[发明专利]一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法

说明书

本发明公了一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法，属于金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理领域，本发明的方法通过建立板料与模具间的热传导模型，获得成形结束时刻板料及模具表面的非均匀温度场分布，然后在非均匀温度下，对模具尺寸进行缩尺系数计算，进行初步结构设计，之后将毛坯料及模具数模导入仿真软件中，模拟热成形过程，并通过热传导获得大型模具的温度场和应力分布，并结合理论计算结果逆向修正模具结构设计，结构细化后进行生产；本发明的方法可以降低非均匀温度场与热膨胀系数对零件尺寸造成的误差，提高复杂曲面薄壁构件的尺寸精度，提升复杂曲面薄壁构件的合格率。

技术领域

本发明属于金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理领域，是一种金属板材热校形工艺，尤其涉及一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法。

背景技术

在航空航天领域，产品零部件正向轻量化、复杂化及整体化方向发展，尤其是复杂曲面薄壁构件。钛合金由于比强度高，耐高温，耐腐蚀等优异性能被广泛应用于航空航天领域。但是，由于钛合金在常温状态下塑性差，变形抗力大，板材冷成形难，因此热成形是钛合金钣金成形的主要工艺。钛合金的热成形主要采用与热模具接触的板料加热方式，在完成加热后同时进行热校形处理，减少零件的回弹现象，保证零件的加工精度，并且此工艺方法对于零件板材的加热时间较短，因此零件成形中金相组织变化较少，能保证零件的服役寿命和性能要求。

然而，在实际工业生产时，需要先将模具放入恒温炉中进行加热，由于加热炉功率大，加热速度较快，导致模具加热过程中具有明显的非均匀温度场，此时模具各区域将受非均匀温度场的影响发生不同程度形变；并且为了加快成形效率，成形过程有时采用热模冷板的成形方式，这样导致成形零件各区域也在非均匀温度场下发生不同程度的膨胀，进而影响最终成形件的精度。

CN103769482A中提出了一种钛合金进气道零件的整体成形模具及方法，将模具固定在热成型压力机内加热，将圈圆完成后的圆形坯料放入下模型腔完成预成型，预成型后坯料两端封堵焊,并在端面焊接进气管路，利用气胀方式进行最终成形，得到满足尺寸要求的合格零件。该专利也指出成形模具是复杂曲面薄壁钛合金构件的重要保证，但是并未考虑到非均匀温度场对模具的形变的影响。

发明内容

针对非均匀温度场导致的模具非线性膨胀对钛合金复杂曲面薄壁构件及型面尺寸精度低的问题，本发明提出了一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法，减小了非均匀温度场与热膨胀系数对零件尺寸造成的误差，提高钛合金复杂曲面薄壁构件的尺寸精度，增加钛合金复杂曲面薄壁构件的合格率。

本发明是这样实现的：

步骤一、根据毛坯料热成形的温度，选择合适的模具材料，并对材料膨胀系数，弹性模量，高温应力应变关系等进行测定；

步骤二、建立板料与模具间的热传导模型，获得成形结束时刻板料及模具表面的非均匀温度场分布；

步骤三、基于材料的热胀冷缩效应，在非均匀温度下，对模具尺寸进行缩尺系数计算，以抵消不同温度下板料与模具相互膨胀导致的尺寸差异，根据零件尺寸完成模具的初步结构设计；

步骤四、将毛坯料及模具数模导入仿真软件中，模拟热成形过程，并通过热传导获得大型模具的温度场和应力分布，并结合理论计算结果逆向修正模具结构设计；

步骤五、重复步骤四，待模拟仿真结果达到蒙皮件技术要求后，考虑模具装配，板料毛坯件放置位置，板料毛坯件压边情况对模具结构进行细化；

步骤六、开始进行复杂曲面薄壁构件生产，针对实际生产结果进一步优化模具结构，再次生产。

进一步，所述的步骤二具体为：

2.1，设板料与模具间的热量的流向是单向的，且垂直于板料-模具的接触界面，则基于傅里叶定律，模具-板料界面处的热流密度表示为: