铝合金6061管材空间自由弯曲成形工艺研究及回弹预测

作     者：李玉森 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高军;岳振明

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：自由弯曲成形 数值模拟 回弹预测 铝合金6061 

摘      要：金属管材是工业领域中结构承重和输送气体和液体的重要部件。传统弯管工艺简单,模具造价费用高,无法实现变曲率复杂截面弯管成形。为打破传统弯曲工艺应用的局限性,自由弯曲成形技术被提出。该技术将多轴伺服联动控制技术应用到金属管材弯曲成形工艺中,通过多轴伺服联动技术调节弯曲模空间运动姿态进而实现空间复杂弯曲构件的成形。空间自由弯曲成形技术的发展将有助于实现生产的高精度、高性能、高效率和数字化,其理论和技术的研究在工业领域具有重要的探索和指导意义。本文选择外径30 mm,壁厚2.0 mm的铝合金管材6061,针对空间多自由度的弯管技术,开展空间自由弯曲成形工艺的有限元仿真分析研究及多自由度变曲率的弯管机构设计和理论分析的研究,并结合有限元和解析法的研究手段对弯管工艺参数和回弹等问题进行系统分析。在充分了解自由弯曲成形工艺的特点后,创新设计基于3UPU并联结构自由弯曲成设备,用于铝合金6061管材空间自由弯曲成形技术研究。空间自由弯曲成形工艺仿真方面,首先建立合金管材6061的本构模型。在此本构关系中,考虑柯西应力、动态硬化、同向硬化等状态变量。屈服准则及势能方程中初始各向异性采用Hi1148,诱发各向异性采用改进的Francois模型。理论模型建立后,采用Newton Raphson法来求解目标变量。并利用Fortran语言对上述模型进行编译,用于后续模拟仿真。管材自由弯曲成形的仿真主要针对成形中的各个工艺参数对成形质量的影响,例如移动模和固定模的间距、移动模的形状、移动模和管材的间隙、摩擦力以及管材的进给速度等。以管材内侧壁起皱、外侧破裂及管材截面变形度作为衡量指标对影响管材自由弯曲成形质量的参数进行优化,得到最佳的成形工艺参数。在回弹预测方面,以管材弯曲静力平衡为基础,考虑杨氏模量、壁厚、中性层偏移量等,利用胡可定律、应变理论等建立回弹预测的解析模型。并考虑推进装置对管材施加的轴向附加应力对管材弯曲回弹的影响,引入修正系数对预测模型进行优化,提高回弹模型的精确性。在自由弯曲成形设备方面,基于空间自由弯曲成形技术的基本原理,考虑弯头、固定导向机构和送料机构,提出一种基于3UPU并联结构弯头的自由弯曲成形设备。并对设备中最重要的部分（弯头）,进行分析。基于该结构中各部件的几何关系,建立该结构的运动学逆解模型,包括位置逆解模型、速度逆解模型和加速度逆解模型。并利用运动学仿真软件Adams对该机构进行运动学仿真,并将仿真结果和模型计算结果进行对比分析来验证模型的正确性。除此之外,还利用虚功原理建立该结构的动力学模型,以及利用MATLAB基于极限搜索法计算出该机构的工作空间。通过对成形工艺的仿真优化以及机械结构设计的优化分析,构建最优化的弯管工艺窗口和回弹补偿方案。最终,实现对大曲率薄壁铝合金管材的空间精确弯曲成形。