一种筒体热校形方法和筒体热校形工装设计方法

技术领域

本发明涉及金属成形技术领域，具体涉及一种筒体热校形方法和筒体热校形工装设计方法。

背景技术

圆筒和锥筒等筒体类大型复杂薄壁件的整体成形制造是航空航天、武器兵器等装备结构轻量化、高性能和高可靠的保证。现有铸造、旋压、机铣等加工整体筒体制造过程热力环境复杂和结构的弱刚度特点，导致成形后变形和残余应力控制难度大，往往达不到成形轮廓精度要求，后续需要大量校形作业进行精整，甚至有部分产品结构复杂无法人工校形导致成品率大幅下降。

申请号为CN202010944363.6的发明专利申请公开了一种铝合金旋压筒体圆度直线度校形装置及其校形方法，装置包括第一抱环、第二抱环、底座和压板。方法包括以下步骤：S1、确定旋压筒体0°侧母线的位置；S2、测量旋压筒体的直线度及圆度；S3、在底座上放置第二抱环；S4、将旋压筒体按一定的位置关系放入第二抱环，随后在每一处第二抱环位置对立放置第一抱环；S5、通过螺栓及在第一抱环和第二抱环内壁垫置铝箔校正旋压筒体的圆度；S6、通过压板校正旋压筒体的直线度；S7、进炉加热保温并随炉冷却。但该方法成形精度无法保证、操作复杂、校形程序繁琐，不能适用于复杂薄壁筒体零件的校形。

鉴于上述问题的存在，本申请提供一种大型复杂薄壁筒体零件的校形新方法以及一种筒体热校形工装设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种筒体热校形方法和筒体热校形工装设计方法，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种筒体热校形方法，其包括：获取待校形筒体的轮廓型面；提取筒体轮廓型面的母线直线度和圆度特征，对校形工装进行优化设计，得到设计完成的筒体热校形工装；根据所述筒体轮廓型面重构筒体的几何模型和所述筒体热校形工装的简化模型，建立筒体蠕变校形仿真分析模型；对热蠕变校形的工艺参数进行仿真分析与优化，随后采用所述筒体热校形工装对待校形的筒体进行热蠕变校形；卸载即得校形后的筒体。

本发明还提供一种筒体热校形工装设计方法，所述筒体热校形工装用于上述筒体热校形方法，所述设计方法包括以下步骤：

S1、采用三维扫描仪对待校形的筒体进行扫描，获取筒体轮廓型面；

S2、根据步骤S1中得到的所述筒体轮廓型面分别确定外模的型面和内模的瓣数；

S3、确定所述外模和所述内模的结构尺寸以及连接方式；

S4、对所述外模和所述内模的热稳定性和刚度进行校核，如果满足，则进入步骤S5；如果不满足，则返回步骤S3；

S5、最终形成筒体热校形工装。

进一步的，所述步骤S2中，确定外模型面的具体步骤为：

S2.1.1、从筒体轮廓型面圆周上的不同位置提取多条母线特征曲线；

S2.1.2、分别对多条母线特征曲线进行回弹补偿计算，得到校形后的筒体仿真型面；

S2.1.3、判断校形后的所述筒体仿真型面的轮廓度是否达标，如果达标，则进行步骤S2.1.4；否则，返回步骤S2.1.2重新进行回弹补偿计算；

S2.1.4、最终完成外模型面的确定。

进一步的，所述步骤S2中，确定内模瓣数的具体步骤为：

S2.2.1、提取筒体轮廓型面圆周上的不同高度位置的多条圆度特征曲线；

S2.2.2、分别将多条圆度特征曲线一一划分最小圆度段，拟以该最小圆度段弧长作为内模弧长，并进行加载力计算；

S2.2.3、判断筒体型面与外模型面贴模度是否达标，如果达标，则进行步骤S2.2.4；否则，返回步骤S2.2.2重新细分最小圆度段和进行加载力计算；

S2.2.4、最终完成内模瓣数的确定。

进一步的，所述筒体热校形工装包括外模、内模、多个定位件和两根连接横梁，所述外模由两瓣对称设置的单元外模瓣合围构成，所述单元外模瓣上开设有多个温度传感器安装孔；所述内模与所述外模之间形成有用于放置筒体的空间，所述内模由12~18瓣沿周向顺序布置的单元内模瓣合围构成；多个所述定位件分别可拆卸设置在所述外模下端的第二连接孔中，且在所述内模部分安装后拆掉所述定位件；两根所述连接横梁分别与两瓣所述单元外模瓣顶部相连。

进一步的，所述单元外模瓣包括外模瓣本体和设置在所述外模瓣本体外部的加筋组件，所述加筋组件包括竖向间隔设置在所述外模瓣本体外侧的多根加强柱和横向设置在所述外模瓣本体外侧的加强筋，所述加强柱与所述外模瓣本体贴合的一侧呈波纹状或类齿状结构。

进一步的，两瓣所述单元外模瓣通过对位结构相连接；相邻两瓣所述单元内模瓣的边侧之间齿形嵌合，每组齿形嵌合的凸起及凹陷部位均为梯形形状。

进一步的，所述外模与所述内模之间填充有用于调整内外模贴合时的胀形力大小的硅胶。

进一步的，所述单元外模瓣的两个边侧处均设置有连接板，所述连接板上开设有用于两瓣所述单元外模瓣可拆卸连接的多个第三连接孔；两瓣所述单元外模瓣的顶部以及每瓣所述单元内模瓣的顶部均设置有用于吊装的吊耳。

进一步的，所述连接横梁为C型钢或槽钢，每根所述连接横梁的两端分别与所述单元外模瓣的顶部两端相连；所述单元外模瓣底部设置有垫板，所述垫板底部设置有多个脚垫。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明的筒体热校形工装设计方法中，通过利用三维扫描软件获得待校形筒体型面，比常规测量精度高、效率快，并可直接用于后续型面设计中；通过仿真分析，可准确预测筒体蠕变校形后的最终精度，从而对外模型面进行回弹补偿，可有效减少因校形精度不够导致模具多次返修，节约成本；通过提取并分析筒体特征，结合力载荷需求设计内模瓣数，并进行仿真校核，可有效避免内模因受力超出其屈服极限，导致内模损耗，生产进度延期。

(2)、本发明的筒体热校形工装结构简单，没有复杂的机电控制系统，环境适应性高，可以适应高温环境与液体环境；工装过程简便，整体结构进行轻量化设计，总热容小，温度均匀性较好。本发明的筒体热校形工装可以在提高筒体性能的同时对筒体型面进行校形，实现高径厚比铝合金带筋筒体蠕变时效形性协同调控。

(3)、本发明的筒体热校形方法，能够实现各种尺寸、形状的筒体直径校形，使得带筋铝合金筒体在校形的同时进行蠕变时效，提升筒体性能。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明中一种筒体热校形方法的流程图；

图2是本发明一种筒体热校形工装设计方法的流程图；

图3是本发明优选实施例筒体热校形工装的结构示意图；

图4是本发明优选实施例筒体热校形工装的主视结构示意图；

图5是本发明优选实施例筒体热校形工装的侧视结构示意图；

图6是图5中A处放大结构示意图；

图7是本发明优选实施例筒体热校形工装的俯视结构示意图；

图8是图7中的B-B剖结构示意图；

图9是本发明中筒体与外模的装配结构示意图；

其中，1-外模，1.1-外模瓣本体，1.1a-第一连接孔，1.1b-第二连接孔，1.1c-温度传感器安装孔，1.2-加筋组件，1.21-加强柱，1.22-加强筋，1.3-连接板，1.3a-第三连接孔，2-内模，2.1-单元内模瓣，3-定位件，4-连接横梁，5-对位结构，5.1-对位凸块，5.2-对位凹块，6-吊耳，7-垫板，8-脚垫，9-筒体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖多种不同方式的实施。

请参见图1，本实施例提供一种筒体热校形方法，包括：首先，利用三维扫描仪取获取待校形筒体的轮廓型面；接着，提取筒体轮廓型面的母线直线度和圆度特征，对校形工装进行优化设计，得到设计完成的筒体热校形工装；然后，根据筒体轮廓型面重构筒体的几何模型和筒体热校形工装的简化模型，建立筒体蠕变校形仿真分析模型；再接着，对热蠕变校形的工艺参数进行仿真分析与优化，随后采用校形工装对待校形的筒体进行热蠕变校形，最后卸载即得校形后的筒体。该方法中的筒体热校形工装的简化模型是便于仿真分析的简化模型（在筒体热校形工装的基础上去掉孔和吊耳等多余特征）。

在一种具体实施方式中，热校形工装内外模的匹配形式可以根据筒体的变形与其需要达到的校形目标进行柔性装夹，即根据筒体型面的变形特征，可仅对内凹区域定制化地进行内模柔性工装（即仅在需要的位置设置内模），提高整体校形效果。筒体为固溶态铝合金筒体，所用校形方法为蠕变时效校形，时效温度在160°~200°区间内为最佳。蠕变时效校形一方面可对铝合金筒体进行时效强化，提高筒体性能，另一方面可对筒体型面进行校形，是可实现形性协同调控的热校形方法。若待校形筒体为其他初始组织状态，则应以其相应的热处理温度来校形。

请参见图2，本实施例提供一种筒体热校形工装设计方法，筒体热校形工装用于上述的筒体热校形方法，该设计方法包括以下步骤：

S1、采用三维扫描仪对待校形的筒体进行扫描，获取筒体轮廓型面；

S2、根据步骤S1中得到的筒体轮廓型面分别确定外模1的型面和内模2的瓣数；其中：确定外模型面的具体步骤为：

S2.1.1、从筒体轮廓型面圆周上的不同位置提取多条母线特征曲线；

S2.1.2、分别对多条母线特征曲线进行回弹补偿计算，得到校形后的筒体仿真型面；

S2.1.3、判断校形后的所述筒体仿真型面的轮廓度是否达标，如果达标，则进行步骤S2.1.4；否则，返回步骤S2.1.2重新进行回弹补偿计算；

S2.1.4、最终完成外模型面的确定。

确定内模瓣数的具体步骤为：

S2.2.1、提取筒体轮廓型面圆周上的不同高度位置的多条圆度特征曲线；

S2.2.2、分别将多条圆度特征曲线一一划分最小圆度段，拟以该最小圆度段弧长作为内模弧长，并进行加载力计算；

S2.2.3、判断筒体型面与外模型面贴模度是否达标，如果达标，则进行步骤S2.2.4；否则，返回步骤S2.2.2重新细分最小圆度段和进行加载力计算；

S2.2.4、最终完成内模瓣数的确定。

S3、确定外模1和内模2的结构尺寸以及连接方式；

S4、对外模1和内模2的热稳定性和刚度进行校核，如果满足，则进入步骤S5；如果不满足，则返回步骤S3；

S5、最终形成筒体热校形工装。

在一种具体的实施方式中，设计柔性内模2的单元内模瓣数（内模2的瓣数）具体包括：

（1）通过结构特征确定内模单元的数量：根据筒体结构特征中，筒体整体发生凹凸变形的数量来判断所需内模单元的最少数量。具体地，以筒体整体发生3凹3凸的变形为例，此时筒体结构呈现凹凸交替的6组非连续特征，即为6个单元，由此判断最少需要6瓣单元内模瓣，即内模至少需要6瓣单元内模瓣合围构成。

（2）在上述步骤S4.1的基础上，通过筒体直径与力载荷需求确定每个单元的内模数量；具体地，首先假设每个单元一瓣内模，得到每瓣内模的宽度；随后在三维建模软件中建立筒体热校形工装与筒体的模型，导入Ansys Workbench板块中进行静力学仿真分析，判断当内模将筒体胀形至目标位置（即筒体型面与外模紧密贴模时的位置）时受到的应力大小是否小于屈服强度，且变形量是否满足设计要求；若有任意一点不满足，将每个单元增至2瓣内模，重复上述流程，进行建模与仿真分析，直至每瓣内模承受的应力大小小于内模材料的屈服极限，且变形量满足设计需求；此时单元数量与每单元内模数量的乘积，即为最后所得到的内模数量。

请参见图3至图9，本发明的一种筒体热校形工装包括外模1、内模2、定位件3、连接横梁4和至少两组对位结构5；筒体9为带复杂内筋结构的圆筒体或锥筒体。筒体热校形工装的具体结构如下：

外模1由两瓣对称设置的单元外模瓣合围构成，每个单元外模瓣均包括外模瓣本体1.1和设置在外模瓣本体1.1外部的加筋组件1.2，外模瓣本体1.1的上口沿和下口沿上分别开设有多个用于与内模2相连的第一连接孔1.1a和第二连接孔1.1b；其中，上口沿和下口沿的厚度大于外模瓣本体1.1的厚度。外模瓣本体1.1上开设有多个温度传感器安装孔1.1c，该温度传感器安装孔除了用于安装温度传感器以外，还可以辅助用于判断筒体9与外模是否贴合。

内模2套设在外模1的内侧，且内模2与外模1之间形成有用于放置筒体9的空间，内模2由12~18瓣沿周向顺序布置的单元内模瓣2.1合围构成；优选的，相邻两瓣单元内模瓣2.1的边侧之间齿形嵌合，每组齿形嵌合的凸起及凹陷部位均为梯形形状。相邻两瓣单元内模瓣2.1的配合处设计为齿形嵌合结构，相比直线边缘来说，消除了直接的间隙，可以有效保证胀形时筒体的圆度。优选的，内模2由16瓣单元内模瓣合围形成。外模1与内模2之间填充有用于调整内外模贴合时的胀形力大小的硅胶，内模胀形完成时与外模是紧贴的，因此，通过改变内外模间填充的硅胶厚度来调整内外模贴合时的胀形力大小。

定位件3为可拆卸设置在外模下端内侧的多个，多个定位件3分别可拆卸设置在多个第二连接孔1.1b中，即定位件3与连接内模和外模下端的螺栓共用第二连接孔1.1b，在筒体放入时可用于轴向定位，且在部分内模与外模上下端通过螺栓定位连接后，拆掉定位件3。该结构设置中，定位件起到对筒段轴向定位的作用，定位件的数量少于单元内模瓣的数量，也即定位件的数量少于第二连接孔的数量；安装过程中，根据实际需求在第二连接孔内间隔设置合适数量的定位件。具体地，因为部分第二连接孔内安装有定位件，且安装过程中设置有定位件位置处的单元内模瓣在定位件未取走的情况下安装会出现内模与定位件干涉，因此实际的工装流程是先错开安装有定位件的位置，将部分单元内模瓣的上下两端分别通过第二螺栓与外模相连，但不拧紧。最少工装间隔分布的3瓣单元内模之后，已经工装的内模就可以替代定位件的作用，这时再取走定位件，工装剩余的内模即可。待内模2的所有单元内模瓣2.1全部定位后，沿直径方向两两一组成对依次拧紧第二螺栓，实现筒段9的胀形。

两根连接横梁4分别与两瓣单元外模瓣相连，连接横梁4为C型钢或槽钢，每根连接横梁4的两端分别与单元外模瓣的顶部两端相连，也即连接横梁对拉单元外模瓣的顶部两端，保证整体刚度。

在一种具体的实施方式中，单元外模瓣的两个边侧处均设置有连接板1.3，连接板上用于两瓣单元外模瓣可拆卸连接的多个第三连接孔1.3a和用于两瓣单元外模瓣对位的对位结构5。对位结构5成组设置，每组对位结构5均包括设置在其中一瓣单元外模瓣上的第一对位槽和对应设置在另一瓣单元外模瓣上的第二对位槽，第一对位槽内设置有对位凸块5.1，第二对位槽内设置有与对位凸块5.1相适配的对位凹块5.2；两瓣单元外模瓣对位后，对位凸块与对位凹块相互凹凸对位连接，并使得两瓣单元外模瓣横向上下齐平。该结构通过设置对位结构5，可以保证外模两瓣单元外模瓣合模时不会破坏型面圆度。

在一种具体的实施方式中，加筋组件1.2包括竖向间隔设置在外模瓣本体1.1外侧的多根加强柱1.21，加强柱与外模瓣本体1.1贴合的一侧呈波纹状或类齿状结构。该结构设置可以减少与外模的贴合面积，改善温度均匀性。同时，在外模瓣本体1.1外侧横向设置加强筋1.22，有效增加外模中段的厚度，使得筒体受热时中段升温较慢，从而达到校形效果。

在一种具体的实施方式中，两瓣单元外模瓣的顶部以及每瓣单元内模瓣2.1的顶部均设置有用于吊装的吊耳6。外模瓣本体1.1底部设置有垫板7，垫板7底部设置有多个脚垫8。

在一种具体的实施方式中，分别在待校形铝合金筒体型面和校形一次后的铝合金筒体型面上选取6个测量点（该6个测量点的在校形前后一一对应）进行直线度和圆度测量，测量结果分别如表1和表2：

表1 待校形筒体的直线度和圆度统计表

表2 校形后筒体的直线度和圆度统计表

由表1可以看出待校形筒体的圆度最大变形差不多达到了12mm；由表2可知，经本发明筒体热校形工装校形一次后，成功将变形校正到0.5mm以内，效果显著。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。