm，横筋数量为m＝3，横筋轴向高度t＝5mm。

计算得到圆环毛坯高50mm，内径47.42mm，外径54mm。

S3、包络辊设计。包络辊包括三个部分：纵筋型腔、横筋型腔和夹持端。夹持端与包络辊驱动装置相连，控制包络辊的转动及进给。纵筋型腔和横筋型腔分别用来成形目标薄壁高筋筒形构件纵筋、横筋。

包络辊型腔设计按式(3)精确计算：

其中，(x,y,z)为目标薄壁高筋筒形构件上任意一点坐标，(x',y',z')为包络辊上对应点坐标，最终生成包络辊如图5所示。

S4、包络辊与目标薄壁高筋筒形构件间干涉判断。当包络辊与目标薄壁高筋筒形构件纵筋接触的位置位于包络辊型腔外，此时干涉存在，反之，干涉不存在。干涉判据：当有式(3)成立时，干涉存在。

y_ti≠f₁(x_ti,t)(4)

在式(3)中，y_t＝f₁(x_t,t)表达式为式(5)，(x_ti,y_ti,t)为由式(6)、(7)联立解得解集中任意一解。本实例中式(5)-(7)计算方式如下：

结合式(3)，得到包络辊型腔区域在t时刻表达式(5)：

式(6)为目标构件纵筋区域在t时刻表达式：

式(7)为包络辊圆柱截面表达式：

(x_t-25)²+y_t²≤625>

通过式(3)进行判定，发现包络辊与目标薄壁高筋筒形构件间干涉存在。

S5、包络辊修正。将任意时刻包络辊上干涉区逐一去除，获得修正后的包络辊，修正后的包络辊与目标筒形构件不发生干涉。对运动状态分析，发现包络辊与目标筒形构件之间存在的干涉区域包括AGCF、AHK两种情况，精确计算并切除每一时刻干涉区域，即得到无干涉包络辊。计算方式如下：

在任意时刻t，干涉区域AGCF四个端点中：点A、C由式(8)、(11)确定；点G由式(10)、(13)联立确定；点F由式(9)、(15)联立确定。若无G或F点，则干涉区域不存在，反之，需在包络辊上切除此区域以消除干涉。

在任意时刻t，干涉区域AHK三个端点中：点A由方程(8)确定；点K由式(10)、(13)联立确定；点H由式(9)、(13)联立确定。若无点K或点H，则干涉区域不存在，反之，需在包络辊上切除此区域以消除干涉。

在本实例中，A(44,4)，E(44,-4)，上述涉及式(8)-(15)计算过程如下：

a)计算目标筒形薄壁高筋构件上点A在t时刻坐标，以式(8)表示：

b)计算目标薄壁高筋筒形构件上边AB在t时刻方程，以式(9)表示：

c)计算目标薄壁高筋筒形构件上边AE在t时刻方程，以式(10)表示：

d)计算包络辊上点C在t时刻坐标，以式(11)表示：

式(11)中(x_C,y_C)以式(12)表示:

e)计算包络辊上边CD在t时刻坐标：

式(13)中(x_CD,y_CD)以式(14)表示:

f)包络辊外圆方程以式(15)表示：

(x_t-25)²+y_t²＝625(15)

从t＝0s到t＝0.1s，计算两种干涉区域，在包络辊上切除，得到无干涉包络辊，无干涉包络辊与原包络辊xOy截面对比如图6-8所示。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。