一種用于成形槽形件的模具型面的設計方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及槽形件成形領域，具體是一種用于復合材料槽形件的模具型面的設計 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 先進復合材料是適應航空、航天等高科技領域的需要而發(fā)展起來的一種高性能材 料，它具有輕質(zhì)、高強度和可設計性強等優(yōu)越的性能。近年來，航天、航空領域?qū)ο冗M復合材 料的需求日益增長，用作承力的結(jié)構(gòu)件，解決了單一材料無法解決的技術(shù)難關，廣泛應用于 飛機的垂直安定面、機身、機翼等結(jié)構(gòu)。
[0003] 熱壓罐成形技術(shù)是目前航空航天用先進復合材料結(jié)構(gòu)廣泛采用的成形方法之一， 其優(yōu)點是罐體內(nèi)的壓力和溫度均勻，成形后的復合材料構(gòu)件孔隙率低，樹脂含量均勻，力學 性能穩(wěn)定，并且一次可以同時成形多種結(jié)構(gòu)，適用范圍廣，效率高。然而，和一般的金屬材料 相比，復合材料零件在成形過程中，由于其與成形模具之間熱膨脹系數(shù)不匹配、復合材料自 身的熱化學反應及材料的各向異性等因素，導致復合材料零件脫模后發(fā)生固化變形，嚴重 影響零件的尺寸穩(wěn)定性和后續(xù)裝配使用。傳統(tǒng)解決固化變形的方法是在已有經(jīng)驗和工藝試 驗的基礎上對零件的成形模具型面進行反復的調(diào)整及修正加工，以控制變形程度或抵消變 形的影響作用。這種傳統(tǒng)的方法耗時、費料，增加了制造成本，特別是對于尺寸較大、結(jié)構(gòu)復 雜的結(jié)構(gòu)件，這種"試錯法"將帶來人力和物力的大量浪費。
[0004] 中國專利201110451986. 0公布了一種復合材料構(gòu)件熱壓罐成形工裝設計技術(shù)， 該發(fā)明基于通用有限元平臺開發(fā)程序，根據(jù)模擬得到構(gòu)件的變形量，通過程序反復迭代的 方法來進行模具修正，相對于實際生產(chǎn)過程，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了制造效率。但由于其 需要人工有限元建模以及軟件的二次開發(fā)過程，建模工作量大，并且迭代次數(shù)多，計算工作 量大。
[0005] 采用傳統(tǒng)的試錯法進行模具修正，勞動成本高、生產(chǎn)效率低；基于有限元仿真的方 法雖然可以減少實際勞動量，但是其建模工作繁瑣，迭代次數(shù)多，計算量大，專業(yè)知識要求 太尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的建模工作繁瑣，迭代次數(shù)多，計算量大，專業(yè)知識要求太 高的不足，本發(fā)明提出了一種用于成形槽形件的模具型面的設計方法。
[0007] 本發(fā)明的具體過程如下：
[0008] 步驟一，提取復合材料零件內(nèi)型面M;
[0009] 步驟二，制作復合材料零件內(nèi)型面M的截面線IV制作所述零件內(nèi)型面M的截面線 Pj時，沿所述復合材料零件內(nèi)型面M的長度方向依次做垂直平面Npi= 1~n，分別得到各 垂直平面與內(nèi)型面M的截面線h，j= 1~n;各垂直平面之間的間隔為待成形零件的長度 L/n;所述各個垂直平面與所述待成形零件的長度方向的中心線之間的夾角均為90°。
[0010] 步驟三，確定各截面線Pj上的各修正基點：在確定所述各截面線pj上的各修正基 點時，在各截面線Pj處的一側(cè)側(cè)壁板上自下而上確定修正基點K，所述Kj，d中的下標j代 表第j條截面線Pj，j= 1~n;所述Kj，d中的下標d為第j條截面線上P」上的第d個修正 基點K，d= 1~n;所述各個相鄰的修正基點之間的間距均等，并使每條截面線的第n個修 正基點M立于側(cè)壁板的圓角與底板相切處。
[0011] 步驟四，通過修正各截面線Pj確定修正后的各截面線Qj:
[0012] 在確定修正后的各截面線Qj時，依次通過各修正基點修正各截面線Pj，得到新的 各截面線％，具體過程是：
[0013] 第一步，作截面線Pi上的修正基點K在該側(cè)壁板上的切線，并使該切線與底板 的水平延長線相交，得到交點\"/2;設所述的一個側(cè)壁板的圓角與底板相切處為A點；所述 的A點第與n個修正基點Ki，n重合；
[0014] 第二步，作切點A與交點的連線，得到線段ABw;作交點\n/2與修正基點 K1:n/2的連線，得到線段;將線段民,25；^,25與線段ABU5的夾角作為模具底板與 側(cè)壁板的初始角度0 1>25;
[0015] 對所述零件底板與側(cè)壁板的初始角度01>25進行修正，修正的角度為A01>25;所 述A01>25即為零件成形后側(cè)壁板回彈收縮的角度；
[0016] 根據(jù)公式（1)確定A0 1>25:
[0017]
(1)
[0018] 式中：0 1;25為復合材料零件底板與側(cè)壁板的初始角度，A0為修正角度，AT為 成形過程溫度變化范圍，復合材料纖維方向熱膨脹系數(shù)，aT為復合材料厚度方向熱膨 脹系數(shù)，外為復合材料纖維方向化學收縮系數(shù)，Pr為復合材料厚度方向化學收縮系數(shù)；
[0019] 第三步，將線段Bu2SKu2?以交點\25為圓心順時針旋轉(zhuǎn)0. 86 °，得到線段 Bh25K'li25;所述線段士25：^，25中的點K'i，25即為待成形槽形件模具型面的一個側(cè)壁板上的 修正點；
[0020] 第四步，不斷重復所述的第一步至第三步，依次得到截面線Pi模具一側(cè)側(cè)壁板上 的修正點K'U1~K'
[0021] 第五步，按照步驟三中的方法，在截面線Pi處的另一側(cè)側(cè)壁板上自下而上確定50 個修正基點Kw;所述d為第d個修正基點K，d= 1~50 ;所述各相鄰的修正基點之間的間 距均等；
[0022] 第六步，按照本步驟中所述第一步至第四步的方法，依次作出模具另一側(cè)側(cè)壁板 上第一個截面線修正點K'U1~K' 至此確定了垂直截面、的截面線Pil的各修 正點；
[0023] 第七步，對得到的垂直截面&的截面線？:兩側(cè)側(cè)壁板上的各修正點進行曲線擬 合，得到兩側(cè)側(cè)壁板的新的截面線％，并使得到兩側(cè)側(cè)壁板的新的截面線％的圓角端分別 與截面線中的底板光滑過渡；
[0024] 第八步，按照步驟三中確定的分別位于各截面線？」處的兩側(cè)側(cè)壁板上的各修正基 點Kj，d，按照本步驟第一步至第六步所述的方法，依次確定各截面線Pj的各修正點，j= 2~ n；
[0025] 第九步，按照本步驟第七步所述的方法，對得到的其余垂直截面隊的截面線P』兩 側(cè)側(cè)壁板上的各修正點進行曲線擬合，得到兩側(cè)側(cè)壁板的新的截面線％，并使得到各兩側(cè) 側(cè)壁板的新的截面線Qi的圓角端分別與各截面線中的底板光滑過渡；所述的i= 2~n;所 述的j= 2~n;
[0026] 至此，確定了垂直截面隊上的新的截面線Qi;所述i=1~n;
[0027] 步驟五，確定模具最終外型面札
[0028] 對得到的各截面線％利用UG7. 0軟件中的擬合曲線組的方法進行曲面擬合，得 到新的模具外型面札;所述i= 1~50 ;
[0029] 步驟六，加工模具
[0030] 按照得到的新的模具外型面札加工模具；
[0031] 實驗驗證表明，利用本發(fā)明確定的模具外型面札成形的槽形件的最大變形量由 1. 5mm減小到0. 2mm，滿足了零件設計要求。
[0032] 現(xiàn)有技術(shù)中設計的復合材料成形模具的型面通常與零件理論型面一致，但是由于 固化變形，使得成形后的零件實際形狀與模具理論型面不符，影響零件后續(xù)裝配與使用。針 對這些問題，本發(fā)明提出一種復合材料槽型零件成形模具型面的設計新方法，與傳統(tǒng)方法 相比，能夠提高零件的成形精度，減少模具后續(xù)的修模次數(shù)，從而降低生產(chǎn)成本。
[0033] 復合材料槽形件在成形過程中需要經(jīng)歷高溫高壓過程，由于材料的各向異性、樹 脂基體的化學反應收縮以及復合材料與成形模具之間熱膨脹系數(shù)的不同，將導致復合材料 零件成形后發(fā)生回彈變形，這會大大提高零件后續(xù)的加工及裝配難度，甚至導致零件報廢。 傳統(tǒng)的復合材料槽形件在模具設計時并沒有考慮到這種回彈變形，因此生產(chǎn)出的零件往往 尺寸不符合設計要求，從而需要進行后續(xù)的模具修模工作，生產(chǎn)成本高，效率低。本發(fā)明與 傳統(tǒng)技術(shù)相比，由于在模具型面設計時將零件成形后的回彈變形考慮在內(nèi)，避免了傳統(tǒng)方 法直接提取復合材料槽型零件內(nèi)形面作為模具型面進行復合材料零件制造時所帶來的零 件尺寸不滿足設計要求的問題，減少了后續(xù)模具的修模次數(shù)，從而降低了生產(chǎn)制造成本，提 高了生產(chǎn)效率。與有限元仿真迭代的方法相比，只需要進行簡單的公式計算，避免了復雜模 型建模時的繁瑣工作量與后續(xù)的迭代求解過程。
[0034] 本發(fā)明適用于熱壓罐成形復合材料槽型零件，通過在設計模具型面初期就將零件 的回彈變形考慮在內(nèi)，提高零件制造精度。與傳統(tǒng)試錯法相比，減少了生產(chǎn)上人力物力的投 入；與有限元仿真迭代的方法相比，減少了繁瑣的建模工作量與迭代次數(shù)。
【附圖說明】
[0035]圖1是實施例中復合材料槽型零件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖2是實施例中復合材料槽型零件內(nèi)型面示意圖，圖中M為槽形件內(nèi)型面，&到 N5(l為內(nèi)型面M上的50個垂直平面。
[0037] 圖3是實施例中截面線修正過程示意圖，圖中1(1;1到K1;25為內(nèi)型面?zhèn)缺诎迳系?0 個修正基點，A為側(cè)壁板的圓角與底板相切處的切點，Bi，25為修正基點K:，25在該側(cè)壁板上的 切線與底板的水平延長線相交的交點，K'i，25為修正基點Ki，25修正后對應的點。
[0038]圖4是實施例中修正后的截面線示意圖，PiS內(nèi)型面M上的某截面線，Qi為模具 最終型面上的一條截面線，該截面線％與所述Pi對應。
[0039] 圖5是實施例中修正后的模具型面，為模具最終型面。
[0040] 圖6是本發(fā)明的流程圖。
【具體實施方式】
[0041] 實施例是一種用于成形槽形件的模具型面的設計方法。
[0042] 如圖1所示，通過所述模具成形的復合材料槽形件的橫截面為凹形，該凹形的凹 槽面為內(nèi)型面。
[0043] 待成形零件的材質(zhì)為復合材料。所述復合材料槽型零件材料選為預浸料 AS4/8552,復合材料纖維方向熱膨脹系數(shù)\為0XKT6,復合材料厚度方向熱膨脹系數(shù)^為 32. 6XKT6,復合材料纖維方向化學收縮系數(shù)外為0,復合材料厚度方向化學收縮系數(shù) 為0.0048。成形溫度AT變化范圍為160 °C。
[0044] 所述待成形零件的長度L為1000mm，凹槽的寬度300mm，兩側(cè)壁板的高度為100mm; 所述待成形零件內(nèi)表面兩側(cè)壁板與底板過渡處為圓角，該圓角的半徑為24mm。
[0045] 本實施例根據(jù)對待成形槽形件的設計要求，提出了一種用于該槽形件模具型面的 設計方法。具體實施步驟如下：
[0046] 步驟一，利用UG7. 0軟件提取復合材料零件內(nèi)型面M。
[0047] 步驟二，沿所述復合材料零件內(nèi)型面M的長度方向依次做垂直平面隊，所述的下標 i為該垂直平面N的數(shù)量，i= 1~n;本實施例中n= 50,共計50個垂直平面，分別得