曲面零件柔性轧制成形及其数值模拟研究

发布时间：2018-01-29 00:15

本文关键词： 塑性加工柔性轧制三维曲面连续成形数值模拟　出处：《吉林大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：柔性轧制是一种新型的三维曲面零件成形工艺，其结合了传统轧制成形与多点成形技术。以一对可小挠度弯曲的工作辊作为成形工具，通过调形单元控制上、下工作辊的辊缝分布，板料在厚度方向上产生不均匀减薄，导致其纵向上产生不均匀伸长，由此所产生的附加应力使板料产生三维的变形。通过合理的控制上、下工作辊的辊缝分布，可以成形凸曲面件、鞍形件等典型的三维曲面零件。工艺采用线接触成形方式，板料局部产生的塑性变形逐渐积累，直至获得目标曲面零件。目前，对柔性轧制成形工艺的研究已经取得了一定的进展，本文建立了应用范围更加广泛的板形控制函数，并利用数值模拟结果对零件的成形误差进行分析，给出提高零件成形精度的方法。主要研究内容与结论如下： 1、柔性轧制成形原理探讨通过调形单元控制上、下工作辊的轮廓曲线及辊缝分布，板料在厚度上产生不均匀减薄，其纵向上的不均匀伸长所产生的附加应力使板料产生三维变形。根据板料变形后横向上任意一点的纵向弧长与目标曲面零件对应点的纵向弧长长度相等这一关系，推导出辊缝分布函数及上、下辊轮廓曲线用于成形三维曲面零件。 2、柔性轧制有限元建模方法基于曲面柔性轧制成形过程，同时借鉴以前的多点滚压成形工艺建模过程，建立柔性轧制成形有限元模型并确定相关建模参数。以凸曲面件成形为例研究上、下工作辊轮廓曲线形状与工作辊辊速对成形结果的影响，指出在上、下工作辊轮廓为理论曲线条件下，成形件的塑性应变分布较好；根据成形件的应力分布选择100rad/s作为合适的工作辊辊速。分别对凸曲面件和鞍形件这两种典型的三维曲面进行数值模拟，数值模拟结果与实验结果相符，证明了有限元建模及参数选择的正确性。 3、柔性轧制成形结果数值分析对凸曲面件和鞍形件这两种典型的三维曲面进行了数值模拟并分析其应力应变分布特点，探讨辊缝分布与成形件应力应变分布的关系。以鞍形件为例研究了成形件的上表面、中间层和下表面的应力应变分布特点；分析成形件的应力应变在板料宽度方向、厚度方向和轧制方向上的分布特点，成形件上、下表面先屈服，并逐渐过渡到中间层，这导致其上、下表面的应力应变高于中间层。运用Geomagic Qualify软件对数值模拟结果进行曲面成形精度测量，成形件中间区域的成形误差小于头部和尾部区域，分析了成形件头尾区域误差较大的原因。 4、柔性轧制板形控制函数改进之前的板形控制函数推导的依据为工作辊的弯曲状态与目标曲面的横向弯曲状态一致，由于实验中上、下工作辊只能产生小挠度弯曲，故板形控制函数只适用于生产横向曲率相对较小的曲面零件。给出板形控制函数的改进方法，在保持之前板形控制函数的辊缝分布函数不变的条件下，使上、下工作辊的曲率同时变小来推导上、下工作辊轮廓曲线。改进后的板形控制函数可以成形横向曲率相对较大的三维曲面零件，扩大了柔性轧制工艺的应用范围。建立相应的有限元模型，对模拟结果进行应力应变状态分析，其应力应变分布规律与工作辊的辊缝分布一致。以凸曲面件成形过程为例，分析其成形过程中不同区域板料的横向弯曲情况，结果表明，板料成形区的横向弯曲变形程度随着远离工作辊而逐渐变大，远离到一定程度时，成形区的横向弯曲变形程度进入稳定状态。对柔性轧制成形结果进行了成形精度分析，得出成形件中间区域的成形误差小于头部和尾部区域的结论。 5、柔性轧制工艺参数分析柔性轧制中辊调整半径和辊缝分布是成形三维曲面零件的关键参数，研究辊调整半径和辊缝分布的相互关系对成形曲面的影响，对比分析了成形结果在应力应变与成形精度方面的区别。结果表明，在一定范围内随着辊调整半径的减小，成形件的横纵向弯曲变形程度明显增大；随着板料长度的增加，成形件头尾过渡区长度保持不变，有效成形区长度随着板料长度的增加而增加；辊调整半径的变化趋势与对应的板料厚度最大减薄量的变化趋势相反才能获得相同高斯曲率的三维曲面。 6、柔性轧制工艺过渡区改进与实验研究柔性轧制成形中辊调整半径远大于目标曲面零件横向弯曲半径，通过成形精度分析发现成形件的头尾区域过渡区长度相对较大。提出板料头部区域采用上、下工作辊辊速不相等轧制，尾部区域采用加大板料厚度减薄量的成形方式对轧制成形进行工艺改进，改进板料头尾区域的成形精度，提高板料利用率。利用研发的大型柔性轧制实验装置进行凸曲面件和鞍形件的成形实验，研究成形参数变化对成形曲面零件的影响；应用三维光学扫描仪提取曲面零件点云数据，，运用Geomagic Qualify软件对实验结果进行曲面精度分析。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG335

【参考文献】