圆锥筒形件卷板成形的数值模拟研究

【摘要】金属板材成形技术在现代社会制造业中的比重越来越大，为了提高企业的竞争力，需要不断地改进成形设备以及优化成形工艺参数来满足现代社会对高质量成形件的要求，圆锥筒形件是一种常见的筒类件，广泛应用在机械重工、航空航天，石油化工，交通运输，建筑等领域，传统的圆锥筒形件成形方法主要是经过大锤敲打或分段折弯成形后拼焊校形而成，上述两种方法都存在生产效率低，劳动强度高，工作环境噪音大，成形精度低，不适合现代社会发展的需要。在普通三辊卷板机上采用分区卷制法卷制的锥形筒件成形质量较差，废品率较高，因此该成形技术也不符合新时代的发展需求。为了寻求高效、快捷的成形方法，本文采用三锥辊卷板成形技术，解决了普通圆辊卷板机两端速度同步的关键问题，可以卷制不同规格的锥筒件，与传统的成形方式相比，该技术更容易控制、成形精度高、成形件的质量更好。针对锥辊卷板成形过程中需要满足一定的几何关系，建立锥辊与扇形板材之间的几何模型，利用有限元模拟软件建立锥辊卷板成形过程的有限元模型，根据不同的工艺参数对模型的部件以及边界条件等相关参数进行设置，并对模拟结果进行后处理，总结出不同工艺参数与成形件尺寸的变化规律。同时，系统的分析了不同工艺参数时锥辊对板材作用力的影响，为新设备的设计开发与成形工艺参数的优化提供理论基础。本文的主要研究内容及结论如下：(1)主要论述了板材卷板成形的原理、应力张量的三种表示方法、材料变形过程中的屈服准则、弹塑性材料的本构方程以及有限元软件的显式算法和隐式算法。(2)详细阐述了锥辊卷板成形主要部件的几何关系以及成形需满足的几何方程，介绍了有限元建模过程中的材料模型、网格单元的划分、边界条件的设置以及接触和摩擦等相关步骤，分析了一个成形件实例的应力及成形力的分布情况。(3)对锥辊卷板成形过程进行数值模拟，并探讨了下压量、外辊中心距、摩擦系数、板材厚度等相关工艺参数对成形质量的影响，分析并总结了各工艺参数对成形件尺寸及质量的影响规律。结果表明：随着下压量的增加，外辊中心距的减小，板材厚度的增加，大圆和小圆的曲率半径逐渐减小；随着摩擦系数的增加，成形件出现了错位的现象，由模拟结果可知，选用摩擦系数为0.3更合适。(4)对锥辊卷板成形过程中的成形力进行研究，探讨了下压量、外辊中心距和板材厚度、板宽和材质等相关工艺参数对锥辊成形力的影响，总结出各参数的规律，结果表明：随着下压量的增加，外辊中心距的减小，板材厚度的增加，材料屈服应力的增大，板材宽度的增加，成形力不断地增大；研究结果对新设备的开发以及设备结构的优化设计具有指导意义。
【作者】宋希斌；
【导师】付文智；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】数值模拟；圆锥筒形件；卷板成形；锥辊；成形力；

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