一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法技术

本发明专利技术涉及一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，1)建立待成形零件的三维几何模型，确定目标几何形状的成形角α

【技术实现步骤摘要】
一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法


[0001]本专利技术涉及金属材料塑性成形工艺
，尤其是涉及一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法。

技术介绍

[0002]搅拌摩擦渐进成形工艺是一种具有独特优势和应用前景的板材成形工艺，它一方面提高了板材成形温度改善了板材成形性，并且热变形诱发动态再结晶；另一方面，它不需要额外的加热设备，不牺牲工艺柔性，简化了设备复杂性，节约了设备成本。良好的晶粒组织分布对薄壁成形件的性能有重要影响，不合理的微观组织会弱化成形件的性能。研究表明：在搅拌摩擦渐进成形工艺中，通过选择合理的参数组合，诱发动态再结晶，可以细化晶粒，产生等轴晶粒，提高薄壁件的性能。Zhan等人(Dynamic recrystallization and solute precipitation during friction stir assisted incremental forming of AA2024 sheet.Materials Characterization 2021,174:111046)通过高转速搅拌摩擦渐进成形提高了成形温度，促使动态再结晶发生，形成细小的等轴晶及高角晶界，晶粒尺寸明显减小，提高了成形件的抗拉强度、屈服强度，改善了断裂韧性。
[0003]然而，研究表明：常规的单道次渐进成形由于局部弯曲使得板材厚向变形不均匀，产生变形梯度。动态再结晶与温度和变形量直接相关，在温度等同时，变形梯度使得动态再结晶晶粒不均匀，存在厚向晶粒梯度，弱化了均匀变形能力，容易导致失稳。Mirnia等人(Ductile damage and deformation mechanics in multistage single point incremental forming.International Journal of Mechanical Sciences 2018,136:396
‑
412)发现板材外侧的变形要比接触内侧大；Zhan等人(Investigations on failure
‑
to
‑
fracture mechanism and prediction of forming limit for aluminum alloy incremental forming process.Journal of Materials Processing Technology 2020,282:116687)阐明厚向各层的应变是不一致的，存在厚向应变梯度，并且逐渐增大。Gupta等人(Effect of temperatures during forming in single point incremental forming.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2018,95:3693
‑
3706)揭示了搅拌摩擦渐进成形后接触内侧是细小的等轴晶区，外侧是拉长的条状晶粒，动态再结晶改变了晶粒分布特征。
[0004]综合以上研究表明，搅拌摩擦渐进成形产生细小的等轴晶及高角晶界对薄壁件的性能很重要。然而，常规的搅拌摩擦渐进成形厚向晶粒分布不均匀，晶粒梯度明显存在，因而，开发一种新颖的搅拌摩擦渐进成形工艺策略，降低晶粒梯度，优化晶粒分布，进一步提高薄壁成形件的性能，是很有实际意义的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，该方法首先建立待成形零件的三维几何模型，确定目标几何形状的成形角α
d
、成形高度h
d
、顶边尺寸l
d
，以及选定板材厚度t0、工具头尺寸r
tool
；随后，根据解析模型计算得到最佳反向偏置补偿距离d和中间构型的成形角α
i
，由此得到中间构型的成形深度h
i
和中间构型的顶边长度尺寸l
i
；根据α
i
、h
i
、d和l
i
，生成运动轨迹，完成中间成形道次，成形出中间构型。最后，根据目标形状的成形角α
d
、成形高度h
d
和顶边尺寸l
d
，在中间构型外侧，成形工具反向运动成形出目标轮廓部件。本专利技术利用正向中间道次成形出中间轮廓，是为了预留反向道次的补偿变形，而采用反向道次是为了增加不均匀接触层的应变量，使得整个厚向层应变梯度最小化，同时保持温度相同，可以均匀化厚向晶粒分布。在正向中间道次和反向第二道次阶段，转速、步进下压量、进给量等工艺参数及设备是相同的，可保证两个道次温度一致。
[0008]所述的最佳反向偏置补偿距离d的计算包括以下步骤：
[0009]S1：根据余弦法则和体积守恒法则，确定中间道次变形板材厚度t
i
、反向第二道次变形板材厚度t
d
：
[0010]t
i
＝t0cosα
i
[0011]t
d
＝t0cosα
i
cos(α
d
‑
α
i
)
[0012]S2：渐进成形等效应变解析公式如下：
[0013][0014]式中，r为指定位置到曲率中心的径向距离，t
b
为成形道次开始时板材厚度；当r＝r
tool
，为工具头接触侧等效应变；当r＝r
tool
+t，为工具头非接触侧等效应变。将S1得到的中间道次变形板材厚度t
i
、反向第二道次变形板材厚度t
d
分别代入上式中的t，即可分别获取中间道次、反向第二道次到工具头曲率中心距离为r值的板材变形位置的等效应变。
[0015]根据以上公式，成形件轮廓内侧在中间成形道次和反向第二道次的等效应变总量如下：
[0016][0017]成形件轮廓外侧的等效应变总量如下：
[0018][0019]进而得到轮廓内侧到外侧厚向应变梯度表达式为：
[0020][0021]式中，为中间道次和反向第二道次时轮廓外侧的等效应变总和，为中间道次和反向第二道次轮廓内侧的等效应变总和。
[0022]当应变梯度最小化时，反向确定α
i
。
[0023]S3：由微单元的热量公式，按照两道次总热量相等，可推导得到微单元的体积恒定，当反向第二道次的接触角φ与中间构型的成形角α
i
相等时，则两道次的成形温度可等
同。
[0024]S4：根据反向第二道次接触变形微单元体的几何关系，可初步推导得到反向偏置补偿值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，包括下列步骤：1)建立待成形零件的三维几何模型，确定目标几何形状的成形角α
d
、成形高度h
d
、顶边尺寸l
d
、选定板材的厚度t0以及成形工具头尺寸r
tool
；2)根据解析模型计算最佳反向偏置补偿距离d和中间构型的成形角α
i
，并获取中间构型的成形深度h
i
和中间构型的顶边长度尺寸l
i
；3)根据目标几何形状的成形角α
i
、中间构型的成形深度h
i
、最佳反向偏置补偿距离d和中间构型的顶边长度尺寸l
i
，生成运动轨迹，完成中间成形道次，成形出中间构型；4)根据目标形状的成形角α
d
、成形高度h
d
和顶边尺寸l
d
，在中间构型外侧，利用成形工具头反向运动成形出目标轮廓部件。2.根据权利要求1所述的提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，所述最佳反向偏置补偿距离d的计算步骤包括：a1)根据余弦法则和体积守恒法则，确定中间道次变形板材厚度t
i
和反向第二道次变形板材厚度t
d
；t
i
＝t0cosα
i
t
d
＝t0cosα
i
cos(α
d
‑
α
i
)a2)根据渐进成形等效应变解析公式分别推导中间道次、反向第二道次距离工具头曲率中心径向距离为r的变形位置的等效应变，进而获取两个道次轮廓内侧到外侧厚向应变梯度；当轮廓内侧到外侧厚向应变梯度最小化时，反向确定目标几何形状的成形角α
i
；a3)基于微单元的热量公式，设定两道次总热量相等，获取微单元的体积恒定，当反向第二道次的接触角φ与中间构型的成形角α
i
相等时，则两道次的成形温度等同；a4)根据反向第二道次接触变形微单元体的几何关系，获取初步反向偏置补偿值；a5)将步骤a2)中反向确定的目标几何形状的成形角α
i
，以及步骤a3)中的反向第二道次的接触角φ代入到初步反向偏置补偿值中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：展学鹏，刘凯歌，叶文韬，陈军，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：