CN110508653A - 一种筋肋板的辊辗成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种筋肋板的辊辗成形方法。可以在较小载荷下对平板坯料进行塑性成形，在成形大尺寸、高强度的筋肋板时有较大优势；大大减少精加工切削量，能够充分发挥塑性成形生产效率和材料利用率高的优势，且制件材料的流线分布合理、力学性能好；将下辊换成了板状的下模，并用扇形辊轮代替完整的辊轮，节约了设备空间；使用大辊径辊轮，增大了变形区宽度，有效的减小了翘曲变形并提高了填充性；下模对已成形部分具有约束作用，能够很大程度上减小前滑造成的延伸，提高尺寸精度。
Description
技术领域
本发明涉及材料成型领域。
背景技术
筋肋板是在板平面上有突出筋肋的板壳类结构零件。这类构件可以在满足结构强、刚度的情况下大幅减重，在交通运输、航空航天、军工等领域有着广泛应用。
目前，筋肋板构件成形的方法主要有：铸造、机械加工、焊接、塑性成形、3D打印等方法，但均有不足之处：
1.铸造
铸造件的强度低、表面质量差，生产效率也不高，通常只用来生产性能要求不高的大型薄腹高筋类构件。
2.机械加工
机械加工一般采用锻造或者轧制的板坯，使用数控机床进行切削加工，但由于加强筋部分的金属流线在切割过程中被破坏，难以保证其力学性能，且存在变形现象。另外，机械加工的材料利用率低、成本高。
3.焊接
焊接方法加工筋肋板类构件的生产效率低，对复杂结构的适应性较差，且焊接结构的残余应力大、疲劳强度低，结构一致性与可靠性差。
4.塑性成形
普通锻造、冲压等塑性成形方法由于成形载荷大、变形难以控制等原因，无法直接得到筋肋板。为了降低载荷，人们针对筋肋板的塑性成形提出了局部加载成形、等温锻造、辊压等方法。
(1)局部加载成形
局部加载生产效率低，且容易造成局部充不满、成形质量较差。
(2)等温锻造
等温锻造需要保证在极低应变率下模锻成形，生产效率很低，且长时间保持恒温的操作难度很大。
(3)辊压
在辊压过程中坯料容易产生延伸和翘曲变形，导致尺寸精度较低。由于填充性较差，难以成形高筋构件。
5. 3D打印
3D需要昂贵的成形设备和原料，成本高、效率低，制件的力学性能、表面质量等方面还存在一些局限，且目前适用的材料类型少。
综上所述，现有的筋板构件加工方法均存在各自的不足，难以满足生产实践的需要，有必要研究和开发新的筋板构件加工方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种筋肋板的辊辗成形方法，其特征在于:
采用的辊压设备主要包括主辊轮和水平的下模。所述下模的上表面具有与筋肋板表面的筋对应的凹槽。
工作时，主辊轮和下模同步运动，以辊压平板坯料。
进一步，所述主辊轮为扇形。
进一步，所述主辊轮沿中心轴往复转动。
所述水平的下模随主辊轮在水平面往复运动。
进一步，所述主辊轮通过齿轮驱动固定在下模一侧的齿条运动。
进一步，所述下模内部安装有顶杆。辊压平板坯料成型后，顶杆将平板坯料从下模上表面顶起，完成脱模。
本发明具有以下有益效果：可以在较小载荷下对平板坯料进行塑性成形，在成形大尺寸、高强度的筋肋板时有较大优势；大大减少精加工切削量，能够充分发挥塑性成形生产效率和材料利用率高的优势，且制件材料的流线分布合理、力学性能好；将下辊换成了板状的下模，并用扇形辊轮代替完整的辊轮，节约了设备空间；使用大辊径辊轮，增大了变形区宽度，有效的减小了翘曲变形并提高了填充性；下模对已成形部分具有约束作用，能够很大程度上减小前滑造成的延伸，提高尺寸精度。
附图说明
图1为本发明筋肋板的辊辗成形方法的原理示意图；
图2为本发明的平板坯料辊辗成形前的侧视图；
图3为本发明的筋肋板的辊辗成形过程的侧视图；
图4为本发明的筋肋板的辊辗成形后的侧视图
图5为带网格状筋肋的筋肋板的示意图；
图6为带网络状筋肋的筋肋板的辊辗成形模拟结果示意图(未切除外缘多余部分)；
图7为数值模拟得到的带网络状筋肋的筋肋板整体锻压成形过程和辊辗成形过程的载荷－时间曲线对比图。
图中：平板坯料(1)、主辊轮(2)、下模(3)、顶杆(4)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种筋肋板的辊辗成形方法，其特征在于:
参见图1采用的辊压设备主要包括主辊轮2和水平的下模3。
值得说明的是，现有的辊压设备造成筋肋板延伸，延伸因前滑导致，实际中，因辊锻模出口端无约束，前滑难以避免。本实施例中，采用水平的下模3，参见图2，所述下模3的上表面具有与筋肋板表面的筋对应的凹槽。下模3对已成形部分具有约束作用，从而抑制了前滑。
值得说明的是，凹槽的深度和宽度的比值越大，成形难度也越大，越容易造成筋的根部扭折，还会导致边缘充不满区(图6外围筋较低的部分)增大，若比值太大会造成整体充不满。优选地，该比值都小于4～6。
实施例中，凹槽的深度和腹板的厚度(筋肋板的最薄处，即筋肋之间的部分)比值较大时难以成形。优选地，该比值都小于5～8。
工作时，主辊轮2和下模3同步运动，以辊压平板坯料1。即辊轮外缘的线速度与下模的线速度相同。实施例中，所述主辊轮2一侧固定连接同步旋转的齿轮。下模3一侧固定与所述齿轮啮合的齿条，通过齿轮驱动下模3往复运动。齿轮与齿条的配合要保证其啮合线在辊轮的外缘处，以满足同步运动要求。
值得说明的是，现有的辊压设备造成筋肋板翘曲是因为出口处分模面上下金属流动速度不同导致。本实施例中，所述主辊轮2为扇形，扇形的直径为500～2000mm，扇形的角度为60°～120°。所述主辊轮2沿中心轴往复转动。所述水平的下模3随主辊轮2在水平面往复运动。
所述下模3内部安装有顶杆4。辊压平板坯料1成型后，顶杆4将平板坯料1从下模3上表面顶起，完成脱模。
实施例2：
本实施例主要技术方案同实施例1。即针对用现有的辊压设备进行改装。
改装步骤为:
1〕拆除上辊，并将上辊换成实施例1所述的主辊轮2；
2〕拆除下辊；
3〕在主辊轮2下方安装导轨，并将下模3安于导轨上；
4〕调整主辊轮2与导轨(下模3)的位置，使得主辊轮2一侧的齿轮与下模3一侧的齿条啮合，使之能够同步运动。
5〕主辊轮2的转轴连接原上辊的动力装置。该动力装置驱动主辊轮2和齿轮作周期性往复转动(摆动)
实施例3：
本实施例采用实施例1所述方法，制造如图5所示的筋肋板(下文中，水平方向为筋肋板长宽方向，垂直方向为筋肋板厚度方向)，筋肋板总的长、宽和厚度(腹板厚度+最大筋高)尺寸分别为500mm、500mm和25mm，需要压制成形的网格的长、宽分别为140mm和140mm，腹板厚度(厚度是指网格中间的凹陷底部到另一面之间的距离)为5mm，横筋深度(沿筋肋板垂直方向测量的筋的高度)为20mm，纵筋深度(沿筋肋板垂直方向测量的筋的高度)为15mm，筋的厚度(沿筋肋板水平方向测量的筋的宽度)为5mm。
该筋肋板的坯料的材料为6061铝板，密度为2.89g/mm2，泊松比v为0.33，杨氏模量E为68900MPa，屈服强度σs为65MPa。
利用本发明的一种筋肋板的辊辗成形方法的成形步骤如下：
(1)分析所需成形筋肋板构件的几何形状，根据塑性成形的特点与要求，对筋肋板制件增加工艺补充及加工余量，得到筋肋板的辊辗坯件图；
(2)根据辊辗坯件图，按坯料与制件体积相等的原则，确定筋肋板平板坯料的长、宽和厚度尺寸。本实施例中，确定平板坯料的长度为500mm，宽度为340mm，厚度为13mm；
(3)根据网络状筋肋的形状设计下模型槽，并完成上辊和下模的加工制造；本实施例中，辊轮的半径为2000mm。
(4)将下模安装在专用轧机上；
(5)运行轧机，对筋肋板平板坯料进行辊辗成形，得到筋肋板坯件；本实施例中，主辊轮的转动角速度为0.01rad/s。
在辊辗成形过程中，在下模上定位完毕的坯料与下模一起被送入辊轮的入口侧，在辊轮和下模的作用下，坯料逐渐发生塑性变形并向下模的凹槽内填充。
(6)辊辗完成后，制件在下模顶出装置的作用下完成脱模，从而得到具有一定尺寸和形状的筋肋板制件。
(7)切除辊辗后筋肋板外缘多余部分，得到满足最终要求的筋肋板制件。
实验：
利用塑性有限元方法对该筋肋板整体锻压过程和步骤(5)进行数值模拟，得到图6所示的筋肋板辊辗成形模拟结果图和图7所示的成形“载荷－时间”曲线。从图6中可以看出辊辗成形得到的筋肋板件填充性能良好，没有明显的翘曲变形和延伸，尺寸精度较高。从图7中可以看出，冲压载荷在不断增大，最大值超过了5万吨，而辊辗成形的最大载荷为8千吨，载荷有着显著的降低。
Claims (5)
1.一种筋肋板的辊辗成形方法，其特征在于:
采用的辊压设备主要包括所述主辊轮(2)和水平的下模(3)；所述下模(3)的上表面具有与筋肋板表面的筋对应的凹槽；
工作时，主辊轮(2)和下模(3)同步运动，以辊压平板坯料(1)。
2.根据权利要求1所述的一种筋肋板的辊辗成形方法，其特征在于：所述主辊轮(2)为扇形。
3.根据权利要求1或2所述的一种筋肋板的辊辗成形方法，其特征在于：所述主辊轮(2)沿中心轴往复转动；
所述水平的下模(3)随主辊轮(2)在水平面往复运动。
4.根据权利要求3所述的一种筋肋板的辊辗成形方法，其特征在于：所述主辊轮(2)通过齿轮驱动固定在下模(3)一侧的齿条运动。
5.根据权利要求1或3所述的一种筋肋板的辊辗成形方法，其特征在于：所述下模(3)内部安装有顶杆(4)；辊压平板坯料(1)成型后，顶杆(4)将平板坯料(1)从下模(3)上表面顶起，完成脱模。
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