静压支撑-超声振动单点增量成形精度及影响机理研究
发布时间：2021-07-11 13:33
单点增量成形是一种金属板料塑性成形的新型技术,通过特定工具对板料进行局部动态加载,使板料在无模无约束的状态下产生整体累积变形,最终得到目标制件的一种塑性成形方法。该方法集板料设计和制造为一体化,具有柔性、绿色、快速、低成本等优势。然而,因工具头的局部加载特性和板料的无模具约束等因素作用,成形过程容易失稳,产生回弹,最终导致制件成形精度难以满足服役要求。此外,由于材料的不均匀变形行为和组织的复杂演化历程及成形参数对成形精度的交互作用,使得制件精度的稳健控制变得困难。本文尝试将静压支撑和超声振动引入到单点增量成形技术中,从而形成一种静压支撑-超声振动单点增量成形新方法,以期有效提高制件精度。提出了一种静压支撑-超声振动辅助的单点增量成形方法,建立成形区域板料微元的空间球坐标应力平衡方程。根据工具头与板料接触区域的空间几何关系,通过各向应力角度积分,获得了成形区板料的受力状态,实现了成形力的解析表达,从而建立了一种关于静压支撑-超声振动单点增量成形力的解析模型。建立了考虑静压支撑和超声振动的单点增量成形过程有限元仿真模型,对工具头赋予轴向超声振动冲击载荷,对板料背部赋予等静压柔性强支撑。通过...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各种形式的单
西安理工大学博士学位论文4（a）Amino公司的SPIF机床（b）J.RDuflou的SPIF机床（c）Stewart并联机构SPIF机床图1-4各种形式的单点增量成形设备Fig.1-4Singlepointincrementalformingequipmentsofvarioustypes因SPIF技术具备智能化、柔性化、快速化等制造优势，因此非常适用于个性化定制和中小批量生产。在航空航天领域中，板料制件是主要结构件，一架大型飞机上的板料制件数约占整机零件数的一半。现采用的超塑性加工方法，成形设备复杂，制造成本高、周期长，而使用SPIF技术对其成形，不仅能够降低制造成本，还能提高和控制制件的局部特性[9]；在汽车领域中，市场对汽车覆盖件外形的个性化需求越来越高，传统的汽车覆盖件冲压工艺因模具制造周期过长且成本较高，无法及时响应市场的需求，故已有学者提出将SPIF技术应用到汽车领域[10][11][12]；在医疗领域中，已有学者提出利用SPIF技术来定制成形生物钛合金板料[13]，来修复和矫形人体骨骼，如：颅骨修复和裸足矫形[14，15]；在艺术领域中，凭借SPIF技术快速柔性的特点，也可以创作出高延伸率的定制浮雕作品[16，17]。1.3单点增量成形技术的研究现状自日本学者松原茂夫提出SPIF技术后，越来越多的科研人员开始关注并系统研究这项新兴的板料塑性成形手段，取得了大量的研究成果。本文主要对SPIF技术的力学机理、数值模拟、成形精度及辅助工艺方面进行综述。1.3.1力学机理研究现状有关SPIF技术的成形机理研究主要是对力学机理方面进行研究，可以概括为以下几个方向：应力应变关系、成形力与精度的关系、成形力与成形参数的关系、成形力建模和预测等等。L.Filice等[18]研究了板料在SPIF技术作用下的受力状态与变形方式，发现变形区域的材料受到很大的静水压力作用，其对板料整体变形?
西安理工大学博士学位论文28图3-5板料鼓包Fig.3-5Sheetmetalbulge图3-6静压支撑-单点增量有限元模型Fig.3-6FiniteelementmodelofSPS-SPIF（5）轨迹动态加载成形轨迹取决于相应的数控代码（NC），无法直接加载于ABAQUS中，需利用MATLAB对NC进行修正转化，转化后的NC可以实现工具头轨迹的动态加载。具体操作为：利用MATLAB对NC进行如图3-7所示的修正，设置G1为按行读取程序代码的标识符，逗号为各行X、Y、Z坐标的终止判断标识符，代码中的X、Y、Z坐标代表工具头的空间坐标，由此转化得到空间坐标与时间之间的对应关系，将其输入到ABAQUS中作为工具头的分析步设置，以实现工具头轨迹的动态加载。修正前Z0.0X-33.586Y0.0Z-1.X-33.468Y-2.806......X-8.784Y5.92X-9.563Y4.558X-10.131Y3.095X-10.477Y1.565X-10.593Y0.0Z0.0，修正后G1Z0.0G1X-33.586，Y0.0G1Z-1.，G1X-33.468，Y-2.806......G1X-8.784，Y5.92G1X-9.563，Y4.558G1X-10.131，Y3.095G1X-10.477，Y1.565G1X-10.593，Y0.0G1Z0.0，图3-7单点增量成形数控程序代码修正Fig.3-7Thenccodecorrectionofsinglepointincrementalforming以成形角为45°的圆锥台件为例，得到ABAQUS中工具头动态加载空间坐标与时间的关系如图3-8所示。020406080100120140160180200-40-30-20-10010203040X位移(mm)时间T(s)（a）X方向位移020406080100120140160180200-40-30-20-10010203040Y位移(mm)时间T(s)（b）Y方向位移020406080100120140160180200-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-202时间T(s)Z位移(mm)（c）Z方向位移图3-8SPIF成形路径坐标-时间图Fig.3-8Thecoo
【参考文献】：
期刊论文
[1]1060铝板超声振动单点增量成形极限研究[J]. 杨明顺,肖旭东,姚志远,袁启龙,李言,李玉玺. 兵工学报. 2019(03)
[2]超声振动-单点增量复合成形过程中成形力的分析与建模[J]. 柏朗,李言,杨明顺,姚梓萌,姚志远. 机械工程学报. 2019(02)
[3]超声振动单点增量成形力研究[J]. 柏朗,李言,杨明顺,姚梓萌,徐青. 机械科学与技术. 2018(02)
[4]金属板料单点增量成形的径向精度研究[J]. 范渊,李言,杨明顺,姚梓萌,柏朗. 机械强度. 2017(02)
[5]响应面法在单点增量成形质量控制多目标优化中的应用[J]. 姚梓萌,李言,杨明顺,徐青,柏朗. 机械科学与技术. 2017(03)
[6]大型铝合金曲面件在电磁渐进成形首次放电条件下的起皱行为研究[J]. 龚航,黄亮,李建军,戴亚雄,曹全梁,韩小涛,李亮. 中国材料进展. 2016(04)
[7]板料单点渐进成形力仿真与实验研究[J]. 李鹏阳,徐海峰,安武润,王权岱,傅卫平,杜彬. 应用力学学报. 2015(06)
[8]超声振动塑性加工技术的现状分析[J]. 赵升吨,李泳峄,范淑琴. 中国机械工程. 2013(06)
[9]一种基于高压水射流的金属板材柔性渐进成形技术[J]. 李赳华,何凯,罗群,毛贺,杜如虚. 集成技术. 2012(03)
[10]某汽车减震器多道次渐进成形数值模拟分析[J]. 刘春达,胡建标,刘健,周杰,田飞. 热加工工艺. 2012(01)
本文编号：3278191
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各种形式的单
西安理工大学博士学位论文4（a）Amino公司的SPIF机床（b）J.RDuflou的SPIF机床（c）Stewart并联机构SPIF机床图1-4各种形式的单点增量成形设备Fig.1-4Singlepointincrementalformingequipmentsofvarioustypes因SPIF技术具备智能化、柔性化、快速化等制造优势，因此非常适用于个性化定制和中小批量生产。在航空航天领域中，板料制件是主要结构件，一架大型飞机上的板料制件数约占整机零件数的一半。现采用的超塑性加工方法，成形设备复杂，制造成本高、周期长，而使用SPIF技术对其成形，不仅能够降低制造成本，还能提高和控制制件的局部特性[9]；在汽车领域中，市场对汽车覆盖件外形的个性化需求越来越高，传统的汽车覆盖件冲压工艺因模具制造周期过长且成本较高，无法及时响应市场的需求，故已有学者提出将SPIF技术应用到汽车领域[10][11][12]；在医疗领域中，已有学者提出利用SPIF技术来定制成形生物钛合金板料[13]，来修复和矫形人体骨骼，如：颅骨修复和裸足矫形[14，15]；在艺术领域中，凭借SPIF技术快速柔性的特点，也可以创作出高延伸率的定制浮雕作品[16，17]。1.3单点增量成形技术的研究现状自日本学者松原茂夫提出SPIF技术后，越来越多的科研人员开始关注并系统研究这项新兴的板料塑性成形手段，取得了大量的研究成果。本文主要对SPIF技术的力学机理、数值模拟、成形精度及辅助工艺方面进行综述。1.3.1力学机理研究现状有关SPIF技术的成形机理研究主要是对力学机理方面进行研究，可以概括为以下几个方向：应力应变关系、成形力与精度的关系、成形力与成形参数的关系、成形力建模和预测等等。L.Filice等[18]研究了板料在SPIF技术作用下的受力状态与变形方式，发现变形区域的材料受到很大的静水压力作用，其对板料整体变形?
西安理工大学博士学位论文28图3-5板料鼓包Fig.3-5Sheetmetalbulge图3-6静压支撑-单点增量有限元模型Fig.3-6FiniteelementmodelofSPS-SPIF（5）轨迹动态加载成形轨迹取决于相应的数控代码（NC），无法直接加载于ABAQUS中，需利用MATLAB对NC进行修正转化，转化后的NC可以实现工具头轨迹的动态加载。具体操作为：利用MATLAB对NC进行如图3-7所示的修正，设置G1为按行读取程序代码的标识符，逗号为各行X、Y、Z坐标的终止判断标识符，代码中的X、Y、Z坐标代表工具头的空间坐标，由此转化得到空间坐标与时间之间的对应关系，将其输入到ABAQUS中作为工具头的分析步设置，以实现工具头轨迹的动态加载。修正前Z0.0X-33.586Y0.0Z-1.X-33.468Y-2.806......X-8.784Y5.92X-9.563Y4.558X-10.131Y3.095X-10.477Y1.565X-10.593Y0.0Z0.0，修正后G1Z0.0G1X-33.586，Y0.0G1Z-1.，G1X-33.468，Y-2.806......G1X-8.784，Y5.92G1X-9.563，Y4.558G1X-10.131，Y3.095G1X-10.477，Y1.565G1X-10.593，Y0.0G1Z0.0，图3-7单点增量成形数控程序代码修正Fig.3-7Thenccodecorrectionofsinglepointincrementalforming以成形角为45°的圆锥台件为例，得到ABAQUS中工具头动态加载空间坐标与时间的关系如图3-8所示。020406080100120140160180200-40-30-20-10010203040X位移(mm)时间T(s)（a）X方向位移020406080100120140160180200-40-30-20-10010203040Y位移(mm)时间T(s)（b）Y方向位移020406080100120140160180200-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-202时间T(s)Z位移(mm)（c）Z方向位移图3-8SPIF成形路径坐标-时间图Fig.3-8Thecoo
【参考文献】：
期刊论文
[1]1060铝板超声振动单点增量成形极限研究[J]. 杨明顺,肖旭东,姚志远,袁启龙,李言,李玉玺. 兵工学报. 2019(03)
[2]超声振动-单点增量复合成形过程中成形力的分析与建模[J]. 柏朗,李言,杨明顺,姚梓萌,姚志远. 机械工程学报. 2019(02)
[3]超声振动单点增量成形力研究[J]. 柏朗,李言,杨明顺,姚梓萌,徐青. 机械科学与技术. 2018(02)
[4]金属板料单点增量成形的径向精度研究[J]. 范渊,李言,杨明顺,姚梓萌,柏朗. 机械强度. 2017(02)
[5]响应面法在单点增量成形质量控制多目标优化中的应用[J]. 姚梓萌,李言,杨明顺,徐青,柏朗. 机械科学与技术. 2017(03)
[6]大型铝合金曲面件在电磁渐进成形首次放电条件下的起皱行为研究[J]. 龚航,黄亮,李建军,戴亚雄,曹全梁,韩小涛,李亮. 中国材料进展. 2016(04)
[7]板料单点渐进成形力仿真与实验研究[J]. 李鹏阳,徐海峰,安武润,王权岱,傅卫平,杜彬. 应用力学学报. 2015(06)
[8]超声振动塑性加工技术的现状分析[J]. 赵升吨,李泳峄,范淑琴. 中国机械工程. 2013(06)
[9]一种基于高压水射流的金属板材柔性渐进成形技术[J]. 李赳华,何凯,罗群,毛贺,杜如虚. 集成技术. 2012(03)
[10]某汽车减震器多道次渐进成形数值模拟分析[J]. 刘春达,胡建标,刘健,周杰,田飞. 热加工工艺. 2012(01)
本文编号：3278191
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