金屬板件等離子體弧柔性成形技術(shù)的基礎(chǔ)研究.pdf

1、金屬板件等離子體弧柔性成形是近幾年發(fā)展起來的金屬板材成形技術(shù)，是一種新興的、有廣闊發(fā)展前景的板材柔性成形技術(shù)，其核心是：以等離子體弧為熱源，通過合理控制弧柱功率、掃描軌跡和速率，使材料內(nèi)部形成可控的溫度梯度進(jìn)而產(chǎn)生非均勻熱應(yīng)力場(chǎng)，使板材成形為預(yù)期要求的形狀。該方法不需要花費(fèi)大量的時(shí)間和資金來制造工模具，對(duì)降低新產(chǎn)品的開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期具有積極意義，尤其在新車開發(fā)等大型板件多品種小批量成形生產(chǎn)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。 本研究針

2、對(duì)金屬薄板等離子體弧柔性成形研究中存在的問題，采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，以建立等離子體弧柔性成形數(shù)值計(jì)算模型、技術(shù)參數(shù)關(guān)系、實(shí)驗(yàn)手段等關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn)，以復(fù)雜三維曲面成形和成形精度控制為目標(biāo)，研究了等離子體弧板材柔性成形的應(yīng)變場(chǎng)、熱參數(shù)、掃描間距、路徑規(guī)劃等重要問題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面和目標(biāo)圓弧面的加工成形。論文的主要研究工作如下： 分析了等離子體弧柔性成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀，論述了等離子體弧彎曲成形的兩種基本形式--

3、正向彎曲和反向彎曲及其成形機(jī)理和控制方法，分析了溫度梯度機(jī)理、屈曲機(jī)理和增厚機(jī)理產(chǎn)生的機(jī)制及作用過程，結(jié)果表明在溫度梯度機(jī)理、屈曲機(jī)理與耦合機(jī)理?xiàng)l件下，垂直于掃描線方向的橫向應(yīng)力和板材上下表面塑性應(yīng)變的不均勻分布是板材彎曲變形的主要因素；板材既產(chǎn)生繞掃描線彎曲也產(chǎn)生垂直掃描線彎曲變形，彎曲成形的變化大小主要取決于塑性區(qū)的大小。 為定量描述等離子體弧作用下金屬板材的傳熱規(guī)律和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，在重點(diǎn)研究了模型選取、移動(dòng)熱源模擬、材料特

4、性和載荷施加等問題的基礎(chǔ)上，建立了等離子體弧柔性成形過程的瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元模型和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)熱彈塑性有限元模型；對(duì)溫度場(chǎng)分布、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及形變規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算和分析，得出了在各種參數(shù)組合條件下的薄板溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。 為解決金屬板復(fù)雜曲面三維成形問題，根據(jù)成形目標(biāo)形狀，基于大變形彈塑性有限元理論，計(jì)算出雙曲率曲面及冠面成形應(yīng)變場(chǎng)，根據(jù)主應(yīng)變矢量方向與掃描路線的垂直關(guān)系，完成了球冠面和馬鞍形曲面的等離子體弧掃描路徑規(guī)劃；在建立了

5、加熱區(qū)應(yīng)變值與等離子體弧功率和掃描速度之間關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和等離子體弧柔性成形實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，將數(shù)控技術(shù)與等離子體弧柔性成形技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)等離子體弧掃描速度以及弧柱熱能加載的調(diào)整，成形出球冠面和馬鞍形面的目標(biāo)形狀，為復(fù)雜曲面的成形奠定了設(shè)計(jì)制造基礎(chǔ)。 為保證光滑連續(xù)圓弧面的成形質(zhì)量，在數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了掃描間距、掃描順序的選取原則，證明較小的掃描間距會(huì)得到連續(xù)性較好的塑性應(yīng)變場(chǎng)，可以有效提高成形件的成形質(zhì)量；給出了成形

6、光滑連續(xù)圓弧面主要參數(shù)γ與掃描間距、成形圓弧半徑的關(guān)系，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)采用漸進(jìn)式等離子體弧掃描成形的方法，成形出了符合預(yù)期半徑要求的連續(xù)圓弧面。對(duì)成形中出現(xiàn)的棱角效應(yīng)進(jìn)行了機(jī)理分析和數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明棱角效應(yīng)是板材沿掃描線方向受幾何約束產(chǎn)生了較小的壓應(yīng)變及在掃描線上、下表面的收縮量不同所造成；提出了通過分段掃描解決棱角效應(yīng)的方法，明顯提高了成形質(zhì)量。 研究了等離子體弧柔性成形試件的金相組織，結(jié)果表明較低功率的等離子體弧柔性成形會(huì)

7、使板材晶粒細(xì)化，有利于改善材料的顯微組織結(jié)構(gòu)，采用合適的參數(shù)加工能在一定程度上改善成形件的機(jī)械性能。 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)板材成形進(jìn)行了預(yù)測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，建立了等離子體弧金屬板材柔性成形效果與加工工藝參量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，并利用此模型進(jìn)行了成形彎曲角度和掃描次數(shù)的預(yù)測(cè)，彎曲角度的預(yù)測(cè)誤差小于5％，而掃描次數(shù)的預(yù)測(cè)誤差小于2％。應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論與時(shí)序分析，對(duì)會(huì)屬板的動(dòng)態(tài)角度變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)參與模型預(yù)測(cè)的觀測(cè)序列為最新序列時(shí)