锥形件差速卷制方法及工艺参数的研究

发布时间：2017-05-09 12:15

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【摘要】：锥形件因其优良的流体动力学优势及多变的种类,在航空航天、重型机械、石油化工、建筑等领域都有广泛应用。目前制备小型锥形件的常用方法是拉深成形,但是在拉深过程中容易出现变形不均匀、材料变薄、起皱等问题,而且拉深工艺不能够保证大尺寸锥形件的成形,从而很难达到实际的要求。因此为了满足现代工业对于高质量锥形件的需求,卷制成形锥形件的技术被更多的应用于制造业中,不过传统直辊卷板机只能卷制出锥度较小的锥形件,而利用锥辊或辅助套筒等方法又只能加工具有某一特定锥度的锥形件,均不能达到快速、高效地制备质量优异的锥形件的要求。故如何制定合理、可行的锥形件制造工艺,对于保证成形件的质量及提高生产效率具有重要的意义。本文采用新型差速卷制成形方法,通过改变分段式辊的辊速、上组工作辊的下压量及下组工作辊之间的中心距,能够获得具有任意锥度的锥形件,改善了原有工艺的缺陷,实现了锥形件的高效、高质量加工。本文根据现有差速卷板设备的几何参数建立有限元模型,对卷制锥形件的成形过程进行模拟分析,研究卷制过程中扇形板材在不同成形阶段的受力情况及应力应变特点,并分析不同工艺参数对卷制结果的影响,为差速卷板设备及锥形件加工工艺的优化提供理论基础。主要的研究内容归纳如下:(1)基于现有差速卷板设备的规格,从弹塑性有限元分析着手,使用动态显式方法建立有限元模型,说明单元的选择、接触与摩擦条件、边界条件及工作辊辊速等参数的设置情况。根据现有设备的实际情况,分别采用矩形板材和扇形板材卷制了圆筒件和锥形件,发现成形件表面质量良好,曲率分布均匀,证明了差速卷制方法的可行性。(2)介绍板材弯曲成形原理,分析成形件在差速卷制过程中的受力情况及应力应变特点。研究结果表明板材成形时可根据受力的不同分为三个变形区域,各区域应力连续变化;在横向方向上,前后工作辊的辊缝附近应力小,锥形件两圆端的应力大,在厚度方向上锥形件上表面受压应力,下表面受拉应力,且上、下两面应力分布状态相反,上表面小圆端应力小、大圆端应力大,下表面小圆端应力大、大圆端应力小。(3)对比不同材质板材的成形力大小,并对模拟结果的误差进行分析。结果表明:材料的屈服应力大时所得锥形件的曲率小、曲率半径大,且其成形力大;不同材质板材的成形力变化规律相似,前工作辊施加于板材的成形力在下压结束后达到最大值,后工作辊施加于板材的成形力在卷制时达到最大值,两者都随时间起伏变化。成形件的轮廓曲线和出口端速度变化均匀,并且成形件半径与目标件半径的相对误差小于5%,满足精度要求。(4)研究工艺参数对差速卷制成形锥形件的影响。结果表明:随着板厚的减小,前、后工作辊施加于板材的最大成形力减小,成形件的曲率半径增大,但成形件边缘处的等效应力大,容易出现失稳现象;随着下组工作辊间中心距的增大,前、后工作辊施加于板材的最大成形力减小,成形件的曲率半径增大;摩擦系数较小时,成形件的应力分布较均匀,且随着摩擦系数的增大,工作辊施加于板材的成形力在卷制的大多数时间内呈增大趋势。
【关键词】：差速卷制 数值模拟 锥形件 成形力 工艺参数
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG306
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 锥形件的成形方法及工艺研究11-13
• 1.3 卷板成形技术及设备13-14
• 1.4 国内外卷板成形技术与发展现状14-16
• 1.5 数值模拟技术在卷板成形中的应用16-17
• 1.6 选题意义及主要研究内容17-19
• 1.6.1 选题意义17-18
• 1.6.2 主要研究内容18-19
• 1.7 小结19-21
• 第2章 板材弯曲成形基本原理及实验研究21-33
• 2.1 引言21
• 2.2 板材弯曲成形过程21-24
• 2.2.1 弯曲成形的平面假设22
• 2.2.2 弯曲成形的中性层位置22-23
• 2.2.3 弯曲成形的应力—应变曲线23-24
• 2.3 金属弹塑性力学理论24-28
• 2.3.1 卷板成形原理24-25
• 2.3.2 卷板成形过程中板材的应力应变分布情况25-26
• 2.3.3 卷板成形过程中板材的力学分析26-28
• 2.4 差速卷制实验28-32
• 2.4.1 差速卷板机简介28-29
• 2.4.2 实验过程及结果29-32
• 2.5 小结32-33
• 第3章 差速卷制锥形件有限元建模方法33-43
• 3.1 引言33
• 3.2 卷制锥形件几何模型的建立33-35
• 3.3 有限元模型的建立35-40
• 3.3.1 材料参数36-37
• 3.3.2 单元的选择37-38
• 3.3.3 接触与摩擦条件38-39
• 3.3.4 边界条件39-40
• 3.4 卷制锥形件的数值模拟结果40-42
• 3.5 小结42-43
• 第4章 差速卷制锥形件的变形分析43-59
• 4.1 引言43
• 4.2 差速卷制板材的成形区域划分43-44
• 4.3 差速卷制过程中板材的变形状态44-50
• 4.3.1 成形过程板材的应力应变特点44-48
• 4.3.2 加载区域的应力分布48-50
• 4.4 不同材质板材差速卷制数值模拟分析50-54
• 4.5 差速卷制锥形件模拟结果误差分析54-57
• 4.6 小结57-59
• 第5章 工艺参数对差速卷制锥形件的影响分析59-71
• 5.1 引言59
• 5.2 有限元模型59-60
• 5.3 板材厚度对差速卷制的影响60-63
• 5.4 下组工作辊中心距对差速卷制的影响63-67
• 5.5 摩擦条件对差速卷制的影响67-69
• 5.6 小结69-71
• 第6章 结论与展望71-73
• 参考文献73-78
• 致谢78

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