一種半橢球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)方法，特別設(shè)及一種半楠球形零件充液拉深 液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 半楠球形零件廣泛應(yīng)用于火箭燃料膽箱、雷達(dá)探測器反射罩、大型膽藏容器等領(lǐng) 域，其主要成形方式包括分瓣成形-焊接、旋壓、拉深等。分瓣成形-焊接法制造工序包括 下料、模壓成形瓣片、二次切割、組裝焊接。運(yùn)種方法的缺點(diǎn)是工序復(fù)雜、過程中需要反復(fù)校 形、制造周期長；零件存在長焊縫，組織性能不均勻；零件為雙曲率型面，焊接難度大、成形 精度差。半楠球零件旋壓成形在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，然而由于輕量化、低成本的要求， 當(dāng)成形零件厚徑比（板材厚度和巧料直徑的比值）極小時，成形過程中極易產(chǎn)生起皺缺陷， 只能通過多道次旋壓控制起皺，存在工序復(fù)雜、成形精度難W保證的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)拉深成形厚 徑比小于3%的半楠球形零件時，由于切向壓應(yīng)力難于控制而導(dǎo)致起皺缺陷，對于火箭中廣 泛應(yīng)用的半楠球形箱底零件，其厚徑比一般小于0. 5%，所W為了控制起皺需要采用多道次 拉深成形，成形周期長、生產(chǎn)成本高。充液拉深是一種先進(jìn)的板材成形技術(shù)，能夠提高材料 成形極限、改善零件表面質(zhì)量、節(jié)省模具費(fèi)用。特別是由于液體壓力作用能使板材發(fā)生反脹 變形，產(chǎn)生"軟拉深筋"的效果，使產(chǎn)生起皺的切向壓應(yīng)力顯著降低，從而控制起皺和開裂缺 陷。
[0003] 充液拉深過程最重要的工藝參數(shù)是液壓加載（液體壓力隨拉深行程變化）區(qū)間的 設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上只能通過反復(fù)地?cái)?shù)值仿真和工藝試驗(yàn)摸索。工藝試驗(yàn)由于需要漸進(jìn)式的多次 嘗試，試驗(yàn)成本高、周期長，并且大尺寸零件對于設(shè)備噸位要求高、能耗大；數(shù)值仿真計(jì)算時 間長，是一種"試錯法"，缺少理論指導(dǎo)、計(jì)算精度難W保證。半楠球零件作為工業(yè)應(yīng)用中的 典型曲面件，充液拉深過程變形行為十分復(fù)雜，工藝加載區(qū)間的設(shè)計(jì)受到材料力學(xué)性能、工 藝參數(shù)、邊界條件等影響，確定合理的工藝加載區(qū)間并控制起皺和開裂缺陷的發(fā)生極為困 難；此外，由于侶合金、不誘鋼、低碳鋼等多種材料的成形需要，進(jìn)一步增加了優(yōu)化加載區(qū)間 的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決多道次旋壓控制起皺時，存在工序復(fù)雜，成形精度難W 保證的缺點(diǎn)；采用多道次拉深成形處理起皺缺陷時，成形周期長，生產(chǎn)成本高、充液拉深過 程工藝試驗(yàn)成本高、周期長，工藝試驗(yàn)中大尺寸零件對于設(shè)備噸位要求高、能耗大，缺少理 論指導(dǎo)，計(jì)算精度難W保證W及確定合理的工藝加載區(qū)間并控制起皺和開裂缺陷的發(fā)生極 為困難的問題，而提出的一種半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)方法。
[0005] 上述的發(fā)明目的是通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006]步驟一、根據(jù)半楠球形零件的幾何方程
-=I和成形材料設(shè)定模具的幾何 尺寸、巧料的幾何尺寸和成形材料的基本力學(xué)性能；
[0007] 其中：半楠球形零件長軸半徑為a、半楠球形零件短軸半徑為b、成形材料的基本 力學(xué)性能包括板厚方向性系數(shù)R、硬化指數(shù)n、強(qiáng)度系數(shù)K和分散性失穩(wěn)應(yīng)力Of。；
[0008] 步驟二、通過曲線繞軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體面積積分方法計(jì)算半楠球形凸模下行h時對 應(yīng)的進(jìn)入凹模區(qū)域板料面積；根據(jù)凹模區(qū)域板料面積計(jì)算凹模區(qū)域板料對應(yīng)外邊緣半徑 炒;其中，凹模區(qū)域板料面積包括：貼靠半楠球形凸模區(qū)域面積和反脹區(qū)域面積及^兩部 分；進(jìn)入凹模區(qū)域板料對應(yīng)外邊緣半徑Rh的具體公式為：
[0009]
[0010] 其中，R。為巧料半徑；
[0011] 步驟=、計(jì)算半楠球形凸模達(dá)到充液拉深行程為h時的臨界起皺液室壓力和臨 界破裂液室壓力其中，
[0012] 其中，〇^為徑向應(yīng)力、*為巧料厚度、ah為半楠球形凸模與板料相切線和水平面 所成角度、Lh為反脹區(qū)域?qū)挾?、Xh為半楠球形凸模與板料切點(diǎn)的橫坐標(biāo)、y1為半楠球形凸 模與板料的摩擦系數(shù)；
[0013] 步驟四、將h+c重復(fù)W上步驟二~步驟S，直到獲得全部拉深行程h+c=b為止， 從而獲得半楠球形零件短軸半徑b的if對應(yīng)的臨界破裂液室壓力Pf曲線W及半楠球形零 件短軸半徑b的戶if對應(yīng)的臨界起皺液室壓力曲線；其中，C為半楠球形凸模下行的增加 量；C的范圍為Imm~IOmm；
[0014] 步驟五、使用S型曲線slogistic3擬合的方法對臨界破裂液室壓力1\曲線和計(jì) 算得到的臨界起皺液室壓力曲線進(jìn)行擬合，獲得曲線O-A;
[001引步驟六、取Pf曲線和曲線的交點(diǎn)B，將點(diǎn)B與原點(diǎn)0連接，曲線O-B-Pf為合適的 工藝區(qū)間的上邊界，擬合曲線O-A為合適的工藝區(qū)間的下邊界，利用曲線O-B-Pf和O-A構(gòu) 成的區(qū)間為合適的工藝加載區(qū)間。
[001引發(fā)明效果
[0017] 本發(fā)明設(shè)及一種曲面件充液拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)方法，具體設(shè)及一種半楠球 形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明是要解決半楠球形零件充液拉深時，難 W通過數(shù)值模擬和工藝實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出合適的液壓加載區(qū)間的問題，而提供一種快速、準(zhǔn)確的 理論設(shè)計(jì)方法。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：
[0019] (1)本發(fā)明建立了半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)方法，在該區(qū)間內(nèi) 進(jìn)行充液拉深能獲得無起皺和開裂缺陷的合格零件；
[0020] (2)本發(fā)明方法計(jì)算過程簡單，不受零件尺寸和材料種類的限制；
[0021] (3)本發(fā)明方法計(jì)算速度快計(jì)算時間小于1秒，可大量節(jié)省工藝實(shí)驗(yàn)成本和數(shù)值 模擬時間；
[0022] (4)本發(fā)明方法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠（如附圖5所示），可W直接用于指導(dǎo)工程試 驗(yàn)和生產(chǎn)。
[0023] 本發(fā)明可用于侶合金板材、低碳鋼板材的半楠球形零件充液拉深成形，可用于巧 料厚度為1. 5mm~8. 2mm板材的半楠球形零件充液拉深成形。
【附圖說明】
[0024] 圖1是具體方式一提出的一種半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)方法 流程圖；
[00巧]圖2是具體方式=提出的本發(fā)明充液拉深行程為h時示意圖，其中1為凸模，2為 板材，3為凹模，4為壓邊圈，A區(qū)為板料貼靠凸模區(qū)域，B區(qū)為板材反脹區(qū)域，C區(qū)是位于壓 邊圈和凸模之間的板料；Pr為液體壓力，A。點(diǎn)和B。點(diǎn)為反脹區(qū)域的左邊界和右邊界；
[0026] 圖3為【具體實(shí)施方式】四提出的充液拉深行程為h時，板材反脹區(qū)域受力狀態(tài)示意 圖；
[0027] 圖4為實(shí)施例一提出的半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖；
[0028] 圖5(a)為實(shí)施例一提出的半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意 圖；
[0029] 圖5(b)為實(shí)施例一提出的半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的 路徑1-起皺侶合金零件示意圖；
[0030] 圖5(c)為實(shí)施例一提出的半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的路 徑2-合格侶合金零件示意圖；
[0031] 圖6為實(shí)施例二提出的半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖；
[0032] 圖7為實(shí)施例二提出的半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的數(shù)值仿真結(jié)果示 意圖；
[0033] 圖8為實(shí)施例=提出的半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖；
[0034] 圖9為實(shí)施例=提出的半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的數(shù)值仿真結(jié)果示 意圖；
[0035] 圖10為實(shí)施例四提出的半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的設(shè)計(jì)結(jié)果示意 圖；
[0036] 圖11為實(shí)施例四提出的半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū)間的數(shù)值仿真結(jié)果示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0037] 一：結(jié)合圖1本實(shí)施方式的一種半楠球形零件充液拉深液壓加載區(qū) 間的設(shè)計(jì)方法，具體是按照W下步驟制備的：
[0038] 步驟一、根據(jù)半楠球形零件的幾何方程
和成形材料設(shè)定模具的幾何 尺寸、巧料的幾何尺寸和成形材料的基本力學(xué)性能；
[0039] 其中，半楠球形零件長軸半徑為a、半楠球形零件短軸半徑為b、成形材料的基本 力學(xué)性能包括板厚方向性系數(shù)R、硬化指數(shù)n、強(qiáng)度系數(shù)K和分散性失穩(wěn)應(yīng)力O成形材料 具體指代侶合金、不誘鋼、低碳鋼和高強(qiáng)鋼等；
[0040] 步驟二、通過曲線繞軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體面積積分方法計(jì)算半楠球形凸模下行h時對 應(yīng)的進(jìn)入凹模區(qū)域板料面積；根據(jù)凹模區(qū)域板料面積計(jì)算凹模區(qū)域板料對應(yīng)外邊緣半徑 Rh;其中，凹模區(qū)域板料面積包括：貼靠半楠球形凸模區(qū)域面積和反脹區(qū)域面積兩部 分；進(jìn)入凹模區(qū)域板料對應(yīng)外邊緣半徑Rh的具體公式為：
[0041]
[0042] 其中，R。為巧料半徑；
[0043] 步驟=、計(jì)算半楠球形凸模達(dá)到充液拉深行程為h時的臨界起皺液室壓力/^和臨 界破裂液室壓力其中，
[0044] 其中，〇^為徑向應(yīng)力、*為巧料厚度、ah為半楠球形凸模與板料相切線和水平面 所成角度、Lh為反脹區(qū)域?qū)挾?、Xh為半楠球形凸模與板料切點(diǎn)的橫坐標(biāo)、y1為半楠球形凸 模與板料的摩擦系數(shù)；
[0045] 步驟四、將h+c重復(fù)W上步驟二~步驟S，直到獲得全部拉深行程h+c=b為止， 從而獲得全部拉深行程b的if對應(yīng)的臨界破裂液室壓力Pf曲線W及全部拉深行程b的 對應(yīng)的臨界起皺液室壓力曲線；其中，C為半楠球形凸模下行的增加量；C的范圍為Imm ~ IOmm；
[0046] 步驟五、使用S型曲線slogistic3擬合的方法對臨界