激光复合织构薄壁管弯曲模具成形性能的数值模拟与试验研究

摘要

管材弯曲成形是以管/模具接触为主导的并涉及高度非线性的多因素耦合作用的复杂过程。作为影响接触状态的主要因素，管/模具各接触界面的摩擦特性对成形质量有着不同甚至相反的影响，故存在有益、有害摩擦学作用。因此，提出优化策略以改善管材弯曲成形中的摩擦条件，继而获得精确稳定的薄壁管小弯曲半径弯曲成形。
　　首先，以汽车雨刷系统管为研究对象，利用DYNAFORM有限元模拟软件对高频焊管多步连续弯曲成形过程进行了研究，分析了成形过程中弯管的应力应变分布、壁厚变化及横截面形状演变情况，并进行了试验验证。基于产品的特殊性（较大相对弯曲半径，成形难度较小的特点），研究了多种成形参数（弯曲半径、弯曲角度、相对壁厚、材料特性）对多种成形缺陷的影响规律。
　　其次，基于薄壁管小弯曲半径绕弯成形的苛刻条件，利用DYNAFORM有限元模拟软件对其绕弯成形过程进行了分析，探究了管/模具各接触界面的摩擦特性对不同成形缺陷的影响规律，并确定了各接触界面摩擦系数的取值范围。此外，以壁厚变化率及截面畸变率为优化对象，采用均匀试验法，对薄壁管绕弯成形中的摩擦特性进行优化设计，最终获得了最佳的摩擦系数组合。模拟结果表明:优化后弯管最大减薄率降低了7.06％，最大增厚率降低了10.37％，最大截面畸变率降低了13.84％。以上研究证实了绕弯成形中摩擦学作用的显著性和差异性，同时也验证了在模具表面应用激光复合织构技术的可行性。
　　为了实现对各接触界面摩擦特性的主动优化设计，基于激光微织构和激光毛化工艺试验，确定了最合理的工艺参数范围。激光微织构工艺试验揭示了单脉冲能量是决定微织构形貌尺寸的关键指标。
　　最后，以薄壁管绕弯成形模具为研究对象，在各模具表面设置相应的增摩毛化形貌及减摩微凹坑形貌，实现对接触界面摩擦特性的主动设计。此后，进行了织构前后薄壁管绕弯成形对比试验，以验证激光复合织构技术应用的可行性及技术效果。试验结果表明:衡量指标的试验和模拟结果变化趋势基本一致，且相对误差较小。相较于未织构模具成形弯管，织构模具成形弯管最大减薄率下降了5.64％，截面畸变率降低了10.43％。同时，织构模具前后成形弯管均未出现起皱现象。上述研究揭示了，在模具表面应用激光复合织构技术，能够有效地优化绕弯成形中的摩擦特性，进而改善材料流动，使得弯管应力应变分布、壁厚变化及横截面变形更均匀。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题国内外研究进展

1．2．1 管材弯曲成形国内外研究进展

1．2．2 塑性成形中摩擦学作用的研究进展

1．2．3 激光表面微织构的研究进展

1．3 本文主要研究内容及技术路线

1．4 本课题的研究意义

1．5 本课题来源

第二章 管材弯曲成形理论分析

2．1 引言

2．2 管材弯曲成形方式分类

2．3 管材弯曲成形状态分析

2．4 管材弯曲成形缺陷及改善措施

2．4．1 外壁减薄及解决方法

2．4．2 截面畸变及解决方法

2．4．3 起皱及解决方法

2．4．4 回弹及解决方法

2．5 成形参数对成形质量影响的分析

2．5．1 不同应力状态下的壁厚减薄和横截面变化情况

2．5．2 材料参数对管材外壁减薄的影响

第三章 多步连续绕弯成形模型验证及成形参数分析

3．1 引言

3．2 多步连续绕弯成形的数值模拟

3．2．1 板料成形软件DYNAFORM

3．2．2 多步连续绕弯成形有限元模型的建立

3．3 结果分析

3．4 模型可靠性验证

3．5 成形参数对成形质量的影响规律

3．5．1 弯曲角度对成形质量的影响

3．5．2 弯曲半径对成形质量的影响

3．5．3 相对壁厚对成形质量的影响

3．5．4 材料特性对成形质量的影响

3．6 本章小结

第四章 薄壁管绕弯成形中摩擦学作用的数值模拟

4．1 引言

4．2 管材绕弯成形质量的评判

4．2．1 起皱缺陷的评判

4．2．2 管材壁厚变化率的评判

4．2．3 管材截面畸变的评判

4．3 薄壁圆管绕弯过程中的摩擦学作用

4．3．1 薄壁管绕弯成形过程的受力分析

4．3．2 摩擦模型及接触条件的设置

4．4 结果及讨论

4．4．1 管／芯棒间摩擦对薄壁管成形质量的影响

4．4．2 管／防皱板间摩擦对薄壁管成形质量的影响

4．4．3 管／压块间摩擦对薄壁管成形质量的影响

4．4．4 管／弯曲模间摩擦对薄壁管成形截面质量的影响

4．4．5 小弯曲半径下摩擦作用的显著性

4．5 基于均匀性的薄壁管绕弯成形过程中摩擦条件的优化设计

4．5．1 均匀设计简介

4．5．2 优化试验方案

4．5．3 确定模具／管接触界面最优摩擦系数组合

4．5．4 优化前后薄壁管绕弯成形性能对比分析

4．6 本章小结

第五章 激光复合织构前后薄壁管弯曲成形性能对比试验

5．1 前言

5．2 试验设备及检测仪器

5．3 激光微织构工艺试验研究

5．4 激光复合织构方案及实施

5．4．1 夹块激光毛化加工

5．4．2 压块激光毛化加工

5．4．3 弯曲模激光毛化加工

5．4．4 防皱板激光徽织构加工

5．5 薄壁管绕弯成形对比试验

5．5．1 织构模具前后的薄壁管绕弯成形试验

5．5．2 试验结果与分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文