基于自由弯曲技术的6061铝合金管的弯曲成形性能研究

目的 对6061铝合金管开展三维自由弯曲成形的研究。方法 对不同弯曲半径的铝合金管进行了弯曲模拟成形,并根据模拟结果对铝合金管进行实际成形研究。结果 根据对6061铝合金管进行的弯曲半径为60, 70, 80 mm的有限元模拟成形结果,发现管材壁厚中性层向弯曲外侧发生明显偏移,且弯曲半径越小,向弯曲外侧的偏移量越大;管材内侧管壁增厚,最大增厚为17.2%,管材外侧壁厚减薄,最大减薄不超过4%,发现随着弯曲半径的减小,管材内侧增厚愈发明显,而减薄变化较小,同时对管材截面畸变进行分析,发现最大椭圆度不超过8%;通过对比模拟结果、实验结果与设计模型,发现管材模拟的弯曲半径最大偏差不超过8%,实验结果则不超过6.5%,而管材模拟的弯曲角度最大偏差不超过4.5%,实验结果则不超过3%,同时发现当弯曲较小时,内侧发生明显起皱,而弯曲外侧也有轻微壁厚减薄导致的畸变缺陷,这与模拟结果吻合。结论 管材壁厚中性层向弯曲外侧偏移与自由弯曲系统轴向推力PL有关,轴向推力使得管材的受压区域增加,而受拉区域减小,导致壁厚中性层外移;实验结果与模拟结果相吻合,验证了模拟对实验成形指导的可靠性。     

三维自由弯曲技术及变形区长度优化数值模拟研究

目的 开展自由弯曲变形区长度优化研究,获得外径为15 mm、壁厚为2 mm的6061-T6铝合金管材的最优A值。方法 从三维自由弯曲成形技术的基本原理及控制程序入手,基于有限元分析方法,利用ABAQUS仿真软件对管材三维自由弯曲成形过程进行数值模拟,研究成形过程中管材弯曲变形区的受力过程变化,分析变形区长度(A)对弯曲成形结果的影响规律。基于最优的变形区长度,对制冷系统管路中的6061-T6铝合金复杂空间弯曲构件进行仿真模拟及实际成形试验。结果 试验成形构件尺寸与模拟成形构件尺寸相近且均接近设计尺寸,试验成形构件最大壁厚减薄率不超过9%,最大截面畸变率不超过5%,具有较好的成形质量。结论 目标构件的有限元模拟及成形试验验证了变形区长度优化结果的准确性。     

基于数值模拟的管材平面弯曲成形几何加工精度规律

目的 建立高精度的有限元仿真模型可以有效地指导实际加工生产,在减少实验成本及结构件制造开发周期的同时提高成形效率。提高数值模拟中金属管材平面弯曲成形的几何加工精度,同时探究关键工艺参数对几何精度的影响规律,确定最佳工艺参数组合。方法 以管材平面弯曲成形构件为研究对象,建立了基于自由弯曲技术的管材弯曲成形有限元仿真模型,并通过实际加工实验验证了仿真精度,随后针对仿真模型的几何误差进行了参数补偿。将使用较高精度的仿真模型模拟得到的数据作为数据来源,研究关键工艺参数对仿真成形几何精度的影响机制,采用熵值法确定最佳工艺参数组合。结果 通过实际成形实验对比分析,在不同成形条件下,有限元仿真结果与实际加工结果高度吻合,两者之间的加工误差不超过2%,针对规格为32 mm 2 mm的20号碳钢管材,当轴向推进速度为5 mm/s,管材与弯曲模间隙值为0.25 mm时加工精度最高。结论 优化改进后的有限元仿真模型具有较高的几何成形精度,可有效指导实际成形工艺参数的优化工作。     

平面变曲率管件成形工艺获取策略研究

目的 获取平面管件在弯曲成形过程中的初始工艺参数。方法 基于平面圆弧管件弯曲成形原理,将成形管件划分为稳定段和过渡段。针对稳定段,分析了平面圆弧管件的弯曲半径与弯曲模偏移量之间的映射关系,并通过二次曲线拟合得到非线性方程,以方便预测管件稳定区的成形工艺参数;针对过渡段,通过分析不同时间内不同模式下弯曲模偏移量对整体管件成形的影响,以确定最佳过渡方式。基于管件成形工艺知识库,提出了平面管件弯曲成形工艺参数的规划与预测方法,并通过成形实例管件进行了验证。结果 整个管件的逼近残差为0.230 1 mm,最大偏差为0.390 7 mm,逼近残差和最大偏差与管件总长度的比值分别为0.127 4%和0.216 2%。结论 所提出的方法可以有效获取平面变曲率管件的成形工艺参数。     

薄壁钛管差温剪切弯曲减薄及扁化特性实验研究

目的管材差温剪切弯曲成形技术,是实现极小弯曲半径(中心线弯曲半径小于管径)薄壁钛管制造的新型技术。管材的减薄及扁化特性,是实现该过程成形质量精确控制迫切需要解决的关键问题。方法采用实验方法,研究了工艺参数对TA2薄壁钛管差温剪切弯曲过程减薄和扁化的影响。结合响应面法,获得了实验条件下的弯管成形极限。结果管模间摩擦越大,或弯曲行程H越大,或外圆角半径r_o越小,管材减薄和扁化均越大。结论内圆角半径r_i=4.00 mm,外圆角半径r_o=14.15 mm是管材最佳的弯曲半径匹配,H∈[30 mm,32 mm]能够保证管材稳定成形。     

三维自由弯曲成形装备及其关键技术

作为一种新型柔性成形技术,三维自由弯曲技术特别适用于具有复杂空间轴线、异形截面的空心构件。主要综述了三维自由弯曲成形技术的发展历程、成形装备的发展过程以及国内外的研究现状。在此基础上,重点分析了三维自由弯曲成形装备的5种典型构型及其机构运动原理,介绍了5种构型的各自特点及工程应用,并对自由弯曲成形装备的关键技术如过渡段处理技术、有限元数值模拟技术、难变形材料自由弯曲热成形技术等方面进行综述,并结合笔者的研究经历对管材自由弯曲成形研究中存在的问题进行了简要分析。最后,对管材三维自由弯曲成形技术及装备在航空航天、核电、汽车、医疗等领域的应用前景进行了分析和展望。     

水驱动弹丸辅助注塑弯管的壁厚分布

水驱动弹丸辅助注塑技术(W-PAIM)是利用高压水驱动预置于模具型腔中的弹丸穿透熔料得到中空塑件的新型注塑工艺。采用实验与模拟相结合的方式研究了W-PAIM弯管的壁厚分布机理。通过比较水辅助注塑(WAIM)和WPAIM弯管试样的壁厚,发现W-PAIM管件的壁厚要薄得多,其壁厚主要取决于弹丸截面尺寸及高压水对弹丸穿透边界熔体的挤压;对弯曲半径相同、偏转角不同的弯曲处壁厚的实验与模拟研究发现弯曲内侧壁厚薄、外层壁厚厚,且壁厚差随偏转角度增大而增大;对偏转角为90°,弯曲半径不同的弯曲处壁厚的实验与模拟研究发现,弯曲处壁厚差随弯曲半径的增大而减小。通过模拟结果分析发现,这都是由于弯曲处的压力分布特点与速度分布特点所致。     

高强钢辊弯成形过程中成形力的影响因素研究

目的 探究辊弯成形过程中各工艺参数(板材厚度、弯曲角度以及总弯曲角度)对成形力的影响.方法 研究"日"字形截面的辊弯过程,利用ABAQUS有限元软件(FEA),建模分析辊弯成形过程中成形力大小的影响机制,避免实际生产中采集数据的复杂性以及困难性.为了避免各因素之间相互影响,采用单一变量实验法进行实验,根据不同板厚(1.5,2.0,2.5 mm)和弯曲角度(5°,10°,15°,30°)分别建立辊弯成形有限元模型,使板材从0°弯曲到90°,形成"日"字形截面,模拟计算后采集轧辊的成形力.结果 通过模拟结果与实际测量值对比可知,板材厚度为1 mm,弯曲角度为5°时,成形力误差为22.33％;当板料厚度为2.5 mm,弯曲角度为30°时,成形力误差为8.55％.模拟结果与实际测量值吻合良好,误差可控制在22％以内.结论 随板材厚度的增加,成形零件的强度增加,所需的成形力也大幅增加,呈现非线性关系.随弯曲角度的增加,成形力明显增大,呈现非线性关系.该结论为"日"字形截面型材成形力的选择提供了理论依据.     

小直径厚壁管材变曲率弯曲回弹预测

为快速、准确地预测管材变曲率的弯曲回弹,建立变曲率弯曲回弹预测的解析模型.基于ABAQUS平台建立小直径厚壁管材变曲率弯曲成形及回弹数值模拟模型,通过试验验证了所建模拟方法的可靠性.将变曲率回弹问题转化为离散定曲率回弹问题进行研究,通过近似纯弯曲回弹实验,建立管材定曲率弯曲回弹前后半径之间的函数关系式,将变曲率弯管轴线双圆弧拟合逼近离散,针对离散化的回弹弯管进行G1连续拼接,依据轴线复杂程度,构建拼接修正函数,建立管材变曲率弯曲回弹预测解析模型.通过2个试验算例验证该解析模型能够有效预测小直径厚壁管材平面变曲率弯曲回弹.回弹的准确预测是有效控制弯管回弹缺陷的前提,用于指导后续模具型面修正,补偿回弹误差,保证弯管几何精度.     

DP800 双相高强钢折弯及回弹研究

目的针对高强度钢板成形过程中的回弹问题,研究工艺参数对回弹的影响规律,优选工艺参数组合,以获得回弹较小的V形件。方法采用dynaform软件对V形件进行成形及回弹的数值模拟,以摩擦因数、模具间隙、冲压速度、凹模圆角半径等工艺参数为自变量,以回弹前后水平距离差最大值为因变量,设计了四因素三水平的正交试验方案,研究多个工艺参数对回弹影响的规律。结果实验结果表明,V形件回弹值大小随着摩擦因数的增大呈现减小趋势;随着模具间隙、凹模圆角半径的增大,回弹值呈现增大的趋势;而冲压速度对V形件回弹的影响较小,且工艺参数影响V形件回弹大小的主次顺序为模具间隙、摩擦因数、凹模圆角半径、冲压速度。结论优选工艺参数组合为:摩擦因数为0.2、模具间隙为2.6 mm、冲压速度为1200 mm/s、凹模圆角半径为12 mm,此时回弹水平距离差最大值为0.566 mm,最大减薄率为1.40%;实际生产可以忽略冲压速度对回弹的影响,仿真结果对实际生产具有指导意义。     

复杂截面冷弯成形圆角减薄率工艺优化研究

目的 针对复杂截面车门中导轨冷弯成形过程复杂、道次繁多、Z字筋圆角减薄率过大等问题,基于车门中导轨冷弯成形工艺,优化Z字筋圆角冷弯成形工艺和减薄率。方法 利用COPRA FEA有限元仿真软件对车门中导轨成形过程进行分析,研究轧辊圆角半径、成形速度、成形策略等对圆角减薄率的影响,结合有限元分析手段不断优化工艺参数来实现中导轨Z字筋圆角精确成形,最终提出最优工艺方案并进行实验验证。结果 对于大圆角成形工艺,圆角处弯曲中性层完全位于料厚范围内,在料厚方向上既有压应力又有拉应力,壁厚减薄量较小;对于小圆角成形工艺,圆角处中性层偏出内弧面,在料厚方向上均受拉应力,壁厚只存在减薄的趋势。实验结果表明,Z字筋圆角厚度由1.33 mm变成1.46 mm,减薄率由原来的26.1%降低至18.89%。仿真结果表明,Z字筋圆角厚度由1.29 mm变成1.52 mm,减薄率由原来的28.3%降低至15.6%。对比仿真结果与实验结果可知,仿真分析最大误差为4.1%,仿真结果具有一定的可靠性。结论 最优工艺路线如下:采用大圆角、慢速成形,成形策略为中前期大圆角成形+后期小圆角成形,成形圆角半径分别为4.5、3.5、2.8、1 mm,弯折角度分别为45°、65°、78°、90°,该方案可以有效解决圆角减薄率过大的成形缺陷。     

坯料随机局部弯曲对滚弯成形结果影响的蒙特卡洛分析

采用蒙特卡洛有限元模拟方法研究了坯料局部的随机弯曲对滚弯成形结果的影响。为了提高滚弯模拟的效率,提出了基于欧拉网格和经典梁单元的滚弯模拟方案,并与传统有限元模型和理论解对比验证了该方案的正确性。在此基础上模拟了具有零均值正态分布的局部曲率的超长坯料的滚弯过程,并统计产品曲率半径的分布规律。结果表明:输出曲率半径分布近似满足正态分布,且随着坯料曲率标准差的增大,均值减小,方差增大,宏观上表现为产品半径减小。产品的目标半径越大,代表性单元长度越长,受初始弯曲的影响就越大;对于给定的目标形状,辊轮位置参数对实际输出半径的分布没有影响。     

一种微管单点成形有限元分析及成形机关键零部件承载分析

目的 为进一步扩展渐进成形技术在管件成形加工方面的应用,提高微管的成形复杂度、缩短加工时间,设计一款微管渐进成形机,对关键零部件承载及管件单点成形进行有限元分析.方法 通过对管件渐进成形机中关键零部件的静力学分析,根据有限元软件得到的仿真数据,对渐进成形机关键零部件进行尺寸修正和强度校核.结果 在管件的渐进成形加工中扩径20％的情况下管件壁厚平均减薄率为7.7％,管件渐进成形机的最大工作半径为83 mm.结论 管件成形机可达到设计要求,通过对管件加工工具的结构进行设计和优化,在保证零件强度的同时提高管件的扩径范围,在提高管件加工速度和可加工复杂度的同时降低减薄率.     

双向梯形夹芯板柱面弯曲成形回弹分析

整体弯曲成形是制造曲面夹芯板高效且经济的方法,其成形特点与回弹预测是重点研究方向。采用结合有限元的半解析法对双向梯形夹芯的力学参数进行推导,获得夹芯等效弹性常数,分析上、下面板不等厚夹芯板柱面弯曲成形时面板与夹芯的变形特点及应力中性层的变化,在此基础上建立夹芯板平面应变弯曲回弹理论计算模型,预测夹芯板弯曲成形的应力分布与回弹,并与数值模拟及多点弯曲成形实验结果进行对比。结果表明:夹芯板回弹量与中厚板十分接近,回弹量较小,易于控制成形精度;理论预测的横截面切向应力与回弹都偏大,其中上面板应力相对误差在2.9%以内,下面板应力相对误差在6.5%以内,下面板纵向中心截面线误差在1.0mm范围内,各项误差均在很小范围内,验证了本工作回弹计算模型的准确性。     

铝型材构件多点变曲率拉弯制件回弹研究

目的 研究不同预拉伸量和补拉伸量对矩形变曲率构件回弹的影响,以提高柔性三维拉弯成形精度。方法 用有限元模拟了矩形变曲率铝型材三维拉弯成形过程,并用试验验证了有限元模拟的精度,设计了5组不同的预拉伸量参数和补拉伸量进行三维拉弯成形有限元模拟。结果 大曲率和小曲率段试验和有限元模拟的回弹误差小于2 mm,表明有限元模拟分析可以很好地对矩形变曲率构件进行模拟。得出的数据表明预拉伸量对于小曲率弧段回弹的影响比对大曲率弧段的影响更大,当预拉伸量增长到1.0%以后,回弹的下降幅度不再明显;随着补拉伸量的增大,变曲率拉弯制件两段的回弹均得到较好的抑制,当补拉伸量为1.4%时,制件靠近夹钳端出现了缩颈缺陷,产生了较大的质量缺陷。结论 研究证明适量增加预拉量和补拉量能有效减小柔性三维拉弯成形回弹。     

钢钉数量对托盘弯曲力学性能的影响

目的确定能够满足托盘安全使用需求时的钢钉数量。方法通过Iron CAD三维建模软件建立不同钢钉数量的托盘模型。利用AnsysWorkbench软件对1—5颗钢钉数量的托盘进行有限元仿真分析,再通过托盘抗弯强度试验,得到其实际变形量,并对有限元结果与试验结果进行对比分析。结果在3.5 kN载荷下,托盘的最大弯曲变形在不断减小。有限元结果表明,托盘最大变形量1颗钉为48.624 mm,2颗钉为46.139 mm,3颗钉为38.740 mm,4颗钉为25.280 mm,5颗钉为22.899 mm。试验结果表明,托盘最大变形量1颗钉为46.654 mm,2颗钉为43.572 mm,3颗钉为36.344 mm,4颗钉为30.697 mm,5颗钉为27.273 mm。试验结果与有限元结果趋势相同,验证了仿真的可靠性。结论随着钢钉数量的不断增多,胶合板托盘的抗弯能力在不断增强,当钢钉数量达到4颗后,即可满足托盘的安全使用需求。     

填充不同材料条件下管材三维自由弯曲变形行为研究

目的 研究三维自由弯曲过程中,不同填充材料对管材成形性能的影响,比较不同填充材料的影响效果。方法 建立相关力学模型,分析比较固体填充物以及柔性填充物对成形质量不同的影响机理,并基于ABAQUS有限元仿真软件,对成形过程进行数值模拟分析。结果 与填充PU棒时成形结果相比,当填充SS304钢珠时,管材具有更好的成形性以及更小的厚度变化率,同时,当内部填充材料时,管材椭圆率均会降低,且当填充材料为SS304钢珠时,椭圆度最低可达2.6%。结论 将三维自由弯曲技术与填充成形技术相结合,可以有效提高管材成形性能,并且固体填充物要好于柔性填充物,有限元模拟及实验验证了模型的正确性。