工业库 文献库 高柔性拉伸成形过程有限元分析及工艺优化研究

高柔性拉伸成形过程有限元分析及工艺优化研究

登录后即可下载 收藏 作者:邢健 年份:2017 来源库:博士
摘要

高柔性拉伸成形过程有限元分析及工艺优化研究

作者:邢健 年份:2017 来源库:博士

拉伸成形是大尺寸、小曲率蒙皮类件的主要成形方法,与传统模具冲压成形比较,具有零件回弹小、成形精度高的优点,但设备研制成本高,一般只用于航空、航天领域。随着航空、航天工业的快速发展,蒙皮的生产周期要求越来越短,形状更是向着个性化、复杂化的方向发展,这对传统拉伸成形方法提出了新的挑战。传统拉伸成形存在两方面弊端:一方面整体模具体积大、数量多,生产周期长,储运成本高,重复利用率低;另一方面拉伸成形机柔性程度低,成形过程板料不易贴模,材料利用率低,变形不均匀,易出现拉裂、起皱等缺陷。可见,沿用传统拉伸成形技术已经无法满足新形式下的蒙皮生产需要。此外,国内拉伸成形设备以进口为主,欧美等发达国家掌控设备制造的核心技术,高昂的设备售价令中小企业难以承受。因此,生产具有自主知识产权的柔性化拉伸成形设备已经成为我国工业发展的迫切需求。高柔性拉伸成形设备是由我国自主研发的新型拉伸成形设备,包括高柔性模具和高柔性拉伸成形机。高柔性模具使用多点数字化模具代替传统的整体模具,可以一模多用、降低模具制造成本和缩短模具生产周期。高柔性拉伸成形机通过离散夹钳的自协调作用实现板料贴模,能够提高成形质量、材料利用率和生产效率。另外高柔性拉伸成形设备简化了控制系统,制造成本降低,价格便于中小企业接受,有利于该技术在其它领域的应用推广。本课题以多点模具和高柔性拉伸成形机为主线展开研究,采用有限元数值模拟和试验相结合的方法分析板料拉伸成形过程,旨在优化加工工艺、提高零件的成形质量,同时也为工业生产和新型拉伸成形设备的研制提供科学的指导。本文的主要内容和结论如下:1.高柔性拉伸成形原理及成形过程力学分析对高柔性拉伸成形原理、技术特点及成形过程进行分析;分析高柔性拉伸成形时板料内部的应力、应变变化过程;对板料内部拉力以及卸载回弹量进行推导计算;给出毛坯尺寸的选择依据和成形质量的评定标准。2.建立高柔性拉伸成形有限元模型对有限元数值模拟的动力显式、静力隐式的求解算法以及材料的弹塑性本构关系进行探讨;建立高柔性拉伸成形有限元模型及板料回弹模型。3.拉伸成形机的结构分析及数值模拟对高柔性拉伸成形机的主要部件(夹料机构、拉料机构、万向结构)进行结构分析;采用有限元数值模拟方法分析夹钳离散化程度、夹钳间隙、加载幅值对成形结果的影响。分析表明:随着夹钳数量的增加,板料贴模效果逐渐变好,成形质量提高;随着夹钳间隙的增加,成形件的应力、应变分布均匀程度先提高后降低,间隙过大,成形区出现起皱现象,在板料宽度为1200mm,10个夹钳的工况下,夹钳间隙为其宽度的1/9时,成形效果最佳;成形力按合理的幅值加载能够提高成形质量。4.高柔性拉伸成形时基本体排列方式的研究对高柔性拉伸成形件的压痕形式及其产生原因进行分析,提出了通过改变基本体排列方式抑制成形件表面缺陷的方法。以球形件、鞍形件为研究对象,采用有限元数值模拟和拉伸成形试验相结合的方法比较了常规排列、倾斜交错排列、平行交错排列的多点模具对成形结果的影响。结果表明:球头压窝和拉伸沟是成形件表面的主要缺陷,交错排列的多点模具能够有效地抑制压痕缺陷,提高成形件的表面质量和成形精度,比常规排列的多点模具成形效果更好。5.研究基本体球头形式对成形结果的影响推导出球头与板料相切的几何条件,基于摆动球头多点模具建立拉伸成形有限元模型,采用有限元数值模拟和拉伸成形试验相结合的方法分析摆动球头对成形结果的影响。分析表明:基本体球头半径小于与板料相切的临界半径时,随着球头半径增加,成形质量提高,球头半径大于临界半径时,随着球头半径增加,表面质量下降。摆动球头模具代替固定球头模具能够有效抑制成形件表面压痕,降低回弹,提高了成形质量。交错排列的多点模具使用摆动球头的成形效果优于常规排列的多点模具。6.研究摩擦条件对成形结果的影响通过摩擦试验测定不同摩擦接触对在干摩擦和油润滑条件下的摩擦系数;采用有限元数值模拟方法研究板料与模具之间的摩擦条件对成形结果的影响;通过有限元数值模拟和拉伸成形试验相结合的方法研究多点模具和弹性垫、弹性垫与弹性垫之间的摩擦条件组合对成形结果的影响。结果表明:板料与模具之间为干摩擦时,成形件有效成形区成形效果更好,但过渡区的应力、应变较大,用油润滑的方法可以有效降低过渡区的应力、应变;在存在多个接触对时,保持各接触对之间为干摩擦,有效成形区成形效果更好,弹性垫与弹性垫之间使用油润滑时,成形效果较差。7.研究弹性垫对高柔性拉伸成形的影响以球形件为研究对象,采用有限元数值模拟方法分析弹性垫厚度、硬度、层数对成形件表面质量和成形误差的影响;对板料贴模的判定方法和误差补偿的实现方法进行探讨。结果表明:弹性垫厚度增加,成形件表面质量提高,但成形误差增大;弹性垫硬度越大,成形件表面质量和成形精度越高;相同厚度的弹性垫,随着层数增加,成形件表面质量和成形精度降低,但回弹量同时减小;使用剖面法判断板料贴模更简单;多点模具通过模具型面修正法可以快速实现误差补偿。