基于ABAQUS的单点增量成形的数值分析

单点增量成形是一种新型的无切削无模具板料成形的方法,工业生产中可以缩短产品周期,节约生产成本,有着一般成形方法所不具有的优势。本文运用有限元软件Abaqus分析其主要工艺参数:工具头直径d、层间距ΔZ、板料厚度(sheet thickness)sth对单点增量成形的影响,并通过模拟仿真对增量成形反应板料厚度变化规律的正弦定律进行验证,同时分析正弦定律得出板料厚度的分布大于数值仿真的原因。根据数值仿真中板料厚度的分布提出对成形件的分区,同时分析出其应用。

金属板料单点增量成形的径向精度研究

金属板料单点增量成形件精度不足是制约该技术发展的一项重要因素,径向精度是成形件精度的重要组成部分。金属材料采用1060铝板,主要对单点增量成形过程中造成径向误差的原因进行分析,利用Abaqus有限元分析软件,建立单点增量成形有限元模型,分析工具头直径、层间距、进给速度、板料厚度、成形角度等工艺参数对径向误差值的影响,并通过实验验证有限元模拟的正确性。结果表明:径向误差值随着工具头直径、层间距、成形角度和板料厚度的增大而增加,进给速度对径向误差影响不显著。

Q235钢薄板单点增量成形延性破损的有限元模拟

将损伤力学中的破损应变、三轴应力和应变比等参数作为Q235钢薄板出现延性破损的标准,以成形圆锥台件为例,运用ABAQUS有限元软件对Q235钢薄板单点增量成形的延性破损进行了有限元模拟,并进行了相关的试验验证。结果表明:在Q235钢薄板的成形区域上,板料的厚度分布不均匀;圆锥台件底部和顶部的厚度变化率呈对称分布,中部的厚度最薄,是最易出现延性破损的区域;模拟结果能较准确地预测出Q235钢薄板发生延性破损的位置,试验结果证明了所建有限元模型的正确性。

多波纹金属管单点增量成形试验与模拟研究

建立基于ABAQUS/Explicit的金属波纹管单点增量成形有限元模型,进行双波纹金属管成形过程的相关数值分析与模拟,分析两组波纹间等效应力-应变以及波纹轮廓高度的变化分布。针对T3紫铜材料,进行仿真和试验结果的对比。结果表明:所建立的单点增量成形多波纹金属管有限元仿真模型可靠且有效;波纹连接区最易出现缺陷并产生较大的轮廓误差。

金属板料单点增量成形厚度减薄率的预测与控制

金属板料单点增量成形过程中成形区域厚度减薄率过大是影响成形极限的一项重要因素,预测成形区域壁厚是控制减薄率的重要方法。选取1060铝板,对单点增量成形过程中的壁厚变形过程进行分析,利用Abaqus有限元分析软件,建立单点增量成形有限元模型,利用仿真结果拟合出精度较高的壁厚预测公式,分析工具头直径、层间距、进给速度、板料厚度、成形角度等工艺参数对减薄率的影响规律,并通过试验验证有限元模拟的正确性,并提出通过改变成形轨迹控制减薄率的方法。结果表明:拟合出的壁厚预测公式所求得壁厚值比正弦定理所求得的壁厚值更接近实验值;壁厚减薄率值随着工具头直径、成形角度和板料厚度的增大而增加,随层间距的增加而减小,进给速度对减薄率影响不显著,成形角度是影响减薄率的最重要因素;采用压入点均布的成形轨迹可有效减小减薄率。

单点增量成形U型金属波纹管的试验研究

分析了工业领域中塑性成形管件加工的工艺制造需求和研究现状,介绍了单点增量成形金属波纹管的工作原理。为获得工艺参数对成形过程及成形质量的影响规律,建立了基于Abaqus/Explicit的U型金属波纹管单点增量成形有限元模型,搭建实验平台,开展了试验研究。针对T3紫铜材料,通过不同加工工艺参数下的试验,以波纹成形高度为成形质量检测指标,获得了单点增量加工过程中层间距、主轴转速、轴向进给速度对加工结果的影响规律。结果表明,主轴转速对金属波纹管成形波纹高度影响最大,其次为层间距,而轴向进给速度对成形质量影响不显著。在主轴转速为450 r/min,层间距为0.25 mm,轴向进给速度为0.2 mm/r时为最优工艺参数,金属波纹管单点增量成形质量好、精度高。通过仿真和试验结果对比,验证了此优化结果的可靠性。为进一步应用该工艺提供了参考。

金属波纹管单点增量成形过程研究

将单点增量成形技术引入金属波纹管成形,提出了一种金属波纹管单点增量成形工艺。基于ABAQUS/Explicit建立增量成形波纹管仿真模型,分析成形过程中成形力的演变,以及成形应力、材料局部变形位移和塑性应变分布的特点;建立了波纹管单点增量成形实验平台,采集成形过程数据并分析实验数据。结果表明:X向分力在增量成形管壁中的数值最大,其次是Y向分力和Z向分力;斜面拉伸区和圆弧过渡区的塑性应变大,该区域管壁容易发生过度减薄和断裂。

金属板材单点增量成形过程成形力的研究

针对45°圆锥台件的单点增量成形过程,分别通过理论解析、实验验证、ABAQUS/Explicit有限元仿真对成形过程中成形力的变化规律进行研究。在验证有限元模型正确的基础上,进一步得到轴向进给和走等高线这两部分的成形力,并对其大小和变化规律进行研究。结果表明,轴向进给时的轴向力明显大于走等高线时的轴向力,因此成形设备和成形工具的设计应充分考虑轴向进给时的轴向力。

响应面法在单点增量成形质量控制多目标优化中的应用

成形质量差是制约单点增量成形技术发展和商业化的主要因素之一,成形质量包括成形件的表面质量和几何误差。以典型圆锥形制件为研究对象,采用Box-Behnken Design实验方法,设计四因素三水平实验方案,利用响应面法研究工具头直径、层间距、板厚和成形角对表面粗糙度和几何误差的影响,并分别建立表面粗糙度和几何误差的二阶响应模型,最后利用响应模型分别对表面粗糙度和几何误差进行独立和同步优化。结果表明,层间距和板厚分别是影响表面粗糙度和几何误差最显著的因素。使表面粗糙度和几何误差同步最优的工艺参数组合为工具头直径16.0 mm、层间距0.5 mm、板厚0.57 mm、成形角65°,此时表面粗糙度和几何误差分别为0.97μm和1.939 mm。

超声振动单点增量成形力研究

在单点增量成形过程中,不同的工艺条件和成形力会造成接触点的应力应变状态发生较大的变化,引起板料破裂、堆积、起皱等缺陷,降低成形质量和精度。本文提出了一种基于数控技术的超声振动单点增量成形方法,通过改变工具头与成形件之间的瞬时接触状态、润滑条件以及材料的变形机理,进而降低成形力,提高成形质量。以Hass数控机床作为实验平台,设计开发了超声振动主轴以及板料夹持系统,建立了基于Kistler的成形力测试系统,通过大量成形实验,获得不同工艺和振动条件下的成形力的变化规律。

基于响应面法的单点增量成形过程变形能优化

单点增量成形过程中的变形能对加工成本控制及工具头与材料之间的热效应和摩擦效应有直接影响。以典型圆锥形制件为研究对象,采用BBD实验方法,设计四因素三水平实验方案,利用响应面法研究工具头直径d、层间距Z、板厚t和成形角α对变形能的影响,并得到变形能的多元二次预测模型,最后以变形能最小为目标对该模型进行优化。实验结果表明:板厚对变形能的线性影响最显著,随着板厚的增大变形能增大,工具头直径越大所需变形能越大,成形角增大时所需的变形能增大;变形能最小的工艺参数组合是工具头直径4.0mm、层间距0.95mm、板厚0.57mm、成形角45°。

单点增量成形制件整体精度研究

以典型圆锥台作为研究对象,由材料的变形机理出发,解析制件整体精度的机理和主要影响因素。采用Box-Behnken设计(BBD)试验方法,对主要影响因素中的工具头直径、层间距、板厚、成形角设计四因素三水平曲面响应试验,建立两个方向上几何误差的二阶响应模型,得到工艺参数对制件在水平方向和垂直方向上精度的单一及交互影响规律。最后,利用响应模型对两个方向几何误差进行同步最小优化,得到制件整体精度最优时的工艺参数组合:工具头直径6 mm、层间距0.5 mm、板厚1 mm、成形角45°,此时两个方向的几何误差分别为1.914 6 mm和-0.157 mm,实现了制件整体精度的工艺优化和稳健控制。

静压支撑-单点增量成形制件减薄率研究

为解决单点增量成形制件因减薄不均而产生的破裂问题,将静压支撑技术引入到成形过程中进行辅助成形。首先,对静压支撑-单点增量成形机理进行分析,根据减薄程度对制件进行区域划分;然后,利用数值模拟研究不同静压条件下制件各区域的减薄率变化规律;最后,搭建静压支撑-单点增量成形实验平台验证模拟结果。结果表明,Ⅱ区域减薄率沿结点路径增大,在距离板料边缘37. 5 mm处达到最大值,且随成形深度增加,减薄率在Ⅱ区域中间位置略有降低,至底端附近又有增加。减薄率随静压参数的增大而减小,实验结果和仿真结果的误差小于5%。相比单点增量成形,静压支撑-单点增量成形技术可以有效提高和控制制件壁厚的均匀性,延缓或避免了制件的破裂。

金属板材单点增量成形过程变形区厚度研究

金属板材单点增量成形变形区厚度是影响零件强度和质量的重要因素,一般认为板厚遵循余弦定理只与成形角大小有关。针对圆锥件,分别通过理论计算、有限元仿真和实验对变形区厚度进行研究。将变形区厚度分区域研究,并分析工具头直径、层间距、压板内径以及成形轨迹对各区域板厚变化的影响,结果表明大的工具头直径和小的压板内径有助于减小板厚减薄率,提高板厚的均匀化程度;大的层间距可以提高板厚达到稳定值的速度;压入点均布轨迹可以增加最小板厚和平均板厚,对板厚的均匀化程度没有影响。

圆锥台单点增量成形件残余应力研究

单点增量成形过程中残余应力分布与成形件的尺寸精度有着密切的联系。该文以圆锥台件为例,采用1060铝板,首先对残余应力方向进行定义,然后分别通过ABAQUS有限元仿真和实验验证对成形件的等效塑性应变和残余应力进行研究,并根据残余应力分布将成形件沿高度方向进行分区研究。结果表明:采用三维实体模型能准确模拟成形件的残余应力分布,成形件中残余应力主要集中在成形区,且垂向残余应力值较小;弯曲过渡区、平面伸长区和底部变形区的横向残余应力的性质由内到外依次为拉-压、压-拉、拉-压,纵向残余应力则均呈拉应力-压应力的变化。

锥形件单点增量成形过程应变状态研究

通过理论计算、有限元仿真和实验分别研究圆锥形件和方锥形件不同区域的应变状态,并对工具头直径对应变分布的影响以及方锥形件不同拐角半径的应变分布进行研究,结果表明圆锥形件存在平面应变、拉-拉和拉-压这3个区域;方锥形件在4个拐角处处于拉-拉区域,发生双向拉伸变形;工具头直径越大,板料发生双向拉伸的程度越明显;方锥形件拐角越大,拐角处越接近平面应变状态。

圆锥形单点增量成形件轴向精度研究

金属板料单点增量成形件精度不足是制约该技术发展的一项重要因素,轴向精度是成形件精度的重要组成部分。首先,以1060铝板圆锥台件为成形对象,对单点增量成形过程中造成轴向误差的原因进行分析。然后,对成形过程建立有限元模型,通过数值模拟的方式探讨成形件轴向误差在不同工艺参数下的变化规律,选取的工艺参数有成形角、层间距、板料厚度、进给速度以及工具头直径。接着,根据相应的实验验证数值模拟的结果。最后给出提高轴向精度的方法。结果表明:轴向误差值随着工具头直径、层间距、进给速度、成形角度和板料厚度的增大而增加,而采用高度补偿和提高工具头转速可以有效降低轴向误差,提高成形件精度。

静压支撑-超声振动单点增量成形件几何误差试验研究

在单点增量成形过程中,板料的悬空特性和制件的回弹效应使成形过程易发生失稳,制件易产生起皱和破裂等缺陷。为解决制件的悬空区失稳和回弹问题,将静压支撑和超声振动引入单点增量成形技术中进行辅助成形。以典型圆锥台为研究对象,针对制件在轴向和法向几何误差的产生机理,设计相应的静压支撑系统和超声振动系统,通过试验研究静压支撑和超声振动对工件轴向误差和形面法向误差的影响规律。结果表明:静压支撑能够降低工件轴向误差41.98%;超声振动可以降低形面法向误差84.21%.

单点增量成形件残余应力对精度的影响

为研究单点增量成形件残余应力分布情况以及不同工艺参数对残余应力和轴向精度的影响,对成形材料1050铝进行性能分析。用ABAQUS有限元软件建立单点增量成形圆锥台件三维实体有限元模型,根据模拟结果分析工具头直径D、层间距ΔZ、主轴转速W和进给速度F对残余应力分布规律的影响,进而分析对轴向精度的影响,并通过实验验证仿真结果的有效性。研究表明:在较小的工具头直径和层间距、合适的主轴转速和较高的进给速度的条件下,可以获得较好的残余应力分布状态和较高的成形件轴向精度。

铝合金单点增量成形轴向成形力实验与仿真

开展十字锥台零件单点增量成形实验,并测量了成形过程中的轴向成形力,研究轴向成形力变化规律。其次应用Abaqus有限元分析软件,分别选择不同的硬化准则和网格模型对零件外侧壁的成形进行仿真,结果显示,使用voce硬化准则和实体网格的局部有限元模型能够更准确的预测轴向成形力,在成形进入稳定后,仿真得到的轴向成形力与实验值的误差约为12.3%。基于此仿真模型研究了不同工具头半径,层间距和板厚对轴向成形力的影响,通过3参数3因素正交分析表明,板厚因素对成形力对轴向成形力影响最大。为了预测加工不同厚度板料时的轴向成形力,拟合得到板厚与轴向力的指数关系,具有较高的预测精度。