多自由度包络成形高精度高刚度模架模具系统设计方法

1.本发明涉及模架模具系统设计制造领域，更具体地说，涉及一种多自由度 包络成形高精度高刚度模架模具系统设计方法。


背景技术：

2.薄板高筋构件强度高、重量轻，广泛用于制造航空航天装备主承载部件。 新一代航空航天装备正向大运力远航程方向发展，对薄板高筋构件的力学性能 提出更高需求。目前薄板高筋构件主要采用切削加工制造，其制造效率低、成 本高、构件性能差，难以满足航空航天重大装备高性能制造需求。多自由度包 络成形制造技术是先进的连续局部塑性成形制造技术，能够获得细密晶粒组织 和连续金属流线，是薄板高筋构件高性能制造技术发展的重要方向。然而，多 自由度包络成形过程中模具在重载条件下作多自由度运动，模架模具需要承受 巨大的动态载荷，因此对模架模具的刚度和精度要求十分苛刻，不合理的模架 模具系统设计将导致多自由度包络成形无法进行。目前尚无关于多自由度包络 成形高精度高刚度模架模具系统设计方法的相关报道。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于，提供一种多自由度包络成形高精度高刚度 模架模具系统及设计方法，能够同时显著提高多自由度包络成形模架模具系统 的精度和刚度，从而实现薄板高筋构件高精度多自由度包络成形。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多自由度包络成形 高精度高刚度模架模具系统设计方法，包括以下步骤：
5.s1、模架模具系统组成部分设计：多自由度包络成形高精度高刚度模架 模具系统包括基板、包络模座、驱动机构、支撑机构、导向件、包络模具、锻 件顶出机构、模具加热系统和模具隔热系统；模架基板包括上基板和下基板， 上基板内开设用于安装支撑机构的滑槽，下基板内开设用于安装包络模具的凹 槽；驱动机构包括多组伺服电机和滚珠丝杆；支撑机构包括多组支撑链，每组 支撑链包括支撑杆、支撑杆上底座和支撑杆下底座；导向件包括多组导柱和导 套；包络模具包括上包络模套、下包络模套、上包络芯模和下包络芯模；锻件 顶出机构包括上顶出机构和下顶出机构，上顶出机构由上顶出缸、上顶出缸安 装板、立柱、顶板和上顶杆组成，下顶出机构由下顶杆组成；模具加热系统包 括加热板、加热圈和保温石棉套；模具隔热系统包括包络模套隔热垫板、包络 芯模隔热垫板和隔热石棉板；
6.s2、模架模具系统装配：支撑机构的支撑杆上底座和支撑杆下底座安装 在支撑杆的两端，支撑杆与支撑杆上底座和支撑杆下底座通过球副方式连接； 将支撑机构支撑杆上底座安装在上基板滑槽内，并在支撑杆上底座和滑槽之间 安装耐磨板，支撑杆下底座安装在包络模座背面，实现包络模座与上基板稳固 连接；将滚珠丝杆安装在上基板滑槽侧面，滚珠丝杠前端与上基板滑槽内的支 撑杆上底座连接，滚珠丝杠后端与伺服电机连接；将上包络芯模热压配合在上 包络模套内，再将热压配合的上包络模套和上包络芯模安装在包
络模座正面； 将下包络芯模热压配合在下包络模套，再将热压配合的下包络模套和下包络芯 模安装在下基板上；将模具加热系统和模具隔热系统安装在包络模具上，实现 对包络模具的预热与保温；将锻件上顶出机构安装在包络模座背面，锻件下顶 出机构安装在下基座内；将导套安装在上基板，导柱安装在下基板，再将导柱 插入导套内，完成多自由度包络成形模架模具系统的装配；
7.s3、模架模具系统工作过程设计：在模架模具系统工作过程中，下基板 始终保持固定不动，上基板在多自由度包络成形装备液压系统驱动和导向件约 束下作向下进给运动，同时上基板通过支撑机构推动包络模座和包络模具向下 进给；在此过程中模架驱动机构不工作，上基板、支撑机构与包络模座之间保 持相对静止；当上包络芯模与坯料刚刚发生接触时，关闭多自由度包络成形装 备的液压系统，停止上基板进给运动并使上基板悬停在该位置；此后，开启模 架模具驱动机构，驱动机构通过支撑机构中的多组支撑链往复推动包络模座和 包络模具，使得包络模座和包络模具作多自由度包络运动，在此过程中多个支 撑杆上底座逐渐向模架轴线靠近，支撑杆与包络模座之间的夹角逐渐增大，包 络模座和包络模具在支撑杆推动下沿轴向伺服进给；在包络模具多自由度包络 运动和轴向伺服进给运动作用下，坯料发生连续局部塑性变形，金属发生多向 流动并不断填充包络芯模型腔，直至坯料变形成目标锻件；此后，重新启动多 自由度包络成形装备液压系统，驱动上基板向上移动，上基板带动支撑机构、 包络模座和包络模具向上移动，实现上包络芯模和下包络芯模分离；最后启动 锻件顶出机构，将目标锻件从包络芯模内顶出，获得目标锻件；
8.s4、包络模具高精度运动设计：伺服电机带动滚珠丝杆旋转，滚珠丝杆 推动支撑杆上底座在上基板滑槽内做径向往复直线运动，支撑杆上底座径向往 复直线运动再通过支撑链中的球副转变成空间运动并传递到包络模座和包络 模具上；在6组伺服电机-滚珠丝杆-支撑链的交互推动下，包络模座和包络模 具可以实现任意形式的多自由度包络运动，支撑杆上底座运动方程如公式1 所示；
[0009][0010]
其中：
[0011][0012][0013]
zp为上包络芯模型面中点与上基板之间的距离，l为支撑杆长度，r为支 撑杆上底座中点到上基板轴线的初始距离，r为支撑杆下底座中点到包络模座 轴线的距离，θ1为支撑杆上底座在上基板上的安装角度，θ2为支撑杆下底座在 包络模座上的安装角度，为上包络芯模轴线与模架轴线夹角，a
iy
为支撑杆上 底座的移动距离；
[0014]
s5、包络模具几何结构精确设计：锻件简单型面由固定不动的下包络芯 模成形，锻件复杂型面由作多自由度运动的上包络芯模成形，进而提升锻件复 杂型面金属流动能力和表面完整性；上包络芯模型腔由锻件复杂型面反向包络 生成，其设计原理为：设包络模具固定不动，将锻件复杂型面按照包络模具与 锻件之间的相对运动关系进行运动，锻件复杂型面各点运动形成一个空间曲线 族，运用包络几何学运动学理论计算获得该空间曲
线族的包络面，该包络面即 为与锻件复杂型面精确匹配的包络模具型面；下包络芯模型腔形状与锻件简单 型面完全相同。
[0015]
按上述方案，还包括步骤s6、包络模具精确定位设计：在包络模座正面 开设4个关于下包络模座轴线旋转对称的定位键槽，任意两个键槽呈正交分 布；在下基板上表面开设4个关于下基板轴线旋转对称的定位键槽，任意两个 键槽呈正交分布；将下包络芯模轴线与下基板轴线重合，在下包络芯模底面开 设与下基板定位键槽相匹配的定位键槽，并通过安装定位键实现下包络芯模与 下基板之间的精确定位；将上包络芯模轴线与包络模座轴线重合，在上包络芯 模底面开设与上基板定位键槽相匹配的定位键槽，并通过安装定位键实现上包 络芯模与包络模座之间的精确定位；在下包络芯模顶面边缘设计4个关于下包 络芯模轴线旋转对称的矩形定位凹槽，在上包络芯模顶面边缘设计4个关于上 包络芯模轴线旋转对称的矩形定位凸台，上包络芯模矩形定位凸台与下包络芯 模矩形定位凹槽满足间隙配合；分别以矩形定位凸台与矩形定位凹槽为基准加 工上包络芯模型腔和下包络芯模型腔，通过矩形定位凸台和矩形定位凹槽配合 实现下包络芯模型腔和上包络芯模型腔精确匹配。
[0016]
按上述方案，还包括步骤s7、锻件精确顶出机构设计：锻件上顶出机构 的立柱一端与包络模座背面连接，另一端与顶出缸安装板连接，在包络模座和 顶出缸安装板之间安装顶板，顶板可沿立柱滑动；上顶出缸固定在顶出缸安装 板上并与顶板相连接，上顶杆安装在顶板上并穿过包络模座中部的顶杆通孔； 锻件顶出过程中，上顶出缸推动顶板运动，顶板推动上顶杆运动，上顶杆推动 锻件运动，实现锻件与上包络芯模分离；锻件上顶出机构可随包络模座一起做 多自由度运动，上顶杆顶出方向与包络模架轴线之间存在夹角，该夹角等于包 络模座轴线与包络模架轴线之间的夹角；锻件下顶出机构与多自由度包络成形 装备顶出缸连接，其顶出力由多自由度包络成形装备顶出缸提供，下顶出杆始 终沿包络模架轴线方向作顶出运动。
[0017]
按上述方案，还包括步骤s8、高精度高刚度导向设计：多自由度包络成 形模架采用四组导柱导套进行导向，导套安装于上基板，导柱安装于下基板， 在整个多自由度包络成形过程中导柱导套始终不发生分离；当包络芯模与锻件 接触并加载时，2/3以上导柱被导套包裹，保证上包络芯模型腔和下包络芯模 型腔高精度匹配。
[0018]
按上述方案，还包括步骤s9、模具加热系统设计：采用加热板和加热圈 对包络模具进行加热，加热板直径与包络芯模直径相等，加热圈内径与包络模 套外径相等，加热板和加热圈内均安装电阻加热丝；将加热板放置于下包络芯 模上方，加热板下表面与下包络芯模上端面贴合，驱动上包络芯模向下运动直 至上包络芯模下端面与加热板上表面贴合；加热圈安装于包络模套侧表面，在 加热圈外表面包裹一层保温棉；将加热板和加热圈通电，加热板产生的热量沿 包络芯模轴向传入包络芯模内，同时加热圈产生的热量沿包络芯模径向传入包 络模套和包络芯模内；通过调整加热板和加热圈内电阻丝电流强度，控制从径 向和轴向传入包络芯模内的热量，确保整个包络芯模温度分布均匀，保证包络 芯模热膨胀变形分布均匀，从而保证高温状态下包络芯模高精度。
[0019]
按上述方案，还包括步骤s10、模具隔热系统设计：在上包络芯模与包络 模座之间、下包络芯模与下基板之间安装隔热垫板，隔热垫板材质为不锈钢； 在与包络芯模接触的隔热垫板表面开设隔热石棉板型槽，并在隔热石棉板型槽 内安装与其形状相同的隔热
石棉板；隔热石棉板型槽轮廓线是由隔热垫板周向 轮廓线向内偏移5～15mm所得；在包络模座和下基板内开设散热水道，在散热 水道内通入循环冷却水；通过安装隔热垫板、安装隔热石棉板和通入循环冷却 水，防止包络芯模热量传递到导向件和包络模座背面的支撑机构内，避免因温 度升高而降低导向件和支撑机构的力学性能和发生热膨胀变形。
[0020]
按上述方案，步骤s6中下包络芯模矩形定位凸台高度和上包络芯模矩形 定位凹槽深度不大于目标锻件飞边厚度。
[0021]
实施本发明的多自由度包络成形高精度高刚度模架模具系统设计方法，具 有以下有益效果：
[0022]
1、本发明所建立的多自由度包络成形高精度高刚度模架模具系统能够通 过多组伺服电机-滚珠丝杆-支撑链交互驱动实现包络模具高精度多自由度包 络运动，进而实现薄板高筋构件多自由度包络成形，最终获得具有细密晶粒组 织和连续金属流线的高性能薄板高筋构件。
[0023]
2、本发明中所建立的多自由度包络成形高精度高刚度模架模具系统中， 采用伺服电机和滚珠丝杠推动支撑杆运动，逐渐增大支撑杆与包络模座之间的 夹角，从而实现包络模具精密轴向进给运动，运动精度可控制在0.05mm以内。
[0024]
3、本发明所建立的多自由度包络成形高精度高刚度模架模具系统中，通 过包络模具高精度运动设计、包络模具精确定位设计和高精度高刚度导向设 计，能够同时显著提高多自由度包络成形模架模具系统的精度和刚度，从而实 现薄板高筋构件高精度多自由度包络成形。
附图说明
[0025]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0026]
图1多自由度包络成形模架模具系统组成部分示意图；
[0027]
图2多自由度包络成形模架模具系统剖面图；
[0028]
图3多自由度包络成形包络模具示意图；
[0029]
图4多自由度包络成形模架模具上顶出机构示意图；
[0030]
图5多自由度包络成形模具加热系统和隔热系统示意图；
[0031]
图6多自由度包络成形包络模座、下基座和包络芯模定位键槽示意图；
[0032]
图7多自由度包络成形模具上包络芯模矩形定位凸台示意图；
[0033]
图8多自由度包络成形模具下包络芯模矩形定位凹槽示意图；
[0034]
图9多自由度包络成形模具隔热垫板示意图。
具体实施方式
[0035]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详 细说明本发明的具体实施方式。
[0036]
本发明多自由度包络成形高精度高刚度模架模具系统设计方法，包括以下 步骤
[0037]
(1)模架模具系统组成部分设计：多自由度包络成形高精度高刚度模架 模具系统由基板、包络模座、驱动机构、支撑机构、导向件、包络模具、锻件 顶出机构、模具加热系统和模具隔热系统组成，如图1和图2所示。模架基板 由上基板1和下基板2组成，上基板内开
设用于安装支撑机构的滑槽，下基板 内开设用于安装包络模具的凹槽。驱动机构由6组伺服电机3和滚珠丝杆4 组成。支撑机构由6组支撑链5组成，每组支撑链由支撑杆6、支撑杆上底座 7和支撑杆下底座88组成。导向件由4组导柱9和导套10组成。包络模具由 上包络模套11、下包络模套12、上包络芯模13和下包络芯模14组成，如图 3所示。锻件顶出机构由上顶出机构15和下顶出机构16组成，上顶出机构由 上顶出缸17、上顶出缸安装板18、立柱19、顶板20和上顶杆21组成，下顶 出机构由下顶杆组成，如图4所示。模具加热系统由加热板22、加热圈23和 保温石棉套24组成。模具隔热系统由包络模套隔热垫板25、包络芯模隔热垫 板26和隔热石棉板27组成，如图5所示。
[0038]
(2)模架模具系统装配：支撑机构的支撑杆上底座7和支撑杆下底座8 安装在支撑杆6的两端，支撑杆6与支撑杆上底座7和支撑杆下底座8通过球 副方式连接。将支撑机构支撑杆上底座7安装在上基板滑槽内，并在支撑杆上 底座7和滑槽之间安装耐磨板30，支撑杆下底座8安装在包络模座29背面， 实现包络模座29与上基板稳固连接。将滚珠丝杆4安装在上基板滑槽侧面， 滚珠丝杠4前端与上基板滑槽内的支撑杆上底座7连接，滚珠丝杠4后端与伺 服电机3连接。将上包络芯模13热压配合在上包络模套11内，再将热压配合 的上包络模套和上包络芯模安装在包络模座29正面。将下包络芯模14热压配 合在下包络模套12内，再将热压配合的下包络模套和下包络芯模安装在下基 板2上，如图3所示。将模具加热系统和模具隔热系统安装在包络模具上，实 现对包络模具32的预热与保温。将锻件上顶出机构15安装在包络模座29背 面，锻件下顶出机构安装在下基座2内。将导套10安装在上基板1，导柱9 安装在下基板2，再将导柱插入导套内，完成多自由度包络成形模架模具系统 的装配。
[0039]
(3)模架模具系统工作过程设计：在模架模具系统工作过程中，下基板2始终保持固定不动，上基板1在多自由度包络成形装备液压系统驱动和导向 件约束下作向下进给运动，同时上基板1通过支撑机构推动包络模座29和包 络模具32向下进给。在此过程中模架驱动机构不工作，上基板1、支撑机构 与包络模座29之间保持相对静止。当上包络芯模13与坯料刚刚发生接触时， 关闭多自由度包络成形装备的液压系统，停止上基板1进给运动并使上基板1 悬停在该位置。此后，开启模架模具驱动机构，驱动机构通过支撑机构中的6 组支撑链往复推动包络模座29和包络模具32，使得包络模座29和包络模具 32作多自由度包络运动，在此过程中6个支撑杆上底座7逐渐向模架轴线靠 近，支撑杆6与包络模座29之间的夹角逐渐增大，包络模座29和包络模具 32在支撑杆推动下沿轴向伺服进给。在包络模具32多自由度包络运动和轴向 伺服进给运动作用下，坯料发生连续局部塑性变形，金属发生多向流动并不断 填充包络芯模型腔，直至坯料变形成目标锻件。此后，重新启动多自由度包络 成形装备液压系统，驱动上基板1向上移动，上基板1带动支撑机构、包络模 座29和包络模具32向上移动，实现上包络芯模13和下包络芯模14分离。最 后启动锻件顶出机构，将目标锻件从包络芯模内顶出，获得目标锻件。
[0040]
(4)包络模具32高精度运动设计：伺服电机带动滚珠丝杆4旋转，滚珠 丝杆4推动支撑杆上底座7在上基板1滑槽内做径向往复直线运动，支撑杆上 底座7径向往复直线运动再通过支撑链中的球副转变成空间运动并传递到包 络模座29和包络模具32上。在6组伺服电机-滚珠丝杆4-支撑链的交互推动 下，包络模座29和包络模具32可以实现任意形式的多自由度包络运动，支撑 杆上底座7运动方程如公式1所示：
[0041][0042]
其中：
[0043][0044][0045]
zp为上包络芯模型面中点与上基板之间的距离，设计为755mm；l为支 撑杆长度，设计为450mm；r为支撑杆上底座中点到上基板轴线的初始距离， 设计为1450mm；r为支撑杆下底座中点到包络模座轴线的距离1000mm；θ1为支撑杆上底座在上基板1上的安装角度，设计为45
°
；θ2为支撑杆下底座 在包络模座上的安装角度，设计为45
°
；为上包络芯模轴线与模架轴线夹角， 设计为1
°
；a
iy
为支撑杆上底座7的移动距离。
[0046]
(5)包络模具几何结构精确设计：设包络模具固定不动，将锻件复杂型 面按照包络模具与锻件之间的相对运动关系进行运动，锻件复杂型面各点运动 形成一个空间曲线族，运用包络几何学运动学理论计算获得该空间曲线族的包 络面，该包络面即为与锻件复杂型面精确匹配的包络模具型面。下包络芯模型 腔形状与锻件简单型面完全相同。
[0047]
(6)包络模具精确定位设计：在包络模座29正面开设4个关于下包络模 座轴线旋转对称的定位键槽，任意两个键槽呈正交分布，如图6所示。在下基 板上表面开设4个关于下基板轴线旋转对称的定位键槽，任意两个键槽呈正交 分布，如图6所示。将下包络芯模轴线与下基板轴线重合，在下包络芯模底面 开设与下基板定位键槽相匹配的定位键槽，并通过安装定位键实现下包络芯模 与下基板之间的精确定位。将上包络芯模轴线与包络模座轴线重合，在上包络 芯模13底面开设与上基板定位键槽相匹配的定位键槽，并通过安装定位键实 现上包络芯模13与包络模座29之间的精确定位。在下包络芯模14顶面边缘 设计4个关于下包络芯模轴线旋转对称的矩形定位凹槽34，如图7所示。在 上包络芯模顶面边缘设计4个关于上包络芯模轴线旋转对称的矩形定位凸台 33，如图8所示.上包络芯模矩形定位凸台33与下包络芯模矩形定位凹槽34 满足间隙配合。下包络芯模矩形定位凸台高度和上包络芯模矩形定位凹槽深度 不得大于目标锻件飞边厚度，本实例中目标锻件飞边厚度为2mm，矩形定位 凸台深度和矩形定位凹槽取值为1.5mm。分别以矩形定位凸台34与矩形定位 凹槽33为基准加工上包络芯模型腔和下包络芯模型腔，通过矩形定位凸台和 矩形定位凹槽配合实现下包络芯模型腔和上包络芯模型腔精确匹配。
[0048]
(7)锻件精确顶出机构设计：锻件上顶出机构的立柱18一端与包络模座 29背面连接，另一端与顶出缸安装板18连接，在包络模座29和顶出缸安装 板18之间安装顶板20，顶板20可沿立柱18滑动。上顶出缸17固定在顶出 缸安装板18上并与顶板20相连接，上顶杆21安装在顶板20上并穿过包络模 座29中部的顶杆通孔。锻件顶出过程中，上顶出缸17推动顶板20运动，顶 板20推动上顶杆21运动，上顶杆21推动锻件运动，实现锻件与上包络芯模 13分离。锻件上顶出机构可随包络模座29一起做多自由度运动，上顶杆21 顶出方向与包络模架轴线之间存在夹角，该夹角等于包络模座29轴线与包络 模架轴线之间的夹角，本实例中该夹角为1
°
。锻件下顶出机构与多自由度包 络成形装备顶出缸连接，其顶出力由多自由度包络成形装备顶出缸提供，下顶 出杆始终沿包络模架轴线方向作顶出运动。
[0049]
(8)高精度高刚度导向设计：多自由度包络成形模架采用四组导柱导套 进行导向，导套10安装于上基板1，导柱9安装于下基板2，在整个多自由度 包络成形过程中导柱导套始终不发生分离。当包络芯模与锻件接触并加载时， 2/3以上导柱被导套包裹，保证上包络芯模型腔和下包络芯模型腔高精度匹配， 同时承担多自由度包络加载所产生的大偏载，保证模架模具系统高刚度。
[0050]
(9)模具加热系统设计：采用加热板22和加热圈23对包络模具进行加 热，加热板直径与包络芯模直径相等，加热圈内径与包络模套外径相等，加热 板22和加热圈23内均安装电阻加热丝。将加热板22放置于下包络芯模14 上方，加热板下表面与下包络芯模上端面贴合，驱动上包络芯模13向下运动 直至上包络芯模下端面与加热板上表面贴合。加热圈23安装于包络模套侧表 面，在加热圈外表面包裹一层保温棉。将加热板和加热圈通电，加热板产生的 热量沿包络芯模轴向传入包络芯模内，同时加热圈产生的热量沿包络芯模径向 传入包络模套和包络芯模内。通过调整加热板和加热圈内电阻丝电流强度，控 制从径向和轴向传入包络芯模内的热量，确保整个包络芯模温度分布均匀，保 证包络芯模热膨胀变形分布均匀，从而保证高温状态下包络芯模高精度。
[0051]
(10)模具隔热系统设计：在上包络芯模13与包络模座29之间、下包络 芯模14与下基板2之间安装隔热垫板26，隔热垫板材质为不锈钢。在与包络 芯模接触的隔热垫板表面开设隔热石棉板型槽，并在隔热石棉板型槽内安装与 其形状相同的隔热石棉板27。隔热石棉板型槽轮廓线是由隔热垫板周向轮廓 线向内偏移10mm所得，如图9所示。在包络模座29和下基板2内开设散热 水道31，在散热水道31内通入循环冷却水。通过安装隔热垫板26、安装隔热 石棉板27和通入循环冷却水，防止包络芯模热量传递到导向件和包络模座背 面的支撑机构内，避免因温度升高而降低导向件和支撑机构的力学性能和发生 热膨胀变形，保证导向件的刚度和导向精度，同时保证支撑机构的刚度和运动 精度。
[0052]
本发明提出的多自由度包络成形高精度高刚度模架模具系统及设计方法 所成形的薄板高筋构件底板薄，高筋充填完整，证明了本发明多自由度包络成 形高精度高刚度模架模具系统及设计方法是有效的。
[0053]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本 领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保 护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。