振动摆动辗压成形表面效应机理研究及计算机模拟

论文摘要

振动摆动辗压是少(无)切削加工技术中的一个新兴领域,它是在普通摆动辗压的基础上,通过附加一定频率和振幅的振动实现塑性加工。将机械振动引入金属的塑性加工,不但会降低材料变形所需的外力,还会大幅度提高产品表面质量,产生这种效果的原因有两个方面,其中之一是振动对模具与被加工工件之间的外摩擦影响的表面效应。本文是在振动拉拔在简谐波振动信号下金属表面效应分析的基础上,首次利用MATLAB对振动摆动辗压三维模型进行表面效应分析:通过模拟振动摆动辗压过程中的接触边界对三维接触问题进行描述;利用弹性力学中的广义胡克定律及塑性力学中的增量理论分别推导了粘弹性空间矩阵及粘塑性空间矩阵,并以此建立振动摆动辗压成形中的表面效应分析模型;通过提出合理的假设,对在不同振型参数下的振动摆动辗压模型进行有限元模拟分析及表面效应分析。论文的主要研究成果:(1)以振动拉拔在简谐波振动信号下金属的表面效应分析为基础,利用非局部摩擦理论,建立了金属材料在脉冲振动拉拔过程中的动态摩擦力模型,在相同频率或相同振幅条件下,脉冲振动作用下的拉拔摩擦力要小于简谐振动拉拔的摩擦力,且摩擦力的变化幅度小,脉冲振动的表面效应要优于其它振动波形产生的表面效应;当频率和振幅达到一定值时,脉冲振动拉拔的摩擦力要高于零线,说明此时摩擦力是有利于变形加工的。(2)通过对振动摆动辗压轮廓接触边界的计算,所得到的模拟接触边界的形状与摆头和坯料在成形过程中的实际接触边界的形状基本相符。并以此为依据,对振动摆动辗压模型有限元离散化提出假设。(3)低频振动摆辗与高频振动摆辗时,在工件的中心区域,选取适当的频率与振幅均可避免中心拉薄情况的发生。(4)低频振动摆辗与高频振动摆辗时的表面效应的形成是有条件的:不论是低频振动摆动辗压成形还是高频振动摆动辗压成形,都需要按照一定的条件对振幅和频率进行匹配,才能产生表面效应。(5)低频振动摆辗时,振幅相同的情况下,频率越高,节点的摩擦力变化曲线表现越平稳;频率相同的情况下,振幅越高,节点的摩擦力变化曲线表现越平稳。高频振动摆辗时,在振幅相同的情况下,节点的摩擦力变化曲线表现越平稳;频率相同的情况下,振幅越高,节点的摩擦力变化曲线表现越平稳。由此可见,振幅与频率对高频振动摆辗与低频振动摆辗有相同的影响效果。(6)通过对高频振动拉拔模型与高频振动摆辗模型表面效应对比分析后发现,两者均在宏观上表现为为频率越高、振幅越大,摩擦力越小,表面效应越明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源、研究目的及意义
• 1.1.1 研究背景及意义
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 振动塑性加工理论的研究
• 1.2.2 接触区域压力分布规律的研究
• 1.2.3 摆动辗压的金属流动规律以及变形特征的研究
• 1.2.4 有限元法在摆动辗压成形中的应用
• 1.3 金属塑性成形过程中的摩擦接触问题
• 1.4 统一本构关系的理论研究
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 金属脉冲振动拉拔成形一维表面效应机理分析
• 2.1 拉拔过程的力平衡方程的建立
• 2.2 微分方程的近似求解
• 0 的确定'>2.2.1 C₀的确定
• 2.2.2 单元体受力平衡方程的简化
• 2.3 塑性变形应力应变假设
• 2.4 正压力的求解
• 2.5 摩擦力的计算
• 2.6 计算实例
• 2.7 本章小结
• 第三章 振动摆动加工过程中三维接触问题的描述
• 3.1 振动摆动辗压轮廓的接触边界计算
• 3.2 初始摆辗区域部分接触面积的计算
• 3.2.1 附加摆辗区域接触面积的计算
• 3.2.2 接触边界模拟
• 3.3 工件有限元离散化及假设
• 3.4 本章小结
• 第四章 振动摆动辗压成形中表面效应分析模型的建立
• 4.1 本构模型的建立
• 4.2 粘弹性部分的三维本构模型向有限元模型的转化
• 4.2.1 粘弹性部分有限元模型刚度矩阵建立
• 4.2.2 空间粘弹性矩阵[D] 的推导
• 4.3 粘塑性部分的三维本构模型向有限元模型的转化
• 4.3.1 增量理论的应用及粘塑性刚度矩阵的建立
• p 的推导'>4.3.2 空间粘塑性矩阵[D]^p的推导
• p 的显式'>4.3.3 粘塑性空间矩阵[D]^p的显式
• 4.3.4 屈服条件的确定
• 4.4 粘弹塑性本构模型向有限元模型的导入
• 4.4.1 MATLAB 求解所需的函数
• 4.4.2 MATLAB 求解流程图
• 4.5 本章小结
• 第五章 振动摆动辗压中金属工件的表面效应分析
• 5.1 有限元模型的单元离散化
• 5.2 摩擦力模型的确定
• 5.3 振动摆动辗压边界条件及振型参数的设定
• 5.3.1 边界条件的确定
• 5.3.2 工艺及振型参数的确定
• 5.4 低频振动摆动辗压表面效应机理分析
• 5.5 高频振动摆动辗压表面效应机理分析
• 5.6 不同振型参数下各节点摩擦力三维图的绘制
• 5.7 低频与高频振动摆辗模型表面效应对比分析
• 5.8 振动摆动辗压有限元模型的误差分析
• 5.9 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献