[发明专利]基于多点力加载方式的三维曲面拉伸成形方法

摘要

本发明提供一种多点力加载方式的三维曲面拉伸成形方法，属于金属塑性加工领域。采用多点力加载的方式控制板料的拉伸成形过程，拉伸成形力由排列于模具两侧的加载控制单元施加于板料两端的一系列离散点上，各加载点所施加的拉伸成形力的大小及方向均可独立控制。本发明提供了根据拉伸成形模具型面确定各离散加载点拉伸成形力的方法，通过对各离散点处拉伸成形力的实时控制，以最小的拉伸变形量实现三维曲面零件的拉伸成形过程，从而避免成形缺陷产生，获得大变形量的曲面零件，并可改善板料的贴模过程，减小拉伸成形的工艺余料，节省材料。

主权项

基于多点力加载方式的三维曲面拉伸成形方法，以排列于拉形模具(1)左侧的m个左侧加载控制单元(2)及排列于拉形模具(1)右侧的m个右侧加载控制单元(3)作为拉伸成形加载工具，在板料左端部的m个左端离散加载控制点(4)及板料右端部的m个右端离散加载控制点(5)上对板料施加实时控制的拉伸成形力，使板料以拉伸变形伸长量最小的变形方式与模具型面(6)逐渐贴合，获得高质量的成形曲面零件(7)；所述的m个左侧加载控制单元(2)及m个右侧加载控制单元(3)，沿拉形模具(1)的横向均匀分布；每个左侧加载控制单元(2)及每个右侧加载控制单元(3)均由A液压缸(8)、B液压缸(9)及夹料钳(10)组成，每个左端离散加载控制点(4)处所施加的拉伸成形力由一个左侧加载控制单元(2)独立控制，每个右端离散加载控制点(5)处所施加的拉伸成形力由一个右侧加载控制单元(3)独立控制，拉伸成形力的大小与方向的变化通过改变A液压缸(8)与B液压缸(9)内的液体压力来实现，其特征在于，本方法具体步骤如下：步骤一、基于模具型面(6)上长度最短的模具型面纵向截面轮廓线(12)的长度，确定出拉伸成形所需要的坯料(11)的长度，即拉伸成形开始时刻板料的长度，其具体过程为：1)第k个左侧加载控制单元(2)与第k个右侧加载控制单元(3)构成第k对加载控制单元，第k对加载控制单元之间对应的模具型面纵向截面轮廓线(12)为第k个模具型面纵向截面轮廓线，提取出第k个模具型面纵向截面轮廓线(12)，确定其参数方程Pk(θ)：Pk(θ)=yk(θ)zk(θ),(k=1,2,...,m)---(1)]]>其中y为水平方向坐标轴，z为竖直方向坐标轴；参数坐标θ为第k个模具型面纵向截面轮廓线(12)的切线方向与y轴方向的夹角；2)计算第k个模具型面纵向截面轮廓线(12)的曲线长度Lk：Lk=∫θk1θk2ρk(θ)dθ,(k=1,2,...,m)---(2)]]>其中θk1为第k个模具型面纵向截面轮廓线(12)在拉形模具(1)的左边缘处的切线与y轴方向的夹角，θk2第k个模具型面纵向截面轮廓线(12)在拉形模具(1)的右边缘处的切线与y轴方向的夹角；ρk(θ)为第k个模具型面纵向截面轮廓线(12)在参数坐标θ处的曲率半径，由公式(3)计算：ρk(θ)={[yk′(θ)]2+[zk′(θ)]2}3/2|yk′(θ)zk′′(θ)-yk′′(θ)zk′(θ)|,(k=1,2,...,m)---(3)]]>3)在全部的m个模具型面纵向截面轮廓线(12)的长度Lk(k＝1,2,…,m)之中，确定出长度最短的纵向截面轮廓线，记为第k*个纵向截面轮廓线，拉伸成形所需要的坯料(11)左半部分的长度l01由公式(4)计算，右半部分的长度l02由公式(5)计算：l01=11+δmin∫θk*10ρk*(θ)dθ---(4)]]>l02=11+δmin∫0θk*2ρk*(θ)dθ---(5)]]>其中δmin为保证塑性变形所需的最小伸长量，δmin＝σy/E，σy为材料的屈服应力，E为材料的弹性模量；步骤二、确定从拉伸成形开始时刻t＝0到拉伸成形结束时刻t＝T过程中各时刻位于板料左端部的m个左端离散加载控制点(4)与板料右端部的m个右端离散加载控制点(5)所需要的切向及法向的拉伸成形力，其中确定任一时刻t板料两端的第k个离散加载控制点处拉伸成形力的具体过程为：1)计算t时刻第k对加载控制单元之间变形后的板料轮廓线(13)与拉形模具(1)接触边界点的参数坐标θ‾ki=θkiTt,(i=1,2;k=1,2,...,m)---(6)]]>其中，当i＝1时，为t时刻第k对加载控制单元之间变形后的板料轮廓线(13)与拉形模具(1)的左侧接触边界点的参数坐标当i＝2时，为t时刻第k对加载控制单元之间变形后的板料轮廓线(13)与拉形模具(1)的右侧接触边界点的参数坐标2)板料的材料的变形抗力符合规律，其中，为等效应力，为等效应变，K为板料的材料强化系数，n为材料应变硬化指数，利用公式(7)计算出t时刻板料左端部第k个左端离散加载控制点(4)处所需要的切向的拉伸成形力Fk1(t)，利用公式(8)计算出t时刻板料右端部的第k个右端离散加载控制点(5)处所需要的切向的拉伸成形力Fk2(t)：Fk1(t)=bhKm[tT(Lk1-l01)]n(∫θ‾k10e-μn(θ‾k1-θ)ρk(θ)dθ-Lk1+l01)-n,(k=1,2,...,m)---(7)]]>Fk2(t)=bhKm[tT(Lk2-l02)]n(∫0θ‾k2e-μn(θ‾k2-θ)ρk(θ)dθ-Lk2+l02)-n,(k=1,2,...,m)---(8)]]>其中b为板料宽度，h为板料厚度，μ为板料与模具之间的摩擦系数；3)利用公式(9)计算出t时刻板料端部第k个加载点所需要的法向的拉伸成形力Nki(t)：Nki(t)=Kρk(θ)(1+n)(1+ϵ^ki)(l0i-Lki){h2[(ϵ^ki+h2ρk(θ))n+1+(ϵ^ki-h2ρk(θ))n+1]-ρk(θ)n+2[(ϵ^ki+h2ρk(θ))n+2+(ϵ^ki-h2ρk(θ))n+2]},(i=1,2;k=1,2,...,m)---(9)]]>其中，当i＝1时，Nki(t)为第k个左端离散加载控制点(4)处的法向拉伸成形力Nk1(t)；当i＝2时，Nki(t)为第k个右端离散加载控制点(5)处的法向拉伸成形力Nk2(t)；步骤三、确定从拉伸成形开始时刻t＝0到拉伸成形结束时刻t＝T过程中各时刻位于拉形模具(1)两侧各加载控制单元的A液压缸(8)和B液压缸(9)的液体压力的随时间变化历程，其中确定任一时刻t第k对加载控制单元A液压缸(8)和B液压缸(9)的液体压力的具体过程为：1)利用公式(10)确定t时刻板料左端的第k个左端离散加载控制点(4)处所需要的沿y轴方向的拉伸成形力利用公式(11)确定t时刻板料右端的第k个右端离散加载控制点(5)处所需要的沿y轴方向的拉伸成形力其中ΔP是板料两端拉伸成形力之差，2)利用公式(12)确定t时刻板料两端的第k个离散加载点所需要的沿z轴方向的拉伸成形力Fki(z)(t)=Fki(t)sinθ‾ki+Nki(t)cosθ‾ki,(i=1,2;k=1,2,...,m)---(12)]]>其中，当i＝1时，为t时刻板料左端的第k个左端离散加载控制点(4)处z轴方向的拉伸成形力当i＝2时，为t时刻板料左端的第k个右端离散加载控制点(5)处z轴方向的拉伸成形力3)利用公式(13)确定t时刻拉形模具(1)两侧第k个加载控制单元的A液压缸(8)的液体压力PAki(t)，利用公式(14)确定t时刻拉形模具(1)两侧第k个加载控制单元的B液压缸(9)的液体压力PBki(t)：PAki(t)=1λ[Fki(y)(t)sinβki+Fki(z)(t)cosβki],(i=1,2;k=1,2,...,m)---(13)]]>PBki(t)=1λ[Fki(z)(t)cosαki-Fki(y)(t)sinαki],(i=1,2;k=1,2,...,m)---(14)]]>其中，当i＝1时，PAki(t)为拉形模具(1)左侧的第k个加载控制单元(2)的A液压缸(8)的液体压力PAk1(t)，PBki(t)为拉形模具(1)左侧的第k个加载控制单元(2)的B液压缸(9)的液体压力PBk1(t)；当i＝2时，PAki(t)为拉形模具(1)右侧的第k个加载控制单元(2)的A液压缸(8)的液体压力PAk2(t)，PBki(t)为拉形模具(1)右侧的第k个加载控制单元(2)的B液压缸(9)的液体压力PBk2(t)；λ＝sinαki cosβki+cosαki sinβki，αki为t时刻拉形模具(1)两侧的第k个加载控制单元的A液压缸(8)的轴线与水平线的夹角，利用公式(15)计算；βki为t时刻拉形模具(1)两侧的第k个加载控制单元的B液压缸(9)的轴线与水平线的夹角，利用公式(16)计算：αki=tg-1dAsinα-wkidAcosα+vki,(i=1,2;k=1,2,...,m)---(15)]]>βki=tg-1dBsinβ-wkidBcosβ-vki,(i=1,2;k=1,2,...,m)---(16)]]>其中，dA为初始时刻t＝0时A液压缸(8)的有效长度，dB为初始时刻t＝0时B液压缸(9)的有效长度，α为初始时刻t＝0时A液压缸(8)的轴线与水平线的夹角，β为初始时刻t＝0时B液压缸(9)的轴线与水平线的夹角；当i＝1时，vki＝vk1，vk1为左侧第k个夹料钳y方向的位移，由式(17)计算；当i＝1时，wki＝wk1，wk1为左侧第k个夹料钳z方向的位移，由式(18)计算；当i＝2时，vki＝vk2，vk2为右侧第k个夹料钳y方向的位移，由式(19)计算；当i＝2时，wki＝wk2，wk2为右侧第k个夹料钳z方向的位移，由式(20)计算：vk1=l01+lr-(1+ϵ^k1)(l01+lr-Lk1)cosθ‾k1,(k=1,2,...,m)---(17)]]>wk1=(1+ϵ^k1)(l01+lr-Lk1)sinθ‾k1,(k=1,2,...,m)---(18)]]>vk2=(1+ϵ^k2)(l02+lr-Lk2)cosθ‾k2-l02-lr,(k=1,2,...,m)---(19)]]>wk2=(1+ϵ^k2)(l02+lr-Lk2)sinθ‾k2,(k=1,2,...,m)---(20)]]>其中lr为夹料钳(10)与拉形模具(1)之间悬空区的长度，lr取100mm～300mm；步骤四、根据步骤二和步骤三中得到的拉伸成形过程从t＝0到t＝T的各时刻、各加载控制单元A液压缸(8)和B液压缸(9)的液体压力的随时间变化历程，通过各加载控制单元的夹料钳(10)在板料左端离散加载控制点(4)、右端离散加载控制点(5)处对板料施加随时间t变化的拉伸成形力，对板料进行三维曲面的拉伸成形。