铝合金板料多点成形的数值模拟及回弹控制研究

发布时间：2020-05-31 17:33

【摘要】：板材成形技术与汽车、船舶、航空航天等制造领域密切相关,其成形质量直接影响产品件的外观及使用性能。传统的整体模具成形技术其模具设计经验要求高,制造和调试周期长,一套模具只能生产对应的一种零件。随着社会的发展,板材成形呈现小批量生产、外观个性多样和快速更新的特点,并且随着新型材料的涌现,新型材料的成形问题也亟待解决。多点成形是一种数字智能化的板材成形技术,将传统模具的整体形面离散为具有一定排列规则且高度可调的基本体冲头,通过基本体冲头形成的包络面进行成形。得益于多点模具的可重构性,一套多点模具就可以根据要求成形不同规格的零件,可在成形过程中快速修正模具形面进行误差补偿,也可使用一套模具进行板材的多道次和分段成形,是一种快速、高效且便捷的板材成形技术。根据多点成形过程中各基本体之间有无相对运动,多点成形可依此分为多点模具成形和多点压机成形,其中多点模具成形需在板材成形之前进行预调形,成形过程中各基本体无相对运动,而多点压机成形中,各基本体在板材的成形过程中进行实时调形。多点成形冲头分为固定冲头和摆动冲头,其中摆动冲头在成形过程中能根据板材的变形发生自适应摆动。摆头单元多点压机成形结合多点压机和摆动冲头的优点,板材受到约束更充分,能够有效抑制起皱缺陷,得到高质量的无缺陷成形件。随着计算机技术和有限元理论的发展,板材成形数值模拟技术辅助产品的开发得到广泛应用。通过数值模拟软件仿真分析板材的成形过程,了解成形件的应力应变分布,预测成形缺陷,从而进行工艺参数的优化,对板材的实际生产具有指导意义。本文采用数值模拟方法研究新型材料的多点成形,优化工艺参数,采用多道次多点成形工艺得到高质量的工件;结合多点压机和摆头单元提出了摆头单元多点压机成形,验证了其在板材成形中抑制起皱的良好作用,拓宽了多点成形应用范围;分析了聚氨酯弹性垫参数的变化对板材多点成形质量的影响作用。本文的主要研究内容与结论如下:(1)多点成形有限元模型的建立探究板材的多点成形原理及过程,分析多点成形与传统模具成形的差异,说明板材多点成形方法的优势及发展趋势;基于板材的多点成形原理和有限元理论,建立了板材多点成形的有限元模型;并就涉及的几何模型建立、材料模型选取、边界条件设定、单元类型使用及网格划分等进行了详细的讨论,为板材多点成形的数值模拟研究奠定基础。(2)板材的多道次多点成形工艺研究讨论了多道次多点成形的原理;探究了多点成形的型面补偿方法和板材成形起皱缺陷的产生原因;采用数值模拟和多点成形试验相结合的方法对1561铝合金的船用外板进行回弹补偿,确定多道次成形工艺,并进行一次成形和多道次成形仿真模拟,对比成形效果,同时通过多点成形试验对模拟结果进行验证。结果表明:相较于一次成形工艺,采用多道次成形工艺可改善板材成形质量,有效抑制起皱缺陷的产生,得到应变分布均匀,厚度分布合理的成形件,亦能减小回弹量和成形误差,提高成形件质量。(3)摆头单元多点压机成形方法研究分析球形件在多点成形过程中的受力状态,探讨球形件起皱缺陷的产生原因及区域;结合摆动冲头和多点压机成形两者的优点,以球形件为研究对象建立有限元模型,并与多点模具成形、摆头单元多点模具成形、多点压机成形的成形效果进行对比,验证摆头单元多点压机成形在抑制起皱缺陷方面的优势。结果表明:采用摆头单元多点压机成形,板材变形均匀且受到充分约束,得到的成形件应力和应变分布最为均匀,能够有效抑制起皱,得到高质量的成形件。(4)聚氨酯弹性垫参数对板材多点成形质量影响的研究以球形件为研究对象,通过有限元数值模拟方法分析了弹性垫的作用以及弹性垫层数、硬度、厚度对成形件质量的影响。结果表明:弹性垫可有效抑制多点成形中的压痕缺陷;弹性垫分层可改善成形件的应力应变分布,得到应力应变连续均匀的成形件,随着弹性垫层数的增加,成形件的残余应力减小,但回弹量增加;同一厚度的弹性垫,随着弹性垫硬度的增加,成形中弹性垫对板材的约束能力增加,可抑制起皱缺陷;对比在聚氨酯弹性垫和65Mn弹簧钢弹性垫条件下板材的成形质量,65Mn弹簧钢作为弹性垫相当于整体模具成形,相比聚氨酯弹性垫可更有效抑制起皱,得到高质量成形件;随着弹性垫厚度的增加,板材多点成形件的起皱缺陷减小,但局部弯曲效应严重。因此,多点成形中对于弹性垫的选择需要根据实际情况综合考虑。
【图文】：

多点成形,实际应用,技术,专家学者

4（c）首尔东大门广场（d）钛合金颅骨修复体图 1.4 多点成形技术实际应用Fig.1.4 Practical application of multi-point forming technology多点成形起源于日本，到目前已经历了较长时间的发展，许多国内外专家学者相继对多点成形进行了研究和探讨。1959 年，日本的中岛尚正[30]通过金属丝束构建的简易装置进行了早期的多点成形尝试。后来，日本的一些专家学者诸如西\「蝗市踇31,32]、

柔性轧制,成形原理

42]对高强度钢多点对压成形过程中的回弹进行了模拟研究。以上研究对质量的提升形成指导。李湘吉[43]等提出了多点成形与渐进成形技术相结成形新方法。彭赫力[44]等把多点成形用于聚合物的成形，研究了冲头数成形件表面精度和形状精度的影响，进一步拓展了多点成形的应用范围形已成功应用到了船体外板成形，高速列车车头覆盖件的成形，医学颅鸟巢建筑工程结构钢件等的成形。柔性轧制成形统的轧制成形只能进行厚度的减薄，而柔性轧制成形[45-47]是一种可实现成形的柔性成形技术。图 1.5 是柔性轧制成形原理图，，其基于多点成形利用多个节点来控制柔性辊，通过调整节点的高度使轧辊具有一定的曲均匀分布达到板材的横向变形，同时由于辊缝的不均匀分布导致板材纵从而促使板材纵向成形，最终成形出三维曲面件。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG306

【参考文献】