本發(fā)明涉及金屬塑性成形的技術領域，具體涉及一種快速確定多腔類構件多向加載成形合理加載路徑的方法。

背景技術：

多個方向帶有枝椏和空腔的高性能復雜構件廣泛應用于航空航天、核電、石油化工等領域。為了滿足惡劣的服役環(huán)境、保證裝備的性能和可靠性，從而對該多腔類構件的成形質(zhì)量和精度提出了更高的要求。多向主動加載成形，通過在坯料的軸向和徑(側(cè))向同時或順序施加載荷，可一次整體成形出不同方向帶有枝芽和空腔類結(jié)構的復雜零件，為高性能多腔類構件的近凈成形制造提供了有效途徑。

然而多腔類構件多向加載成形過程是一個多參數(shù)、多場耦合、多模具協(xié)調(diào)加載、時空動態(tài)約束下的高度非線性過程，材料將發(fā)生極其復雜的不均勻塑性變形及由此引發(fā)宏微觀缺陷等。一方面多腔類構件幾何結(jié)構復雜，具有多向深腔或枝杈；從相對簡單的初始坯料，材料需經(jīng)過復雜的變形、流動和體積轉(zhuǎn)移才可能獲得最終的形狀。另一方面，材料的流動和型腔的充填對加載方式、路徑(即各模具加載運動的次序、加載速度與時間的關系)和條件敏感。而對于給定的多腔類構件，當初始坯料給定時，加載路徑通過改變坯料體積的分配和動態(tài)約束而很大程度上影響著材料的變形和流動行為，進而影響著型腔的充填和構件成形質(zhì)量，決定著該技術的應用發(fā)展。

多向加載成形過程中，從相對簡單的初始坯料，材料需經(jīng)過復雜的質(zhì)點流動才可能獲得最終的幾何形狀。金屬流動規(guī)律不僅很大程度上依賴于加載路徑自身，而且所成形多腔類構件的結(jié)構也對其有一定的影響。為了獲得高性能和高可靠性的多腔類構件，在成形中需要根據(jù)成形的多腔類構件的幾何結(jié)構特征，選擇合理的成形加載路徑。而現(xiàn)階段多腔類構件多向加載成形合理加載路徑的確定主要依靠經(jīng)驗和試驗摸索。

中國專利申請cn104239644a公開了一種對于鈦t型管液壓成形工藝參數(shù)的研究方法，利用仿真模型與理論試驗相結(jié)合研究內(nèi)壓加載路徑(內(nèi)壓加載與時間的關系)、沖頭加載路徑(沖頭進給與時間的關系)相匹配的最佳工藝參數(shù)，制備出合格的t型管，有效地實現(xiàn)成形區(qū)的補料，從而獲得更小的壁厚減薄率和相對均勻的壁厚分布，提高t型管的成形極限，避開以往利用經(jīng)驗及不斷的試驗來摸索工藝參數(shù)，節(jié)約了成本。

fann和hsiao提出在管材液壓成形(thf)過程中基于共軛梯度法和fem來確定最優(yōu)加載路徑的優(yōu)化策略(fannk,hsiaop.optimizationofloadingconditionsfortubehydroforming.jmaterprocesstechnol,140(2003):520-524)。yangjb等利用fem與優(yōu)化工具進行了thf過程的靈敏度分析和最佳工藝設計(yangjb,jeonbh,ohsi.designsensitivityanalysisandoptimizationofthehydroformingprocess.jmaterprocesstechnol,113(2001):666-672)。aue-u-lan等采用自適應模擬技術優(yōu)化加載路徑(aue-u-lany,ngaileg,altant.optimizingtubehydroformingusingprocesssimulationandexperimentalverification.jmaterprocesstechnol,146(2004):137-143)。abedrabbon等通過實驗驗證優(yōu)化了thf工藝中的加載路徑(abedrabbon,worswickm,mayerr,riemsdijki.optimizationmethodsforthetubehydroformingprocessappliedtoadvancedhigh-strengthsteelswithexperimentalverification.jmaterprocesstechnol,209(2009):110-123)。dilorenzor等提出梯度分解方法優(yōu)化y型thf中的內(nèi)壓加載路徑和沖頭加載路徑，減少了有限元(fe)模擬的評價參數(shù)數(shù)目(dilorenzor,ingaraog,chinestaf.agradient-baseddecompositionapproachtooptimizepressurepathandcounterpunchactioniny-shapedtubehydroformingoperations.intjadvmanuftechnol,44(2009):49-60)。mirzaalim等使用模擬退火算法確定thf過程中的加載路徑參數(shù)(mirzaalim,seyedkashismh,liaghatgh,mosleminaeinih,shojaeek,moonyh.applicationofsimulatedannealingmethodtopressureandforceloadingoptimizationintubehydroformingprocess.intjmechsci,55(2012):78-84)。tianlunhuang等采用區(qū)間法來處理有限的信息并實現(xiàn)t型thf過程中加載路徑的魯棒性(tianlunhuang,xueweisong,minliu.akriging-basednon-probabilityintervaloptimizationofloadingpathint-shapetubehydroforming.intjadvmanuftechnol,85(2016):1615-1631)。但液壓成形多腔體時，壁厚減薄率有限，體積成形近似于平面應變問題。

在公開號為cn102641955a的發(fā)明創(chuàng)造中公布了一種在單向壓力機上成形三通件的模具及其成形方法，采用在壓力機上單向的加載路徑，通過斜楔、墊塊和滑塊的配合實施多個方向同時加載，實現(xiàn)了三通件在單向壓力機上的整體成形。本發(fā)明提高了多腔類構件的可靠性，提高了材料的利用率，對加載環(huán)境要求低，具有操作簡單、方便、易實施的特點。

在公開號為cn101596559a的發(fā)明創(chuàng)造中公開了一種三通管的分步模鍛工藝，提出了先鍛造三通管的主管，再鍛造出其支管的多向加載成形加載路徑。清華大學采用與cn101596559a提出的相同工藝方案，對成形過程進行有限元模擬分析(胡忠,王一本等.三通擠壓工藝過程的二維彈塑性有限元模擬.塑性工程學報,3(2)(1996):33-40)，研究發(fā)現(xiàn)該路徑下成形三通件易出現(xiàn)空腔、折疊、水平?jīng)_頭彎曲等質(zhì)量問題。

a.gontarz等利用物理模擬和有限元分析研究了兩種加載路徑下三通件的成形過程(gontarza.formingprocessofvalvedropforgingwiththreecavities.jmaterprocesstechnol,177(2006):228-232)，發(fā)現(xiàn)相比加載路徑i(原始坯料垂直放置，先加載垂直凸模再加載水平凸模)，加載路徑ii(原始坯料水平放置，先加載水平凸模再加載垂直凸模)成形時金屬流動更穩(wěn)定，消耗能量較低，為合適的加載路徑。

中北大學采用多向同步加載、多向分步加載和多向順序加載三種加載路徑對三通件成形過程進行有限元模擬分析(李素麗,張治民.三通閥體零件多向主動加載成形過程數(shù)值模擬.熱加工工藝,37(5)(2008):69-72)，研究發(fā)現(xiàn)多向同步加載易出現(xiàn)金屬折疊缺陷，且擠壓力曲線的變化較快，影響模具使用壽命；多向順序加載中，雖然凸模做功最小，但擠壓末期擠壓力急劇下降，對模具壽命影響很大；多向分步加載中擠壓力曲線平滑過渡，減小了對模具的損傷，也不會出現(xiàn)折疊，為最佳成形工藝。

中國發(fā)明專利cn102248102a公布了一種采用多向加載技術整體成形鋁合金等徑三通件的方法，其采用的加載路徑為：水平凸模先運動，側(cè)凸模稍后運動，最后三個凸模一起運動至最終成形位置。該路徑可以主動控制成形過程中的金屬流動，避免了空腔、折疊等缺陷，但只適用于結(jié)構特殊的等徑三通件類多腔構件。

西北工業(yè)大學采用兩種典型的加載路徑對四通閥體多向加載成形進行了研究(zhangdawei,yanghe,sunzhichao.finiteelementsimulationofaluminumalloycrossvalveformingbymulti-wayloading.trans.nonferrousmet.soc.china,20(2010):1059-1066)，發(fā)現(xiàn)兩種典型加載路徑中各型腔中金屬變形模式不同，采用加載路徑ii：坯料沿y軸放置，x向凸模先加載一段時間后y向凸模開始加載，同時加載結(jié)束成形，模具受力均衡，且溫度場和應變場的分布更利于成形四通閥。

實際生產(chǎn)中，多腔類構件形狀尺寸各異，對于不同結(jié)構尺寸的多腔類構件，其合理加載路徑的確定尚需要依靠經(jīng)驗和試驗摸索，這不僅增加了生產(chǎn)成本，而且浪費了大量時間。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有多腔類構件多向加載成形合理加載路徑的確定依靠經(jīng)驗和試驗摸索，既增加試驗成本，又浪費大量時間的問題，本發(fā)明提出一種多腔類構件多向加載成形加載路徑的確定方法。

本發(fā)明的具體過程是：

步驟1：計算主管凸模不同加載位移下轉(zhuǎn)移到支管型腔內(nèi)的坯料體積v。根據(jù)成形的多腔類構件及原始坯料的尺寸，計算成形過程中轉(zhuǎn)移到支管型腔內(nèi)的坯料體積v。

在整個成形過程中，主管凸模不同加載位移下由主管型腔轉(zhuǎn)移到支管型腔內(nèi)的坯料體積為v，主管凸模的加載位移為x，且加載的最大位移為sm，滿足：

sm＝(s0-lm)/2-t

公式中，s0為原始坯料長度；lm為兩個支管中心的水平間距。

主管凸模加載到x＝x1時，主管型腔的坯料開始與主管凸模的法蘭接觸，則：

其中，0≤x≤sm，0≤△l≤l0-x1

公式中：d0為主管內(nèi)徑；d0為主管外徑；l為多腔類構件整體長度；x為主管凸模的加載位移；x1為主管凸模的大直徑端端面與主管型腔的坯料初始接觸時，該主管凸模的位移；l0為主管型腔的深度；sm為加載的最大位移。

步驟2：初步確定主管凸模初始加載位移x0的范圍

所述初步確定主管凸模初始加載位移x0的范圍根據(jù)不同的管徑比確定：

ⅰ、對于主管內(nèi)外徑比d0/d0≈0.5～0.65的多腔類構件，所確定的主管凸模初始加載位移x0為：

ⅱ、對于主管內(nèi)外徑比d0/d0≈0.65～0.8的多腔類構件，所確定的主管凸模初始加載位移x0為：

綜上，初步確定主管凸模初始加載位移x0的范圍為：

所述的vmax為轉(zhuǎn)移到支管型腔內(nèi)坯料的最大體積，當v＝vmax時，△l＝l0-sm，由式(1)得：

步驟3：計算支管凸模加載位移y0

當主管凸模加載位移為x0時，支管凸模開始接觸坯料進行加載。成形完成后，支管凸?？偟募虞d的位移為y0，由體積不變可得：

步驟4：確定最終主管凸模初始加載位移x0的范圍

主管和支管凸模還需滿足位移關系，以保證成形末期支管凸模單獨加載：

sm-x0≤y0(7)

將式(6)代入式(7)，得：

整理，得：

綜上，由式(5)和式(8)得到主管凸模初始加載位移的范圍為：

步驟5：確定多腔類構件多向加載的合理的加載路徑

根據(jù)上述步驟的計算，最終確定多腔類構件多向加載成形的合理加載路徑為：加載主管凸模――同時加載主管凸模和支管凸模――加載支管凸模。至此，完成了多腔類構件多向加載成形中合理加載路徑的確定。

所述確定的多腔類構件多向加載的合理的加載路徑中，加載主管凸模的具體過程是：

當主管凸模加載位移為x0時，支管凸模開始加載，主管凸模初始加載位移的范圍為：

當主管內(nèi)外徑比d0/d0＝0.7時，預估主管凸模初始加載位移x0時應選擇靠近加載位移范圍的小數(shù)值一端。

所述確定的多腔類構件多向加載的合理的加載路徑中，加載支管凸模是當主管凸模加載結(jié)束后，繼續(xù)對該支管凸模加載進行反擠壓。

所述的上凹模的型面有半圓形的主管型腔。在該主管型腔一側(cè)有半圓形的支管型腔；在上凹模的上表面有圓形的支管型腔。所述的各支管型腔均與所述主管型腔貫通，并使兩個支管型腔的中心線均與所述主管型腔的中心線相互垂直。所述兩個支管型腔的具體位置根據(jù)所述多腔類構件的外形確定。

所述下凹模型面有半圓形的主管型腔。在該主管型腔一側(cè)有與所述主管型腔貫通的半圓形的支管型腔。該支管型腔的中心線均與所述主管型腔的中心線相互垂直，并且該半圓形支管型腔的位置與上凹模上半圓形支管型腔的位置對應。

本發(fā)明在選擇主管凸模初始加載位移的范圍時，需要注意：

1、當主管內(nèi)外徑比d0/d0≈0.65～0.8時，主管凸模進行反擠壓的作用不明顯，初始階段大量材料轉(zhuǎn)移到支管型腔內(nèi)，預估主管凸模初始加載位移x0時應選擇靠近加載位移范圍的小數(shù)值一端。

2、當主管內(nèi)外徑比d0/d0≈0.5～0.65時，主管凸模反擠作用強烈，初始階段材料向支管型腔內(nèi)轉(zhuǎn)移的較少，預估主管凸模初始加載位移x0時應選擇靠近加載位移范圍的大數(shù)值一端。

3、在成形之前粗略估計主管凸模的初始加載位置時，還要綜合考慮空腔、折疊缺陷的產(chǎn)生，當主管凸模初始加載位置x0過大時，容易出現(xiàn)空腔，因此可采用數(shù)值模擬或試驗進一步縮小主管凸模初始加載位置的范圍。

ii、同時加載主管凸模和支管凸模，對多腔類構件進行多向擠壓；

iii、加載支管凸模。主管凸模加載結(jié)束后，繼續(xù)對該支管凸模加載進行反擠壓成形。

本發(fā)明的有益效果是：根據(jù)多腔類構件多向加載成形過程中坯料的轉(zhuǎn)移規(guī)律，提出一種多腔類構件多向加載成形合理加載路徑的快速確定方法。只需根據(jù)最終多腔類構件的幾何尺寸及所需原始圓柱坯料的長度s0，即可確定合理加載路徑下主管凸模初始加載位移的范圍，為快速確定合理加載路徑提供科學依據(jù)，節(jié)約試驗成本和時間。而采用合理的加載路徑，可產(chǎn)生相應的塑形變形區(qū)模具約束，改善材料流動和不均勻變形，使坯料從相對簡單的初始結(jié)構經(jīng)過復雜的質(zhì)點流動獲得最終幾何形狀，且有效地避免成形過程中的空腔、折疊等缺陷，降低成形載荷，提高多腔類構件的成形質(zhì)量。如附圖6所示，在典型加載路徑(水平凸模加載完成后垂直凸模開始加載至成形結(jié)束)下，水平凸模的加載導致金屬快速地流向垂直型腔內(nèi)，拖曳水平凸模圓角上部的金屬脫離模具表面形成較大空腔10，空腔處的金屬由于垂直凸模加載而極易交匯形成折疊缺陷。而采用本發(fā)明的合理加載路徑成形時，如圖7，金屬流動更均勻，關鍵部位流線方向與最大拉應力方向一致，沒有變形滯留區(qū)，且與多腔體的幾何外形相符合，坯料能很好的貼合模腔，沒有出現(xiàn)折疊等缺陷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程框圖。

圖2為上凹模的結(jié)構示意圖；

圖3為下凹模的結(jié)構示意圖；

圖4為凹模與凸模配合的示意圖；

圖5為多腔類構件的結(jié)構及尺寸示意圖；

圖6為典型加載路徑下成形時金屬流動速度及空腔缺陷示意圖；

圖7為采用本發(fā)明提出的合理加載路徑成形時金屬流動速度圖。圖中：

1.上凹模；2.支管型腔；3.下凹模；4.主管型腔；5.坯料；6.主管凸模；7.支管凸模；8.支管；9.主管；10.空腔。

具體實施方式

本實施例是一種確定多腔類構件多向加載成形合理加載路徑的方法。

本實施例利用上凹模1、下凹模3、主管凸模6和支管凸模7，通過加載成形的方法成型多腔類構件。

所述的上凹模1為塊狀，下表面為型面。在該型面有半圓形的主管型腔4，用于成形所述多腔類構件的主管9。在該主管型腔一側(cè)有半圓形的支管型腔2；在上凹模的上表面有圓形的支管型腔。所述的各支管型腔2均與所述主管型腔貫通，并使兩個支管型腔的中心線均與所述主管型腔的中心線相互垂直。所述兩個支管型腔的具體位置根據(jù)所述多腔類構件的外形確定。

所述下凹模3的亦為塊狀，上表面為型面。在該上凹模的內(nèi)表面有半圓形的主管型腔4，用于成形所述多腔類構件的主管9。在該主管型腔一側(cè)有與所述主管型腔貫通的半圓形的支管型腔2。該支管型腔的中心線均與所述主管型腔的中心線相互垂直，并且該半圓形支管型腔的位置與上凹模上半圓形支管型腔的位置對應，當所述上凹模與下凹?？酆虾?，有兩個半圓形的支管型組合成為完整的支管型腔。

所述上凹模1上的半圓形主管型腔的半徑和下凹模3上的半圓形主管型腔的半徑均與主管的外半徑相同。所述上凹模1上的半圓形支管型腔的半徑和下凹模3上的半圓形支管型腔的半徑均與支管的外半徑相同。

所述主管凸模6有兩個，為圓柱狀。該主管凸模6的外圓周表面為階梯狀，其中一端的大直徑段的直徑與主管的外徑相同，另一端的小直徑段的外徑與主管9的內(nèi)徑相同。

所述支管凸模7有兩個，為圓柱狀。該支管凸模6的外圓周表面為階梯狀，其中一端的大直徑段的直徑與支管的外徑相同，另一端的小直徑段的外徑與支管的內(nèi)徑相同。裝配時，將所述上凹模與下凹?？酆希瑢蓚€主管凸模的小直徑端分別裝入所述主管型腔4的兩端，并使各主管凸模的大直徑端與主管型腔的表面緊密配合。將兩個支管凸模的小直徑端分別裝入所述個支管型腔4內(nèi)，并使各支管凸模的大直徑端分別與各支管型腔的表面緊密配合。

本實施例的具體步驟如下：

步驟1：計算主管凸模6不同加載位移下轉(zhuǎn)移到支管型腔2內(nèi)的坯料體積v。

根據(jù)成形的多腔類構件及坯料5的尺寸，計算成形過程中轉(zhuǎn)移到支管型腔2內(nèi)的坯料體積v。

該多腔類構件的結(jié)構尺寸為：主管9的內(nèi)徑和外徑分別為d0＝42mm、d0＝60mm，支管8的內(nèi)徑和外徑分別為d1＝20mm、d1＝40mm；所述主管型腔的深度l0＝55mm，支管型腔的深度l1＝35mm。多腔類構件的整體長度l＝180mm，兩個支管中心線之間的水平間距l(xiāng)m＝60mm，支管頂端面與主管中心線之間的間距h＝60mm。兩個支管中心線之間的夾角θ＝90°，鍛件成形預留厚度t＝5mm，由此計算出多腔類構件的體積v構＝417570mm³；成形該多腔類構件的坯料為圓柱坯料，直徑等于主管外徑d0，即60mm，根據(jù)體積不變原則由成形的多腔類構件的體積求出原始坯料長度s0＝148mm。

在整個成形過程中，主管凸模6不同加載位移下由主管型腔4轉(zhuǎn)移到支管型腔2內(nèi)的坯料體積為v，主管凸模的加載位移為x，且加載的最大位移為sm，滿足：

sm＝(s0-lm)/2-t＝39mm

主管凸模6加載到x＝x1時，主管型腔4的坯料開始與主管凸模6的法蘭接觸，則：

其中，0≤x≤sm，0≤△l≤l0-x1

公式(1)中的x1為主管凸模的大直徑端端面與主管型腔的坯料初始接觸時，該主管凸模的位移。

為了保證成形后期支管凸模7單獨加載進行反擠壓，轉(zhuǎn)移到支管型腔2內(nèi)的坯料體積最大不能超過vmax。

當v＝vmax時，△l＝l0-sm，由式(1)得：

步驟2：初步確定主管凸模6初始加載位移x0的范圍

ⅰ、對于主管內(nèi)外徑比d0/d0≈0.5～0.65的多腔類構件

假設主管凸模6開始加載階段只進行反擠壓，即v＝0，此時主管凸模法蘭接觸坯料時主管凸模位移為x1^*，由(1)得到：

但實際成形過程中，少量坯料還會轉(zhuǎn)移到支管型腔2內(nèi)，因此x0≤x1^*≤x1，得到：

ⅱ、對于主管內(nèi)外徑比d0/d0≈0.65～0.8的多腔類構件

假設主管凸模6開始加載階段只進行側(cè)擠壓，向支管型腔2內(nèi)轉(zhuǎn)移坯料，即△l＝0，當轉(zhuǎn)移的坯料達到vmax時，主管凸模6位移為x0^*，由(1)得：

但實際成形過程中，少量坯料會在主管凸模6加載下發(fā)生反擠壓，因此x0≥x0^*，得：

綜上，初步確定主管凸模6初始加載位移x0的范圍為：

步驟3：計算支管凸模7的加載位移y0

當主管凸模6加載位移為x0(x0≤x1)時，支管凸模7開始接觸坯料5進行加載。此時已轉(zhuǎn)移至支管型腔2內(nèi)的坯料體積為v0，支管型腔中的坯料的高度決定了最后支管凸模加載的位移。成形完成后，支管凸?？偟募虞d的位移為y0，由體積不變可得：

步驟4：確定最終主管凸模6初始加載位移x0的范圍

為了保證成形末期支管凸模7單獨加載，主管和支管凸模還需滿足位移關系：

sm-x0≤y0(7)

將式(6)代入式(7)，得：

整理，得：

綜上，由式(5)和式(8)可得主管凸模初始加載位移的范圍為：

即max[14.36mm,22.35mm]≤x0≤28.05mm

步驟5：確定多腔類構件多向加載的合理的加載路徑

根據(jù)上述步驟的計算，最終確定多腔類構件多向加載成形的合理加載路徑為：加載主管凸模6――同時加載主管凸模6和支管凸模7――加載支管凸模7，具體過程是：

ⅰ、加載主管凸模6

當主管凸模6加載位移為x0時，支管凸模7開始加載，主管凸模6初始加載位移的范圍為：

即22.35mm≤x0≤28.05mm

當主管內(nèi)外徑比d0/d0＝0.7時，主管凸模6進行反擠壓的作用不明顯，初始階段大量材料轉(zhuǎn)移到支管型腔2內(nèi)，預估主管凸模6初始加載位移x0時應選擇靠近加載位移范圍的小數(shù)值一端；本實施例中，所述主管凸模6初始加載位移x0靠近22.35mm。

進一步采用數(shù)值模擬進行模擬分析，最終選取x0＝23mm，該加載路徑下成形件未出現(xiàn)空腔10、折疊等缺陷。

ii、同時加載主管凸模6和支管凸模7，對多腔類構件進行多向擠壓；

iii、加載支管凸模7。主管凸模6加載結(jié)束后，繼續(xù)對該支管凸模7加載進行反擠壓。

至此，完成了多腔類構件多向加載成形中合理加載路徑的確定。