两点对称式渐进成形机理与实验研究

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金属板料渐进成形技术将快速成形技术和塑性成形技术有机结合,具有适合于小批量、多品种、成形周期短以及更新快等优点。多点复合渐进成形是结合单点渐进成形技术和多点成形技术的一种新型金属板材的渐进成形技术。两点渐进成形技术是多点复合渐进成形技术的一种形式。渐进成形过程中的成形力是重要的设计参数,设备和工艺装备的工作条件以及成形式所需的功率都有着密切的关系。本文通过对金属板材两点对称式渐进成形基础理论与实验的研究,首先推导出了渐进成形过程中加工每层时局部纵向力的计算公式。其次在局部成形力模型的基础之上,建立了两点对称式分布载荷作用下板材塑性动力学模型,并进行了数值求解。最后在自制的两点对称式渐进成形装置上进行了两点成形实验的研究,实验验证了两点对称式动力学模型建立的正确性,并分析得出两点渐进成形和单点渐进成形相比在成形力、表面质量等方面的优越性。论文的主要研究成果如下:(1)针对金属板材渐进成形“分层加工”的特点,与其成形过程中不同等高层的受力情况以及应力、应变变化趋势不同的特点,采用等高层逐层的局部力学分析,将成形力分解为了水平方向的成形分力(横向力)与垂直方向的成形分力(纵向力)。通过对渐进成形过程中等效应变的分析,求解出了成形每层时的等效应变。根据加工每层进给时产生不同的应变量与合理的假设和简化,导出了应力与等效应变的关系式,并对微元体进行受力分析,列写出了局部单元体的力学平衡方程,从而推导出了加工每层时横向力与纵向力的表达式。(2)在局部成形力模型的基础之上,从两点对称分布载荷作用下板材整体塑性成形的动力学研究出发,分析了板材成形的轴对称与非轴对称分布载荷作用下变形条件,得到圆板两点对称分布载荷作用下的变形方式属于轴对称问题。采用基尔霍夫-勒夫(Kirchhoff-Love)假定对薄板渐进成形塑性变形力学模型进行合理的简化,并通过有限差分法对其进行了数值求解,得到成形力与时间的变化曲线。成形力的变化趋势是随时间的增大而增大,并且到达一定时间后基本保持不变,符合米塞斯屈服准则。(3)在自制的两点对称式渐进成形装置上进行了两点渐进成形实验的研究,将两点成形与单点成形实验进行对比发现与单个工具球头相比两点对称式分布的工具球头对板材的加工可有效的减小成形力,提高板材的表面成形质量。且两点渐进成形中成形力随时间、工具头半径的增大而增大,与单点成形力的变化趋势相同。通过两点成形实验采集到的成形力与动力学模型求解出的数值解进行对比,数值解与实验值的变化趋势基本相同,开始都是有一段近似线性上升,到达一定的加工时间后开始保持稳定,而且都有明显的屈服阶段,符合塑性变形的米赛斯屈服准则。验证了动力学模型的正确性。
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