本發(fā)明涉及金屬加工，尤其涉及一種金屬解構(gòu)展擴(kuò)成形方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前，航空、航天、船舶和核電等領(lǐng)域，金屬產(chǎn)品構(gòu)件正向輕量化、低成本及整體化方向發(fā)展，應(yīng)用也越來越多，該類型零件結(jié)構(gòu)多為中空單孔或者多孔結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)要求滿足高強(qiáng)度的同時實(shí)現(xiàn)零件輕量化。

2、對于金屬類構(gòu)件制造，現(xiàn)有技術(shù)諸如鑄造、鍛件或者厚板機(jī)加、增材制造等均存在一些問題。采用鑄造工藝成形，產(chǎn)品性能均勻性差，難以滿足強(qiáng)度要求；采用整體鍛件或者厚板機(jī)加工工藝，機(jī)械加工量大、加工周期長、材料利用率低且加工成本高；采用增材制造工藝，產(chǎn)品性能各向異性明顯、尺寸受限且制造成本高。因此，亟需開發(fā)一種材料利用率高、機(jī)加量少、加工周期短、加工成本低且性能高的框體類構(gòu)件的工藝方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述的分析，本發(fā)明實(shí)施例旨在提供一種金屬解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，用以解決至少以下技術(shù)問題之一：1、現(xiàn)有金屬類構(gòu)件加工工藝材料利用率低；2、加工周期長；3、加工成本高；4、性能強(qiáng)度均勻性差。

2、本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種金屬解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，包括以下步驟：

4、步驟1：根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品模型，設(shè)計(jì)目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)；

5、步驟2：根據(jù)目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)，將目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)解構(gòu)為平面構(gòu)型，根據(jù)平面構(gòu)型設(shè)計(jì)坯料，獲得坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

6、步驟3：根據(jù)坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行坯料加工；

7、步驟4：根據(jù)目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)和坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，確定坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的成形條件；

8、步驟5：根據(jù)坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的成形條件，將坯料采用擴(kuò)張方法或者拉制方法展擴(kuò)成形；

9、步驟6：對展擴(kuò)成形后的坯料進(jìn)行局部整形，獲得金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

10、進(jìn)一步地，所述步驟4包括：

11、s41：對比目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)和坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的尺寸差異，初步分析預(yù)估目標(biāo)產(chǎn)品成形的受力載荷、位移約束條件、成形溫度、變形速度、成形時間和工步范圍；

12、s42：通過有限元仿真軟件，建立或?qū)肱髁显O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型，將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)步驟s41中預(yù)估的目標(biāo)產(chǎn)品成形的受力載荷、位移約束條件、成形溫度、變形速度、成形時間和工步范圍，設(shè)置坯料的受力載荷、位移約束條件、成形溫度、變形速度、變形時間和工步參數(shù)；

13、s43：根據(jù)步驟s42中設(shè)置的坯料的受力載荷、位移約束條件、成形溫度、變形速度、變形時間和工步參數(shù)，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，獲取坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型的位移、應(yīng)變、應(yīng)力、損傷因子、成形溫度和經(jīng)過第一次模擬成形后的坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，得到第一模擬成形坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，并對第一模擬成形坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)與目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行對比分析，確定參數(shù)調(diào)整范圍；

14、s44：根據(jù)確定的參數(shù)調(diào)整范圍，重新對坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，重新設(shè)置坯料的受力載荷、位移約束條件、成形溫度、變形速度、變形時間和工步參數(shù)，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，獲取坯料模型的位移、應(yīng)變、應(yīng)力、損傷因子、成形溫度和經(jīng)過第二次模擬成形后的坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，得到第二模擬成形坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，并對第二模擬成形坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)與目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行對比分析，確定參數(shù)調(diào)整范圍；

15、s45：重復(fù)步驟s44，直至經(jīng)過n次迭代得到的第n模擬成形坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)相比，滿足停止迭代條件，確定坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的成形條件。

16、進(jìn)一步地，步驟s45中，所述停止迭代條件為：

17、第n模擬成形坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)的尺寸差值與目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)尺寸的比值≤0.004，同時第n模擬成形坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力小于對應(yīng)金屬材料在成形溫度時的抗拉強(qiáng)度。

18、進(jìn)一步地，步驟s45中，所述成形條件為第n模擬成形坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模擬成形時的參數(shù)。

19、進(jìn)一步地，步驟2中，所述坯料選用等厚度軋制板坯，滿足tp≥tm，其中tp為坯料厚度，tm為目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)厚度，單位mm。

20、進(jìn)一步地，步驟2中，所述坯料滿足vp≥vm，其中vp為坯料體積，vm為目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)體積，單位mm3。

21、進(jìn)一步地，步驟2中，所述坯料滿足np＝nm，其中np為坯料開孔數(shù)量，nm為目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)中空環(huán)孔數(shù)量。

22、進(jìn)一步地，步驟2中，所述平面構(gòu)型為關(guān)鍵點(diǎn)連接的平面構(gòu)型，所述關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)量等于所述目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)中近似直線段交點(diǎn)的數(shù)量。

23、進(jìn)一步地，步驟5中，所述擴(kuò)張方法為施加壓力于坯料開孔的內(nèi)表面使孔口加大，坯料發(fā)生變形；所述拉制方法為施加拉力于坯料開槽的外圍使孔口加大，坯料發(fā)生變形。

24、進(jìn)一步地，所述金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品包括單孔金屬框體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品和/或多孔金屬框體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，所述孔包括多邊形孔。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少可實(shí)現(xiàn)如下有益效果之一：

26、1、本發(fā)明方法通過設(shè)計(jì)合理的目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)和基于解構(gòu)的坯料設(shè)計(jì)大大提高了材料利用率；根據(jù)坯料設(shè)計(jì)進(jìn)行坯料加工，通過展擴(kuò)成形控制目標(biāo)產(chǎn)品的成形結(jié)構(gòu)，降低機(jī)械加工量而降低加工成本。

27、2、本發(fā)明通過選取等厚度軋制板坯進(jìn)行坯料設(shè)計(jì)，可將大投影面積零件壓縮至小投影面積原材料，可數(shù)量級的降低原材料尺寸，相較于超大尺寸原材料，可保證原材料的組織均勻性較高，通過有限元仿真設(shè)計(jì)和計(jì)算得到合理的目標(biāo)產(chǎn)品的受力變形路徑和變形區(qū)域及對局部未成形的坯料施加壓應(yīng)力，對坯料進(jìn)行不均勻變形控制，局部未成形部位受壓應(yīng)力的作用發(fā)生塑性變形，使得坯料設(shè)計(jì)達(dá)到目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)要求，保證了產(chǎn)品性能，同時減少了成形周期。

28、3、通過本發(fā)明的方法成形的產(chǎn)品在滿足性能和尺寸要求的同時，材料利用率相較于傳統(tǒng)工藝可提高5～20倍，尤其對于鈦合金、高溫合金等貴金屬材料產(chǎn)品，其加工成本可大幅降低。

29、本發(fā)明中，上述各技術(shù)方案之間還可以相互組合，以實(shí)現(xiàn)更多的優(yōu)選組合方案。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分優(yōu)點(diǎn)可從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過說明書以及附圖中所特別指出的內(nèi)容中來實(shí)現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.一種金屬解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，其特征在于，所述步驟4包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，其特征在于，步驟s45中，所述停止迭代條件為：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，其特征在于，步驟s45中，所述成形條件為第n模擬成形坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模擬成形時的參數(shù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，其特征在于，步驟2中，所述坯料選用等厚度軋制板坯，滿足tp≥tm，其中tp為坯料厚度，tm為目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)厚度，單位mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，其特征在于，步驟2中，所述坯料滿足vp≥vm，其中vp為坯料體積，vm為目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)體積，單位mm3。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，其特征在于，步驟2中，所述坯料滿足np＝nm，其中np為坯料開孔數(shù)量，nm為目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)中空環(huán)孔數(shù)量。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，其特征在于，步驟2中，所述平面構(gòu)型為關(guān)鍵點(diǎn)連接的平面構(gòu)型，所述關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)量等于所述目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)中近似直線段交點(diǎn)的數(shù)量。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，其特征在于，步驟5中，所述擴(kuò)張方法為施加壓力于坯料開孔的內(nèi)表面使孔口加大，坯料發(fā)生變形；所述拉制方法為施加拉力于坯料開槽的外圍使孔口加大，坯料發(fā)生變形。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，其特征在于，所述金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品包括單孔金屬框體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品和/或多孔金屬框體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，所述孔包括多邊形孔。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬解構(gòu)展擴(kuò)成形方法，解決現(xiàn)有金屬構(gòu)件加工工藝材料利用率低；周期長，成本高，性能均勻性差問題之一。包括：根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品模型，設(shè)計(jì)目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)；根據(jù)目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)，將目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)解構(gòu)為平面構(gòu)型，根據(jù)平面構(gòu)型設(shè)計(jì)坯料，獲得坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；根據(jù)坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行坯料加工；根據(jù)目標(biāo)成形結(jié)構(gòu)和坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，確定坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)成形條件；根據(jù)坯料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)成形條件，將坯料用擴(kuò)張方法或拉制方法展擴(kuò)成形；對展擴(kuò)成形后的坯料進(jìn)行局部整形，獲得金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。通過本發(fā)明方法成形的產(chǎn)品滿足性能和尺寸要求的同時，提高了材料利用率，降低了加工周期和成本。

技術(shù)研發(fā)人員：李保永,劉奇,張鐵軍,秦中環(huán),劉昊天,李信
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航星機(jī)器制造有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21