金属板料单点渐进成形数值模拟与工艺研究

论文摘要

金属板料数控单点渐进成形是一种通过程序控制成形工具头的运动轨迹,逐层形成零件的三维包络面,从而实现金属板料的连续局部塑性成形的柔性加工工艺。该种板料成形工艺在成形过程中不需要传统金属板料成形所用的模具,适用于航空航天中的小批量、多品种、形状复杂难成形的板料薄壳成形件加工以及样品试制,是一种具有十分广阔的应用前景和发展前途的先进制造技术。因此研究其成形机理和影响单点渐进成形件质量的工艺参数等具有重要意义。本文利用金属塑性成形理论分析了单点渐进成形工艺的应力应变状态,探讨了单点渐进成形过程的控制原则,进行单点渐进成形厚度以及减薄率的理论公式推算,为单点渐进成形工艺参数的选择提供理论依据。按照成形方式的不同将单点渐进成形分为无模单点渐进成形和有模单点渐进成形,分析了两种成形方式的成形过程,并利用ANSYS/LS-DYNA软件基于TA2板料分别建立有限元模型。利用数值模拟技术,通过改变成形工具头半径尺寸、垂直下压量、水平偏移量、板料厚度、工具头与板料的摩擦等单点渐进工艺参数研究不同工艺参数对单点渐进成形过程和成形件质量的影响,找出规律,优化试验工艺参数。通过无模单点渐进成形和有模单点渐进成形工艺的对比,如应力应变状态分析、成形精度、板厚分布、减薄率大小,比较两种单点渐进成形方式的不同之处。并分析了板料的变形区域的应变历史和厚度变化历史,深入了解单点渐进成形的变形机理。分别采用TA2工业纯钛、304不锈钢、1060纯铝板料进行了单点渐进成形加工。先分析所需成形目标零件的形状、尺寸大小、材料,再选择合理的工艺参数,使用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型进行模拟成形,通过分析模拟成形结果,再交由单点渐进成形机进行实际的成形加工。由于现有成形机吨位不够、工具头与板料之间磨损严重致使TA2工业纯钛板料成形失败。由于304不锈钢的流动性较差,在板料部分区域材料产生堆积,因此在成形件表面出现皱折,但并未出现破裂。由于1060纯铝的材料流动性很好,因此在成形件表面并未出现皱折,但1mm板料在成形过程中出现破裂,2mm板料未出现破裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 柔性成形技术发展现状
• 1.2.1 喷丸成形
• 1.2.2 多点成形
• 1.2.3 电磁成形
• 1.2.4 激光成形
• 1.2.5 高压水射流成形
• 1.2.6 单点渐进成形
• 1.3 单点渐进成形技术国内外研究现状
• 1.3.1 有模单点渐进成形国内外研究现状
• 1.3.2 无模单点渐进成形国内外研究现状
• 1.4 本文的研究意义和内容
• 第2章 金属板料数控单点渐进成形理论
• 2.1 引言
• 2.2 金属板料数控单点渐进成形分类
• 2.2.1 有模单点渐进成形
• 2.2.2 无模单点渐进成形
• 2.3 金属塑性变形的力学基础
• 2.4 金属塑性变形的应力应变状态分析
• 2.4.1 金属塑性变形应力状态图
• 2.4.2 金属塑性变形应变状态图
• 2.5 单点渐进成形的应力应变状态分析
• 2.5.1 单点渐进成形应力状态图
• 2.5.2 单点渐进成形应变状态图
• 2.6 单点渐进成形过程分析
• 2.7 单点渐进成形过程的控制原则
• 2.7.1 变形区均匀化原则
• 2.7.2 板料面内压应力最小原则
• 2.7.3 最小阻力原则
• 2.8 单点渐进成形厚度及减薄率计算
• 2.8.1 厚度的计算
• 2.8.2 减薄率计算
• 2.9 本章小结
• 第3章 单点渐进成形有限元模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 板料成形有限元模拟技术
• 3.2.1 塑性有限元法
• 3.2.2 时间积分方法
• 3.3 ANSYS/LS-DYNA 软件介绍
• 3.4 单点渐进成形有限元模拟步骤
• 3.5 单点渐进成形有限元模型的建立
• 3.5.1 单位制
• 3.5.2 板料、工具头与凸模单元的选定
• 3.5.3 板料、工具头与凸模材料属性定义
• 3.5.4 实体模型的构建
• 3.5.5 网格的划分
• 3.5.6 接触设定
• 3.5.7 约束和边界条件设定
• 3.5.8 成形轨迹的规划
• 3.5.9 求解设置
• 3.6 本章小结
• 第4章 单点渐进成形工艺参数分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限元模型尺寸及材料
• 4.3 成形工具头半径尺寸的影响
• 4.4 垂直下压量的影响
• 4.5 水平偏移量的影响
• 4.6 板厚的影响
• 4.7 摩擦条件的影响
• 4.8 成形工具与凸模之间间隙的影响
• 4.9 本章小结
• 第5章 无模与有模单点渐进成形性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 成形工艺选择
• 5.3 无模与有模单点渐进成形应力状态对比
• 5.4 无模和有模单点渐进成形应变状态对比
• 5.5 成形精度对比
• 5.6 等效应力对比
• 5.7 板厚与减薄率对比
• 5.8 单点渐进成形时的层变形特点
• 5.8.1 无模单点渐进成形历史分析
• 5.8.2 有模单点渐进成形历史分析
• 5.9 本章小结
• 第6章 单点渐进成形试验
• 6.1 试验材料
• 6.2 试验设备
• 6.3 成形方法的选择
• 6.4 支撑模型的制作
• 6.4.1 支撑模型的建模
• 6.4.2 加工路径规划
• 6.5 单点渐进成形制造
• 6.5.1 单点渐进成形模拟加工
• 6.5.2 单点渐进成形加工
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 大摘要