金属板材多点“三明治”成形的数值模拟及实验研究

发布时间：2020-06-06 10:32

【摘要】： 多点“三明治”成形(Multi-Point Sandwich Forming, MPSF)是一种模具形面可调整的板材柔性成形新工艺。该工艺可以显著的降低模具的加工费用及时间,特别适用于小批量变曲率工件的成形。目前已经成功的使用于大型风洞收缩段壳体和铝球壳体的制造中。多点“三明治”成形的下模是由高度可调节的冲头阵列组成,上模由排放有序的聚氨酯板构成。并且为了能够成形出表面质量高的工件,在其下还铺设了弹性垫板和金属护板。其中金属护板起到使离散的多点模具连续的作用且可以重复使用,弹性垫板起到抑制工件表面出现压痕的作用。由于该工艺是新近发明的专利技术,对其变形机理和影响因素还没有被系统的研究过。本文首次采用实验和数值模拟相结合的方法对成形机理及各影响因素进行了研究,并应用该工艺成形出了球面、椭球面和马鞍面等双曲率曲面工件。本文指明多点模具中冲头密度及相邻冲头高度对成形工件形状的限制,并对多点冲头成形时的强度进行校核,为多点模具的设计及其成形曲面的范围提供理论依据。还介绍了针对给定曲面所采用的考虑接触点位置的冲头高度调节方法。本文采用非线性有限元软件ABAQUS对多点“三明治”成形过程和工件的回弹进行有限元分析。模拟中选用Moony-Rivalin超弹性材料模型作为聚氨酯橡胶的材料模型,其中材料参数通过压缩实验来确定。采用Pin-on-disc摩擦系数测量仪对聚氨酯橡胶之间和聚氨酯橡胶与钢之间的摩擦系数进行了测定。工件表面的压痕(凸包)是成形工件的主要失效形式之一,为了弄清在多点“三明治”成形中压痕产生的原理及影响因素。本文进行了“三明治”结构体单冲头压入研究,分析了弹性垫板厚度和硬度、工件厚度和屈服强度及冲头半径等因素对板材表面发生微小塑性变形时所产生的影响。针对多点“三明治”成形影响因素多和变形复杂的特点,本文进行了板材在圆柱面多点模具中“三明治”成形的实验,得出了护板厚度、弹性垫板厚度和硬度、工件材料、聚氨酯上模形状和多点下模形状等因素对成形出工件的影响规律。并通过改变工件表面的润滑情况,得出了增加润滑可以降低成形力和提高工件成形精度的结论,这有助于加深对该工艺实质的认识。本文指明马鞍面这类存在负曲率一侧难成形部位的曲面,在成形过程中,该部位一直处于悬空状态,易形成工件中部的凹陷问题。为此,提出了多步成形的方法成功地解决了这一问题。板材成形中工件的回弹是不可避免的,在多点“三明治”成形时由于上模具为超弹性材料,这也是引起工件形状误差的主要因素。本文提出了一种沿目标型面法线方向进行模具型面补偿的方法,该方法可以对回弹以及其它因素引起的工件形状误差进行模具型面的反向补偿,并且不仅可以对实际成形工件的测量数据进行计算来预测经过补偿后的模具型面,还可以通过有限元计算的方法对模具型面进行优化设计。本文采用该方法对球面工件和马鞍面工件进行了模具型面补偿的实验,研究结果表明该模具型面补偿方法结合多点模具的型面可变的特点,可以更快、更好的成形出符合设计要求的工件。
【图文】：

拉伸成形,聚氨酯成形

图 1-1 拉伸成形简图Fig. 1-1 Schematic diagram of stretch forming proces成形胶自上世纪五十年代在德国问世以来，由于耐磨，耐油性约为天然橡胶的 5-6 倍[6-9]。耐大气老能进行锯、钻、铣、车等机械加工。聚氨酯成可以承受 50000 次反复的加载和卸载过程，所以用。图 1-2 为聚氨酯成形的简图。

聚氨酯成形

图 1-1 拉伸成形简图Fig. 1-1 Schematic diagram of stretch forming process1.2.2 聚氨酯成形聚氨酯橡胶自上世纪五十年代在德国问世以来，由于耐磨性约为天然橡胶的 5-10 倍，耐油性约为天然橡胶的 5-6 倍[6-9]。耐大气老化的性能也很好，加之它还能进行锯、钻、铣、车等机械加工。聚氨酯成形时温度可达150℃，并且可以承受 50000 次反复的加载和卸载过程，，所以在板材成形中得到较多的应用。图 1-2 为聚氨酯成形的简图。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH165

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