基于回转模具的板料塑性连接与轻量化差厚构件整体成形工艺研究

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利用塑性成形实现的板料无铆连接以及筋肋板等带差厚特征整体薄壁构件,在提高结构比强度、比刚度和减重等方面均有着显著优势,但目前相关研究很少,对其变形规律也缺乏深入认识。本文首先归纳了板料的无铆连接方法和带筋板、筒类构件的成形工艺;针对现有轻量化构件整体成形工艺存在的载荷大、变形难控制等问题,结合解析分析、有限元模拟和物理实验,研究了基于“回转成形”概念的辊压连接与网格筋肋板、筒类构件成形规律。主要内容与结论如下:(1)辊压连接质量极易受模具几何形状和运动的影响。考虑在不同位置连接点的变形差异,研究了方形连接点的辊压连接;利用多重线性回归分析对工艺参数进行了优化。研究发现,辊的运动对接头的前/后端互锁的形成有显著影响,但对两侧的影响较小。(2)随着辊径的增加,辊压连接前/后端间隙变化|ΔL|减小,同时前端分离值s减小;本研究中,当辊径从35 mm增加到150 mm时,连接强度提高了44%。增大辊径差w,前端挤压程度减小,该位置连接质量提高,但后端挤压程度增加、连接质量降低;w增加3 mm时,连接强度提高了9%。增大前、后端间隙差t,后端的金属容纳能力增加;当t增加0.6 mm时,连接强度增加12%。前端分离值s受摩擦系数μ、辊径、w和凹模拔模角γ的影响较大,但凸模拔模角β对s的影响很小。(3)基于“回转成形”概念,提出了一种网格筋肋板的辊辗成形方法和一种带筋筒形整体薄壁件的型辊定径环轧方法。新方法将体积成形与辊锻、局部成形、定径环轧结合在一起,能够成形多种类型的带差厚筋肋构件,具有成形效率高、金属流线好、精度高、载荷低等优点。(4)辊辗成形时,变形区形状和下模对制件的约束力与成形翘曲、充不满和穿流缺陷的产生原因密切相关。变形区宽度和高度增加,填充率增加,翘曲减轻,成形力增大,穿流加剧;下模对制件的约束力增加,翘曲减轻;主辊轮半径R、摩擦系数μ和下压量I增加,填充率变好,翘曲减轻,成形力上升。同等质量下,一定范围内增加I比增加R或μ成形力更低。筋间距减小会增大下模对制件的约束力,翘曲减轻。(5)带筋筒形件的型辊定径环轧有下压和稳定环轧两个阶段。筋部下压不易打滑但易在纵筋根部产生折叠,非筋部下压则相反。稳定环轧阶段常伴有错位、干涉、折叠、扭曲和啮合失稳的问题。实际与理论啮合位置的差异是导致错位的根本原因,通过研究无错位条件,并通过解析分析推导实际啮合线L实的预测方程,再结合最小偏移量差ΔX和强制啮合的方法,可防止错位的产生;干涉多由纵筋设计不当导致,通过控制合适的齿轮压力角α可防止干涉的发生;折叠多由后端金属过度堆积导致,加大型辊半径并减小下压量可避免折叠;啮合失稳由后滑产生,无法直接避免,但可用求平均啮合比的方法来逼近真实值。
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