成形工具转动数控渐进成形中摩擦热引起板料局部温度升高特性研究

The temperature rise of local sheet caused by the friction heat between forming tool and sheet may be noteworthy in rotational incremental forming. Difficult-to-form lightweight metal such as aluminium alloy and magnesium alloy can be formed in warm or hot inremental forming by using the fricition heat as heat source. There are many technical parameters affecting the temperature rise of local sheet that have not been sutdied in detail. This project will investigate the temperature rise of local sheet caused by the fricition heat in rotational incremental forming by using a series of experiments and theoretical model derivation. Based on orthogonal test design, the law and level that each technical parameter influences the temperature rise of local sheet will be obtained by experiments in detail. After computing the absorbed heat by local sheet in rotational incremental forming using two kinds of tools with flat end and hemispherical end, the temperature rise of local sheet will be simplified as a two dimension heat conduction problem of a finite thickness plate with the second type boundary condition. A mathematical model for computing the temperature rise of local sheet will be established by solving the heat conduction equation based on simplification and hypothesis. The model will be verified and revised by the data from experiments and three dimension contacted numerical simulation using the finite element method to rotational incremental sheet forming. This research will constitute a solid basis for using the friction heat in incremental sheet forming.

成形工具转动数控渐进成形中，工具与板料间接触摩擦热可能会引起板料局部温度显著升高。合理利用这种特性有望实现多种镁合金和铝合金难加工轻金属材料在无需外加热源条件下进行温/热渐进成形。影响摩擦热引起板料局部温度升高的工艺参数众多，系统的研究尚未见报道。本项目拟对成形工具转动渐进成形中摩擦热引起板料局部温度升高特性展开实验和理论研究。借助正交试验设计，通过系统实验分析确定各工艺参数对板料局部温度升高的影响规律和影响程度；在此基础上，通过简化和假设，解析计算球头和平头两类工具成形时板料局部表面吸收的摩擦热，将摩擦热引起板料局部温度升高问题简化为有限厚度板第二类边界条件作用的二维瞬时热传导问题，通过求解热传导方程建立定量描述板料局部温度升高的解析数学模型，以实验和三维接触热-力耦合有限单元法数值模拟结果校验和修正该数学模型。以期为板料数控渐进成形中合理利用摩擦热奠定基础。

板料数控渐进成形工艺因为不需要模具或者仅需要部分模具，适合新产品试制、小批量零件生产得到了广泛关注。随着镁合金、铝合金和钛合金等难成形材料应用的越来越广泛，加热数控渐进成形得到了越来越多的研究。在众多加热方法中，利用摩擦热加热板料不需要额外加热装置的成形工具转动渐进成形（Rotational Incremental Sheet Forming,RISF）最为引人注目。本项目通过实验和数值模拟研究了RISF中引起板料温度升高的热量来源，以及每种热量来源对板料温度升高的贡献，结果表明工具相对板料转动所产生的摩擦热是引起板料局部温升的主要因素，而塑性变形功和工具相对板料水平移动所产生的摩擦热引起板料的温升很小，可以忽略；借助单因素试验设计,研究了主要各工艺参数对板料局部温升的影响；进一步借助正交试验设计，采用极差和方差分析详细研究了主要工艺参数对板料局部温度升高的影响规律和影响程度，结果表明，进给速度、板料厚度、工具转速、层进给深度等因素对板料局部温升有显著的影响；通过简化和假设，将RISF成形中板料传热简化为移动线热源作用下无限大板瞬时传热问题，基于传热学基本理论，推导建立了板料传热理论模型，通过实验验证了模型的可行性，借助理论模型进一步研究了成形过程板料的温度场分布、工艺参数对板料局部温升的影响规律；提出等效工具等效温度的方法，将RISF三维热-力耦合有限元数值模拟中高速转动工具简化为恒定温度作用下不转动的等效工具，完整的模拟了镁合金盒形零件RISF过程，结果表明所提出的方法能够将RISF数值模拟时间减少到应用可接受范围。此外，项目还借助正交试验设计，通过实验研究了工艺参数对镁合金AZ31B和高分子材料PVC板料成形性能的影响规律；研究了RISF对镁合金等板料微观组织、力学性能和成形精度的影响；受到RISF成形后镁合金板料表面晶粒得到显著细化的启发，提出了一种新型材料超细晶表面和梯度超细晶板料的制备方法-金属表面机械扭压处理，通过实验验证了该方法的可行性，研究了该方法对材料组织、性能的影响，探讨了该方法细化材料表层晶粒的作用机理。项目所研究的工艺参数影响规律、建立的理论模型和提出的数值模拟方法，对工具转动渐进成形工艺合理制定、合理的利用摩擦热、扩大该种工艺的应用范围具有非常重要的指导意义；所提出的金属表面机械扭压处理方法是一种非常具有潜力的材料超细晶表面制备的新方法。