金属管材三维自由弯曲成形研究

摘要

三维自由弯曲成形技术是塑性成形技术领域近几十年来革命性的技术创新。该技术将先进的多轴伺服联动控制技术与塑性成形加工技术相结合，通过多轴伺服联动控制弯曲模的运动轨迹实现复杂构件的弯曲成形。相对于传统的管材弯曲成形技术，该技术成形精度高、零件形状复杂、回弹容易控制，在航空航天、核电、汽车、船舶等重要军民工业领域具有重要的应用价值。因此，开展三维自由弯曲成形机理及成形工艺研究、关键工艺参数对成形结果的影响规律研究、三维自由弯曲成形工艺装置的研制对推动我国航空航天等先进制造业整体技术水平的提升具有重要意义。 本文基于三轴结构的自由弯曲成形基本原理，对金属管材自由弯曲成形机理及成形工艺，关键工艺参数对成形结果的影响规律以及相关成形工艺装置的研制开展了深入的研究工作。 (1)基于三轴结构自由弯曲成形装置的基本原理，进行了自由弯曲成形机理及成形工艺分析。分析了自由弯曲成形过程中管坯上的应力、应变分布规律及中性层变化规律；构建了自由弯曲成形偏心距-弯曲半径数学模型并设计了复杂构件自由弯曲成形工艺解析方法，获得了成形系统空间运动轨迹分布特点。 (2)借助于建立的自由弯曲成形有限元分析计算模型，研究了关键参数对成形结果的影响规律。首先，通过有限元仿真计算，验证了本文所设计的复杂构件自由弯曲成形工艺的可靠性。其次，通过有限元仿真分析了模具与管坯之间的间隙、导向机构倒角半径、摩擦系数、送料速度对成形结果的影响规律。 (3)研制了三轴结构的自由弯曲成形工艺装置。设计了包括球面轴承、弯曲模、导向机构等在内的自由弯曲成形模具并研制了自由弯曲成形相关工艺装置。研究了弯曲模偏心距U与管坯弯曲半径R之间所满足的函数关系并进行了典型平面及三维空间零件的自由弯曲成形实验。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2常规弯曲成形技术

1.2.1绕弯成形

1.2.2滚弯成形

1.2.3推弯成形

1.2.4压弯成形

1.3三维自由弯曲成形技术

1.3.1三维自由弯曲成形技术简介

1.3.2三维自由弯曲成形技术研究现状

1.3.3三维自由弯曲成形装备研发现状

1.4研究内容及研究意义

1.4.1本文研究内容

1.4.2本文研究意义

第二章 自由弯曲成形机理及工艺分析

2.1引言

2.2三轴自由弯曲成形基本原理

2.3自由弯曲成形应力应变分析

2.4三轴自由弯曲成形工艺分析

2.5本章小结

第三章 三维自由弯曲成形有限元模拟研究

3.1引言

3.2管坯基本力学性能测试

3.3三维自由弯曲成形有限元模型建立

3.3.1有限元分析软件ABAQUS简介

3.3.2几何模型和网格划分

3.3.3材料模型及边界条件定义

3.4自由弯曲成形工艺验证

3.5不同成形阶段应力应变结果分析

3.6自由弯曲成形力计算

3.7关键参数对成形精度及成形质量影响规律分析

3.7.1管坯与模具之间间隙对成形结果的影响

3.7.2摩擦系数对成形结果的影响

自由弯曲成形过程涉及多模具、多因素的复杂耦合作用，任一参数的变化均会对管材成形后的截面畸变、回弹、壁厚均匀性等造成影响。在诸多影响因素中，摩擦系数是描述自由弯曲成形过程中管坯与模具之间接触作用的主要参数。管坯与模具之间摩擦系数的大小直接影响成形过程中管材的变形条件和材料流动状态。摩擦系数是否恒定直接影响自由弯曲成形过程的可重复性及成形精度，而摩擦系数的大小则直接影响管坯的成形极限和成形后的质量。因此研究管坯与模具之间的摩擦系数对成形结果的影响对于提高管材成形极限和成形质量具有重要意义。

3.7.3导向机构倒角半径对成形结果的影响

3.7.4轴向送料速度对成形结果的影响

3.8本章小结

第四章 典型构件自由弯曲成形实验研究

4.1引言

4.2三轴自由弯曲成形工艺装置设计

4.2.1设备总体方案

4.2.2成形机构设计

4.2.3X/Y向运动机构设计

4.2.4Z向运动机构设计

4.2.5工艺控制软件设计

4.3三维复杂构件几何尺寸测量方法

4.4管坯变偏心距成形实验研究

4.4.1U-R关系拟合

4.4.2变偏心距下管坯成形质量变化规律

4.4.3针对U-R曲线的修正方法

4.56061-T6铝合金管二维平面自由弯曲成形实验研究

4.66061-T6铝合金管三维空间自由弯曲成形实验研究

4.7本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2展望

参考文献

致谢

在学期间的主要研究成果