超声振动-单点增量复合成形过程中成形力的分析与建模

成形力过大一直是制约单点增量成形技术发展的主要问题之一,针对该问题将超声振动引入单点增量成形技术中,用以降低成形力。为定量揭示超声振动降低成形力的作用机制,对超声振动-单点增量复合成形技术的工作原理和运动规则进行分析总结,取成形接触区域板料微元作为重点分析对象,建立球坐标应力平衡方程,并对接触面上的各向应力进行积分,提炼板料变形处的受力情况并对其进行解析化表达,构建一种关于超声振动-单点增量复合成形技术成形力的解析模型,借此得到施振参数和工艺参数对成形力的影响规律。通过试验对解析模型进行验证,设计开发超声振动主轴及板料夹持系统,搭建Kistler的成形力测试系统。试验表明超声振动可以有效降低成形力,同时存在合适范围的频率和振幅使得成形力达到极小值,且试验中的施振参数和工艺参数对成形力的影响规律与理论计算结果具有很好的一致性,验证了解析模型的正确有效性。研究成果为深入分析超声振动对单点增量成形力的影响提供了理论及技术依据。     

金属板材单点增量成形过程成形力的研究

针对45°圆锥台件的单点增量成形过程,分别通过理论解析、实验验证、ABAQUS/Explicit有限元仿真对成形过程中成形力的变化规律进行研究。在验证有限元模型正确的基础上,进一步得到轴向进给和走等高线这两部分的成形力,并对其大小和变化规律进行研究。结果表明,轴向进给时的轴向力明显大于走等高线时的轴向力,因此成形设备和成形工具的设计应充分考虑轴向进给时的轴向力。     

铝合金单点增量成形轴向成形力实验与仿真

开展十字锥台零件单点增量成形实验,并测量了成形过程中的轴向成形力,研究轴向成形力变化规律。其次应用Abaqus有限元分析软件,分别选择不同的硬化准则和网格模型对零件外侧壁的成形进行仿真,结果显示,使用voce硬化准则和实体网格的局部有限元模型能够更准确的预测轴向成形力,在成形进入稳定后,仿真得到的轴向成形力与实验值的误差约为12.3%。基于此仿真模型研究了不同工具头半径,层间距和板厚对轴向成形力的影响,通过3参数3因素正交分析表明,板厚因素对成形力对轴向成形力影响最大。为了预测加工不同厚度板料时的轴向成形力,拟合得到板厚与轴向力的指数关系,具有较高的预测精度。     

金属板料单点增量成形的径向精度研究

金属板料单点增量成形件精度不足是制约该技术发展的一项重要因素,径向精度是成形件精度的重要组成部分。金属材料采用1060铝板,主要对单点增量成形过程中造成径向误差的原因进行分析,利用Abaqus有限元分析软件,建立单点增量成形有限元模型,分析工具头直径、层间距、进给速度、板料厚度、成形角度等工艺参数对径向误差值的影响,并通过实验验证有限元模拟的正确性。结果表明:径向误差值随着工具头直径、层间距、成形角度和板料厚度的增大而增加,进给速度对径向误差影响不显著。     

超声振动单点增量成形力研究

在单点增量成形过程中,不同的工艺条件和成形力会造成接触点的应力应变状态发生较大的变化,引起板料破裂、堆积、起皱等缺陷,降低成形质量和精度。本文提出了一种基于数控技术的超声振动单点增量成形方法,通过改变工具头与成形件之间的瞬时接触状态、润滑条件以及材料的变形机理,进而降低成形力,提高成形质量。以Hass数控机床作为实验平台,设计开发了超声振动主轴以及板料夹持系统,建立了基于Kistler的成形力测试系统,通过大量成形实验,获得不同工艺和振动条件下的成形力的变化规律。     

基于ABAQUS的单点增量成形的数值分析

单点增量成形是一种新型的无切削无模具板料成形的方法,工业生产中可以缩短产品周期,节约生产成本,有着一般成形方法所不具有的优势。本文运用有限元软件Abaqus分析其主要工艺参数:工具头直径d、层间距ΔZ、板料厚度(sheet thickness)sth对单点增量成形的影响,并通过模拟仿真对增量成形反应板料厚度变化规律的正弦定律进行验证,同时分析正弦定律得出板料厚度的分布大于数值仿真的原因。根据数值仿真中板料厚度的分布提出对成形件的分区,同时分析出其应用。     

单点增量成形U型金属波纹管的试验研究

分析了工业领域中塑性成形管件加工的工艺制造需求和研究现状,介绍了单点增量成形金属波纹管的工作原理。为获得工艺参数对成形过程及成形质量的影响规律,建立了基于Abaqus/Explicit的U型金属波纹管单点增量成形有限元模型,搭建实验平台,开展了试验研究。针对T3紫铜材料,通过不同加工工艺参数下的试验,以波纹成形高度为成形质量检测指标,获得了单点增量加工过程中层间距、主轴转速、轴向进给速度对加工结果的影响规律。结果表明,主轴转速对金属波纹管成形波纹高度影响最大,其次为层间距,而轴向进给速度对成形质量影响不显著。在主轴转速为450 r/min,层间距为0.25 mm,轴向进给速度为0.2 mm/r时为最优工艺参数,金属波纹管单点增量成形质量好、精度高。通过仿真和试验结果对比,验证了此优化结果的可靠性。为进一步应用该工艺提供了参考。     

金属板料单点增量成形厚度减薄率的预测与控制

金属板料单点增量成形过程中成形区域厚度减薄率过大是影响成形极限的一项重要因素,预测成形区域壁厚是控制减薄率的重要方法。选取1060铝板,对单点增量成形过程中的壁厚变形过程进行分析,利用Abaqus有限元分析软件,建立单点增量成形有限元模型,利用仿真结果拟合出精度较高的壁厚预测公式,分析工具头直径、层间距、进给速度、板料厚度、成形角度等工艺参数对减薄率的影响规律,并通过试验验证有限元模拟的正确性,并提出通过改变成形轨迹控制减薄率的方法。结果表明:拟合出的壁厚预测公式所求得壁厚值比正弦定理所求得的壁厚值更接近实验值;壁厚减薄率值随着工具头直径、成形角度和板料厚度的增大而增加,随层间距的增加而减小,进给速度对减薄率影响不显著,成形角度是影响减薄率的最重要因素;采用压入点均布的成形轨迹可有效减小减薄率。     

工业纯铝1060板料单点增量成形极限实验研究

对工业纯铝1060板料进行单点增量成形极限实验研究,比较了圆锥形件各部位厚度的分布情况。实验发现,当成形角增大时,成形件上部会出现厚度严重变薄的减薄带,并且破裂容易出现在减薄带上,影响板料成形极限。用最大成形角表征单点增量成形过程中的成形极限,分析了不同参数对板料最大成形角的-影响,发现层间距会影响板料的最大成形角,而工具头周向进给速度对最大成形角的影响不大,不同形状的成形件其最大成形角也不相同。最后通过实验获得了1 mm厚度铝板的成形极限曲线(FLC)。     

静压支撑单点渐进成形厚向应变分布研究

采用单点渐进成形技术单道次成形复杂形状的薄壁零件时，厚度分布不均匀及过度减薄易于引起板材的断裂和成形失效。将静压支撑引入单点渐进成形中，形成一种静压支撑单点渐进成形工艺；通过促进材料流动和厚向应变分布来提高板材厚度分布的均匀性。选用初始厚度为1 mm的1060铝板，以静压支撑单点渐进成形的圆锥台件为研究对象，通过数值模拟和实验研究分析了静压参数对厚向应变分布和材料流动规律的影响。结果表明：0～0.18 MPa的静压支撑有利于过渡变形区Ⅱ的快速成形，有利于主变形区Ⅲ的厚向应变分布；在有利压力范围内，静压压力越大，由Ⅱ区流向Ⅲ区的材料越多，厚向应变分布越均匀，制件成形性能越好。