一种蠕变时效成形模具设计方法、成形模具及成形方法

摘要

本发明公开了一种蠕变时效成形模具设计方法、成形模具及成形方法，其中，设计方法通过蠕变仿真试验得到合适模具形貌的点云，以点云为基础生成最终模具型面并保留点云，并将点云姿态作为构件在蠕变时效成形中定位参照；在模具型面的下方设计模具底座；根据点云外轮廓设计定位凸台和定位凹槽，并在定位凹槽内设计定位块；根据复杂曲率构件的外形设计压板；成形复杂曲率构件时，构件坯料放入模具点云轮廓线内，左端一边与定位凸台一边重合，右边对应边与定位凹槽一边平行，压板通过两端螺栓连接到定位凸台和定位块，通过机械加压对构件坯料进行定位。本发明有效解决了复杂曲率变化的构件蠕变时效成形因无定位导致成形外形错位的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及蠕变时效成形制造技术领域，具体涉及一种蠕变时效成形模具设计方法、成形模具及成形方法。

背景技术

随着我国十四五航空发展规划的落地，我国航空飞行器对恶劣的航空环境提出了结构和外形更加复杂的构件。传统冷加工成形技术不再满足工艺要求，蠕变时效成形技术作为一种整体成形新加工方法之一，该技术通过温度、压力和时间调控材料微观组织变化来满足形性一体化成形技术。模具对构件精准定位是构件以该技术成形精准的一个重要因素。

传统类似顶盖、储箱等构件外形曲率变化为单/双曲率变化，特别是单曲率变化构件的定位对其采用蠕变时效成形精度影响不大。但针对构件外形呈现“S”曲率变化，在不同位置的曲率不同，为了得到精度高的成形构件，构件在蠕变时效成形过程中需要与对应成形位置进行精准匹配。因此，复杂构件的蠕变时效成形中模具以及其精准定位装置是精准成形的重要指标之一。但现有技术的单曲率变化构件和双曲率变化构件蠕变时效成形模具的设计方法，均不能满足外形呈现“S”曲率变化的复杂曲率变化构件蠕变时效成形模具的成形制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂曲率构件蠕变时效成形模具的设计方法，以解决背景技术中提出的不同维度上同时具有多个波峰和波谷曲面的构件(结构呈现“S”形变化的曲面构件)蠕变时效成形中不能精确成形的问题，也即克服采用传统蠕变时效成形制造模具对构件无定位，在蠕变时效成形过程中构件位置具有随机性，构件会出现曲率变化“错位”现象的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种蠕变时效成形模具设计方法，用于对复杂曲率构件进行蠕变时效成形，所述设计方法包括以下步骤：

步骤S1、利用有限元软件对所述复杂曲率构件进行蠕变时效仿真，并对得到的仿真模型进行修正和更新，得到最优仿真模型；

步骤S2、先通过补偿算法提取所述最优仿真模型的三维形貌的点云，再将所提取到的所述点云导入到CATIA三维建模软件中，CATIA三维建模软件根据导入的所述点云的形貌生成曲面，然后将所述曲面生成为所述成形模具的模具型面，并在所述模具型面上保留显示点云；

步骤S3、根据步骤S2中保留显示的所述点云的轮廓形貌，在所述模具型面上以凹槽形式绘制出点云外轮廓；

步骤S4、在所述模具型面的下方设计模具底座；

步骤S5、在所述模具型面上，根据所述点云外轮廓设计定位凸台和定位凹槽，并在所述定位凹槽内设计定位块；

步骤S6、根据所述复杂曲率构件的外形设计压板，所述压板的底部呈凹凸相间的结构，所述压板底部的凸部用于对应于所述复杂曲率构件的非筋条区域。

进一步的，所述步骤S4中，所述模具底座包括交错布置的若干竖向隔板，每个所述竖向隔板的顶面均与所述模具型面的底面相接触，且每个所述竖向隔板上均设有若干通风孔。

进一步的，每个所述竖向隔板的顶部均设有一排半圆形的第一通风孔，所述第一通风孔的下方设置有多排第二通风孔。

进一步的，所述步骤S5中，设计所述定位凸台的具体方法为：以所述点云外轮廓的曲率变化最小的一个点云尖角处设计定位凸台，所述定位凸台的一边与该点云尖角的一边重合，且重合边的起点与该点云尖角的顶点重合。

进一步的，所述定位凸台与所述模具型面一体设置，所述定位凸台的高度为1.5～15mm。

进一步的，所述步骤S5中，设计所述定位凹槽的具体方法为：以所述点云外轮廓的另一个点云尖角的一边为参考设计定位凹槽，所述定位凹槽的一边与该另一个点云尖角的一边重合，且所述定位凹槽的一边起点与该另一个点云尖角的顶点重合；其中，该另一个点云尖角与所选的曲率变化最小的点云尖角处于同一区域。

进一步的，所述定位块的顶部设置有弹性块，定位过程中所述定位块能够在所述定位凹槽内进行微调动。

进一步的，所述步骤S5中，所述定位凹槽的中心设置有螺纹孔；所述定位块的截面尺寸小于所述凹槽的截面尺寸，所述定位块上设有中心通孔，且所述中心通孔的直径大于所述螺纹孔的孔径。

本发明还提供一种蠕变时效成形模具，利用上述的一种蠕变时效成形模具设计方法制得，包括：模具底座、模具型面和定位装置；

所述模具底座包括交错布置的若干竖向隔板，每个所述竖向隔板的顶面均与所述模具型面的底面相接触，且每个所述竖向隔板上均设有若干通风孔；

所述模具型面上设置有点云外轮廓，所述点云外轮廓以凹槽形式设置在所述模具型面上；

所述定位装置包括定位凸台、定位凹槽和压板，所述定位凸台和所述定位凹槽均设置在所述模具型面上，所述定位凸台位于所述点云外轮廓的曲率变化最小的一个点云尖角处，且所述定位凸台的一边与该点云尖角的一边重合，且重合边的起点与该点云尖角的顶点重合；所述定位凹槽位于与前述所选的曲率变化最小的点云尖角处于同一区域的另一个点云尖角处，所述定位凹槽的一边与该另一个点云尖角的一边重合，且所述定位凹槽的一边起点与该另一个点云尖角的顶点重合；所述定位凹槽内设有定位块，所述定位块的顶部还设有弹性块；所述压板的两端分别与所述定位凸块和所述弹性块相连。

本发明还提供一种复杂曲率构件蠕变时效成形方法，所述成形方法包括使用如上述的一种蠕变时效成形模具，所述成形方法包括以下步骤：

步骤S1、将裁剪好的构件坯料放置在成形模具上，并通过定位凸台和定位块对所述构件坯料进行初始定位；

步骤S2、先在所述构件坯料的上方放置压板，所述压板的两端通过分别通过螺栓与所述定位凸台和所述定位块进行连接，再通过拧紧所述压板两端的螺栓对所述构件坯料进行机械加压，通过机械压力对所述构件坯料产生变形，变形后的构件坯料两个尖角边分别与所述定位凸台和所述定位块的边贴合；

步骤S3、将定位后的构件坯料和成形模具封袋进行气压加载，最后通过蠕变设备完成复杂曲率构件成形。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明的蠕变时效成形模具的设计方法中，由于所要成形的复杂曲率构件外形曲率变化多样性，采用本发明设计方法所设计的模具能够对其蠕变时效成形中进行精准定位，解决了复杂构件成形中因无定位导致成形外形错位现象，提高了复杂构件成形的精度。

(2)、本发明的蠕变时效成形模具的设计方法中，通过蠕变仿真中复杂曲率构件的点云保留来找寻构件定位参考方式，可以适用其他蠕变时效成形的构件定位中。

(3)、本发明的复杂曲率构件蠕变时效成形方法中，通过机械加载对成形构件坯料进行进准定位，再通过传统的气压加载贴膜，以机械加载定位和气压加载贴膜两种方式结合新方法可以运用其他复杂构件成形中。

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是本发明一种实施例的蠕变时效成形模具的结构示意图；

图2是本发明一种实施例的模具型面包含点云的结构示意图；

图3是本发明一种实施例的压板的结构示意图；

图4本发明一种实施例的定位凹槽定位方式的局部结构示意图；

其中，1-模具底座，1.1-竖向隔板，1.1a-通风孔，2-定位凸台，3-模具型面，4-成形构件，5-压板，6-弹性块，7-定位块，8-定位槽，A-点云外轮廓。

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的多种不同方式实施。

请参见图1至图4，本发明的实施例提供一种蠕变时效成形模具设计方法，成形模具用于对复杂曲率构件进行成形，设计方法包括以下步骤：

步骤S1、利用有限元软件对复杂曲率构件进行蠕变时效仿真，并对得到的仿真模型进行修正和更新，得到成形精度满足要求的最优仿真模型；并以最优仿真模型的仿真型面作为所要设计的成形模具的模具型面基础；有限元软件可以选用MSC.MARC软件。

步骤S2、先利用有限元软件通过补偿算法提取最优仿真模型的三维形貌的点云，再将所提取到的点云导入到CATIA三维建模软件中，CATIA三维建模软件根据导入的点云的形貌生成曲面，然后将曲面生成为一定厚度的实体，并在该实体的四边分别沿着曲率向外延伸一定宽度，即生成为成形模具的模具型面3。优选的，四个边分别向外延伸40mm，可用于后续的贴膜等辅助。其中，生成曲面时，将导入的点云保留显示在曲面上，保持构件成形对应的云点姿态(如图2所示)，也即在模具型面上保留显示点云。

步骤S3、根据步骤S2中保留显示的点云的轮廓形貌，在模具型面中以凹槽形式绘制出点云外轮廓A。

步骤S4、在模具型面的下方设置模具底座1；模具底座包括交错布置的若干竖向隔板1.1，每个竖向隔板的顶面均与模具型面的底面相接触，且每个竖向隔板上均设有若干通风孔1.1a；优选的，每个竖向隔板的顶部均设有一排第一通风孔，第一通风孔的下方设置有多排第二通风孔；第一通风孔为顶部开口的半圆形通孔；第二通风孔为圆孔，且第二通风孔的孔径大于第一通风的孔径；或者，第二通风孔为长方形通孔，且长方形通孔的短边长大于第一通风孔的孔径。竖向隔板整体其他区域含有较大的通风孔，便于蠕变时效成形过程中热量交互，促进模具受热均匀。

步骤S5、在模具型面上，根据点云外轮廓设计定位凸台2和定位凹槽8，并在定位凹槽内设计定位块7。具体地，以点云外轮廓的曲率变化最小的一个点云尖角处设计定位凸台2，定位凸台的一边与该点云尖角的一边重合，且重合边的起点与该点云尖角的顶点重合。且定位凸台与模具型面一体设置，定位凸台的高度为1.5～15mm；凸台中心部位有螺纹孔。优选定位凸台的高度为5～10mm。以点云外轮廓的另一个点云尖角的一边为参考设计定位凹槽8，定位凹槽的一边与该另一个点云尖角的一边重合，且定位凹槽的一边起点与该另一个点云尖角的顶点重合；其中，该另一个点云尖角与所选的曲率变化最小的点云尖角处于同一区域。定位块的顶部设置有弹性块6，定位过程中定位块能够在定位凹槽内进行微调动。

在一种具体的实施方式中，以点云外轮廓的曲率变化较小的一个点云尖角处设计定位凸台，定位凸台的一边与点云尖角的一边重合，且重合边的起点与点云尖角的顶点重合，凸台该边小于对应尖点边50mm，定位凸台与模具型面一体设置，定位凸台的高度为10mm。以点云外轮廓的另一个点云尖角的一边为参考设计定位凹槽，定位凹槽的一边与该点云尖角的一边重合，且定位凹槽的一边起点与该点云尖角的顶点重合，该边长度小于对应尖点边40mm；定位凹槽内设置有定位块，定位过程中可以对定位块进行微调动。其中，定位凹槽的中心也加工有螺纹孔，定位块尺寸比定位凹槽小，中心孔的孔径比螺纹孔的孔径尺寸大6～10mm；在定位块上设置中心通孔，能有效确保定位过程中定位块的一边能与定位凹槽的一边重合。定位块的上方设有弹性块，且弹性块的截面尺寸与定位块的截面尺寸相同。

本发明的上述结构设置中，可以依托定位凸台对构件坯料一端进行固定，通过定位块微调动方式对构件坯料另一端进行定位。该方式用于对构件坯料进行初始定位，能够防止构件坯料(构件)在蠕变时效过程中发生错位而导致成形复杂曲率构件外形错位的现象。

步骤S6、根据复杂曲率构件的外形设计压板5，压板的两端分别通过螺栓与定位凸块和弹性块相连，压板的底部呈凹凸相间的结构，压板底部的凸部用于对应于复杂曲率构件的非筋条区域。

本发明实施例还提供一种蠕变时效成形模具，利用上述的蠕变时效成形模具设计方法制得，包括模具底座1、模具型面3和定位装置；模具底座包括交错布置的若干竖向隔板1.1，每个竖向隔板的顶面均与模具型面的底面相接触，且每个竖向隔板上均设有若干通风孔1.1a。模具型面上设置有点云外轮廓A，点云外轮廓以凹槽形式设置在模具型面上。定位装置包括定位凸台2、定位凹槽8和压板5，定位凸台和定位凹槽均设置在模具型面上，定位凸台位于点云外轮廓的曲率变化最小的一个点云尖角处，且定位凸台的一边与该点云尖角的一边重合，且重合边的起点与该点云尖角的顶点重合。定位凹槽位于与前述所选的曲率变化最小的点云尖角处于同一区域的另一个点云尖角处，定位凹槽的一边与该另一个点云尖角的一边重合，且定位凹槽的一边起点与该另一个点云尖角的顶点重合。定位凹槽内设有定位块7，定位块的顶部还设有弹性块6。压板的两端分别与定位凸块和弹性块相连。

本发明实施例还提供种复杂曲率构件蠕变时效成形方法，使用一种蠕变时效成形模具，成形方法包括以下步骤：

步骤S1、依照成形模具上已有的轮廓形貌，将裁剪好的构件坯料放置在成形模具上，并通过定位凸台2和定位块7对构件坯料进行初始定位；其中，其中构件坯料左端与定位凸台一边对齐，保证构件坯料起点与定位凸台对应边起点重合；构件右端对应边与定位凹槽一边平行，定位块对应边与构件坯料右端边重合，同时放置好弹性块6；优选构件坯料为铝合金平板。

步骤S2、将压板5放置在构件坯料的上方，通过螺栓将压板的两端分别与定位凸台和定位块上的对应孔进行连接，通过拧紧压板两端的螺栓对构件坯料施加机械压力，通过机械压力对构件坯料产生变形，变形后的构件坯料两个尖角边分别与定位凸台和定位块的边贴合。通过对构件坯料施加压力，迫使构件坯料靠近模具型面，可以提高构件定位精度。

步骤S3、机械加载定位后，再进气压加载进行蠕变时效成形制造；具体为，将定位后的构件坯料和成形模具封袋进行气压加载，最后通过蠕变设备完成复杂曲率构件成形。

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。