[发明专利]一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法

说明书

一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法，它有四大步骤：一、在有限元仿真软件中进行超塑成形仿真，计算得到超塑成形零件；二、采用零件材料的热膨胀性能，对步骤一得到的超塑成形零件单独进行热膨胀仿真；三、将步骤二得到的热膨胀后的零件的外轮廓导出，依据该导出结果，在三维建模软件中设计超塑成形模具的模面以及对应的模具三维整体模型；四、采用模具材料的热膨胀性能，对步骤三设计得到的高温下的超塑成形模具在有限元仿真软件中进行降温收缩仿真，得到最终模具。本发明大大提高了超塑成形零件的成形精度，为模具设计方法及零件制造方带来了直接的经济效益。

技术领域

本发明涉及一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法，它适用于各种超塑成形零件的模具设计，属于机械加工、成形仿真技术领域。

技术背景

某些材料在一定的温度、应变速率以及组织条件下会发生超塑性现象，即其延伸率可达到百分之几百到几千，在这种条件下进行的成形叫做超塑成形。超塑成形特别适用于成形大变形量复杂零件，其变形抗力小，零件残余应力小，回弹小。但是，超塑成形的变形机理复杂，涉及材料非线性、几何非线性和复杂边界条件的高度非线性，而且其过程是在高温、密闭环境下进行，因此零件质量的精确控制难度大。

超塑成形模具与普通模具一样，是在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件工具，模具的尺寸直接影响零件的精度。与普通模具不同的是：超塑成形模具的工作温度高，通常在零件材料的1/2熔点上下，所以在升温和冷却过程中模具材料与零件材料的热膨胀性能差异会影响零件的成形精度，在超塑成形模具设计时，必须考虑这一差异。

随着有限元仿真技术的发展及计算机运算能力的提高，基于有限元分析软件的仿真建模和数值模拟，可以准确而有效地进行模具设计分析，从而降低模具设计周期与成本。

在超塑成形零件实际生产中，一般是根据零件数模来设计模具模面，再依照经验对模具整体施加一定的缩放比例得到最终的模具模型。该方法过于依赖人工经验，没有充分考虑由模具材料和零件材料的热膨胀性能差异所引起的零件成形误差；而且，超塑成形零件普遍具有三维结构复杂、变形量大和多层结构等特点，整体缩放比例难以满足实际零件在成形时不同部分的不同变化，导致最终成形的零件尺寸与所设计的零件尺寸有所差异。为解决上述问题，本专利申请提出了一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法。

发明内容

(1)发明目的：目前，在超塑成形模具设计过程中，只是简单对模具整体施加一定的缩放比例，以提高零件的成形精度。这种简单的方法没有充分考虑由模具材料和零件材料的热膨胀性能差异所引起的零件成形误差，并且无法适应实际超塑零件结构复杂的特点，生产得到的零件与设计的零件尺寸出入较大。为了解决以上问题，本专利申请提出了一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法。

(2)技术方案：本专利申请中的超塑成形模具设计过程是基于有限元仿真技术进行，超塑成形、热膨胀以及降温收缩过程是本发明技术方案的重要组成部分，不同仿真阶段使用不同的材料热膨胀性能是精确设计模具的关键所在。

超塑成形主要包括三个阶段，见图1超塑成形工艺流程示意图：阶段一、加热至超塑成形温度，阶段二、气胀成形，阶段三、冷却。在本专利申请模具设计过程中，采用相对于工艺流程逆向的设计流程，首先假设8为合格零件，8是由6经过冷却得到，所以利用零件材料的热膨胀性能对8进行热膨胀便得到6；其次，阶段二完成后，6与5的型面完全贴合，由6便可设计出高温下的模具尺寸；再次，5是由2经过热膨胀得到，所以利用模具材料的热膨胀性能对5进行冷却便得到2，2即为所要设计的模具。相应的，利用2作为模具进行超塑成形，便能够得到8，即合格零件。另外，在阶段二，板料必然由于超塑成形过程而发生局部减薄，厚度不同，热胀冷缩量也就不同，所以设计之初所采用的模型，即8，必须耦合了由于超塑成形造成的减薄。

根据以上设计方法，本发明一种基于有限元技术考虑热膨胀的超塑成形模具设计方法，它包括如下步骤：