金属板材三点渐进成形技术基础研究

发布时间：2018-12-12 18:19

【摘要】：金属板材成形广泛应用于制造业。传统的成形工艺依赖模具,周期长,效率低,费用高,难以适应小批量、多品种和新品试制的需要。单点渐进成形(Single Point Incremental Forming,SPIF)无需模具,柔性好,成本低,适宜于小批量、个性化的产品加工,引起了全世界研究人员的普遍关注。然而,单点渐进成形受制于其成形几何精度不高、变形控制措施缺乏等因素,在实际应用中存在一些问题。为提高渐进成形精度,从缩小变形区并控制局部变形的角度出发,本文研究了三点渐进成形(Three Opposite Points Incremental Forming,TOPIF),重点研究了其变形过程及机理、工艺参数选取和成形实验。主要研究工作如下:(1)研究并分析了三点渐进成形的局部塑性变形和弹性弯曲变形。基于锥形屈服和变形约束条件,分析了局部变形分布及其对整体成形形状的影响;进而,提出了等效加工层模型的概念,并据此建立了等效简支圆板模型,求解了等效成形层弹性挠度的表达形式,实现了弹性弯曲变形分析,得到了三点渐进成形弹性变形比塑性变形较小的结论。通过对单点和三点渐进成形分别进行局部塑性变形和等效加工层弹性弯曲变形分析,理论解释了三点渐进成形比单点渐进成形精度高、局部变形易于控制的原因。(2)研究并探讨了三点渐进成形等效加工层的塑性变形力学特征。利用薄膜分析理论和平面应变条件,建立了描述变形规律的力学方程,求解了等效虚拟应力应变,分析了其变形状态和变形方式,为理解其变形机理本质和指导路径规划、工艺参数设计提供了理论依据。(3)研究了基于法向渐变屈服的三点渐进成形变形基本算法。通过分析初始板材到目标形状映射的变形轨迹,求解了变形过程中的分层塑性位移,计算了任一节点的变形过程及历史位移等信息,为预测几何形状和板材减薄提供了基础依据。(4)研究并建立了基于LS-DYNA的三点渐进成形数值分析方法,并以此为基础探讨了其变形机理和特点。基于增量理论和塑性势关联算法,实现了锥台件成形的有限元模拟。锥台件的仿真结果验证了所提等效加工层模型、法向屈服变形算法和平面应变等力学特征的正确性,证实了三点渐进成形精度高、局部变形范围小、变形控制有效。探讨了其变形主要模式是弯曲、挤压和剪切的联合作用,分析了其根本原因在于对顶式辅助工具头和支撑工具头的引入。(5)实验研究了工艺参数对三点渐进成形质量的影响,归纳了工艺参数选取的一般原则。基于离散定义域内线性插值,实现了等高线加工轨迹规划。利用实验研究了进给量、工具头等对几何轮廓和表面质量的影响。基于目标曲面的数学描述,利用法向渐变屈服的变形映射关系,建立了板厚计算的全新表达形式。通过锥台件在几何精度、主应变、板厚及表面质量等方面的理论研究、数值分析和实验结果的比较,验证了本文所做的理论分析及方法的正确性。最后,探讨了椭球面件、凹凸特征件等复杂零件的成形实验和方法。
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【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG306

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