锻件预成形设计方法

技术领域

本发明涉及锻造技术领域，特别是涉及一种锻件预成形设计方法。

背景技术

目前，国内对飞机轮毂成形的研究主要集中在铝合金轮毂的等温模锻成形工艺，其中，《起落架轮毂等温模锻工艺》(洪慎章，航空制造技术，2002(2)：59-61)公开了飞机轮毂一次锻造成形方式，通过数值模拟的等温模锻与理论计算的普通模锻进行比较分析，介绍了等温模锻工艺的优点，实现了复杂薄壁件的少切削、精密成形。然而，为了使锻件简单易加工，锻件的结构被大大简化和缩小，这与锻件的实际尺寸有很大的不同。此外，部分金属在锻造成形中的变形较大，金属流线的分布紊乱且变形均匀性差。《某飞机轮毂挤压成形及热处理工艺研究》(于洋，中北大学，2014)选用7A04铝合金对飞机轮毂进行等温挤压成形工艺的研究，通过“下料—镦粗—冲孔制坯—反挤压—翻边—机械加工—热处理”等工艺，获得了成形质量良好的飞机轮毂终锻件。由于采用冲孔的方式获得环状预制坯，其材料变形均匀性相对较差，锻件主截面变化大，若坯料形状尺寸不合适极易出现锻件各部位变形不均匀的现象。

对于轮毂锻件的预成形有部分学者进行了研究，中国专利CN108580778A公开了一种薄壁深腔飞机轮毂模锻件的锻造方法，其公开了借助于DEFORM数值模拟软件确定预锻件的最佳形状，具体方法是：分别对不同预锻件形状进行终锻成形的模拟，观察其材料流动和金属填充情况，并结合后处理中等效应变、流动速度、温度分布以及行程载荷等参数变化，判断和确定最佳的预锻件形状。根据该方法确定预锻件形状，可使预锻件各部分的体积分布合理且与终锻件各部分的体积分布相一致，从而使预锻件各部位的材料能够就近充满终锻模膛的各个型腔，材料流动距离减少，而且能够确保终锻件尤其是轮毂内外壁充填饱满，无穿流和折叠缺陷；《7085高强铝合金锻造成形和组织性能研究》(于洋，中南大学，2013)利用DEFORM-3D软件模拟7085高强铝合金飞机轮毂的成形过程，并分析不同形状坯料等温模锻成形过程中金属流动情况、等效应变场，确定了比较合适的坯料形状。中国专利CN108580778A和《7085高强铝合金锻造成形和组织性能研究》提供的轮毂类锻件预成形设计及优化过程均是预先设计不同预锻件形状，再通过有限元模拟软件进行终锻成形的模拟，然后基于设计或优化目标进行筛选，其思路与传统的试错法基本一致，导致初期设计及计算工作量较大，设计效率与设计人员经验有很大关系，具有一定的盲目性。

发明内容

本发明的目的是提供一种锻件预成形设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，使设计流程数字化、定量化，对轮毂等锻件的设计具有指导意义。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种锻件预成形设计方法，包括：根据终锻件的形状和尺寸确定所述预锻件的第一截面的形状和尺寸，选取能够表征所述第一截面的轮廓形状的M个形状参数并确定各形状参数的取值范围；获得所述终锻件的第二截面，在所述第二截面上均匀选取n个数据采集点；所述第一截面和所述第二截面均为锻造时施加于所述预锻件上的压力方向的截面，当所述预锻件和所述终锻件为环形或扇环形的轴对称件时，所述第一截面和所述第二截面共面或过同一轴线；当所述预锻件和所述终锻件为条状轴对称件时，所述第一截面为垂直于所述预锻件长度方向的截面，且所述预锻件上所有垂直于自身长度方向的截面均为相同的截面，所述第二截面为垂直于所述终锻件长度方向的截面，且所述终锻件上所有垂直于自身长度方向的截面均为相同的截面，所述第一截面和所述第二截面相互平行或共面；

在所述形状参数的取值范围内采用正交试验的方法获得多组所述形状参数数据，通过数值模拟的方式获得各组所述形状参数数据所对应的所述终锻件的各所述数据采集点的应变数据；

获得所述终锻件的变形均匀性函数和所述终锻件的变形程度函数；

所述变形均匀性函数的公式如下：

式中：

F

ε

为每组所述形状参数数据所对应的所述终锻件上的所有所述数据采集点的平均累积应变；

n为所述数据采集点的个数；

所述变形程度函数的公式如下：

式中：

F

f

ε

对所述变形均匀性函数和所述变形程度函数进行归一化处理并获得综合目标函数，所述综合目标函数的公式如下：

Ψ(X)＝μ

式中：

Ψ(X)为每组所述形状参数数据所对应的综合目标函数；

μ

F

通过每组所述形状参数数据所对应的所述应变数据和公式(1)、公式(2)、公式(3)获得每组所述形状参数数据所对应的综合目标函数的数值，根据所述综合目标函数的数值最小时所对应的M个所述形状参数的数值确定优化后的第一截面。

优选的，锻造时所述预锻件上用于定位与模具相对位置的部位为定位点，根据所述终锻件的变形情况和锻造时所述预锻件的定位点的位置，获得所述预锻件的M个所述形状参数，根据模具尺寸、终锻件尺寸、所述火次次数及各所述火次的行程确定所述形状参数的取值范围。

优选的，所述正交试验的方法包括：以M个所述形状参数为因子，在各所述形状参数的取值范围内对各所述形状参数选取N个水平，N≥2，获得包含有M因素N水平的正交表。

优选的，通过数值模拟的方式获得各组所述形状参数数据所对应的所述终锻件的各所述数据采集点的应变数据，包括：根据各组所述形状参数数据获得各所述预锻件的第一截面的形状和尺寸，根据各所述预锻件的第一截面的形状和尺寸获得各所述预锻件的三维模型，对各所述预锻件的三维模型进行锻造模拟获得各所述终锻件上所有所述数据采集点的应变数据。

优选的，μ

优选的，通过有限元模拟软件对各所述预锻件的三维模型进行锻造模拟获得各所述终锻件上所有所述数据采集点的应变数据。

优选的，所述预锻件为轮毂预锻件。

优选的，所述轮毂预锻件的轴截面包括两个完全相同且关于所述轮毂预锻件的轴线对称的轮毂截面，选取其中一个所述轮毂截面为所述轮毂预锻件的所述第一截面，获得所述轮毂截面的轮廓上的八个特征点，八个所述特征点分别为s

优选的，所述轮毂预锻件为铝合金，所述轮毂预锻件的变形量达到15％为所述轮毂预锻件的所述临界变形量，a＝0.16，b＝1.9。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的锻件预成形设计方法，通过变形均匀性函数、变形程度函数表征锻件的变形均匀性和锻造过程中的变形程度，并利用正交试验设计方法对由变形均匀性函数、变形程度函数归一化处理得到的目标函数进行计算，计算得到每组数据所对应的综合目标函数的数值，并从中选出最优的方案所对应的形状参数，通过最优方案对应的形状参数获得优化后的第一截面。本发明提供的锻件预成形设计方法能够对预锻件进行设计和优化，无需对多个预锻件形状进行终锻成形的模拟，使设计流程数字化、定量化，对轮毂等锻件的设计具有指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1提供的锻件预成形设计方法的流程图；

图2为实施例2中的轮毂预锻件(第一截面)和模具的结构示意图；

图3为实施例2中的轮毂终锻件(第二截面)的结构示意图；

图4为实施例2中轮毂预锻件的剖视图；

图5为实施例2中轮毂终锻件上数据采集点的示意图；

图6为实施例2中优化前的轮毂预锻件所对应的终锻件的等效应变分布图；

图7为实施例2中优化后的轮毂预锻件所对应的终锻件的等效应变分布图。

图中：1、第一截面；2、第二截面；3、模具；4、毂部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种锻件预成形设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，使设计流程数字化、定量化，对轮毂等锻件的设计具有指导意义。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1-7所示，本发明提供了锻件预成形设计方法，包括：

根据终锻件的形状和尺寸确定预锻件的第一截面1的形状和尺寸，选取能够表征第一截面1的轮廓形状的M个形状参数并确定各形状参数的取值范围；获得终锻件的第二截面2，在第二截面2上均匀选取n个数据采集点；第一截面1和第二截面2均为锻造时施加于预锻件上的压力方向的截面，当预锻件和终锻件为环形或扇环形的轴对称件时，第一截面1和第二截面2共面或过同一轴线，环形或扇环形的轴对称件的所有轴截面的形状和尺寸均相同，即为将轴截面沿某一轴线旋转(0°，360°]所获得的形状；当预锻件和终锻件为条状轴对称件时，第一截面1为垂直于预锻件长度方向的截面，且预锻件上所有垂直于自身长度方向的截面均为相同的截面，第二截面2为垂直于终锻件长度方向的截面，且终锻件上所有垂直于自身长度方向的截面均为相同的截面，第一截面1和第二截面2相互平行或共面，即第一截面1和第二截面2为条状轴对称件的横截面，条状轴对称件可以为长方体、正方体、圆柱等；其中，形状参数为用于获得预锻件轮廓形状的设计变量；本发明提供的锻件预成形设计方法主要用于对轴对称类锻件进行设计，即第一截面1的形状和尺寸能够表征该预锻件，第二截面2的形状和尺寸能够表征该终锻件。优选的，如图4所示，当预锻件和终锻件为轴对称件且中部具有贯穿孔时，预锻件(终锻件)的轴截面包括两个完全相同的截面，取其中一个截面作为第一截面1(第二截面2)进行设计即可。当预锻件和终锻件为轴对称件且中部没有贯穿孔时时，预锻件(终锻件)的轴截面为第一截面1(第二截面2)。

在形状参数的取值范围内采用正交试验的方法获得多组形状参数，通过数值模拟的方式获得各组形状参数数据所对应的终锻件的各数据采集点的应变数据；

获得终锻件的变形均匀性函数和终锻件的变形程度函数，变形均匀性函数的公式如下：

式中：

F

ε

为每组形状参数数据所对应的终锻件上的所有数据采集点的平均累积应变；

n为数据采集点的个数；

其中，公式(1)能够用于评价终锻件的变形均匀性的依据参考“基于目标应变分布的TC17合金双性能盘预成形形状优化设计”，翟江波，精密成形工程，第13卷第3期，第119-120页，2021年5月中的公式(1)。

变形程度函数的公式如下：

式中：

F

f

ε

对变形均匀性函数和变形程度函数进行归一化处理并获得综合目标函数，综合目标函数的公式如下：

Ψ(X)＝μ

式中：

Ψ(X)为每组形状参数数据所对应的综合目标函数；

μ

F

通过每组形状参数数据所对应的应变数据和公式(1)、公式(2)、公式(3)获得每组形状参数数据所对应的综合目标函数的数值，根据综合目标函数的数值最小时所对应的M个形状参数的数值确定优化后的第一截面。由于F

本发明提供的锻件预成形设计方法，通过变形均匀性函数、变形程度函数表征锻件的变形均匀性和锻造过程中的变形程度，并利用正交试验设计方法对由变形均匀性函数、变形程度函数归一化处理得到的目标函数进行取值计算，计算得到每组数据所对应的综合目标函数的数值，并从中选出最优的方案所对应的形状参数，通过最优方案对应的形状参数获得优化后的第一截面。本发明提供的锻件预成形设计方法能够对预锻件进行设计和优化，无需对多个预锻件形状进行终锻成形的模拟，使设计流程数字化、定量化，对轮毂等锻件的设计具有指导意义。

作为优选的实施方式，锻造时预锻件上用于定位与模具3相对位置的部位为定位点，根据终锻件的变形情况和锻造时预锻件的定位点的位置，获得预锻件的M个形状参数，根据模具3尺寸、终锻件尺寸、火次次数及各火次的行程确定形状参数的取值范围。优选的，将预锻件的定位点的位置所对应的特征点定义为固定点，即不作为设计变量；根据特定种类的锻件(如轮毂)在锻造成型中的变形程度、锻造所需要的次数、各火次的行程等，初步确定锻件在锻造过程中各部位的变形范围，从中选取对锻造成型影响较大的点作为设计变量(形状参数)，并根据各形状参数的变形范围确定其取值范围，需要说明的是，为便于计算，形状参数的选取应能够表征预锻件的形状且数量尽可能的比较少。具体的，形状参数的选取和形状参数的取值范围的确定主要依据现有经验，此处不做赘述。

作为优选的实施方式，正交试验的方法包括：以M个形状参数为因子，在各形状参数的取值范围内对各形状参数选取N个水平，N≥2，获得包含有M因素N水平的正交表。

作为优选的实施方式，通过数值模拟的方式获得各组形状参数数据所对应的终锻件的各数据采集点的应变数据，包括：根据各组形状参数数据获得各预锻件的第一截面1的形状和尺寸，根据各预锻件的第一截面1的形状和尺寸获得各预锻件的三维模型，对各预锻件的三维模型进行锻造模拟获得各终锻件上所有数据采集点的应变数据。

作为优选的实施方式，μ

作为优选的实施方式，通过有限元模拟软件对各预锻件的三维模型进行锻造模拟获得各终锻件上所有数据采集点的应变数据，有限元模拟软件优选为Deform软件。

实施例2

预锻件为轮毂预锻件。

作为优选的实施方式，轮毂预锻件的轴截面包括两个完全相同且关于轮毂预锻件的轴线对称的轮毂截面，选取其中一个轮毂截面为轮毂预锻件的第一截面1，获得轮毂截面的轮廓上的八个特征点，八个特征点分别为s

需要说明的是，预锻件上特征点和形状参数的选取并不局限于上述方式，可以根据现有技术中的经验进行其他方式的选取，如将八个特征点全部作为设计变量进行设计理论上也是可行的，但是计算量较大；只要能够表征出第一截面1的形状即可，即能够通过形状参数调整第一截面1的变形的关键位置，且能够通过形状参数和其他固定的特征点获得第一截面1的轮廓形状即可，其中通过特征点(含形状参数)获得轮廓形状的方式为现有技术，此处不做赘述。

作为优选的实施方式，轮毂预锻件为铝合金，所述轮毂预锻件的变形量达到15％为轮毂预锻件的临界变形量，a＝0.16，b＝1.9。

以2A14铝合金轮毂锻件为例进行说明，根据轮毂终锻件的大致形状，设计出预锻件的初始第一截面1，该第一截面1可由8个特征点进行描述，特征点坐标可表示为S

表1设计变量及取值范围

2A14铝合金轮毂锻件设计优化时，选取了142个数据采集点。正交试验时，每个形状参数(因素)选取了5个水平，根据正交试验设计法获得正交试验方案如表2所示：

表2正交试验方案

然后，通过Deform软件按照表2中的试验方案进行数值模拟试验，并将数据代入综合目标函数计算试验结果，正交试验结果见表3：

表3正交试验结果

由表3可知，25组试验中第16组试验的Ψ值最小，故样本空间中最优方案为：A4 B1C2 D4 E5，即y

为了验证优化结果，利用Deform软件对优化前后预锻件进行锻造模拟并获得优化前后的终锻件的等效应变分布图，优化前的等效应变分布图结果如图5所示，优化后的等效应变分布图结果如图6所示。从图5-6的等效应变分布图的对比可以发现，优化前锻件毂部4区域颜色较深，颜色较深的区域代表这变形量很小，即优化前在锻件毂部4区域变形较小，这对锻件毂部4位置的性能有较大的影响，而经过锻件预成形设计后，如图6所示，优化后的锻件毂部4区域中颜色较深的部分较少了很多，即优化后的锻件毂部4区域变形增大，有效地提高了锻件整体的变形均匀性，达到了显著的优化效果。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。