一种薄壁带筋筒形件的制造方法

本发明涉及金属塑性加工，具体涉及一种薄壁带筋筒形件的制造方法。

背景技术：

1、在航空航天结构件制造领域，整体加筋结构由于具有较高的比强度和结构效率，被广泛应用于机身壁板、舱门结构等关键承力部位。挤压成形作为制备复杂整体结构件的重要工艺方法，可实现蒙皮与加强筋的一体化制造，从而减少连接件数量并提高结构整体性。

2、然而，对于复杂截面的带筋筒形挤压型材，其高温塑变过程中金属流动往往呈现明显的非均匀特征，不同截面区域易产生较大的应变梯度。特别是在蒙皮-筋条结构中，由于截面几何形状及金属流动路径的差异，蒙皮区域与筋条区域往往经历不同程度的塑性变形，从而诱导不同程度的动态再结晶行为，使型材截面各区域形成非均质的显微组织。该组织差异进一步导致筋条与蒙皮区域力学性能存在差异，削弱承力构件整体协同承载能力，不利于整体加筋结构在航空服役环境下的可靠性与使用寿命。

3、近年来，第三代铝锂合金因密度低、比强度高和良好的抗疲劳性能，在航空结构件中逐渐得到应用。例如，2196铝锂合金和2099铝锂合金挤压型材已应用于c919飞机机身壁板承力骨架结构，2197铝锂合金被用于f-16战斗机后机身舱壁结构，在一定程度上提升了飞机结构性能。相比之下，2195铝锂合金具有更为突出的超高强度、良好的焊接性能及耐腐蚀性能，目前主要应用于航天器外储箱和燃料贮箱结构等领域，但在飞机承力壁板等大尺寸挤压结构件中的应用尚少见报道。

4、对于2195铝锂合金复杂截面挤压型材而言，在挤压过程中同样容易受到非均匀金属流动和应变梯度的影响，导致型材不同区域的组织与性能产生差异。因此，如何在挤压成形过程中调控带筋筒形件的变形行为，实现型材截面应变分布的协调与均匀，从而改善挤压型材不同区域的组织与性能协同，成为铝锂合金大尺寸薄壁复杂挤压结构件制造过程中亟待解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对挤压过程中坯料（铝锂合金）容易受到非均匀金属流动和应变梯度的影响，导致型材不同区域的组织与性能产生差异的技术问题，提供结合响应面法和有限元仿真技术获取带筋筒形件挤压成型模具的方法，并利用该挤压成型模具挤压成型带筋筒形件，可以实现大尺寸薄壁带筋筒形件挤压型材不同区域的组织与性能协同，以解决背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种薄壁带筋筒形件的制造方法，所述带筋筒形件包括蒙皮和设置于所述蒙皮的内侧面的多个筋条，所述制造方法包括：步骤s101、基于响应面法，以坯料温度、模具温度和挤压速度为因素，以流速均匀性为优化目标，确定坯料的热挤压工艺参数，所述坯料的热挤压工艺参数包括坯料温度的目标值、模具温度的目标值和挤压速度的目标值；步骤s102、构建至少两种模具挤压仿真模型，并将坯料的本构方程和坯料的热挤压工艺参数分别输入到所述至少两种模具挤压仿真模型中，获取每种模具挤压仿真模型对应的带筋筒形件的应变场，不同的模具挤压仿真模型对应不同的模具工作带结构；步骤s103、基于每个带筋筒形件的应变场，计算每个带筋筒形件的应变分布的均方差，并将对应最小的应变分布的均方差的模具挤压仿真模型作为目标挤压仿真模型；步骤s104、依据所述目标挤压仿真模型确定挤压成型模具的结构，按照所确定的结构制备所述挤压成型模具，并利用所述挤压成型模具挤压成型带筋筒形件。

3、在一种具体的实施方式中，所述步骤s101包括：步骤（1）、确定影响流速均匀性的多个因素，基于响应曲面设计方法设计实验方案并进行实验，获取各因素水平组合对应的流速均方差，所述多个因素包括坯料温度、模具温度和挤压速度；步骤（2）、基于各个因素水平组合和步骤（1）获取的流速均方差，利用响应面法构建两个三维响应曲面图，其中，第一个三维响应曲面图以模具温度和挤压速度为因素，以流速均方差为响应值，第二个三维响应曲面图以模具温度和坯料温度为因素，以流速均方差为响应值；步骤（3）基于所述第一个三维响应曲面图和所述第二个三维响应曲面图，以流速均方差小于或者等于预设值为约束条件，确定每个因素的取值范围；步骤（4）、拟合所述多个因素与流速均方差之间的二阶多项式模型，以流速均方差最小作为优化目标，求解所述二阶多项式模型得到最优因素组合，并将所述最优因素组合作为坯料的热挤压工艺参数，所述坯料的热挤压工艺参数包括坯料温度的目标值、模具温度的目标值和挤压速度的目标值，其中，求解所述二阶多项式模型时，每个因素的水平值均在因素的取值范围内。

4、在一种具体的实施方式中，每种模具挤压仿真模型对应的模具结构均包括用于成型蒙皮的蒙皮成型腔和用于成型筋条的筋条成型槽，所述筋条成型槽为模具工作带；步骤s102中，构建的至少两种模具挤压仿真模型包括第一模具挤压仿真模型和第二模具挤压仿真模型，第一模具挤压仿真模型和第二模具挤压仿真模型的蒙皮成型腔均由内模具和外模具间隔设置形成，其中，利用所述第一模具挤压仿真模型成型筋条时，坯料不在模具工作带前端经历90°拐角区域进行流动，利用所述第二模具挤压仿真模型成型筋条时，坯料在模具工作带前端经历90°拐角区域进行流动。

5、在一种具体的实施方式中，步骤s103中，基于带筋筒形件的应变场，计算带筋筒形件的应变分布的均方差的步骤包括：步骤a、在带筋筒形件的应变场的模具工作带出口处，沿着带筋筒形件的周向方向，提取多个应变点的应变数据；步骤b、基于所述多个应变点的应变数据，根据均方差的计算公式计算得到带筋筒形件的应变分布的均方差。

6、在一种具体的实施方式中，所述目标挤压仿真模型为第一模具挤压仿真模型，步骤s104制备的所述挤压成型模具包括外模具、挤压筒、内模组件和坯料，所述外模具和挤压筒组配后围成安装腔，内模组件部分安装于安装腔内且与所述挤压筒间隔设置，坯料夹设于所述内模组件和所述挤压筒之间，所述内模组件包括具有安装槽的穿心杆及插入所述安装槽内且与所述穿心杆可拆卸连接的内模具，所述内模具包括沿挤压筒的延伸方向，层叠设置的第一内模主体部、第二内模主体部和第三内模主体部及收纳于所述安装槽内且与所述穿心杆可拆卸连接的连接部，所述第三内模主体部与所述连接部固定连接，所述第一内模主体部开设有多个筋条成型槽，所述第二内模主体部和所述第三内模主体部与所述坯料间隔设置形成坯料出料通道，所述第一内模主体部与坯料和外模具的内壁面间隔设置形成蒙皮成型腔，所述坯料出料通道分别与所述筋条成型槽和所述蒙皮成型腔连通。

7、在一种具体的实施方式中，所述挤压成型模具还包括挤压垫，所述挤压垫设于所述坯料远离所述外模具的一侧。

8、在一种具体的实施方式中，所述外模具包括具有相对设置的第一表面和第二表面的外模本体部及贯穿所述第一表面和第二表面形成的通孔，所述外模本体部还包括连接所述第一表面和所述第二表面的内壁面和外壁面，所述内壁面围成所述通孔，所述外壁面包括自所述第一表面向远离所述外模具本体部的中轴线方向倾斜延伸的斜面、自所述斜面向远离所述外模具本体部的中轴线方向水平延伸的第一平面、自所述第一平面垂直弯折延伸的第一竖直面、自所述第二表面朝向所述第一表面一侧垂直弯折延伸的第二竖直面及连接所述第一竖直面和第二竖直面的第二平面。

9、在一种具体的实施方式中，所述筋条成型槽自所述第一内模主体部的侧面向内凹陷形成，且沿所述挤压筒的延伸方向，所述筋条成型槽贯穿所述第一内模主体部的两个相互平行的底面和顶面，所述筋条成型槽的形状与待成型的筋条形状相同。

10、在一种具体的实施方式中，所述第二内模主体部夹设于所述第一内模主体部和所述第三内模主体部之间，所述第二内模主体部为圆台状结构，第三内模主体部为圆柱状结构，所述第三内模主体部与所述坯料之间的第三间隙、所述第二内模主体部与所述坯料之间的第二间隙、所述第一内模主体部与坯料和外模具之间的第一间隙的间隙宽度逐减增大。

11、在一种具体的实施方式中，步骤s104中，利用所述挤压成型模具挤压成型带筋筒形件的步骤包括：步骤一、固定外模具；步骤二、将挤压筒加热至坯料温度的目标值，并驱动所述挤压筒沿第一方向移动直至与所述外模具的外壁面抵接，外模具和挤压筒围成安装腔；步骤三、提供开设有多个筋条成型槽的内模具，将穿心杆与内模具螺纹连接组装得到内模组件，将内模具加热至模具温度的目标值，并驱动所述内模组件在安装腔内沿第一方向移动至目标位置，当内模组件移动至目标位置时，第一内模主体部的定位表面与外模具的第一表面之间的距离为30mm，且定位表面位于第一表面远离第二表面的一侧；步骤四、将根据所述坯料温度的目标值预热的坯料安装于挤压筒和内模组件之间，且所述坯料与外模具的外壁面抵接，预热的坯料安装完成后，所述内模具的第二内模主体部和第三内模主体部与所述坯料间隔设置形成坯料出料通道，所述内模具的第一内模主体部与坯料和所述外模具的内壁面间隔设置形成蒙皮成型腔，所述坯料出料通道分别与所述蒙皮成型腔和多个筋条成型槽连通；步骤五、驱动挤压垫沿第一方向朝坯料运动，并按所述挤压速度的目标值挤压坯料，使所述坯料沿所述坯料出料通道流出进入所述蒙皮成型腔和所述筋条成型槽，形成初始成型件；步骤六、取出所述初始成型件，对所述初始成型件进行余料切除，获得带筋筒形件。

12、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

13、一、本发明提供一种薄壁带筋筒形件的制造方法，包括以下步骤：步骤s101、基于响应面法，以坯料温度、模具温度和挤压速度为因素，以流速均匀性为优化目标，确定坯料的热挤压工艺参数，所述坯料的热挤压工艺参数包括坯料温度的目标值、模具温度的目标值和挤压速度的目标值；步骤s102、构建至少两种模具挤压仿真模型，并将坯料的本构方程和坯料的热挤压工艺参数分别输入到所述至少两种模具挤压仿真模型中，获取每种模具挤压仿真模型对应的带筋筒形件的应变场，不同的模具挤压仿真模型对应不同的模具工作带结构；步骤s103、基于每个带筋筒形件的应变场，计算每个带筋筒形件的应变分布的均方差，并将对应最小的应变分布的均方差的模具挤压仿真模型作为目标模具挤压仿真模型；步骤s104、依据目标挤压仿真模型确定挤压成型模具的结构，按照所确定的结构制备所述挤压成型模具，并利用所述挤压成型模具挤压成型带筋筒形件；这样，本发明结合响应面法和有限元仿真方法获取应变分布的均方差较小的挤压成型模具，再利用所述挤压成型模具挤压成型带筋筒形件，可以实现大尺寸薄壁带筋筒形件挤压型材不同区域的组织与性能协同，制造得到的带筋筒形件的筋条和蒙皮区域的拉伸性能和显微组织协同，能推动铝锂合金大尺寸薄壁挤压型材更广泛得工程应用。

14、二、本发明制备的挤压成型模具包括包括外模具、挤压筒、内模组件和坯料，所述外模具和挤压筒组配后围成安装腔，内模组件部分安装于安装腔内且与所述挤压筒间隔设置，坯料夹设于所述内模组件和所述挤压筒之间，所述内模组件包括具有安装槽的穿心杆及插入所述安装槽内且与所述穿心杆可拆卸连接的内模具，所述内模具包括沿挤压筒的延伸方向，层叠设置的第一内模主体部、第二内模主体部和第三内模主体部及收纳于所述安装槽内且与所述穿心杆可拆卸连接的连接部，所述第三内模主体部与所述连接部固定连接，所述第一内模主体部开设有多个筋条成型槽，所述第二内模主体部和所述第三内模主体部与所述坯料间隔设置形成坯料出料通道，所述第一内模主体部与坯料和外模具的内壁面间隔设置形成蒙皮成型腔，所述坯料出料通道分别与所述筋条成型槽和所述蒙皮成型腔连通；实验验证表明，采用本技术的挤压成型模具成型的带筋筒形件，无论是挤压态还是t6态，其筋条与蒙皮处的拉伸性能（抗拉强度、屈服强度及延伸率）均保持良好的匹配性，实现了筋条与蒙皮性能的协同提升，有效解决了现有带筋筒形件中筋条与蒙皮微观组织与拉伸性能不均、一致性较差的技术问题。

15、三、本发明通过对内模具和外模具的结构协同优化，创新地构建了模具工作带，并重新规划了坯料出料通道，该设计有效调控了金属流速的均匀性，促进了挤压型材截面应变的协调分布，进而实现了挤压型材不同区域组织性能的协同匹配与整体均质化。

16、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。