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层状金属复合板件等离子体弧柔性成形技术基础研究

宋文庆  
【摘要】:层状金属复合板材(例如不锈钢/碳钢复合板、钛/不锈钢复合板)是由两种或者两种以上性能不同的单组元金属材料通过特殊工艺制备而成的。它兼具各组元材料的优点,可以在满足使用要求的前提下,大大减轻设备重量,节约大量稀贵金属,具有综合性能好、价格相对低廉的特点,在航空航天、船舶、汽车、石化等行业具有广阔的应用前景。但是,相对于层状金属复合板材制备技术日益成熟而言,层状金属复合板件柔性成形技术匮乏成为制约复合板材广泛应用的重要原因。等离子体弧柔性成形是近年来出现的一种板壳类工件柔性成形新技术,该技术在成形过程中不需要机械外力和工模具,依靠对板材不均匀加热引起的内应力驱使板材产生弯曲成形,不受板材几何尺寸限制,因而在大型板壳类工件的单件、小批量生产中具有良好的应用前景和巨大的开发潜力。 本文在分析国内外相关研究现状的基础上,提出了等离子体弧柔性成形层状金属复合板壳类工件的新构想,针对成形过程中存在的实际问题,采用理论分析、数值模拟与实验相结合的研究方法,对层状金属复合板件等离子体弧柔性成形机理、成形方向控制、成形规律、成形失效机制、能量控制等关键问题展开了研究,在此基础上,通过对目标曲面进行路径规划,成形出了典型板壳类工件,并对成形件热影响区材料的组织与性能进行了研究。论文的主要研究工作如下: 为定量描述等离子体弧作用下层状金属复合板件的传热规律和力学行为,基于等离子体理论和大变形弹塑性有限元理论,结合层状金属复合板材的结构和性能特点,采用热力间接耦合非线性有限元分析方法,分析了单元类型、材料特性、几何模型与网格划分、移动热源处理、时间步长选取以及边界条件加载等方面的问题,建立了层状金属复合板件等离子体弧柔性成形的三维瞬态温度场与变形场有限元模型。在此基础上,研究了层状金属复合板件成形过程中温度场、变形场的变化规律。并通过实验对所建有限元模型的有效性进行了验证。 为掌握等离子体弧作用下层状金属复合板件的变形规律,在分析层状金属复合板件等离子体弧柔性成形的三种基本变形形式:正向弯曲、反向弯曲、镦粗的基础上,通过对复合板成形过程中温度、应力、位移变化的模拟,研究了复合板成形过程中的成形机理;通过大量实验并结合数值模拟,提出了控制复合板弯曲方向的判别系数E;研究了工艺参数、板材几何尺寸、扫描次数对复合板弯曲角度的影响规律。 为防止层状金属复合板件在等离子体弧柔性成形过程中出现界面分层、复层起皱、开裂,导致成形失效,在综合考虑层状金属复合板件界面结合状况、缺陷特点的基础上建立了含缺陷层状金属复合板件有限元模型,研究了缺陷对复合板温度场、变形场的影响规律,为优化工艺参数,有效控制各组元的应力、应变行为提供了理论基础;通过弯曲实验,探讨了含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形的变形规律。研究表明,由于等离子体弧是在加热状态下累积成形的,每次板材弯曲角度较小,使得层间剪切应力和剥离应力远小于复合板的结合强度,不会出现复层和基层开裂、分层,但是缺陷的存在,会引起缺陷局部温度陡升,导致板材局部熔化,影响成形件表面质量,需要在成形中适当控制等离子体弧的能量输入。 为灵活控制等离子体弧加热区宽度,解决不同厚度比复合板的成形问题,本文构建了基于外加横向交变磁场调节的等离子体弧柔性成形的能量控制装置,通过理论分析磁场作用下等离子体弧的运动特性,建立了层状金属复合板件等离子体弧柔性成形能量控制模型,研究了有、无磁控、弧柱摆动频率、摆动幅度对复合板温度场、变形场的影响规律,并通过实验对所建的模型的有效性进行了验证。研究表明,通过横向交变磁场,不但可以灵活控制加热区的宽度,使加热区内的热流密度分布均匀,而且可以使垂直于加热线方向的塑性变形由“V”型分布转变为“U”型分布,有利于成形圆弧类工件。 根据数值模拟与实验的研究规律,通过对目标曲面进行路径规划,对简单V形折弯件、正弦曲面、圆弧曲面、锥形面等典型零件进行了成形实验,进一步加深了对层状金属复合板件等离子体弧柔性成形规律的认识,为该技术的实际工业应用奠定了基础;研究了热影响区材料的微观组织、力学性能以及界面元素的分布情况,为优选成形工艺参数提供了参考依据。


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