多点压机成形工艺及其数值模拟研究

发布时间：2018-11-20 18:14

【摘要】：随着产品向多样化和小批量方向的快速发展,传统模具设计周期长、制造成本高、调试难度大、通用性差等缺点日益凸显,基于此,多点成形应运而生。其基本思路为将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体冲头,以冲头的包络面为成形面,在计算机系统控制下实现板材的三维成形。相比整体模具,多点成形设备具有调形方便、通用性强等优点,能节省大量的时间、人力和物质成本。经过二十几年的发展,该技术已经成功运用于飞机蒙皮、高速列车头、船体外板、城市雕塑、医用工程等多个领域。根据基本体运动方式的不同,可将多点成形分为多点模具成形和多点压机成形等5种成形方式。多点模具成形于加载前,各基本体在计算机控制下预先调形,成形过程中无相对运动,加载方式与整体模具成形类似。多点压机成形时,基本体无须预先调形,而是在成形过程中主动调形至指定位置,夹持板料完成成形。相对多点模具成形,多点压机成形中所有基本体始终与板材保持接触,形成随时变化的瞬时成形面,夹持板材进行成形,板料无悬空区域,受力更为均匀稳定,能有效的抑制压痕、起皱等缺陷的出现,降低回弹和残余应力。主要研究内容与结论如下:(1)讨论了多点模具和多点压机成形的基本原理,对两种方式的成形特点与效果进行分析和预测,并对基本体单元的尺寸选择及基本体调形问题进行了研究。(2)基于板料的塑性成性原理,探讨了有限元理论基础。建立了多点模具和多点压机成形的有限元模型,并对模型建立中所涉及的材料模型、接触类型、边界条件和网格划分等问题进行了详细讨论。(3)以球形件和马鞍件为例分别建模计算,对比分析两种成形方式对压痕和起皱的影响。结果表明,多点模具成形时,板料处于悬空状态,厚向受力不均易产生压痕,切向受拉不足易出现皱纹。多点压机成形属于合模成形,板料所有区域均受到基本体实时约束,切向受拉增加,厚向上受压更为均匀,出现皱纹和压痕几率显著减小。(4)分析了回弹的产生原因,推导了误差计量公式。以球形件为例对两种多点成形方式的回弹情况对比分析。结果表明,多点压机成形时回弹量显著减小,残余应力分布更为均匀。基于多点压机成形,研究了反复成形对柱形件回弹的影响。结果表明,反复成形对于回弹有着明显的抑制作用,回弹量和残余应力值均显著减小;对于相同的反复道次,逐次逼近的成形路径更有利于残余应力的稳定。(5)分析了多点成形中板料的受力状态,推导了局部弯矩公式,讨论了局部弯曲效应的产生及其对成形精度的影响。对比分析了增大有效成形面积和使用摆动冲头对局部弯曲效应的修正效果,并通过实验验证了增大有效成形面积修正局部弯曲效应的可行性。结果表明,局部弯曲效应是由多点成形中上下冲头错位作用力产生的局部弯矩所引起;增大有效成形面积可以有效消除边界失稳,提高板料边缘的几何精度,但无法减小板料中心区域的成形误差。摆动冲头成形时,板料受力更为均匀稳定,局部弯曲效应在板料的整个范围内均得到减弱。两种方式的结合使用,可以大幅提高成形精度。(6)描述了多点成形中基本体的几种常见排布方式,并对其具有代表性的三种排列的成形过程建模计算。结果表明,非对压成形的成形效果明显优于对压成形,成形件的应力集中和局部变形减少,应变和厚度分布更为均匀;当基本体下矩阵大于上矩阵时,非对压成形对于成形精度的提高有明显促进作用。(7)分析了摆动冲头的设计要求、成性原理以及成形特点;对固定冲头和摆动冲头的多点压机成形过程建模计算。结果表明,摆动冲头可以实现与板料的充分贴合,球冠半径大幅增加,包络面连续性显著提高,板料受力更为均匀稳定。相对固定冲头,其成形件应力应变分布更为均匀,变化梯度更小;卸载时回弹量和残余应力减小,应力状态更为稳定。这说明摆动冲头具有更好的成形性能。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG306

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