薄板件台阶断面FCF加工法的工艺与理论研究

论文摘要

现今,冲压和冷锻加工的内容已比较丰富,加工形式已经相当繁多,基本工序及派生工序均各有几十种,且仍在不断发展。随着冷压成形工艺技术的迅速发展及其应用范围的不断扩大,许多结构零件都采用板料制备而成。近年来,比较时兴籍板类零件与体积成形的结合加工,即FCF加工法（flow cntrol forming of sheet metal）,不仅能保证零件有足够的精度和强度,生产成本低,而且快速高效,制件质量稳定,促生了一些新零件的批量生产。因此,将板料冲压成形和冷锻体积成形工艺相结合的FCF加工法成为冷压加工技术的主要发展方向之一,越来越引人注目。针对某种产品或一项特定指标的需要,研发一种冷压复合新工艺,进而分析其工艺本源内容,对学术理论和生产实际都有重大的意义和价值。论文针对在料厚方向上有台阶形的薄板零件,于导师构想的“金属板料台阶断面冲裁件的制造方法及模具”的前提下,对FCF加工法新工艺、新模具乃至冷压成形技术的研究,是结合有限元数值模拟、工艺实验观察和理论分析计算这三方面来进行的。数值模拟手段已成为评价设计的重要手段,对其仿真结果的解释和说明也需要设计者的理论经验和工艺知识来进行分析和判断。基于金属塑性成形有限元基本原理和关键技术的应用,运用商用有限元分析软件DEFORM,建立了科学而有效的2D和3D模型,在模拟获得的工件材料变形过程、应力应变分布情况、速度场分布及力一行程曲线等仿真结果中,发现和挖掘工艺内涵和技术知识,为试验研究和理论分析打下了良好的基础。本文的主要研究内容和创新点为:（1）利用工艺试验手段,首先针对台阶形内孔薄板件和台阶形外缘薄板件,分别将凸模、凹模设计成台阶形状进行组配,制作了相应的台阶冲孔和台阶落料简易工艺试验模。使用AL-1100铝板,对台阶冲孔工艺和台阶落料工艺进行了简易工艺试验,验证了数值模拟研究结果,并提出了一个台阶冲孔的合理压边条件。（2）在简易工艺试验和数值模拟结果吻合的情况指导下,一种外缘台阶形且内部有台阶孔的薄板零件,设计制造了一副冲压冷锻组合模具,在压机的一次行程中,用铝、铜板材料完成多个冷压工艺基本工序单元的组合,成形出这种外缘和内孔均有台阶形状的薄板零件。并结合数值模拟测量和工艺试验分析,提出了一个此类台阶薄板零件结构设计的定量参考依据,即孔与外缘台阶壁间距δ的合理数值范围,进一步验证分析了本FCF新工艺的可行性和有效性。（3）在理论分析方面,对材料的冷作硬化效应进行了探讨,并分析了台阶高度、台阶内孔径及台阶外缘径等对工件台阶成形性能的影响。参考对比了现有的冷压成形力计算公式,指出材料的成形分析主要以冲裁和挤压为主,且有二次硬化效应,提出了台阶断面FCF加工法成形力的一种计算公式,其计算结果和数值模拟及工艺试验是十分吻合的。研究表明,台阶断面薄板件FCF新工艺是是新颖的、可行的。利用这种数值模拟指导工艺试验、结合理论分析计算的研发手段和路线,能为快速高效地研发冷压成形复合新工艺,拓展板类零件成形的应用范围,提供了很有价值的参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 金属塑性加工与冷压成形概述
• 1.2 冷压成形技术研究概况
• 1.2.1 近代冷压技术的发展简况
• 1.2.2 冷压成形工艺理论方面的创新
• 1.2.3 数字化技术方面的创新
• 1.2.4 国内外实验和模拟研究进展
• 1.3 板材成形工艺复合新技术
• 1.3.1 精冲复合工艺
• 1.3.2 FCF加工法
• 1.4 薄板件冲裁工艺研究
• 1.4.1 普通冲裁变形过程及断面分析
• 1.4.2 提高冲裁件断面质量的工艺
• 1.4.3 台阶形断面成形工艺分析
• 1.5 本文的主要研究工作
• 1.5.1 研究基础
• 1.5.2 本文的研究内容
• 第2章 冷压成形工艺研究及一种 FCF新工艺构想
• 2.1 引言
• 2.2 冷锻复合新工艺的试验研究
• 2.2.1 零件对象分析
• 2.2.2 工艺试验过程
• 2.2.3 模具及工艺分析
• 2.3 冲压复合新工艺的试验研究
• 2.3.1 零件对象分析
• 2.3.2 模具及工艺设计
• 2.3.3 原理实验与生产性实验
• 2.4 一种FCF新工艺构想
• 2.5 本章小节
• 第3章 金属塑性成形有限元理论基础及关键技术
• 3.1 引言
• 3.2 有限元模拟的理论基础
• 3.2.1 有限变形的应力、应变度量
• 3.2.2 静力平衡微分方程及应力边界条件
• 3.2.3 增量理论有关准则
• 3.3 CAE软件的选用
• 3.3.1 金属成形 CAE软件概览
• 3.3.2 DEFORM软件
• 3.4 断裂问题的处理
• 3.4.1 韧性断裂准则
• 3.4.2 单元删除法
• 3.5 其他技术问题的处理
• 3.5.1 非线性问题的处理
• 3.5.2 摩擦问题的处理
• 3.5.3 网格重划分技术
• 3.6 本章小结
• 第4章 薄板件台阶断面 FCF新工艺的模拟分析
• 4.1 引言
• 4.2 台阶断面落料工艺及模拟分析
• 4.2.1 台阶断面落料零件对象
• 4.2.2 台阶断面落料工艺设计
• 4.2.3 模拟建模和模拟分析
• 4.3 台阶断面冲孔工艺及模拟分析
• 4.3.1 台阶断面冲孔零件对象
• 4.3.2 台阶断面冲孔工艺设计
• 4.3.3 压边条件的模拟研究
• 4.3.4 模拟结果及分析
• 4.4 台阶断面落料冲孔复合工艺及模拟分析
• 4.4.1 零件对象
• 4.4.2 复合工艺设计
• 4.4.3 3D有限元模拟
• 4.5 本章小结
• 第5章 薄板件台阶断面 FCF新工艺的试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 简易工艺试验
• 5.2.1 台阶断面落料工艺试验
• 5.2.2 台阶断面冲孔工艺试验
• 5.3 台阶断面落料冲孔复合工艺试验
• 5.3.1 零件对象
• 5.3.2 模具结构设计
• 5.3.3 试验条件
• 5.3.4 试验结果与分析
• 5.3.5 台阶壁间距δ
• 5.4 本章小结
• 第6章 薄板件台阶断面 FCF新工艺的理论研究
• 6.1 加工硬化分析
• 6.2 台阶形状分析
• 6.2.1 台阶高度
• 6.2.2 台阶内孔径
• 6.2.3 台阶外缘径
• 6.3 成形力的研究
• 6.3.1 冲裁力及反顶力
• 6.3.2 成形力推导依据
• 6.3.3 成形力新公式推导
• 6.3.4 公式计算与试验结果
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 主要创新
• 7.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果