層狀金屬復(fù)合板件等離子體弧柔性成形技術(shù)基礎(chǔ)研究

層狀金屬復(fù)合板件等離子體弧柔性成形技術(shù)基礎(chǔ)研究層狀金屬復(fù)合板材(例如不銹鋼/碳鋼復(fù)合板、鈦/不銹鋼復(fù)合板)是由兩種或者兩種以上性能不同的單組元金屬材料通過特殊工藝制備而成的。它兼具各組元材料的優(yōu)點(diǎn),可以在滿足使用要求的前提下,大大減輕設(shè)備重量,節(jié)約大量稀貴金屬,具有綜合性能好、價(jià)格相對低廉的特點(diǎn),在航空航天、船舶、汽車、石化等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,相對于層狀金屬復(fù)合板材制備技術(shù)日益成熟而言,層狀金屬復(fù)合板件柔性成形技術(shù)匱乏成為制約復(fù)合板材廣泛應(yīng)用的重要原因。等離子體弧柔性成形是近年來出現(xiàn)的一種板殼類工件柔性成形新技術(shù),該技術(shù)在成形過程中不需要機(jī)械外力和工模具,依靠對板材不均勻加熱引起的內(nèi)應(yīng)力驅(qū)使板材產(chǎn)生彎曲成形,不受板材幾何尺寸限制,因而在大型板殼類工件的單件、小批量生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景和巨大的開發(fā)潛力。本文在分析國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出了等離子體弧柔性成形層狀金屬復(fù)合板殼類工件的新構(gòu)想,針對成形過程中存在的實(shí)際問題,采用理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,對層狀金屬復(fù)合板件等離子體弧柔性成形機(jī)理、成形方向控制、成形規(guī)律、成形失效機(jī)制、能量控制等關(guān)鍵問題展開了研究,在此基礎(chǔ)上,通過對目標(biāo)曲面進(jìn)行路徑規(guī)劃,成形出了典型板殼類工件,并對成形件熱影響區(qū)材料的組織與性能進(jìn)行了研究。論文的主要研究工作如下：為定量描述等離子體弧作用下層狀金屬復(fù)合板件的傳熱規(guī)律和力學(xué)行為,基于等離子體理論和大變形彈塑性有限元理論,結(jié)合層狀金屬復(fù)合板材的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn),采用熱力間接耦合非線性有限元分析方法,分析了單元類型、材料特性、幾何模型與網(wǎng)格劃分、移動(dòng)熱源處理、時(shí)間步長選取以及邊界條件加載等方面的問題,建立了層狀金屬復(fù)合板件等離子體弧柔性成形的三維瞬態(tài)溫度場與變形場有限元模型。在此基礎(chǔ)上,研究了層狀金屬復(fù)合板件成形過程中溫度場、變形場的變化規(guī)律。并通過實(shí)驗(yàn)對所建有限元模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。為掌握等離子體弧作用下層狀金屬復(fù)合板件的變形規(guī)律,在分析層狀金屬復(fù)合板件等離子體弧柔性成形的三種基本變形形式：正向彎曲、反向彎曲、鐓粗的基礎(chǔ)上,通過對復(fù)合板成形過程中溫度、應(yīng)力、位移變化的模擬,研究了復(fù)合板成形過程中的成形機(jī)理;通過大量實(shí)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬,提出了控制復(fù)合板彎曲方向的判別系數(shù)E；研究了工藝參數(shù)、板材幾何尺寸、掃描次數(shù)對復(fù)合板彎曲角度的影響規(guī)律。為防止層狀金屬復(fù)合板件在等離子體弧柔性成形過程中出現(xiàn)界面分層、復(fù)層起皺、開裂,導(dǎo)致成形失效,在綜合考慮層狀金屬復(fù)合板件界面結(jié)合狀況、缺陷特點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立了含缺陷層狀金屬復(fù)合板件有限元模型,研究了缺陷對復(fù)合板溫度場、變形場的影響規(guī)律,為優(yōu)化工藝參數(shù),有效控制各組元的應(yīng)力、應(yīng)變行為提供了理論基礎(chǔ);通過彎曲實(shí)驗(yàn),探討了含缺陷層狀金屬復(fù)合板等離子體弧柔性成形的變形規(guī)律。研究表明,由于等離子體弧是在加熱狀態(tài)下累積成形的,每次板材彎曲角度較小,使得層間剪切應(yīng)力和剝離應(yīng)力遠(yuǎn)小于復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度,不會(huì)出現(xiàn)復(fù)層和基層開裂、分層,但是缺陷的存在,會(huì)引起缺陷局部溫度陡升,導(dǎo)致板材局部熔化,影響成形件表面質(zhì)量,需要在成形中適當(dāng)控制等離子體弧的能量輸入。為靈活控制等離子體弧加熱區(qū)寬度,解決不同厚度比復(fù)合板的成形問題,本文構(gòu)建了基于外加橫向交變磁場調(diào)節(jié)的等離子體弧柔性成形的能量控制裝置,通過理論分析磁場作用下等離子體弧的運(yùn)動(dòng)特性,建立了層狀金屬復(fù)合板件等離子體弧柔性成形能量控制模型,研究了有、無磁控、弧柱擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)幅度對復(fù)合板溫度場、變形場的影響規(guī)律,并通過實(shí)驗(yàn)對所建的模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明,通過橫向交變磁場,不但可以靈活控制加熱區(qū)的寬度,使加熱區(qū)內(nèi)的熱流密度分布均勻,而且可以使垂直于加熱線方向的塑性變形由“V”型分布轉(zhuǎn)變?yōu)椤癠”型分布,有利于成形圓弧類工件。根據(jù)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的研究規(guī)律,通過對目標(biāo)曲面進(jìn)行路徑規(guī)劃,對簡單V形折彎件、正弦曲面、圓弧曲面、錐形面等典型零件進(jìn)行了成形實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步加深了對層狀