平面板材表面辊压成形微沟槽数值模拟研究

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随着表面微沟槽的功能特性被科学研究所证实,其应用前景和潜在的使用价值引起世界广泛地关注,因此微沟槽加工技术也不断发展起来。目前微沟槽加工技术还难以同时满足工业生产上的大批量、低成本、高质量的要求,因此本文提出一种平面板材表面微沟槽辊压成形技术。它是利用带有一定功能特性微沟槽的刚性辊对板材件进行辊压成形,使得板材表面发生塑性变形,从而在板材表面得到一定尺寸的微细沟槽的加工方法。与其它微细加工技术相比,该技术不仅能够实现带有微沟槽板材件的连续成形,提高生产效率,而且可以获得较好的成形质量,有利于后续的二次加工。本文建立了板材表面微沟槽辊压成形有限元模型,并对不同工艺参数进行了数值模拟分析。通过对比分析成形过程中成形件的应力、应变分布和微沟槽尺寸,以得到最佳的辊压成形参数;并利用辊压成形实验装置,在铝合金板材表面加工出带有一定尺寸的微沟槽,验证了该成形方式的可行性。本文得出主要结论如下:1.根据成形过程中成形力的变化规律,将成形过程分为挤压阶段、稳定成形阶段、结束阶段。在挤压阶段,随着辊子压入深度的增大,成形力随之增大到最大值;当进入稳定成形阶段,成形力在最大值附近稳态波动;在辊压结束阶段,随着辊子与板材接触面积减小,成形力逐渐减小,直至板材脱离辊缝。根据板材变形后等效应变分布可知,板沟槽底部的应变值相对于沟槽侧壁处较大。沿板材辊压纵向对比板材入口端、中间端、出口端的金属流入辊子凹槽的高度(微沟槽填充高度),结果表明:在板材出口端和入口端处,表面沟槽成形高度小于板材中间部分。2.研究分析45°底角的等腰梯形、60°底角的等腰梯形、正弦波纹、等边三角形四种结构微沟槽在不同压下量下的成形结果。结果表明:45°底角的等腰梯形沟槽、60°底角的等腰梯形沟槽和正弦曲线沟槽在材料填满时,所需的压下量分别为0.7mm、0.75mm、0.83mm;而等边三角形沟槽在压下量为0.9mm时,沟槽仅基本接近目标形状,在三角形顶边处仍未填满。3.分析了板材宽展和板材厚度对成形结果的影响。当约束板材宽展时,板材的纵向延展大,并且具有一致性;当板材自由宽展时,板材表面沟槽成形高度相对较小,且成形均匀性较差。随着厚度的减薄,表面沟槽填充高度相对增大。4.论文对比分析了压下量、摩擦系数、辊子转速三种参数对表面微沟槽成形结果的影响。结果表明:随着压下量增大,板材表面微沟槽成形高度呈线性增长。当摩擦系数较大时,辊压微沟槽的成形力较大,微沟槽成形高度减小。当上、下两辊转速相同时,随着辊子转速的增大,板材表面微沟槽成形高度减小;当上、下两辊具有一定的转速差时,随着差值的增大,沟槽成形高度增大。
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