金属塑性成形中摩擦模型的研究进展

详细论述了当前有关塑性成形摩擦建模现状的几点研究展望。摩擦是塑性成形中一项重要且复杂的边界条件,直接影响成形过程。鉴于目前塑性成形摩擦模型的发展状况,将它们分为经典摩擦模型、基于粘附理论的摩擦模型、引入相对滑动速度的摩擦模型、考虑表面粗糙度的摩擦模型和基于专用测试装置的摩擦模型等五类进行总结,并对各模型的构成、特点和适用范围进行了较为详细的论述。经典摩擦模型由于经典理论的自身不足,很难准确描述塑性成形中的摩擦行为;粘附理论从微观层面更好地解释了摩擦现象,General摩擦模型改善了摩擦模型适用性,但植入有限元程序较为困难;反正切修正提高了摩擦模型的可植入性,IFUM摩擦模型较为真实地反映了相对滑动速度的影响,这类模型已经作为商业化软件中的可选模型;与基于粘附理论的摩擦模型相比,考虑表面粗糙度的摩擦模型更细致地描述了真实接触表面对摩擦的影响。

两种热辅助板料渐进成形技术的适用性研究

热辅助板料渐进成形技术属于传统板料渐进成形技术的一种拓展,特别适用于加工室温条件下难成形的材料。其中,基于摩擦致热原理和电加热原理的热辅助板料渐进成形技术在工艺柔性、装备成本、系统集成复杂度等方面更具优势。主要研究了两种热辅助板料渐进成形技术在加工过程(加工效率和加热效率)中的不同特点;同时,着重探讨了两种技术对不同材料的适用性。研究表明,摩擦致热和电加热板料渐进成形技术在加工效率和加热效率方面各具优势;综合考虑,摩擦致热渐进成形技术更适用于镁合金AZ31B的加工,而电加热辅助板料渐进成形技术更适用于钛合金Ti6Al4V的加工。

能源装备用薄壁钣金构件的成形技术

薄壁钣金构件是机械装备的重要外观和结构件。结合现有的钣金零件生产技术与装备,概述了能源行业用钣金零部件的成形技术现状。重点介绍了燃料电池(PEMFC)双极板凹凸状流道成形技术、核燃料定位格架条带的冲切弯曲成形技术和太阳能电池基板轧制成形技术的研究现状。运用ABAQUS/Explicit软件,通过编写VUMAT用户材料子程序引入材料模型、各向异性屈服准则和韧性断裂准则,建立了一种镍合金核燃料格架条带冲裁成形的三维数值仿真模型。冲裁断口质量的仿真结果与试验获得的光亮带和断裂带的比例分布吻合较好。通过ABAQUS子程序二次开发,实现了历史变形损伤残余由实体单元到壳单元的映射,应用于后续弯曲成形仿真,并与试验结果相对比,验证了损伤映射的必要性和准确性。

微细制造新技术—半固态微成形研究进展

介绍了半固态微成形的工艺适用性以及国内外研究进展,对半固态微成形目前研究的本构模型、尺度效应、摩擦机理、模具设计、工艺参数选择、微观组织等进行了总结论述,并对研究中存在的问题进行了简要分析。在此基础上着重论述了不同工艺条件下尺度效应的表现形式、不同本构模型的适用条件以及工艺参数的选择对材料流动和成形件质量的影响,指出了现有本构模型在描述半固态微成形过程中材料流动行为时的不足,提出了适用于半固态微成形本构模型理论研究的前景方向,另外介绍了在半固态微成形中存在明显的液相偏析,成形速度是影响液相偏析的主要原因。最后,对半固态微成形的研究进展进行了总结,并提出了目前该工艺存在的问题和未来应重点关注的方向。

数值模拟技术在微成形研究中的应用

微成形技术具备高生产效率、高材料利用率和优异的成形质量,是一种极具发展前景的高精度加工技术。数值模拟技术作为一种先进的研究手段,可以在塑性加工中对材料的变形和工艺可行性等进行评估和预测,达到节约生产成本、缩短研发周期的作用。主要综述了数值模拟技术在微成形研究中的典型应用。介绍了数值模拟技术在研究材料性质和材料变形方面的应用,包括利用Voronoi方法和晶体塑性方法建立金属多晶体模型,研究了微成形过程中材料的变形机制和尺寸效应,建立了材料摩擦函数、构建了零件粗糙表面,研究了微成形过程中的摩擦行为;将晶粒大小、晶体取向与板料模型相关联,研究了微成形过程中薄板的回弹行为和成形极限。除此之外,也介绍了近年来微成形领域的许多新成形技术,如激光辅助微成形、水射流增量微成形、超声辅助微成形,以及数值模拟方法在这些新微成形技术方面的应用。最后,总结了数值模拟技术在微成形研究中所起的作用,并展望了该领域的未来发展趋势。

板材弯卷成形技术的研究进展

板材弯卷成形技术是制造筒形件、锥筒形件、弯曲件乃至变曲率件的有效手段。介绍了对称式三辊弯卷成形、非对称式三辊弯卷成形和四辊弯卷成形三种广泛应用的板材弯卷成形技术,分析了三者的基本原理、特点和区别,概述了板材弯卷成形理论分析和有限元仿真的研究进展。随着弯卷成形技术的复杂化,需要发展新的弯卷成形理论分析模型来适应特定的弯卷成形工艺,必要时需要引入数值仿真研究弯卷成形过程。

能场辅助拉深成形技术研究进展

为满足工业发展和环境保护的需要,难变形材料和复杂轻型结构的应用越来越多,对于复杂、薄壁深拉深零件,传统拉深工艺受限于成形极限,通过工艺参数调整和模具结构优化仍难以满足要求。能场辅助拉深通过将力场、温度场、电场、磁场和振动场等物理场引入拉深过程,可以改善坯料与模具的接触条件,改变材料的力学响应行为,从而控制材料合理流动,提升材料的拉深性能,从能场辅助的角度,综述了不同能场辅助拉深成形技术的最新进展,分析了其工艺特点和内在机理,并指出其存在的问题和进一步的研究方向。

金属温热成形模具磨损问题的研究进展

从模具磨损机理、模具磨损预测模型和模具磨损预防及使用寿命提高等方面介绍了金属温热成形模具磨损问题的研究进展。在模具磨损机理方面,简述了几个经典的磨损理论并讨论了模具材料因素和工艺条件因素对磨损机理的影响。在模具磨损预测模型方面,介绍了两大类预测模具磨损的模型和方法。在模具磨损预防及使用寿命提高方面,主要从模具材料改性和成形工艺参数优化两个角度,阐述了提高模具耐磨性、减少模具磨损、延长模具使用寿命的一些措施。对于模具磨损研究有一定的参考价值。

板料数控渐进成形工具转速对材料成形性及表面质量的影响研究

板料数控渐进成形技术作为一种柔性无模成形技术,不仅显著降低了制件的开发成本、缩短了制造工艺的开发周期,而且显著提高了板材的成形性能,能够制造传统方法无法获得的复杂形状零件。着重研究了板料数控渐进成形中不同工具转速条件(即不同摩擦条件和温度条件)对材料成形极限和表面质量的影响。研究表明,随着工具转速的提高,材料的成形性逐渐改善,而表面质量对工具转速并不敏感。

切割工艺对超高强度钢边部质量及成形性能影响的试验研究

选用DP980-1. 6 mm、QP1180-1. 2 mm和MS1180-1. 4 mm 3种超高强度钢材料,研究了冲裁间隙和凸模刃口角度对冲裁断面的影响。结果显示,DP980和QP1180对冲裁间隙的变化更加敏感,在冲裁间隙过大时,毛刺高度明显增大导致断面质量极度恶化。通过切割边部显微硬度的变化,对比了冲裁和线切割两种工艺下边部影响区的大小,结果表明冲裁边部显微硬度值高,且影响区宽度较大。采用基于数字图像相关法的切边拉伸试验,探究了冲裁、冲裁+打磨和线切割3种工艺对边部拉伸性能的影响,冲裁+打磨可以改善边部质量,提高成形性能。同时,发现相较于DP980和MS1180,QP1180具有较好的局部成形性能。

316LN混晶组织微区塑性变形全场晶体塑性模拟研究

采用全场晶体塑性模拟研究了不同取向粗晶对316LN不锈钢混晶组织微区不均匀塑性变形的影响。通过Monte-Carlo法模拟生成4种不同取向粗大晶粒的混晶组织代表体元模型,并对其施加单向拉伸的周期边界条件。定量分析了混晶组织在拉伸变形过程中的应力和应变分布的宏微观特征。研究结果表明,所有的混晶组织在晶粒层面上均显示出明显的塑性变形不均匀性,并且粗晶内部的应力和应变均低于其周围细晶组织,硬取向粗晶周围的细晶组织承受更大塑性应变,且具有更高的应力,而软取向粗晶周围的细晶组织则承受相对较小的塑性变形,具有更低的应力。

316LN不锈钢混晶组织微区不均匀塑性变形研究

针对核电主管道用钢316LN经常出现的混晶组织,通过实验与晶体塑性有限元分析了混晶组织的晶粒尺寸、取向等微观组织对微区塑性变形特点的影响规律。应用数字图像相关法(DIC)实验定量获得了6%变形条件下的微区变形分布,验证了晶体塑性有限元模型的正确性。通过大变形实验获得了晶粒变形结果和滑移带分布,并用晶体塑性有限元模拟再现了微区变形的不均匀性。研究发现,混晶组织的塑性变形是非常不均匀的,细晶组织具有明显的应力应变集中现象,并发生更明显的晶体转动,而粗晶的整体变形则相对较小,但局部区域亦表现出明显的应变集中和滑移带聚集。

Invar 36合金厚板四辊滚弯成形及回弹规律研究

为了分析Invar 36合金厚板的四辊滚弯成形工艺及工艺参数对滚弯回弹的影响规律,进行了不同板料厚度和工艺参数条件下的Invar 36合金厚板四辊滚弯实验,同时基于ABAQUS有限元平台,利用Swift硬化模型、Mises屈服准则,建立了四辊滚弯有限元模型。通过有限元模拟结果与滚弯实验结果的对比发现,随着设定弯曲半径的减小,模拟精度随之提高。总体而言,有限元模拟结果和实验结果吻合度高,利用该有限元模型可精确预测Invar 36合金板料四辊滚弯成形件曲率半径。综合实验和数值模拟结果表明,弯曲半径越大、板料厚度越小、上下辊夹持力越小,则弹塑性变形中弹性应变占比越大,回弹越显著。

薄板渐进成形数值仿真研究进展

由于板料渐进成形过程的耗时性以及变形机理和接触模型的复杂性,数值仿真面临效率、精度和算法等方面的问题。分析了板料渐进成形数值仿真中显、隐式积分算法的优劣,归纳了网格划分中壳单元、实体单元以及实体-壳单元的不同特点,总结了渐进成形仿真中确定屈服函数、硬化准则和断裂模型的难点与规律。最后,从简化模型、自适应网格、结构对称性、虚拟速度和质量缩放等方面研究如何提高仿真效率,并分析了其中的关键技术、存在的问题以及未来的发展趋势,帮助在仿真的设定、优化与分析方面获得更进一步的理解,推动渐进成形专用仿真技术的发展。

电池壳钢韧性断裂与成形极限研究

针对电池壳钢的韧性断裂与成形极限问题,通过单向拉伸试验获得了材料的基本力学性能,设计了不同形状规格与应力状态的断裂试样,采用半球凸模胀形和缺口拉伸两种试验方案,结合模拟仿真求解了各试样的断裂相关状态变量,利用曲面拟合法识别了MMC、DF2015和Hu这3种韧性断裂准则的控制参数,然后构建了基于多种变量空间的断裂曲面进行对比分析。结果表明,半球凸模胀形试验确定的断裂应变高于缺口拉伸试验。此外,基于半球凸模胀形试验标定的DF2015模型预测的各种应力状态试样的断裂位移更接近试验值。

内齿杯形件复合拉深成形工艺研究

以内齿杯形件为研究对象,提出了一种复合拉深成形工艺。借助数值模拟方法,对一典型内齿杯形件成形过程中的应力及应变分布情况做了详细分析,找出成形过程中壁厚减薄严重的关键位置。此外,在伺服压力机上采用匀速运动模式对复合拉深成形工艺作了验证。结果表明,成形载荷发展趋势与模拟结果具有很好的一致性,复合拉深成形工艺对于内齿杯形件这类零件的成形行之有效。

置氢Ti-55钛合金气胀成形模拟及试验研究

采用有限元分析软件MSC.MARC,对不同氢质量分数的Ti-55钛合金进行恒压超塑气胀成形数值模拟。分析不同胀形压力条件下零件的胀形高度分布规律,确定合理的胀形压力。模拟结果表明,在相同的成形时间内,零件的胀形高度随胀形压力的增加而增加。在胀形压力为4MPa时,氢质量分数为0.3%的Ti-55钛合金的胀形高度明显高于未置氢合金和氢质量分数为0.1%的Ti-55钛合金,高径比达到1.56,表现出良好的塑性变形能力。根据数值模拟结果,选取胀形压力为4 MPa下进行超塑气胀成形试验,试验与模拟的胀形高度误差均在9%以内,验证了数值模拟结果的可靠性。

Ti-55钛合金三层空心结构件的超塑成形/扩散连接工艺研究

研究了Ti-55钛合金的超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺。采用了先DB后SPF的工艺流程,确定了合理的工艺参数,成形出了Ti-55钛合金三层空心结构件。对三层空心结构件的整体成形质量和壁厚分布进行了分析,整体成形质量较好,厚度分布均匀。研究结果对于使用SPF/DB工艺制造Ti-55钛合金的多层空心结构具有借鉴意义。

金属热成形中考虑界面摩擦及传热的模具磨损模型研究

基于Archard磨损模型,提出了考虑接触面摩擦及传热的修正Archard磨损模型,对DEFORM 3D V6.1进行二次开发,将该修正的磨损模型嵌入有限元软件模拟真实挤压成形过程,分别在坯料的初始温度、模具的预热温度、接触界面传热效应、成形速度等不同条件下对热挤压模具的磨损量进行计算,结果表明,该修正Archard磨损模型能较好地预测热成形模具磨损情况、模具失效及模具寿命。

微槽道半固态成形流动形貌研究

在已有半固态微成形研究的基础上,将半固态技术应用于微槽道成形过程,针对微成形过程中尺度效应带来的充填性较差的问题,提出微槽道触变成形工艺。通过实验成形出具有4个肋板的微槽道特征结构,并采用SEM研究了工艺参数对微槽道肋板流动形貌的影响规律。引入肋板的最大充填率和形状因子对肋板的成形性进行了探讨。结果表明,成形得到的微槽道肋板中的外侧肋板高度大于中间肋板,这一现象与常规尺度挤压不同。在压下量一定的情况下,随着成形温度和挤压速度的增大,外侧肋板的最大充填率下降,形状因子先下降后增大。上述现象可以用半固态材料在成形过程中的触变性和固液共存的微观结构进行很好的解释。