变速/变载条件下板料冲压成形性能及其变形机理研究

摘要

航空航天、汽车等工业领域轻量化要求的不断提高，促进了轻质、高强度材料的应用。但是，由于这些材料的成形性能差、回弹不易控制等问题，导致冲压成形难度大。采用控制压边力大小、优化拉深筋形状、改善润滑条件、补偿模具型面等方法，通常需要长时间的试模和修模才能获得成功，导致模具质量降低、成本上升。而一旦调试不成功，就会造成极大的经济损失。实际上，在冲压成形过程中，成形速度及成形载荷能够有效地改善材料的受力状态和变形行为，从而在无需改变模具的情况下，即可降低材料的成形回弹，提高材料的成形性能，有效降低冲压成本。因此，深入研究变速/变载对冲压成形的影响规律，探讨相关机理，对完善冲压成形技术，提高冲压件的质量具有重要的意义。本文将重点围绕成形速度及成形载荷对板料成形极限和回弹的影响规律，采用塑性理论、有限元数值模拟和实验研究相结合的方法，进行系统深入的研究。
　　首先，基于塑性力学的基本理论，建立拉深成形过程的虚功率方程，从变形功的角度，探讨成形速度与成形载荷提高材料成形性能的可行性。在此基础上，进一步采用有限元数值模拟方法，研究了成形速度对主变形区等效应力和等效应变速率的影响。模拟结果表明，通过成形速度的变化，可以改变主变形区的总变形功率，从而能够有效地提高材料的成形性能。
　　在冲压成形过程中，速度对成形过程的影响主要通过摩擦来实现。为此，针对拉深成形，分别采用平板滑动摩擦实验和拉弯摩擦实验，研究了变速/变载条件下板料在法兰处和凹模圆角处的摩擦行为。实验结果表明：随法向载荷的增大，滑动摩擦系数减小；而随速度的增大，滑动摩擦系数增大，在运动稳定阶段，滑动摩擦系数与速度成线性关系；速度对法兰处摩擦的影响远大于对圆角处摩擦的影响，且速度对圆角处摩擦的影响不显著；另外，通过合理设置变速成形方式，能有效地降低初始摩擦力和摩擦力随速度变化的幅值。在上述实验结果基础上，为了进一步研究速度对摩擦影响的机理，采用分形理论，建立了基于板料表面形貌的弹塑性接触模型，研究了板料和模具间实际接触面积和法向载荷之间的定量关系，并首次建立了考虑成形速度、法向载荷、材料力学性能和板料表面形貌的摩擦模型，该模型能够定量计算法兰处的滑动摩擦系数，对于进一步揭示冲压成形过程中的摩擦行为，以及提高成形过程数值模拟精度都具有重要的意义。
　　针对影响冲压成形质量的弯曲回弹，分别采用V形和U形弯曲实验，研究了速度、载荷、凸模行程和弯曲次数等参数对回弹的影响。实验结果表明，成形速度对回弹的影响较小，而成形载荷、凸模的行程和弯曲成形次数对回弹有较大影响，尤其是通过成形载荷的变化能有效地控制回弹。为此，在考虑应力-应变分布、受力边界条件、弹塑性材料模型和Hill屈服准则的基础上，建立了成形载荷控制下的弯曲回弹预测模型，该模型与实验结果相吻合，克服了传统经验公式仅能预测自由弯曲回弹的不足，可用于指导难成形材料的校正弯曲成形工艺设计。
　　在上述研究成果基础上，采用圆筒件拉深工艺实验进一步研究了速度影响拉深成形性能的规律。实验研究发现，采用不同的拉深速度，筒形件的拉深深度及壁厚均匀性都存在较大的差异。这表明速度是影响拉深成形性能和质量的一个重要因素。当采用阶段变化的速度模式成形时，速度的转变应在板料完全进入圆角区之后进行，还需使拉深初始速度小于材料的极限成形速度。这些现象主要是由于成形过程中的摩擦随速度变化而引起的。为此，采用塑性力学理论和前面提出的摩擦模型，以及拉深实验结论，首次建立了变速/变载条件下，材料的极限拉深系数与材料性能参数和拉深速度之间的关系式，该表达式能够判断变速/变载成形工艺的可行性，并指导变速变载条件下的拉深成形工艺参数的设计。
　　综上所述，采用变速变载的方法，能够有效地提高材料的成形性能，改善冲压成形质量。本文的研究成果为今后采用变速变载方法，解决难成形材料和复杂零件的成形奠定了初步的理论基础。

目录

声明

摘要

Abstract

1绪论

1.1课题背景

1.2板料冲压成形性能及有限元模拟技术的研究

1.2.1提高材料成形极限的方法

1.2.2板料成形回弹研究现状

1.2.3板料成形过程有限元模拟技术研究

1.3变速/变载冲压成形技术研究

1.3.1变速/变载影响冲压成形性能的研究

1.3.2伺服压力成形设备的发展及应用

1.4课题来源、目的及意义

1.5本文的主要研究内容

1.6本章小结

2变速/变载成形提高板料成形性能的探讨

2.1引言

2.2拉深成形过程的虚功率方程

2.3有限元模拟基础理论

2.3.1Hill屈服准则

2.3.2塑性强化模型

2.3.3有限单元模型

2.3.4有限元模拟参数设置

2.4模拟结果

2.5本章小结

3变速/变载条件下板料摩擦行为的实验研究

3.1引言

3.2摩擦测试方法与实验装置

3.2.1平板滑动摩擦实验原理与装置

3.2.2拉弯摩擦实验原理与装置

3.3平板滑动摩擦实验结果与分析

3.3.1速度对板料摩擦的影响

3.3.2法向载荷对板料摩擦的影响

3.3.3润滑对板料摩擦的影响

3.3.4材质对板料摩擦的影响

3.3.5平板滑动摩擦实验结论

3.4拉弯摩擦实验结果与分析

3.4.1速度对圆角处板料摩擦的影响

3.4.2润滑对凹模圆角处摩擦的影响

3.4.3拉弯摩擦实验结论与分析

3.5变速/变载条件下影响摩擦的主要因素

3.6本章小结

4摩擦模型的建立

4.1引言

4.2分形接触基本原理

4.2.1表面形貌的定量化描述

4.2.2分形的概念

4.2.3分形维数D和长度尺度参数G的测量

4.2.4粗糙表面的分形接触模型

4.3成形板料的表面形貌模型

4.3.1板料表面形貌的测量

4.3.2板料表面形貌的分形特征

4.4板料成形中的摩擦界面分形接触模型

4.4.1分形接触模型

4.4.2单个接触面的弹塑性状态

4.4.3理论接触面积

4.4.4理论接触面积与法向载荷

4.4.5板料在法向载荷下的接触面积

4.5干摩擦模型的建立

4.5.1接触面积率

4.5.2摩擦系数的计算

4.5.3摩擦模型的建立

4.6摩擦模型的实验验证

4.7本章小结

5变速/变载下的弯曲回弹实验

5.1引言

5.2实验设备和装置

5.3速度/载荷对V形弯曲回弹的影响

5.3.1成形速度对回弹的影响

5.3.2成形载荷对回弹的影响

5.3.3连续弯曲次数对回弹的影响

5.3.4凸模位移量对回弹的影响

5.4速度/载荷对U形弯曲回弹的影响

5.4.1成形载荷对板料弯曲回弹的影响

5.4.2连续弯曲次数对回弹的影响

5.4.3凸模位移量对回弹的影响

5.5实验结果分析

5.6本章小结

6载荷控制下的回弹预测模型

6.1引言

6.2板料弯曲受力分析

6.3校正弯曲回弹预测模型

6.4成形载荷下的回弹预测模型

6.5本章小结

7变速/变载下的拉深成形工艺实验及其成形规律研究

7.1引言

7.2实验装置和实验材料

7.3变速/变载拉深成形工艺实验

7.3.1材料的极限成形速度

7.3.2恒速下的拉深

7.3.3阶梯变化速度模式下的拉深

7.3.4线性加速下的拉深

7.3.5速度变化点对拉深成形工艺的影响

7.4速度影响板料成形极限的机理分析

7.4.1塑性形变对筒壁拉应力的影响

7.4.2摩擦对筒壁拉应力的影响

7.5变速/变载下的成形极限

7.6本章小结

8总结

8.1全文总结

8.2研究展望

致谢

参考文献

附录1攻读博士期间撰写的学术论文