一种基于液体体积控制的构件液压成形回弹精确补偿方法

摘要

一种基于液体体积控制的构件液压成形回弹精确补偿方法，它涉及一种金属曲面板件成形制造方法。本发明是利用板材液体凸模拉深成形方法，通过计算目标零件的理论体积与实际零件回弹后的体积差，通过调控注入的液体体积量使模具发生弹性变形，控制模具的弹性变形与回弹量相等，实现曲面板件的回弹精确补偿，使构件尺寸满足设计要求。本发明无需对模具返修，可以在线在位精确补偿由板材批次变化以及模具加工误差导致的回弹。本发明采用可计量、可数控的液体体积变化量实现回弹量补偿，具有补偿精度高、工艺简单、效率高、周期短、生产成本低的优点，可以满足不同批量曲面板件回弹精确补偿和型面高精度控制要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属板类构件的回弹精确补偿方法，具体涉及一种金属曲面板件液体凸模拉深成形的回弹精确补偿方法。

背景技术

回弹是板类构件成形的一种典型缺陷形式，直接影响构件尺寸精度。回弹的产生原因是板料成形后由于外载荷的卸除，诱发内应力重新分布，导致残余应力分布不均，进而导致构件尺寸的改变。通常，发生回弹后板类构件的尺寸不再等于模具几何型面的尺寸，如果按照构件的设计型面加工模具，将无法获得满足设计要求的尺寸精度。目前，刚性模具成形回弹补偿的有效方法是模具型面逆向补偿法。该方法对比理论型面和回弹后的型面，根据型面偏差反向调修模具，使得板类构件回弹后的几何型面正好与理论型面一致。但存在调试时间长达几个月、无法解决不同批次板材性能波动带来的超差、难于在线在位直接补偿回弹的问题，导致周期长、成本高。同时，由于材料强度的提高(高强铝合金、高强钢、高温合金、钛合金等)、构件尺寸的增大，使得回弹问题愈加突出。因此，传统刚性模具成形难于精确控制回弹。

液压成形是采用液体作为传力柔性介质代替部分刚性模具，使板材在液体压力的作用下贴靠到模具型面，从而成形为所需形状的构件。除了采用模具型面逆向补偿法，液压成形还可以通过调控压力控制回弹，这是液压成形比传统刚性模具在回弹补偿方面的独特优势。根据液体的作用方向，板材液压成形分为充液拉深和液体凸模拉深。充液拉深是液体作为背向压力，代替凹模，通过增加背压，提高板材与凸模的贴模性，降低构件的残余应力。液体凸模拉深是液体作为正向压力，代替刚性凸模。对于液体凸模拉深，在成形后期，当构件基本贴靠模具后，通过增加压力，使得构件充分变形，同时诱发面内薄膜应力，一方面降低了构件的残余应力，另一方面改善了残余应力在构件内外层的分布均匀性，降低了内外层应力差和回弹弯矩。

然而，现有液压成形方法控制回弹都是采用控制液体压力的方式。液压成形过程的液压与材料厚度、强度与模具特征尺寸有关。当模具特征尺寸一定时，液压受到板材强度、厚度的波动影响。例如：不同批次低碳钢屈服强度变化范围235-280MPa,常规的补偿计算依据屈服强度取中间值(或某一个批次材料的实际测试值)，如果屈服强度波动变化到极限值，将导致回弹量产生±10％左右的变化量。因此，受到不同批次板材强度、厚度变化影响，导致现有液压成形过程很难通过控制液体压力实现回弹精确补偿，无法解决不同批次板材性能波动带来的精度超差。此外，当机械加工精度不足导致模具型面超差时，模具型面误差和回弹累加，导致构件的尺寸精度将更加难于控制，无法在线在位直接补偿回弹。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有液压成形通过压力控制回弹，无法解决不同批次板材性能变化以及不能在线在位补偿回弹的难题；同时，本发明可以解决由于模具加工误差导致的零件型面精度无法精确控制的难题，无需修改模具实现回弹快速精确补偿。

技术方案一：本发明提出的一种基于液体体积控制的构件液压成形回弹精确补偿方法，采用液体凸模拉深成形方法，根据目标零件的理论体积与实际零件回弹后的体积差，在成形后期整形时，通过调控注入的液体体积量使模具发生弹性变形，控制模具变形量与回弹量相等，实现曲面板件的回弹精确补偿控制，包括以下步骤：

步骤一：根据曲面板件的设计型面，计算其对应的理论体积V₀；

步骤二：把板坯放入模具并合模，向模具内充入液体并通过外部增压系统增压，使板坯在液体压力作用下开始液体凸模拉深成形；

步骤三：采用流量计记录充入模具内的液体流量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀时，通过控制系统停止液体充填并卸载；

步骤四：采用位移传感器在线在位测量卸载后的零件型面与对应模具型面的距离，计算卸载后零件的实测体积V，计算出V₀与V的体积差△V；

步骤五：再次向模具内充入液体并增压，当充入模具内的充入液体体积达到V₀后，继续向模具内充入液体并增压，直至使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的液体流量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V时，通过控制系统停止液体充填，卸载后取出曲面板件；

步骤六：后续零件的批量成形，按照V₀+△V加载液体。

进一步地，步骤二中所述的板坯为金属板材。

进一步地，金属板材包括但不限于铝合金、低碳钢、高强钢。

技术方案二：一种基于液体体积控制的构件液压成形回弹精确补偿方法，所述方法根据目标零件的理论体积与实际零件回弹后的体积差，通过调控注入的液体体积量使模具发生弹性变形，控制模具变形量与回弹量相等，实现曲面板件的回弹精确补偿，包括以下步骤：

步骤一：根据曲面板件的设计型面，计算其对应的理论体积V₀；

步骤二：把板坯放入模具并合模，向模具内充入液体并通过外部增压系统增压，使板坯在液体压力作用下开始液体凸模拉深成形；

步骤三：采用流量计记录充入模具内的液体流量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀时，通过控制系统停止液体充填并卸载；

步骤四：采用位移传感器在线在位测量卸载后的零件型面与对应模具型面的距离，计算卸载后零件的实测体积V，计算出V₀与V的体积差△V；

步骤五：再次向模具内充入液体并增压，当充入模具内的充入液体体积达到V₀后，继续向模具内充入液体并增压，直至使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的液体流量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V时，通过控制系统停止液体充填，卸载后取出曲面板件；

步骤六：根据液体体积压缩量△V_p与液体压力p的关系式△V_p＝β·p·V，计算充入模具内的液体体积量为(V₀+△V)时的液体体积压缩量△V_p＝β·p·(V₀+△V)，其中β为液体介质的压缩系数；

步骤七：再次向模具内充水增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V+△V_p时，通过控制系统停止液体充填，卸载后取出曲面板件。

步骤八：后续零件的批量成形，按照V₀+△V+△V_p加载液体。

技术方案三：一种基于液体体积控制的构件液压成形回弹精确补偿方法，所述方法根据目标零件的理论体积与实际零件回弹后的体积差，通过调控注入的液体体积量使模具发生弹性变形，控制模具变形量与回弹量相等，实现曲面板件的回弹精确补偿，包括以下步骤：

步骤一：根据曲面板件的设计型面和模具型腔的实测型面，计算对应的的理论体积V₀和模具型腔体积V₁，计算出V₀与V₁的体积差△V₁＝V₀-V₁；

步骤二：把板坯放入模具并合模，向模具内充水并通过外部增压系统增压，使板坯在水压作用下开始液体凸模拉深成形；

步骤三：采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₁时，继续向模具内充水并通过外部增压系统增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₁+△V₁＝V₀时，通过控制系统停止水充填并卸载；

步骤四：采用位移传感器在线在位测量卸载后的零件型面与对应模具型面的距离，计算卸载后零件的实测体积V，计算出V₀与V的体积差△V＝V₀-V；

步骤五：再次向模具内充水增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V时，通过控制系统停止液体充填，卸载后取出曲面板件；

步骤六：后续零件的批量成形，按照V₀+△V加载液体。

本发明的有益效果是：

本发明是利用板材液体凸模拉深成形方法，通过计算目标零件的理论体积与实际零件回弹后的体积差，通过调控注入的液体体积量使模具发生弹性变形，控制模具的弹性变形与回弹量相等，实现曲面板件的回弹精确补偿，使构件尺寸满足设计要求。本发明无需对模具返修，可以在线在位精确补偿由板材批次变化以及模具加工误差导致的回弹。本发明采用可计量、可数控的液体体积变化量实现回弹量补偿，具有补偿精度高、工艺简单、效率高、周期短、生产成本低的优点，可以满足不同批量曲面板件回弹精确补偿和型面高精度控制要求。本发明与现有技术相比，在相同的技术条件下，可使金属曲面板件的成形精度显著提高30％-50％，模具调试周期缩短70％，生产成本降低40％以上。

本发明的有益效果具体表现在以下几个方面：

(1)补偿精度高：本发明把回弹补偿量转化为液体体积变化量，液体体积具有可计量、可数控等特点，满足复杂板类构件型面高精度制造的需要。

(2)适用性宽：本发明能适用由于材料厚度、材料性能偏差导致的回弹，以及模具制造误差导致的尺寸分散性大、精度差、废品率高的问题。

(3)工艺简单、调试周期短：本发明采用液压成形方法，板材成形过程和回弹补偿过程一并完成，工艺过程简单；此外，本发明克服了传统方法需要预先理论计算、仿真预测，或后期工艺调试、模具调修等技术手段存在补偿周期长、需要反复多次的问题。

(4)生产成本低：本发明无需模具调修就可获得满足成形精度的板类构件，可显著降低生产成本。

附图说明

图1所示为设计半径为r₀的半球形曲面件，

图2所示为半球形曲面件成形过程的初始状态，

图3所示为半球形曲面件成形过程的中间状态，

图4所示为半球形曲面件成形过程的结束状态(半球形曲面件成形的贴模状态)，

图5所示为半球形曲面件卸载后发生回弹的状态，

图6所示为半球形曲面件的回弹补偿状态，

图7所示为模具存在加工误差时的曲面件成形初始状态，

图8模具存在加工误差时的曲面件成形贴模状态，

图9模具存在加工误差时的模具型面补偿状态，

图10模具存在加工误差时曲面件卸载后回弹的状态，

图11模具存在加工误差时的曲面板件回弹补偿过程，

图12所示为长、短轴半径分别为a和b的半椭球形曲面件，

图13为半椭球形曲面件的回弹补偿过程，

图14为不规则形状复杂曲面件，

图15为不规则形状复杂曲面件的回弹补偿过程。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一：根据曲面板件的设计型面，计算其对应型面的理论体积V₀；

步骤二：把板坯放入模具并合模，向模具内充入液体水并通过外部增压系统增压，使板坯在液体压力作用下开始液体凸模拉深成形；

步骤三：采用流量计记录充入模具内的液体流量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀时，通过控制系统停止液体充填并卸载；

步骤四：采用位移传感器在线在位测量卸载后的零件型面与对应模具型面的距离，计算卸载后零件的实测体积V，计算出V₀与V的体积差△V；

步骤五：再次向模具内充如液体并增压，当充入模具内的液体体积达到V₀后，继续向模具内充入液体并增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的液体流量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V时，通过控制系统停止液体充填，卸载后取出曲面板件。

步骤六：后续零件的批量成形，按照V₀+△V加载液体。

具体实施方式二：

考虑到超高压整体过程，为避免液体在超高压下由于体积压缩导致的误差，影响液体体积的精确控制，在具体实施方式一的步骤一～步骤五的基础上，本实施方式还包括以下步骤：

步骤六：根据液体体积压缩量△V_p与液体压力p的关系式△V_p＝β·p·V，计算充入模具内的液体体积量为(V₀+△V)时的液体体积压缩量△V_p＝β·p·(V₀+△V)，其中β为液体介质的压缩系数；

步骤七：再次向模具内充水增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V+△V_p时，通过控制系统停止液体充填，卸载后取出曲面板件。

步骤八：后续零件的批量成形，按照V₀+△V+△V_p加载液体。

具体实施方式三：

考虑到模具型面加工存在误差，当模具型腔实际尺寸小于零件尺寸的下公差时，采用本发明无需修改模具实现曲面板类构件的一次高精度成形。本实施方式包括以下步骤：

步骤一：根据曲面板件的设计型面和模具型腔的实测型面，计算对应的的理论体积V₀和模具型腔体积V₁，计算出V₀与V₁的体积差△V₁＝V₀-V₁；

步骤二：把板坯放入模具并合模，向模具内充水并通过外部增压系统增压，使板坯在水压作用下开始液体凸模拉深成形；

步骤三：采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₁时，继续向模具内充水并通过外部增压系统增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₁+△V₁＝V₀时，通过控制系统停止水充填并卸载；

步骤四：采用位移传感器在线在位测量卸载后的零件型面与对应模具型面的距离，计算卸载后零件的实测体积V，计算出V₀与V的体积差△V＝V₀-V；

步骤五：再次向模具内充水增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V时，通过控制系统停止液体充填，卸载后取出曲面板件。

步骤六：后续零件的批量成形，按照V₀+△V加载液体。

实施例

实施例1：

以2219铝合金半球形封头零件成形为例，其中：r₀为封头零件的设计半径，r为封头零件卸载发生回弹后的半径。结合图1～图6说明本发明的实施过程：

步骤一：根据半球形封头的设计半径r₀，计算对应的理论体积V₀＝2πr₀³/3；

步骤二：把圆形板坯放入型腔半径为r₀的模具并合模，向模具内充水并通过外部增压系统增压，使板坯在水压作用下开始液体凸模拉深成形；

步骤三：采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀时，通过控制系统停止水充填并卸载；

步骤四：采用位移传感器测量零件距离模具型面的距离，计算卸载后的零件实测半径r，计算出零件的实测体积V＝2πr³/3，计算出V₀与V的体积差△V＝V₀-V＝2π(r₀³-r³)/3；

步骤五：再次向模具内充水增压，当充入模具内的水量达到V₀后，继续向模具内充水并通过外部增压系统增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V＝2π(2r₀³-r³)/3时，通过控制系统停止水充填，卸载后取出封头零件。

步骤六：后续封头零件的批量成形，按照2π(2r₀³-r³)/3加载液体。

实施例2：

以2219铝合金半球形封头零件成形为例，其中：r₀为封头零件的设计半径，r为封头零件卸载发生回弹后的半径。为避免超高压条件下，液体增压后体积压缩导致的误差，本实施例的步骤一～步骤五同实施例1，此外还包括以下步骤：

步骤六：记录充入模具内的液体体积量为(V₀+△V)时的液体压力p，并根据液体体积压缩量计算公式△V_p＝β·p·(V₀+△V)，计算充入模具内的液体体积压缩量△V_p＝β·p·2π(2r₀³-r³)/3，其中β为液体介质的压缩系数；

步骤七：再次向模具内充水增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V+△V_p＝(β·p+1)×[2π(2r₀³-r³)/3]后，停止液体充填，卸载后取出封头零件。

步骤八：后续封头零件的批量成形，按照(β·p+1)×[2π(2r₀³-r³)/3]加载液体。

实施例3：

以2219铝合金半球形封头零件成形为例，其中：r₀为封头零件的设计半径，由于加工误差，模具型腔的实测半径为r₁＝r₀-δ(δ为设计公差)，r为封头零件卸载发生回弹后的半径。本发明无需修改模具实现封头零件的一次高精度成形。结合图7～图11说明本发明的实施过程：

步骤一：根据半球形封头的设计半径r₀和模具型腔的实测半径为r₁，计算对应的理论体积V₀＝2πr₀³/3和模具型腔体积V₁＝2πr₁³/3，计算出V₀与V₁的体积差△V₁＝V_0-V₁＝2π(r₀³-r₁³)/3；

步骤二：把圆形板坯放入型腔半径为r₁的模具并合模，向模具内充水并通过外部增压系统增压，使板坯在水压作用下开始液体凸模拉深成形；

步骤三：采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₁时，继续向模具内充水并通过外部增压系统增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₁+△V₁＝V₀＝2πr₀³/3时，通过控制系统停止水充填并卸载；

步骤四：采用位移传感器测量零件距离模具型面的距离，计算卸载后的零件实测半径r，计算出零件的实测体积V＝2πr³/3，计算出V₀与V的体积差△V＝V₀-V＝2π(r₀³-r³)/3；

步骤五：再次向模具内充水增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V＝2π(2r₀³-r³)/3时，通过控制系统停止水充填，卸载后取出封头零件。

步骤六：后续封头零件的批量成形，按照2π(2r₀³-r³)/3加载液体。

实施例4：

以2219铝合金半椭球形封头零件成形为例，其中：a₀为封头零件的长轴半径，b₀为封头零件的长轴半径。结合图12、图13说明本发明的实施过程：

步骤一：根据半椭球形封头的长、短轴半径，计算对应的理论体积

步骤二：把圆形板坯放入型腔半径为长、短轴半径分别为a₀和b₀的模具并合模，向模具内充水并通过外部增压系统增压，使板坯在水压作用下开始液体凸模拉深成形；

步骤三：采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀时，通过控制系统停止水充填并卸载；

步骤四：采用位移传感器测量零件距离模具型面的距离，计算卸载后的零件实测长、短轴半径，计算出零件的实测体积V＝2πa²b/3，计算出V₀与V的体积差△

步骤五：再次向模具内充水增压，当充入模具内的水量达到V₀后，继续向模具内充水并通过外部增压系统增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的水量变化，当充入模具内的液体体积达到时，通过控制系统停止水充填，卸载后取出半椭球形封头零件。

步骤六：后续封头零件的批量成形，按照加载液体。

实施例5：

以5A06铝合金不规则形状复杂曲面零件成形为例，其中：h₁，h₂，h₃分别为复杂曲面零件的对应的台阶平面高度，r₁和r₂分别为两个曲面半径。结合图14、图15说明本发明的实施过程：

步骤一：根据复杂曲面板件的设计型面，采用CAD软件计算其对应的的理论体积V₀；

步骤二：把板坯放入模具并合模，向模具内充入液体水并通过外部增压系统增压，使板坯在液体压力作用下开始拉深成形；

步骤三：采用流量计记录充入模具内的液体流量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀时，通过控制系统停止液体充填并卸载；

步骤四：采用位移传感器在线在位测量卸载后的零件型面与对应模具型面的距离，计算卸载后零件的实测体积V，计算出V₀与V的体积差△V；

步骤五：再次向模具内充如液体并增压，当充入模具内的液体体积达到V₀后，继续向模具内充入液体并增压，使模具发生弹性变形，采用流量计记录充入模具内的液体流量变化，当充入模具内的液体体积达到V₀+△V时，通过控制系统停止液体充填，卸载后取出复杂曲面板件。

步骤六：后续零件的批量成形，按照V₀+△V加载液体。

针对本发明效果的对比验证：

在相同试验条件下，本发明方法与现有的采用控制液体压力的方式控制回弹相比，零件型面精度至少提高20％，成品率至少提高10％，工作效率至少提高70％。