金屬板材等離子電弧加熱無模成形關鍵技術研究.pdf

1、金屬板材等離子電弧加熱彎曲成形是最近幾年出現(xiàn)的一種無模成形新技術，該技術采用熱應力代替機械力成形工件，不使用模具，大大降低了加工成本，節(jié)省了加工時間，非常適用于快速成形技術、在線調(diào)整變形及單件小批量的生產(chǎn)。本文主要針對金屬板材等離子電弧加熱的二維及三維成形進行了研究。采用理論分析、實驗測試和數(shù)值仿真相結合的方法，通過對不同工藝參數(shù)條件下板材變形行為的研究，分析了等離子電弧加熱成形過程中板材的成形機理、溫度場和變形場規(guī)律、路徑規(guī)劃與工藝參

2、數(shù)的確定方法，為實現(xiàn)復雜曲面的金屬板材的快速精確成形提供理論基礎。
　　為了獲得等離子電弧加熱成形過程的特點，首先通過一系列的實驗，研究了等離子電弧參數(shù)、板材幾何參數(shù)以及板材的熱物理性能對成形的影響，獲得了1Cr18Ni9Ti板材等離子電弧加熱彎曲變形的理想工藝參數(shù)范圍。同時，也分析了等離子電弧加熱對1Cr18Ni9Ti和Q235熱影響區(qū)材料顯微組織與機械性能的影響。結果表明，在合適的工藝條件下，等離子電弧加熱對材料的顯微組織沒有

3、明顯的影響，且板材熱影響區(qū)表面硬度有所提高。
　　然而等離子電弧加熱過程是一個非常復雜的過程，通過實驗的方法獲得的信息還不是很全面，目前對于復雜形狀的板材的成形最大的問題就是對成形參數(shù)的選擇還缺乏足夠的信息。而采用數(shù)值模擬的方法對于獲取成形參數(shù)相關信息會有重要的意義。因此建立了等離子弧成形過程的有限元熱應力分析模型，并根據(jù)成形過程的熱源移動的特點，將等離子弧處理成小步距間歇跳躍式移動熱源進行加載，解決了成形過程中板材的彈塑性大變形

4、瞬態(tài)熱應力問題，計算出了包括溫度場分布、應力狀態(tài)以及形變規(guī)律等結果。通過有限元仿真與分析，給出了等離子正向彎曲、反向彎曲、增厚過程的溫度場、應力應變場、位移場及其隨時間變化的規(guī)律，定量地揭示了不同成形過程的內(nèi)在機理。
　　為了進一步推動等離子電弧加熱成形技術的發(fā)展進而獲得在實際應用，就必須對復雜形狀的三維成形進行研究，而在這方面的研究相對等離子電弧加熱二維成形的研究要少得多。本文基于等離子電弧加熱二維成形的有限元數(shù)值仿真、成形機理

5、、溫度場分布和變形規(guī)律研究，探究了復雜三維曲面的成形策略。針對雙曲面，首先通過分析目標板材的幾何性質(zhì)，提出了用等高線掃描策略來規(guī)劃掃描路徑，并從數(shù)學上給出了證明；并根據(jù)等離子電弧直線掃描建立了電弧工藝參數(shù)與板材殘余塑性應變之間的基本關系，并據(jù)此確定了等離子電弧三維加熱成形過程中所需的電弧參數(shù)（電弧功率、掃描速度）。
　　等離子電弧加熱三維成形要想和其他傳統(tǒng)板材沖壓成形技術進行競爭，必須要有一定的可靠性和可重復性，為了控制板材成形的