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基于管件单点渐进成形工艺的研究

基于管件单点渐进成形工艺的研究

作者：曹文滔南京理工大学

学位级别：硕士

在航空航天,车辆制造及医疗器具等领域,大量存在着各种形式的管类零件,如何实现高效率、高精度成形是当前环境下的一个十分重要的问题。渐进成形技术是一种利用高强度成形工具对金属进行挤压,使金属产生流动从而形成目标制件的一种新型... 详细信息

在航空航天,车辆制造及医疗器具等领域,大量存在着各种形式的管类零件,如何实现高效率、高精度成形是当前环境下的一个十分重要的问题。渐进成形技术是一种利用高强度成形工具对金属进行挤压,使金属产生流动从而形成目标制件的一种新型技术。该技术生产周期短、可柔性加工复杂形状金属,应用于管件成形十分有利于对新产品的开发与研究。本文对一种新型管件渐进成形装置电控部分进行设计,并对管件渐进成形加工工艺进行研究,为管件渐进成形工艺后续的改进与优化提供数据支持与理论基础。分析了管件渐进成形机理并推导了成形工具头与管壁接触区域沿三个方向的应力公式。介绍管件渐进成形装置主要机构,完成各个机构的电控程序设计,对PLC进行选型,绘制整体接线图,并完成PLC、伺服控制器、伺服电机之间的接线。建立了Al6063铝合金管材单点渐进成形有限元分析模型,通过单因素变量法,应用ABAQUS分析获得了各个工艺参数(工具头半径、径向进给量、轴向进给量与摩擦系数)对管件最大减薄率与尺寸误差的影响规律。基于ABAQUS仿真与正交实验法分析各个工艺参数对管件最大减薄率与尺寸误差的影响大小,并得出最佳工艺参数组合;以一种新型管件渐进成形机为试验装置对最大减薄率对照实验组进行物理试验,观察并分析了试验结果,优化最佳工艺参数组合,并将优化后的工艺参数组合进行仿真,对比分析仿真实验结果与物理试验结果,验证模拟实验的有效性。分析了管件渐进成形回弹原理,并提出两种改善管件回弹误差的方法,建立管件回弹ABAQUS仿真模型,比较分析仿真结果,验证两种方法的可行性。

关键词：管件加工渐进成形有限元分析正交试验工艺优化

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基于六轴机器人平台的渐进成形工艺研究

基于六轴机器人平台的渐进成形工艺研究

作者：詹玉婷南京航空航天大学

学位级别：硕士

渐进成形是靠逐次变形累积产生整体成形的一种工艺,具有柔性高、成本低、多品种小批量、无模快速成形的特点。自由度高的机器人的渐进成形技术大大拓宽了零件加工范围,同时结合了机器人与渐进成形工艺的优点,有很大的发展前景,但目前针... 详细信息

渐进成形是靠逐次变形累积产生整体成形的一种工艺,具有柔性高、成本低、多品种小批量、无模快速成形的特点。自由度高的机器人的渐进成形技术大大拓宽了零件加工范围,同时结合了机器人与渐进成形工艺的优点,有很大的发展前景,但目前针对机器人渐进成形工艺的研究尚在探索阶段,运行轨迹与成形质量是限制该工艺发展的重要因素。为了改善机器人在辅助渐进成形工艺应用方面制品质量的问题,本文从机器人运行轨迹出发,对机器人渐进成形工艺成形下的零件成形力、几何精度和表面粗糙度等方面进行探究,为该技术的实际应用与发展提供一定的理论与参考。主要研究内容和相关结论如下:(1)探究了不同工艺参数对盒形件成形过程中成形力的影响规律。在实验范围内,成形力并不完全遵循板料数控渐进成形的轴向力理论计算方法。成形力随着壁角的增大表现为先增大后减小的趋势,刀具方向为竖直方向时测得成形力较小,而在不同成形轨迹方式和零件形状下成形力大小都没有明显的规律。相同的工艺条件下,方锥台形件加工时间比圆台形长。(2)对于盒形件的几何精度和表面粗糙度,统一表现为在竖直的刀具方向下有更好的精度,几何精度在壁角为40°时最高,表面粗糙度则在壁角为60°时最优。几何精度在其他的工艺参数下没有明显的变化规律,表面粗糙度表现为在等高线轨迹下测量值较低,在壁角为60°的情况下,方锥台形零件的微观不平度比圆台形零件高1.334μm,相差百分比达到12.8%。(3)建立了机器人的简化连杆模型,通过仿真研究分析了等高线轨迹与螺旋线轨迹对机器人各关节状态,如角速度和角加速度的影响规律,结果表明整体情况下螺旋线轨迹方式下机器人角速度及角加速度波动较小,并且圆台形下机器人运行相对较平稳。(4)机器人渐进成形工艺可以实现直角压筋与负角翻边的成形,在实验范围内,对于向外压筋,大的层下压量有利于减小几何精度误差,但随着层下压量的增大,相同深度下零件更容易出现破裂。负角翻边的几何精度与翻边角度和翻边高度成负相关。

关键词：机器人渐进成形成形力几何精度直角压筋负角翻边

热处理及热成形策略对钛合金渐进成形性能的影响研究

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热处理及热成形策略对钛合金渐进成形性能的影响研究

作者：刘元玉山东大学

学位级别：硕士

钛合金因其具有良好的高温性能、耐腐蚀性能以及高比强度等优点,在汽车、航空航天、医疗等领域得到广泛应用。渐进成形技术作为一种新型无模成形技术,适用于小批量、个性化三维形状板材构件的柔性加工。然而,室温下钛合金的塑性变形能... 详细信息

钛合金因其具有良好的高温性能、耐腐蚀性能以及高比强度等优点,在汽车、航空航天、医疗等领域得到广泛应用。渐进成形技术作为一种新型无模成形技术,适用于小批量、个性化三维形状板材构件的柔性加工。然而,室温下钛合金的塑性变形能力较差,使用渐进成形工艺对其进行加工时普遍存在成形力大、表面质量差、几何精度不足等难点。因此,如何改善钛合金等难变形材料的可加工性是目前的研究热点之一。为此,本研究以TA1和TC4两种常用钛合金为例,将热处理与热成形结合,改善其塑性变形能力,并将研究结果应用到颅骨修复体的成形中进行验证。主要研究结果如下。首先,通过正交实验分析了成形件的误差来源,采用极差分析方法研究了步距、工具头直径、进给速度和成形角对成形件几何精度的影响。发现成形角参数对成形件几何精度的影响最为显著,其次是工具头直径和步距,而进给速度对几何精度的影响较小,且成形件的几何误差随各工艺参数的增大而增大。根据极差分析结果,确定了以成形精度为目标的最优工艺参数组合:成形角45°,工具头直径10 mm,步距0.5 mm,进给速度 3000 mm/min。其次,基于获得的最优工艺参数组合,针对TA1板材进行了不同预先热处理温度以及热成形温度下的渐进成形实验。探讨了热处理后板材的微观组织及力学性能变化,分析了不同热处理及热成形温度下板材渐进成形过程的成形力、几何精度以及成形极限的变化规律,研究了氧化层及润滑条件对成形件表面形貌的影响。热处理及热成形使板材成形力下降,成形极限提升,并提高成形件表面质量,热成形会降低成形件几何精度。母材在500℃下成形时成形力下降35.3%,650℃热处理板材350℃成形时成形极限提升22.86%。实验结果表明,热处理以及热成形在改善板材成形性能、提升成形件表面质量方面具有积极效果。随后,设计了针对TC4板材的多种个性化的热处理及热成形工艺路线,分析了不同工艺路线对板材成形性能以及成形件硬度的影响,探究了成形件的微观组织变化。实验结果表明,固溶和时效处理后,板材强度增大使成形力增大,且板材表面产生氧化层,成形过程中易产生微观裂口,导致成形件发生破裂,不利于渐进成形极限的提升。但退火处理后,板材成形力有所降低,热辅助加工时可有效提高成形极限。采用“退火-热成形-固溶处理-时效处理”的工艺路线可在提升板材成形性能的同时获得较高的成形件硬度,与仅热成形而未经热处理的成形件相比,硬度值提升了 21.6%。最后,以颅骨修复体为例进行了渐进成形加工,分析了热处理及成形温度对成形件的几何精度及表面质量的影响。发现采用“退火处理+热成形”的工艺可在保证成形件具有良好几何精度的同时提升其表面质量。针对渐进成形零件边缘及底部区域几何精度较差的问题,一方面采用与成形件开口尺寸相近的垫板以缓解边缘区域板材的挠曲,另一方面在完成修复体外形加工后对底部区域进行多次成形以使该区域的板材充分变形。实验结果表明,优化后的成形策略可使成形件的精度得到明显提升。

关键词：渐进成形钛合金热成形热处理成形性能

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异种铝合金拼焊板渐进成形研究

异种铝合金拼焊板渐进成形研究

作者：王勇强青岛理工大学

学位级别：硕士

渐进成形工艺是一种新兴的柔性板料成形技术,与传统成形技术相比,具有不依赖于模具、成本低以及成形性能高等优点,特别适用于新产品的开发与单件小批量产品的生产。拼焊板成形件能够在零件的不同部位获得不同的使用性能,可以满足不同工... 详细信息

渐进成形工艺是一种新兴的柔性板料成形技术,与传统成形技术相比,具有不依赖于模具、成本低以及成形性能高等优点,特别适用于新产品的开发与单件小批量产品的生产。拼焊板成形件能够在零件的不同部位获得不同的使用性能,可以满足不同工况的使用需求,拼焊板的应用受到越来越多的关注。但是有关拼焊板的成形技术还不够成熟,仍然存在成形性能与成形质量不高等问题。针对这些问题,本文以5052/6061异种铝合金拼焊板为研究对象,对拼焊板进行渐进成形研究。基于正交实验,对5052/6061异种铝合金的搅拌摩擦焊接工艺进行了研究。通过对实验结果分别进行极差分析与方差分析发现了不同工艺参数对接头力学性能的影响次序,并且找到了一组使得接头力学性能达到最佳的工艺参数组合。研究结果表明,在所选取的工艺参数范围内,搅拌头旋转速度对接头力学性能的影响最大,其次是焊接速度,下压量影响最小。基于数值模拟,对5052/6061异种铝合金拼焊板、5052板材与6061板材渐进成形定角度圆锥杯的过程进行了研究。通过数值模拟结果总结了拼焊板渐进成形过程中等效应力、塑性应变、板料厚度以及变形力的变化规律,并与5052板材和6061板材成形件进行了对比。结果表明,拼焊板成形件等效应力的最大值出现在焊缝区与母材区的交界处,且其最大值介于5052板材与6061板材成形件之间,但是总体相差不大;拼焊板成形件的焊缝区在渐进成形过程中接近于双向拉伸状态,而两侧母材区接近于平面应变状态;拼焊板成形件的厚度分布不均匀,厚度最小值出现在焊缝区与母材区的交界处;拼焊板、5052板材与6061板材在渐进成形过程中轴向变形力的变化主要经过逐渐增大、趋于稳定和逐渐减小三个过程,当轴向变形力增加到一定数值后基本趋于稳定时,拼焊板所受轴向变形力的波动范围要大于5052板材与6061板材。基于实验,对5052/6061异种铝合金拼焊板渐进成形性能进行了研究。首先,在正交实验的基础上,对拼焊板进行了普通单点渐进成形实验,通过对实验结果分别进行极差分析与方差分析发现了不同工艺参数对拼焊板渐进成形性能的影响次序,并找到了使得拼焊板成形性能达到最佳的工艺参数组合;然后,在最佳工艺参数的基础上研究了特殊渐进成形对拼焊板成形性能的影响。通过研究发现,拼焊板的破裂位置主要出现在焊缝区与母材区的交界处,还有少数情况会出现在焊缝区内;普通单点渐进成形实验中,工具头直径对拼焊板成形性能影响最大,其次是润滑方式,Z轴进给量和进给速率影响最小;特殊渐进成形中搅拌摩擦渐进成形能够明显提高拼焊板的成形性能。基于响应面法,对5052/6061异种铝合金拼焊板渐进成形工件的成形质量进行了研究。分别以成形精度和表面粗糙度为研究对象,分析了在不同工艺参数下拼焊板渐进成形工件的成形精度和表面粗糙度的变化规律。研究发现,Z轴进给量和工具头的二次方对拼焊板成形件的精度影响显著,与5052板材和6061板材成形件相比,拼焊板成形件的精度要低于5052板材成形件,高于6061板材成形件;工具头直径、Z轴进给量和工具头直径与Z轴进给量的交互项对拼焊板成形件的表面粗糙度影响显著,拼焊板成形件焊缝区的表面粗糙度与两侧母材区相差不大。

关键词：搅拌摩擦焊接拼焊板渐进成形数值模拟成形性能成形质量

超声振动因子对镁合金单点渐进成形板材性能影响规律

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稀有金属材料与工程 2018年第7期47卷 2172-2178页

作者：苏春建张柯娄淑梅张克许婷婷王清山东科技大学山东青岛266590

研究并掌握施加超声振动后镁合金板材在各成形参数下的成形规律,对解决温渐进成形带来的材料受热不均、随着温度的改变润滑薄膜在局部高温下引起的粘着、模具强度和寿命随温度升高而降低等问题,完善镁合金超声振动单点渐进成形工艺有着... 详细信息

研究并掌握施加超声振动后镁合金板材在各成形参数下的成形规律,对解决温渐进成形带来的材料受热不均、随着温度的改变润滑薄膜在局部高温下引起的粘着、模具强度和寿命随温度升高而降低等问题,完善镁合金超声振动单点渐进成形工艺有着重要的理论和实际应用价值。以方锥盒形件为研究对象,以最大剪切应力、减薄率和成形精度为指标,分析不同参数:工具头尺寸、板厚和振幅对镁合金板材超声振动单点渐进成形性能的影响。结果表明:施加超声振动后,最大剪切应力和最大减薄率均有明显的降低,成形精度有明显的提高且在工具头直径D=10 mm,板厚h=1.0～1.3 mm,振幅A/2=0.04 mm,成形性能改善最为明显。

关键词：超声振动渐进成形减薄率方锥盒形件

渐进成形A3003铝板减薄带分析及数值模拟研究

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材料科学与工艺 2018年第3期26卷 89-96页

作者：陈继平邹军沈翔王会廷钱健清安徽工业大学冶金工程学院安徽马鞍山243002

研究渐进成形过程中板料减薄带的变化,可以提供合理的加工参数,提高板料的成形性能和加工利用率,减少零件破裂失效.基于渐进成形过程中金属板料轮廓的变化与理想情况下轮廓的区别,对渐进成形初始成形阶段A3003铝板减薄带的产生原因和剪... 详细信息

研究渐进成形过程中板料减薄带的变化,可以提供合理的加工参数,提高板料的成形性能和加工利用率,减少零件破裂失效.基于渐进成形过程中金属板料轮廓的变化与理想情况下轮廓的区别,对渐进成形初始成形阶段A3003铝板减薄带的产生原因和剪切力的变化过程进行了理论分析,并通过有限元模拟分别从未变形区金属板料的长度和强度两个角度对板料渐进成形过程中未变形区下沉的影响,以及成形角度和杨氏模量对变形区回弹的影响两个方面,对减薄带的产生原因进行研究.结果表明:板料未变形区的下沉和变形区的回弹使板料在初始加工阶段形成一段平缓区域,工具头在平缓区域的变形性质发生了变化,平缓区域发生剪切变形导致了板料在初始加工阶段形成了减薄带;渐进成形时减小板料未变形区的长度,增大板料与垂直方向的角度可以一定程度上阻碍减薄带的产生,模拟结果与理论分析相符合.

关键词：减薄带剪切力渐进成形锥形件铝板

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铜铝复合板渐进成形回弹缺陷研究

中国机械工程 2021年第3期32卷 348-356页

作者：秦勤何流李程臧勇北京科技大学机械工程学院北京100083 北京科技大学顺德研究生院佛山520300

为了讨论不同工艺参数对复合板渐进成形回弹的影响,建立了包含工具头、复合板材和复合界面的三维有限元模型,通过对比T形剥离结果得到复合界面内聚力单元参数,通过实验验证了有限元模型的可靠性。实验结果表明,成形角对双金属复合板渐... 详细信息

为了讨论不同工艺参数对复合板渐进成形回弹的影响,建立了包含工具头、复合板材和复合界面的三维有限元模型,通过对比T形剥离结果得到复合界面内聚力单元参数,通过实验验证了有限元模型的可靠性。实验结果表明,成形角对双金属复合板渐进成形回弹最敏感,工具头直径对回弹敏感度最低,另外,内聚力单元能有效模拟双金属复合板结合界面,模拟误差仅为7.9%。分析结果表明,单层下压量、板厚、工具头直径都与回弹量成正相关,成形角与回弹量成负相关,成形角从30°增大至60°时回弹量减小21%。

关键词：铜铝复合板渐进成形有限元分析内聚力单元回弹缺陷

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金属板料单点渐进成形极限的数值模拟预测

机械工程学报 2010年第18期46卷 102-107页

作者：李磊周晚林 HUSSAING 南京航空航天大学机电学院南京210016

渐进成形(Single point incremental forming,SPIF)有着较高的成形极限,但目前对其成形极限预测研究较少。基于数值模拟得到的应力应变数据,并结合四组具体的破裂试验,应用Oyane韧性破裂准则有效地预测了厚1.5mm的LY12(M)硬质铝板的渐... 详细信息

渐进成形(Single point incremental forming,SPIF)有着较高的成形极限,但目前对其成形极限预测研究较少。基于数值模拟得到的应力应变数据,并结合四组具体的破裂试验,应用Oyane韧性破裂准则有效地预测了厚1.5mm的LY12(M)硬质铝板的渐进成形极限;在Oyane韧性破裂准则中,当破裂积分值I=4时,预测的工件破裂起始点及成形极限图都与试验结果较为吻合。渐进成形极限远远高于传统成形方式,其'局部、交替、小增量'的变形特点,使小变形不断积累以获得大变形,'强制性'地实现变形的均匀分布,从而获得较高的成形极限。具体体现在成形过程中,应力路径跌宕起伏,应力三轴度(σh/σ)较小,不利于材料韧性破裂;局部高压力小增量叠加成形、摩擦热及良好的润滑条件保障了渐进成形件较高的塑性。

关键词：渐进成形韧性破裂准则成形极限应力三轴度

基于响应曲面法的板料渐进成形最大减薄率预测与分析

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吉林大学学报（工学版） 2019年第2期49卷 529-535页

作者：李燕乐陈晓晓翟维东孙杰李剑峰山东大学机械工程学院济南250061 山东大学高效洁净教育部重点实验室济南250061 山东大学机械工程国家级实验教学示范中心济南250061

以典型方锥台件为成形对象,考虑了层间步距、板材厚度和工具头直径3个工艺参数,首先,使用Box-Behnken方法设计了15组实验,并使用超声波测厚仪获得成形件侧壁上沿深度方向的厚度变化趋势。测得的数据表明,在渐进成形过程中厚度变化并不... 详细信息

以典型方锥台件为成形对象,考虑了层间步距、板材厚度和工具头直径3个工艺参数,首先,使用Box-Behnken方法设计了15组实验,并使用超声波测厚仪获得成形件侧壁上沿深度方向的厚度变化趋势。测得的数据表明,在渐进成形过程中厚度变化并不是一直遵循正弦定律的,而是出现了过度减薄的现象。然后,应用响应曲面法建立了3个工艺参数与制件的最大减薄率之间的二阶响应曲面模型,分析了3个工艺参数独自及其相互作用对最大减薄率的影响。研究结果表明,最大减薄率随工具头直径的减小和步距的增大而增加,但受板材厚度影响较小。最后,以获得最大减薄率的最小值为目标优化工艺参数,得到了最优工艺参数组合:层间步距为2mm,板材厚度为1.27mm,工具头直径为10mm。研究结果对避免渐进成形件过度减薄及提高成形质量具有指导意义。

关键词：材料合成与加工工艺渐进成形最大减薄率 Box-Behnken设计响应曲面法工艺优化