基于疊加熱場的板料數(shù)控漸進成形技術(shù)開發(fā)及特性研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的沖壓成形工藝相比，板料數(shù)控漸進成形技術(shù)（Incremental Sheet Forming，ISF）作為一種柔性的無模成形技術(shù)，不僅顯著降低了制件的開發(fā)成本、縮短了制造工藝的開發(fā)周期，而且顯著提高了板材的成形性能，還可以成形出傳統(tǒng)無法獲得的復(fù)雜零件形狀。另外，該技術(shù)局部成形的特點使得板材在加工過程中所需的成形力較小，因此在設(shè)備工作空間允許的范圍內(nèi)可以加工任意尺寸的零件，而不受設(shè)備噸位的限制。
　　然而，板料數(shù)控漸進成形技術(shù)

2、除了涉及幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題以外，還具有局部高壓、循環(huán)加載-卸載等獨特的變形特點。目前對于板料在加工中的變形行為和相應(yīng)的力學(xué)問題尚缺乏系統(tǒng)的定論，是該領(lǐng)域研究的熱點和難點。另外，對于室溫下難成形的低密度、高強度、輕量化的合金材料（如鋁合金、鎂合金和鈦合金），常規(guī)的板料數(shù)控漸進成形技術(shù)也難以有效地提高其成形性。因此，在總結(jié)了板料數(shù)控漸進成形過程中材料的變形特點、破裂行為，并通過理論分析從力學(xué)層面對上述問題作了進一步闡釋的

3、基礎(chǔ)上，論文針對常規(guī)板料數(shù)控漸進成形技術(shù)無法加工室溫下難成形材料的問題，分別對兩種疊加熱場的板料數(shù)控漸進成形技術(shù)展開深入、系統(tǒng)的研究，并詳細比較了兩種方法的優(yōu)劣和適用范圍。主要研究工作和學(xué)術(shù)貢獻如下：
　　研究了板料數(shù)控漸進成形中材料的變形特點和破裂行為。采用有限元數(shù)值模擬和DIC應(yīng)變測量技術(shù)確認(rèn)了采用平面應(yīng)變假設(shè)近似描述局部成形區(qū)內(nèi)材料變形狀態(tài)的合理性。通過構(gòu)建不同的摩擦條件（即不同的厚向剪切效應(yīng)強度），以預(yù)制厚向小孔的偏斜程度

4、為依據(jù)驗證了厚向剪切效應(yīng)的存在性，并考察了不同厚向剪切效應(yīng)強度下材料的流動狀況。此外，依托成形試驗和斷口形貌分析，討論了成形過程中破裂出現(xiàn)的位置及擴展方式?；谖⒃治龇椒ê推矫鎽?yīng)變假設(shè)，分別在單獨考慮摩擦效應(yīng)和彎曲效應(yīng)的情況下對板料局部變形區(qū)域的接觸區(qū)和非接觸區(qū)進行了全面的受力分析，建立了板料數(shù)控漸進成形的力學(xué)基礎(chǔ)。從力學(xué)層面更為深入地明晰了板料數(shù)控漸進成形的變形特點和破裂行為。
　　設(shè)計并開發(fā)了基于摩擦致熱原理的單點板料數(shù)控漸

5、進成形系統(tǒng)，通過試驗分析了摩擦致熱的板料數(shù)控漸進成形中不同工具轉(zhuǎn)速條件（即不同摩擦條件和溫度條件）對材料成形極限、成形力、成形溫度和表面質(zhì)量的影響。全面揭示了摩擦效應(yīng)和溫度效應(yīng)在不同工具轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的不同作用及其對材料成形性影響的機理?？傮w上看，隨著工具轉(zhuǎn)速的提高，材料的成形性也逐漸改善。在溫度效應(yīng)可以忽略的工具轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，通過連續(xù)改變工具轉(zhuǎn)速，創(chuàng)造了不同程度、連續(xù)變化的摩擦效應(yīng)，闡釋了厚向剪切效應(yīng)對材料成形性的提高具有兩面性的特點，統(tǒng)一

6、了此前關(guān)于厚向剪切效應(yīng)作用的爭論。此外，首次采用激光加工技術(shù)對成形工具頭端部進行處理，探索了工具頭表面的微觀紋理對成形過程的影響。
　　構(gòu)建了基于電輔助加熱原理的單點/雙面板料數(shù)控漸進成形系統(tǒng)，設(shè)計并開發(fā)的背壓施加裝置成功地避免了在雙面板料漸進成形中由于材料減薄和回彈所導(dǎo)致的支撐工具與板料脫離接觸的現(xiàn)象。驗證了板料漸進成形中電輔助加熱技術(shù)在提高材料成形性方面的能力，明確了加工過程中成形溫度具有局部加熱、周期性變化等特點。在估算板料

7、漸進成形過程應(yīng)變速率范圍的基礎(chǔ)上，詳細地討論了成形溫度選擇的流程和思路，指出目標(biāo)成形溫度的選擇不僅需要考慮材料在不同應(yīng)變速率、不同溫度條件下的變形能力，而且還有必要將零件的表面質(zhì)量等因素納入考察范圍。針對電輔助加熱板料數(shù)控漸進成形所獲得零件表面質(zhì)量、幾何精度差的問題，提出了改善策略。與電輔助單點板料數(shù)控漸進成形技術(shù)相比，電輔助雙面板料數(shù)控漸進成形提供了更為豐富的電流加載方案和工具軌跡策略。合理的電流加載方案和工具結(jié)構(gòu)的配合使用可以最大限

8、度地改善所加工零件的內(nèi)、外表面的綜合質(zhì)量?；陔娸o助加熱雙面板料漸進成形所提出的復(fù)合工具軌跡策略，有效地消除了因彎曲效應(yīng)而造成的尺寸誤差，大幅提高了成形零件的幾何精度。
　　通過試驗，系統(tǒng)比較了摩擦致熱和電輔助加熱的這兩種板料數(shù)控漸進成形方法的加工效率、加熱效率和對不同零件形狀、材料的適用性等。結(jié)果表明：摩擦致熱的板料數(shù)控漸進成形方法在加工效率方面具有優(yōu)勢，而電輔助加熱板料數(shù)控漸進成形方法的加熱效率遠高于摩擦致熱的板料數(shù)控漸進成形

9、方法。研究發(fā)現(xiàn)：鎂合金AZ31B最適合用摩擦致熱的板料數(shù)控漸進成形方法加工，鋁合金AA2024次之；而鈦合金Ti6Al4V在加工過程中導(dǎo)致成形工具磨損嚴(yán)重，因此不適合用該方法。綜合材料的加熱能力、加熱效率和散熱能力，適合使用電輔助加熱板料數(shù)控漸進成形方法進行加工的材料排序為鈦合金Ti5Al4V、鎂合金AZ31B、鋁合金AA2024。針對在加工鈦合金Ti6Al4V時出現(xiàn)成形工具振顫劇烈、過熱和磨損嚴(yán)重等問題，設(shè)計并開發(fā)了一系列基于水循環(huán)冷