【摘 要】
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板料渐进成形是一种新型的快速无模柔性成形技术,成形过程灵活,适用于单件小批量及定制化的钣金件成形。为了适应难成形材料的成形需求,提升板料的成形性能目前是渐进成形中的研究热点之一。基于摩擦致热的渐进成形可以利用工具头的高速旋转产生摩擦热提高板的局部温度改善其成形性能,但钣金件的成形性能和表面质量却受许多因素影响难以控制。本文在国家自然科学基金项目（U1737210）以及上海市优秀学术带头人计划项目资
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（U1737210）； 上海市优秀学术带头人计划项目（19XD1401900）；
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板料渐进成形是一种新型的快速无模柔性成形技术,成形过程灵活,适用于单件小批量及定制化的钣金件成形。为了适应难成形材料的成形需求,提升板料的成形性能目前是渐进成形中的研究热点之一。基于摩擦致热的渐进成形可以利用工具头的高速旋转产生摩擦热提高板的局部温度改善其成形性能,但钣金件的成形性能和表面质量却受许多因素影响难以控制。本文在国家自然科学基金项目（U1737210）以及上海市优秀学术带头人计划项目资助（19XD1401900）的支持下,分析了各种常见工艺因素对摩擦致热渐进成形中成形温度和工件表面质量的影响;依次通过相关性实验、正交分析等方式,确保表面质量的同时提高了铝合金板料的成形性能,确定了推荐工艺窗口;为预测成形温度场和应力应变场,构建了有效的热力耦合仿真模型,并提出了一种新的加速方法,有效提高了计算效率。本文取得的研究成果如下:结合正交试验和方差分析方法,系统性研究了工具头转速、下压量、进给速度和工具头几何形状对摩擦致热渐进成形中成形温度和表面质量的影响。确定了工具转速对成形温度的影响最大,其次为下压量,平头工具可以进一步提高温度,进给速度基本不会对成形温度造成影响。摩擦致热渐进成形件的表面缺陷有表面切削和表面鱼鳞纹。合理的转速和下压量组合可以避免板料切削;进给速度与转速之比大于2mm可以避免鱼鳞纹缺陷。确定了摩擦致热渐进成形的推荐工艺窗口,以同时保证成形性能和表面质量,并分别用铝合金AA2024-T3和AA5052-H32两种材料对工艺窗口进行了验证。最佳的工艺参数是转速为4500?6000 RPM,下压量为0.15?0.3mm,进给速度为1500?2000 mm/min。最佳成形温度范围为170?200℃（AA2024-T3）、135?150℃（AA5052-H32）。对于摩擦致热渐进成形数值仿真,研究发现:热力耦合仿真的计算效率主要受限于温度场的计算。本研究提出了等效压缩的工具头和缩小板料的热导率设置值两种手段提高计算效率,该加速方法基于传热学原理调整工具几何尺寸和相应物理参数,实现预测温度场的合理等效。前者可以将计算效率提高226%,后者可以将效率进一步提高至316%。本文的研究为旋转摩擦的渐进成形的成形性提高和表面质量控制提供了有效的方法,并为该类工艺的高效热力耦合仿真预测模型的构建提供了参考。
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