异质金属叠层板多场耦合的复合双点渐进成形方法与界面同步变形/连接机理

Sheet metal parts made by laminated materials have high strength, light weight and improved vibration damping characteristics. In conventional approach for manufacturing of laminated sheet parts, sheets with different materials are roll.bonded and then formed by using hot/cold stamping methods. This approach has strict requirement on the orders of sheet layers to avoid potential defects such as fracture and spring-back. To overcome these problems, this project proposes a new manufacturing approach by combining electricity-assisted double side incremental forming and resistance seam welding method. In the research, the plastic deformation under the cyclic heating and loading and the interaction between sheet layers, the contact pressure and temperature distribution under complex geometry and contact condition， and the material bonding mechanism under dynamic deformation are studied. In this way, the understanding in the incremental deformation mechanism and the dynamic bonding condition as well as the formation of defect in the critical conditions can be obtained. In addition to the scientific study, the technological problem such as optimum tool/electron shape, the tool motion strategies and the temperature control methods are also investigated. The theoretical and technological basis for the electricity-assisted double side incremental forming and bonding method will be established to overcome the challenges in fabrication of laminated sheet metal parts.

叠层复合板具有高强度、低密度和优良的振动阻尼特性，是实现结构功能化与轻量化的最佳选择。传统叠层板件制造遵循先连接、后成形的方式，该方式对板料的厚向叠层顺序有严格要求，成形工艺不当易产生脱层和不均匀回弹。本课题将双点渐进成形方法与电阻缝焊技术相结合，提出以双压头为电极、成形与连接过程同步的“复合双点渐进成形方法”,避免不协调变形与不均匀残余应力的产生。课题拟围绕不同屈服强度的板料在周期性热/力加载下的相互作用关系与塑性流变行为，复杂接触状态下由界面电阻/热阻所影响的应力与温度分布规律，以及异质金属在动态变形过程中的界面连接机制等关键科学问题进行研究，明确叠层板的渐进变形机理与动态连接特性，揭示主要加工缺陷的形成机理与临界条件。同时，对关键技术问题(如双压头最优形状、协同运动策略以及温度控制方式等)开展深入研究，最终形成一套有效和可靠的新型复合加工技术，为叠层件的同步制造开拓一种新的途径。

针对小批量和定制式需求的异质钢铝叠层板钣金件传统成形技术存在的流程长和质量控制复杂的问题，提出了高速旋转工具搅拌摩擦致热的渐进成形与同步连接新方法，提高了双点渐进成形系统的刚性和载荷测试能力，可以实现压力控制或位移控制。提出了具有普适性的、适用于较广应力三轴度的韧性断裂准则。提出了普适性的各向异性屈服准则，针对FCC、BCC和HPC材料，验证了屈服准则的灵活性。在扰动理论的基础上，基于分叉理论与损伤耦合弹塑性本构模型相结合，建立了评估异质金属叠层板的损伤断裂成形极限（FFL）的解析模型，可用于预测板料成形过程中不同加载路径的韧性断裂对应的等效断裂应变和相应的破坏带取向。采用力控制模式，实验研究了DC05与AA5052叠层板的渐进成形与同步连接特性，发现双面摩擦得到的接头断裂强度都要高于相同压力的单面摩擦，工具头压力增加可以显著提高连接区域的面积和下压量。建立了考虑法向压力和流动应力的连接判定准则，界面原子互相扩散和界面变形也验证了机械连接和冶金连接。实现了附板作用下钢/铝异质叠层板单点渐进成形成形与同步连接，获得了最佳工艺参数组合。微观组织分析发现：在连接界面生成了连续的铝/钢金属间化合物IMC，AA5052发生了动态再结晶，DC05表面到连接界面的晶粒呈梯度分布，出现了较多的亚晶粒，位错硬化现象较明显。建立了异质叠层板单点、双点渐进成形与同步连接的温度预测模型，可直接反映成形角度、轴向进给、转速和进给速度对成形温度的影响规律。提出了主副工具头中心轴线重合的同步运动策略、螺旋线轨迹和位移控制方式，可保证良好的对中性和充足的背压力，增加板料接触面积，有利于提高成形温度。提出法向偏置的工具头协同运动策略，保证了加工过程中工具头和板料稳定接触。发现法向偏置策略零件的成形性和轮廓精度更好，还可以使圆台型零件的底部鼓形高度相较对顶策略降低80%。构建了双层板渐进成形多物理场耦合的仿真模型，揭示了叠层板的变形特性、载荷与温度的演化特性。