阅读说明：本技术 建立普旋凸缘起皱预测模型的方法 (Method for establishing general rotation flange wrinkling prediction model ) 是由 詹梅 高鹏飞 陈淑婉 马飞 张洪瑞 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了建立普旋凸缘起皱预测模型的方法,基于塑性成形理论和普旋力学特征,建立凸缘最大周向压应力模型；基于极限理论,结合普旋中凸缘皱波特征,建立凸缘临界周向压应力模型；建立普旋过程中凸缘稳定的力学条件；建立临界起皱状态下普旋参数间关系；本发明综合考虑凸缘在普旋过程中的周向收缩和在旋轮力作用下的周向弯曲建立普旋中凸缘起皱预测模型,能够真实反映凸缘在实际生产中的成形特点。本发明通过理论计算法建立凸缘最大周向压应力模型与临界周向压应力模型,避免了进行过程繁杂、耗时耗材的板坯普旋试验及有限元模拟,使起皱预测结果免于受到有限元建模形式和计算精度的影响,准确、快速地预测普旋中的凸缘起皱缺陷。(The invention discloses a method for establishing a general rotation flange wrinkling prediction model, which is based on a plastic forming theory and general rotation mechanics characteristics, and establishes a flange maximum circumferential compressive stress model; based on a limit theory, establishing a flange critical circumferential compressive stress model by combining the characteristics of flange corrugation in the common spin; establishing a stable mechanical condition of the flange in the normal rotation process; establishing a relation between common rotation parameters in a critical wrinkling state; the invention comprehensively considers the circumferential shrinkage of the flange in the common rotation process and the circumferential bending under the action of the spinning wheel force to establish a flange wrinkle prediction model in the common rotation, and can truly reflect the forming characteristics of the flange in the actual production. According to the method, the maximum circumferential compressive stress model and the critical circumferential compressive stress model of the flange are established by a theoretical calculation method, the slab general rotation test and finite element simulation which are complicated in process and time-consuming and consumable are avoided, the wrinkling prediction result is free from the influence of a finite element modeling form and calculation precision, and the flange wrinkling defect in the general rotation is accurately and quickly predicted.)

建立普旋凸缘起皱预测模型的方法

技术领域

本发明涉及板料成形加工领域，涉及普旋中凸缘起皱预测模型的建立和使用方法，主要用于判断普旋中凸缘的失稳起皱，评价其成形性能，获取板坯的可成形域，为普旋中成形参数和旋轮路径的设计提供理论指导。

背景技术

金属薄板旋压是一种局部塑性变形工艺，被尾顶和芯轴夹持的板坯由于旋轮力而产生局部塑性变形，随着芯轴的高速旋转和旋轮的进给运动，局部塑性变形逐渐扩大到整个板坯。由于具有成形力小和成形性能高等独特优势，金属薄板旋压工艺在航空，航天和民用产品的制造中发挥着重要作用。根据板厚变化情况，金属薄板旋压可以分为普旋和变薄旋压两大类。其中普旋过程中，板厚基本保持不变，旋压成形主要依靠板坯在单个或多个道次中的径向和周向变形来实现。凸缘起皱是普旋中最常见的失效模式，严重影响着材料的流动性和产品的质量。为了得到所需形状的工件，人们迫切需要了解板坯的普旋成形性能，判断其在成形过程中是否会发生起皱，何时何处发生起皱失效，从而采取措施加以避免。因此，如何准确判断普旋中凸缘的失稳起皱，有效评价其成形性能成为旋压加工领域十分关心的问题。

国内外学者对普旋中凸缘起皱的预测已进行了一些探索。目前，用于预测普旋起皱的方法主要有三种：即几何直观法、旋压力法和理论解析法。其中，几何直观法通过旋压凸缘外边缘轴向波动的平均值和标准差来表征凸缘的波动情况，旋压力法根据旋压力振荡幅度来判断起皱时刻。然而，由于曲线突变点判别难，这两种方法对凸缘起皱时刻仅能进行粗略的评估，且对有限元模拟的建模形式和计算精度要求较高。能量法是当今预测普旋中凸缘起皱最常用的理论解析方法。首先通过能量法建立起皱判据，结合有限元模拟获得临界周向压应力，然后将该临界周向压应力与有限元模拟结果进行对比，以预测凸缘起皱。与几何直观法和旋压力法相比，虽然能量法的预测精度较高，然而其仍需要大量耗时的模拟，使得起皱的预测和成形性能的确定效率低下。因此，工程中迫切需要开发出新的普旋凸缘起皱预测方法，以快速、有效地评价板坯的成形性能，从而在实际旋压生产中起到指导作用。本发明就是在这种背景下产生的。

发明内容

针对目前普旋凸缘起皱预测方法存在的局限性，本发明提供一种普旋中凸缘起皱预测模型的建立和使用方法，用于快速准确判断普旋中凸缘的起皱缺陷，有效评价板坯的成形性能。

本发明采用以下技术方案来实现：建立普旋凸缘起皱预测模型的方法，该方法的实现步骤如下，

S1.基于塑性成形理论和普旋力学特征，建立凸缘最大周向压应力模型：

其中，K为材料应变强化系数，n为材料硬化指数，σ_θmax为凸缘最大周向压应力，ε_θmax为普旋过程中凸缘外缘处的最大周向压应变。当旋轮路径为一直线时，ε_θmax的解析解表示为：

其中，R₀为芯模半径，b₀为板坯初始半径，f为旋轮进给比，α为直线旋轮路径半锥角，n′为芯模参数。

S2.基于极限理论，结合普旋中凸缘皱波特征，建立凸缘临界周向压应力模型：

其中，σ_s为材料屈服应力，t为板坯厚度，α₀为旋轮路径的瞬时半锥角。

S3.建立普旋过程中凸缘稳定的力学条件：

σ_θmax≤σ_θcr (4)

S4.建立临界起皱状态下普旋参数间关系：

其中，ε_θcr为临界起皱状态下凸缘外缘处的周向压应变。当旋轮路径为一直线时，ε_θcr的解析解可表示为：

其中，n′_cr为临界起皱状态下的芯模参数。

建立的普旋中凸缘起皱预测模型的使用方法为：

1)将给定的板坯材料参数、几何参数和普旋工艺参数分别代入凸缘最大周向压应力模型(式(1))与临界周向压应力模型(式(3))，比较获得的凸缘最大周向压应力与临界周向压应力的大小，若凸缘最大周向压应力达到或大于其临界值，则认为普旋中凸缘将发生失稳起皱；若凸缘最大周向压应力小于其临界值，则认为普旋中板坯可以成功成形。

2)根据临界起皱状态下普旋参数间关系(式(5))，计算板坯的起皱时刻或可成功成形的极限参数值。

在使用时，对于一系列不同钢种、不同几何尺寸的板坯，将它们可成功成形的极限半锥角进行比较，极限半锥角最小的板坯的成形性能最佳；极限半锥角最大的板坯的成形性能最差。

本方法适用于具有各种类型旋轮路径的普旋成形。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明综合考虑凸缘在普旋过程中的周向收缩和在旋轮力作用下的周向弯曲建立普旋中凸缘起皱预测模型，能够真实反映凸缘在实际生产中的成形特点。

2)本发明通过理论计算法建立凸缘最大周向压应力模型与临界周向压应力模型，避免了进行过程繁杂、耗时耗材的板坯普旋试验及有限元模拟，使起皱预测结果免于受到有限元建模形式和计算精度的影响，准确、快速地预测普旋中的凸缘起皱缺陷。

附图说明

图1是直线旋轮路径下1mm厚板坯考虑起皱缺陷的普旋成形图。

图2是1mm厚板坯的1060铝合金普旋实验样件：(a)半锥角为60°，(b)半锥角为70°。

图3是不同材料硬化指数下的直线旋轮路径极限半锥角。

具体实施方式

应用本发明所建立的普旋中凸缘起皱预测模型能够成功预测普旋中凸缘起皱缺陷，有效评价其成形性能，合理指导普旋工艺的设计。

建立普旋凸缘起皱预测模型的方法，该方法的实现步骤如下，

S1.基于塑性成形理论和普旋力学特征，建立凸缘最大周向压应力模型：

其中，K为材料应变强化系数，n为材料硬化指数，σ_θmax为凸缘最大周向压应力，ε_θmax为普旋过程中凸缘外缘处的最大周向压应变。当旋轮路径为一直线时，ε_θmax的解析解表示为：

其中，R₀为芯模半径，b₀为板坯初始半径，f为旋轮进给比，α为直线旋轮路径半锥角，n′为芯模参数。

S2.基于极限理论，结合普旋中凸缘皱波特征，建立凸缘临界周向压应力模型：

其中，σ_s为材料屈服应力，t为板坯厚度，α₀为旋轮路径的瞬时半锥角。

S3.建立普旋过程中凸缘稳定的力学条件：

σ_θmax≤σ_θcr (4)

S4.建立临界起皱状态下普旋参数间关系：

其中，ε_θcr为临界起皱状态下凸缘外缘处的周向压应变。当旋轮路径为一直线时，ε_θcr的解析解可表示为：

其中，n′_cr为临界起皱状态下的芯模参数。

建立的普旋中凸缘起皱预测模型的使用方法为：

1)将给定的板坯材料参数、几何参数和普旋工艺参数分别代入凸缘最大周向压应力模型(式(1))与临界周向压应力模型(式(3))，比较获得的凸缘最大周向压应力与临界周向压应力的大小，若凸缘最大周向压应力达到或大于其临界值，则认为普旋中凸缘将发生失稳起皱；若凸缘最大周向压应力小于其临界值，则认为普旋中板坯可以成功成形。

2)根据临界起皱状态下普旋参数间关系(式(5))，计算板坯的起皱时刻或可成功成形的极限参数值。

在使用时，对于一系列不同钢种、不同几何尺寸的板坯，将它们可成功成形的极限半锥角进行比较，极限半锥角最小的板坯的成形性能最佳；极限半锥角最大的板坯的成形性能最差。

本方法适用于具有各种类型旋轮路径的普旋成形。

实施例一：本实施例是一种普旋中凸缘起皱预测模型的使用方法。本实施例中，板坯的材料应变强化指数K为93.9396MPa，硬化系数n为0.1792，板坯外径b₀为78mm，芯模半径R₀为45mm，初始壁厚t为1mm，进给比f为0.4mm/r，直线旋轮路径半锥角α为60°。基于式(5)和(6)，可得起皱时刻为10.7s。

实施例二：本实施例是一种普旋中凸缘起皱预测模型的使用方法。图1所示为基于普旋中凸缘起皱预测模型建立的直线旋轮路径下1mm厚板坯考虑起皱缺陷的成形图，图中曲面为起皱临界面，其上侧是安全成形区域，下侧是起皱区域。给定成形参数的值，成形图中对应点的位置便可以确定，若对应点位于起皱临界面下方，则意味着在普旋过程中凸缘会发生起皱缺陷。图2所示为1mm厚板坯的1060铝合金普旋实验样件。当f＝0.3mm/r和α＝60°时，成形图中的对应点位于起皱区域，凸缘上出现少量皱折，在现有工艺条件下该普旋件无法成功成形(图2(a))。为了确保普旋件的成形质量，可依据考虑起皱缺陷的成形图对成形参数进行调整。当f＝0.3mm/r和α＝70°时，成形图中的对应点位于安全成形区域，凸缘未出现起皱缺陷，该普旋件能够成功成形(图2(b))。

实施例三：本实施例是一种普旋中凸缘起皱预测模型的使用方法。图3所示为基于式(5)获得的不同材料硬化指数n下可成功成形的直线旋轮路径极限半锥角。可以看出，材料硬化指数越小，极限半锥角越小，板坯的普旋成形性能越好。

本发明所述普旋中凸缘起皱预测模型的建立和使用方法能准确建立考虑起皱缺陷的成形图，成功预测普旋中凸缘的起皱缺陷，有效评价其成形性能，合理指导普旋工艺的设计。