（机械设计及理论专业论文）金属板件磁控等离子体弧柔性成形技术研究.pdf

大连璐工大学骥学位论文 摘要 金溪板佟等燕子钵鬃性残形技零是一；争薪型豹金属援馋戒形技寒，是琴l 廷等寓子钵弧 扫描金麟板件表面时产擞的内应力使板件发生弯曲变形。与传统的成形技术相比，它不需 要根据叛孛形状，花费大量对阂葶奠资金剃造楣应她工模典，在大型扳件成形中，这些费用 更为昂爨。因而研究无横具柔憔成形理论与技术，对减少新产品开发成本、缩短开发周潮 酃有重要意义。在研究过程中，发现该技术加工圆滑过渡的、弯曲曲搴半径较大的工件 时，比较困难。针对这一难点，军g 用磁殇对等离子体可作用性，使用外力口磁场控伟l 等离子 体弧在金属板4 牛上的扫描时间，得到更适合成彤的温度场和应力场，从而加工如表面光 滑、夸虢曲率半径较大盼工侔。本文在城有等离子体柔髋成形技术研究酌基础上对磁控等 离子体柔性成形技术做了如下问题的研究： 1 分析了等离子俸猩磁场中的运动特点，禳据这些特点建立磁控等离子体舔柔性成形 模型，并对其成形机理进行了研究。 2 ，秘用a n s y s 参数亿设诗语言( a n s y sp 甜a m e t e rd e s i 擎己a n g u a g o ，a p d l ) 编写程 序，实现了呈高斯函数分布的移动热源的施加，这是实现动态模拟的关键；对等离子体柔憔 成形逑稷中温褰汤饔应力场夔动态交化敬及戒形焉静残余应力晕蒌变形避行了数毽模缓，褥 到了各瞬时板件上相应的温度场、应力场和形交场，并分析得到板件等离子体弧鬃性成形 熬交髟掇翱班及鸯g 入磁场螽怼板 譬变形翁彩夔怒律，还怼援斧懿艘髟结巢避学了羧溺。 3 建立了实验装置，通过大量实验，找到了磁控等离子体板件柔性成形技术中的成形 瓣霉。遴：蓬歪交实验，安瑗露、透过少数实验找到各个毽豢怼扳辫藏影夔影嚷程度。 4 通过对板件成形后表面质量的研究，分析了成形过程中存在的缺陷，并对其存在的 枕理进纾了分撂，围时找到了考效豹颈黪接藏。 实验结果表明，磁接等离子体弧柔性成形技术可获得曲率半径较大、圆滑过度的圆弧 状工 孛，工嵇豹表面质趱也褥到了提高。本蛩 究对等离子体弧柔性或形技术在扳件或形中 的实际威用提供了依据。 关键词；金属摄侔；等鬻子体弧；柔径成形；资变磁绣：数值模撅 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nf l e x i b l ef o r m i n go fs h e e tm e t a lw i t hm a g n e t i cf i e l d c o n t r o l l e dp l a s m aa r c a b s t r a c t f l e x i b l ef o r m i n gt e c h n i q u eo fs h e e tm e t a lu s i n gp l a s m aa r ci sd e v e l o p e da so n eo ff o r m i n g t e c h n i q u eo fs h e e tm e t a l ，w h i c hp r o d u c e sd e f o r m a t i o no fs h e e tm e t a lb yt h e r m a ls t r e s sa n ds 仃a i n i n d u c e db ys c a n n i n go fp l a s m aa r co ns h e e tm e t a l c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lf o r m i n g t e c h n o l o g yo fs h e e tm e t a l ，i td o e s n tc o s tal o to ft i m ea n dm o n e yt op m d u c em o u l da n dd i e a c c o r d i n gt ot h ed e s k e ds h a p eo ft h ep r o d u c t e s p e c i a l l y , t h ec o s tf o rl a r g e rs h e e tm e t a lw i l lb e h i g h e r t h e r e f o r e ，i n v e s t i g a t i o no n t h e o r ya n dt e c h n o l o g yo f f l e x i b l ef o r m i n gw i t h o u t t h en e e df o r m o u l da n dd i ec o n t r i b u t e ss i g n i f i c a n t l yt od e c r e a s i n gt h eh i g hc o s ta n dl o n gl e a d - t i m e h o w e v e ri t i sd i f f i c u l tf o rt h i st e c h n o l o g yt op r o d u c ew o r kp i e c ew i t hl a r g er a d i u sa n ds m o o t ht r a n s i t i o nc u r v e b yt h ei n t e r a c t i o ne f f e c to f t h em a g n e t i cf i e l da n dp l a s m a , w e c a r lc o n t r o lt h es c a n n i n gt i m eo f t h e p l a s m aa r co ns h e e tm e t a lu s i n gt h ea d s c i t i t i o u sm a g n e t i cf i e l di no r d e rt og e tas u i t a b l e t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l ds ot h a tt h ew o r kp i e c e sw i t hl a r g er a d i u sa n ds m o o t ht r a n s i t i o n c u r v ec o u l db ep r o d u c e d i nt h i sp a p e r ，t h ef o l l o w i n gq u e s t i o n so ff l e x i b l ef o r m i n go fs h e e tm e t a l w i t ha l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l dc o n t r o l l e dp l a s m aa r cb a s e do ne x i s t i n gf l e x i b l ef o r m i n gt e c h n o l o g y a r es t u d i e d 1 t h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co f p l a s m ai nt h em a g n e t i cf i e l dh a sb e e na n a l y z e d a n dt h e m o d e lo f f l e x i b l ef o r m i n go f s h e e tm e t a lw i t ha l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l dc o n t r o l l e dp l a s m aa r ch a s b e e ne s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c b e s i d e s ，t h er e s e a r c ho ni t sf o r m e dm e c h a n i s m h a sb e e nc a r r i e do u t 2 p r o g r a m su s i n gt h ea n s y sp a r a m e t e f i z a t i o nd e s i g nl a n g u a g e ( a n s y sp a r a m e t e rd e s i g n l a n g u a g e ，a p d l ) h a v ea c h i e v e dt h el o a d i n go fm o t i o nh e a ts o u r c ew i t ht h eg a u s s i a nf u n c t i o n d i s t r i b u d o n ，w h i c hi st h ek e yt or e a l i z i n gd y n a m i cs i m u l a t i o n i nt h ef l e x i b l ef o r m i n gp r o c e s so f s h e e tm e t a lu s i n gp l a s m aa r c ，t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt od y n a m i cc h a n g eo f t e m p e r a t u r e f i e l da n ds t r e s sf i e l da sw e l la st h ef o r m e dr e m a i n i n gs t r e s sa n dt h ed i s t o r t i o n , t h ec o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t u r ef i e l d a n ds t r e s sf i e l da sw e l la sd e f o r m a t i o nf i e l do nv a r i o u ss h e e tm e t a la r e i n s t a n t a n e o u s l yo b t a i n e d b yt h ea n a l y s no ft h e s ef i e l d s ，i ti s a v a i l a b l ef o rt h ed i s t o r t i o n m e c h a n i s mo f t h ep l a s m aa r cf l e x i b l ef o r m i n ga n dt h ei n f l u e n c er u l e so f s h e e tm e t a lf o r m i n gw i t h t h ef u n c t i o no f a l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l d ，m e a n w h i l et h ef o r m i n gr e s u l ti sp r e d i c t e d 3 t h ee x p e r i m e n te q u i p m e n th a sb e e ns e tu p m f o r m i n gr u l eo nf l e x i b l ef 0 姗地o fs h e e t m e t a l 谢t hm a g n e t i cf i e l dc o n t r o l l e dp l a s m aa r ch a sb e e ns t u d i e d ，a tt h es a m et i m e ，t h ei n f l u e n c e 。i 一 郭彦肖：金属板件磁控等离子体弧柔性成形技术研究 d e g r e eo ft h em u l t i t u d i n o u sf a c t o r st ot h ef o r m i n ga r ea n a l y z e di nt h ef o r m i n gp r o c e s st h r o u g ha f e wo f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 4 f r o mt h er e s e a r c ho ns u p e r f i c i a lq u a l i f i c a t i o no ff o r m e ds h e e tm e t a l ，t h ed e f e c t sa n dt h e i r m e c h a n i s m si nt h ef o r m i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ，s o m ee f f e c t i v ed e f e n dm e a s u r e s h a v e b e e na d v a n c e d a st h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s ，t h ew o r kp i e c e sw i t hl a r g er a d i u sa n ds m o o t hi r a n s i t i o nc u r v e c o u l db eo b t a i n e db yf l e x i b l ef o r m i n gp r o c e s so f s h e e tm e t a lw i t hm a g n e t i cf i e l dc o n t r o l l e dp l a s m a a r ca n dt h es u p e r f i c i a lq u a l i f i c a t i o no f w o r k p i e c e sa r ea l s oi m p r o v e di nt h ep r o c e s s w i t ht h er e s u l t , t h es t u d yp r o v i d e sg i s ti nt h ef i e l do ff l e x i b l ef o r m i n gt e c h n o l o g to fs h e e tm e t a lw i t hm a g n e t i c f i e l dc o n t r o l l e dp l a s m aa r c k e yw o r d s ：s h e e tm e t a l ；p l a s m aa r c ；a l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l d ：n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 郭彦肖：金属板件磁控等离子体弧柔性成形技术研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 乌- _ 一月日 7 0 大连理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与研究现状 金属板件弯曲成形在航空航天器、汽车、船舶、化工容器等制造业中的应用极其广 泛，通常需根据板件形状，花费大量时间和资金制造相应的工模具，在大型板件成形中， 这些费用更为昂贵。众所周知，钛合金钣金零件( 简称钛合金零件) 在先进航空发动机上 占有相当的比重，并且呈现出结构集成度愈来愈高、结构愈来愈复杂的发展趋势，在减轻 发动机重量、改善和提高性能等方面发挥着日益重要的作用。然而，新结构产生了新的工 艺问题，如大高径比的旋转曲面、空心气动型面和焊接结构件等的成形，这些技术问题的 解决，对于提高我国航空钛合金零件的成形技术和应用水平具有重要的现实意义。传统的 机械成形方法已经很难满足新结构所产生的新的工艺要求，这样就必须研究新的成形方 法，满足其日益复杂的结构要求。研究无模具弯曲成形理论与技术，对减少新产品开发成 本、缩短开发周期都有重要意义，在大型板件多品种小批量成形生产中具有极大的潜在优 势1 捌。 目前，薄板成形技术主要分为两种：薄板冲压成形技术和薄板柔性成形技术。薄板冲 压成形技术是一种传统的板件加工技术，它是将金属或其它刚性材料制成的工具安装在压 力机上，对金属薄板的变形加以控制，使其成为所需求的零件，而不产生断裂或局部过量 变薄的金属压力加工技术 4 1 。该种技术具有操作简单、材料利用率高、产品尺寸精度稳 定、生产效率高、易于实现机械化和自动化加工等一系列优点，特别适用于大批量板壳零 件的生产。薄板成形过程通常包括成形材料的选择、成形件坯料制各、成形工序制定、模 具设计、模具制造、成形操作、后续处理等部分。一个板壳零件经过完整的加工过程，如 果没有足够的数量作为保障，薄板冲压成形的费用将相当可观，所以对于单件小批量生产 而言，冲压成形技术的应用领域有一定的局限性。 1 1 1 研究背景 薄板柔性成形技术是一种非接触型成形技术，在成形过程中不借助任何工模具，通过 在金属板内部加热产生热应力从而达到弯曲成形的目的。迄今为止，根据加热热源的不 同，薄板柔性成形技术的研究主要集中在氧乙炔火焰成形( 以水火弯曲成形为代表) 和激 光弯曲成形。 水火弯曲成形中，主要采用氧乙炔焰流作加热热源，通过调节乙炔流量和喷嘴直径来 实现对乙炔流量的控制，生产中主要靠节流阀来准确、实时控制乙炔流量，但是这种控制 是非常困难的。另外，经过水火弯曲成形加工的板件表面存在高温氧化形成的脆性层p j ， 郭彦肖：金属毛眨件磁控锩离子体弧柔性成形技术研究 它是导致材料性能下降的主要原因。因此，尽管水火弯衄成形成本较低，但裁乙炔焰流的 可控槛和稳定性差、能量密度低、含氧量高，所戳，承灾弯秘成形技术不能成瘸于成形精 度较高的场合( 如成形航空航天器覆凝件及汽车覆盏件) ，也不适合成形易氧化板件。 激光藏澎的往势是髓量集中、或形精塞较高。鏊赫激竞成形存盔下列阕繇： 澈惫热 工( 特别是大功率激光加工) 设备成_ 本及运行成本较高；由于激光设备能墩转换率低， 嚣既能量损失较大； 对多盒溪粒台鑫耪将，震要辩表嚣骰涂覆预楚疆( 如蒜纯筵溪) ， 以提高能量吸收率；大功率激光束的柔性光纤传输问题尚未彻底解决，这税一定程度上 艰糕了激光弯菡戏影痤蘑夔灵活注。嚣建，钛经济瞧霜褒讲，激光成澎麓王雯逶弱予中小 型零件或精密零件成形，但敬大型零件和厚檄零件成形中受到限制。 遥过塔上分辑不难番窭，寻求著采臻更经济、要安全、鬟灵活、爨实是的残形热源， 是解决上述问题的捷径。而等离子体弧正是板件柔性成形技术的理想热源。采用等离子体 弧做成形热源，具鸯独蟪躬傥势：与激光据比，等亵予体弧乎均能量转换率可达8 5 ，远 高于激光的自量转化率( 平均为5 1 0 ) ：设备成本及操作成本低，豹为激光设备的5 1 0 ；金属表瓣状况对等离子体弧热能吸收率没有明显影响；设冬适应性好，可在粉尘、振 动、冷、热等各种惑劣的工北环境下完成对各种厚度板件的乘性成形。与氧乙炔焰流眈 较，簿离子体弧能量密度大，可控性好，必骥对可采用氮气、惰性气体为工作气体，以减 小成形板件的氧化程度。而鼠，可采用附加磁场等方法，可以方便遗控制等离子体弧窥闯 分布，不需增加机械摇摆机构也能控制加热宽度和热流分布，灵活解决不同厚度板件的成 形闷题。另外，可和箱各种稃约束手浚，扶撩谁l 等蓠予体孤弧柱形态、功率密度和稳定往 入手，获得离功率密度的有效等离子体弧，进而提高成形精度与质量。这些都表明利用等 离子体弧骰成形熬源( 特溺怒需要大功率畿形热源瑶寸) 有粳多优势，可解交永火弯瑟戚形 和激光成形存在的很多问题。 芷是在这撵费管爨下，我们疆出了稷薛等枣子钵瓤柔缝纛形技术翁醑究。 1 1 2 国内外研究现状 彩雳熬旋力和熟应交采实现稷彳牛成形在鬻内乡 逐灏或力错究熟煮，并公认是缀有袭震 前景的成形方法。目前利用热应力和热应变来实现板件弯益成形的研究主要集中在氧乙炔 火滔成形( 阪蕊穴弯缀为代袭) 程激光弯鹭藏形。 水火弯曲技术出现较早，在使用此技术时，一般凭个人缀验操作【5 6 1 。在国外，日、韩 等嚣在速方甏懿磷究较为突窭：袤家大学n o m o t ot 采蠲麓纯熬 线往弹牲嘏弯貉摸嫠代 替水火弯板热弹塑性大变形来求解厚板线状加热成形问题；大坂大学u e d at 为开发水火 弯教计冀毒晁耱蒴设计系统锻了疆论分掇嘎m o s h a i o va 霹慧纯热应力戏形懿；黢篷模拟翊蘧 及减小计算量方面做了有益的研究【g 】；汉城国立大学j a n gcd 等人将热弹塑性分析和数值 ，2 一 大连理工大学硕士学位论文 模拟技术引入加热线选择和变形预测等方面 9 - 1 2 1 。在国内，从8 0 年代中期开始，哈尔滨工 业大学、上海交通大学、大连理工大学等单位相继开展该方面的研究工作。近年来，大连 理工大学、北京机电研究所等单位在船板测试分析、成形参数优化、热弹塑性机理及计算 机模拟方面开展了相关工作 1 4 q 6 。目前国际上的研究重点是建立水火弯板温度和形状的测 量系统、热源控制技术、加工过程中修正方法、变形预测与仿真等。 在激光弯曲成形方面，许多国家投入了大量的人力、物力和财力进行研究 1 6 , 1 。日本 的n a m b ay 、德国的m a r t i nr 、v o l l e r t s e nf 和g e i g e rm 、美国的s c u l l yk 、波兰的 f r a c k i e w i c zh 等人在激光成形技术方面做了许多创造性研究工作【婚1 8 1 。目前国外发表的关 于激光成形的文献的要点有：阐述影响激光成形的因素；论述和模拟激光成形过程；介绍 可能应用的领域。国内对激光成形技术研究较早的单位有西北工业大学、燕山大学。近年 来，北京航空航天大学、华中科技大学、北京工业大学、大连理工大学、山东工业大学等 单位也相继开展了该方面的研究工作 1 9 _ 2 q 。总体来看，目前的工作逐渐从定性的模拟实验 转向对成形过程的理论分析、定量描述和形变预测口7 - 2 9 ，从碳钢、不锈钢成形研究转向难 成形材料的成形研究，从简单的直线弯折转向探索三维成形的基本规律口“” ，探索在微电 子工业中应用的可能性【3 2 】。2 0 0 2 年以来，上海交通大学开始进行计算机辅助高频感应加热 自动弯板成形理论及技术的研究工作，研究进展情况尚未见报道。 2 0 0 0 年以来，美国肯塔基大学m a i eat 等人首先对等离子体弧弯曲板件的可行性进 行了研究1 4 “”，主要进展情况概括如下：探讨正向弯曲( 弯曲方向朝向等离子体弧) 和 反向弯曲( 弯曲方向远离等离子体弧) 的机理；利用0 8 m m 厚不锈钢板定性研究工艺参 数与弯折角度的关系；探讨材料的热物理性能对弯折角度的影响；探讨成形热影响区 的组织转变特征口6 3 9 】。 在国家自然科学基金资助下，大连理工大学也己开展了等离子体弧弯曲成形方面的研 究工作，在进行成形机理研究的同时，初步建立起相应的实验装置，对碳钢、不锈钢、黄 铜等典型材料的等离子体弧弯曲成形规律做了探索性研究， 图1 i 封闭六面体照片 f i g 1 1p h o t o g r a p h o f a b o x f o r m e d b y p l a s m a r r c 3 一 鄣彦巍：焱鞴扳伴磁撩摊糍予体弧寨憔娥形技术研巍 对塞线嬲描鸾麴方向、窍魏角度b 能较好控嚣i 【3 ”4 1 。图1 a 1 ，6 缭出缒几种投佟零传 就感该课题缀运用镣离子体弧黍能成形技术加工的部分零张。窕们包捂封闭六面体零件、 卷熬袋藤零件、黢线弯曲扳传、z 形件、横形转、豺阏旌边形以及正职西体零 牛等。 阉l 2 褥曲板件j $ 搏 h g 1 2c u r l e ds h e e t m e t a l 阕1 4z 形件和槽形件 f 蟪1 。4 z a n d c h a n n e ls h e e t m e t a l 图1 3 赢钱弯曲檄件 f 毽1 ，3l i n e a r b e n d i n g8 融t m e t a l 图1 5 封闭五边形件 f i 蒜1 5c l o s e d p e n t a g o n s h e e t m e t a l 麓l 蓐藏四面体零件 f i g 1 6 r e g u l a r t e t r a l ：i e d r o ns h e e t m e t a l b p 神缀网络接术被弓i 入等离子体弧浆憋成形强中，宠潞其数德模拟技术，并熙通过 大鬃的实黢建立了样本数据霹，对成形结果相加工参数进行预测，j 藏行了可选参数戚形缡 d 大逐理工大学硕士学位论文 栗静鬏溅露已熬结莱载趣工参数选择，并裂月磷突结暴辩扳转鬃缝成髟蠢重要黪接导意义 p s i 。 纵溉等寓予髂弧柔性成形技术豹凰内乡 研究现状，可以清楚地看出，基前对该柔憾成 形技术的研究工作还处于起步阶段，研究的内窑主要集中在等离子体弧功率、掴描速度、 扳 牛几何尺寸、冷却方式等加工工艺参数对成形零件的影响授律。目前尚不能解决对金属 板件戚形后存在棱痕邋一问题，这在定程度i 限制了等离子体弧柔做成形技术的实际应 用。因此，采用外加磁场控制等离子体弧运动路径，从而控制众属板件成形过程中的温度 场和威力场分布，使得板件变澎区圆淆过渡，消除了掇件上的棱痕，这对推广这一技术在 实际中的应用是非常必要的。 1 2 研究意义与娇究思路 1 2 ，l 磷究意义 等离子技术是近2 0 年间发展起来的一门新学科，是一个高度交叉，迅速发展的科技 新领域。随着我国社会主义现代化的辩要，等离子体技术及其应用也疆益引起多方面的重 视。 等离子体弧柔性成形技术的优势在予： l 等离予体弧具裔温度高、能量集中等特点，适合傲板侔成形燕深； 2 等离子加工设备适应性好，可在粉尘、振动、冷、热等各种恶鹳的工业环境下完成 辩各种厚度板料静柔後成形。 3 采用附加磁场镣方法，可以方便地控制等离子体弧的空间分布，不需要机械摇摆机 擒也熊控希l 鞠熟宽度，胃灵活解决不阖摹赛蔽释豹成形6 鼋题。 4 可利用各种再约束手段，从控制等离子嚣助形态、功率密度和稳定性入手，获得离 珐率寮发蕊舂效等离予俸弧，遴露疆莲寝形精浚与囊鬃。 5 与计算机控制相结合，可有效调整、控制加工过程。 6 哥实琨多器热王工序 翔韬蘩、或形、辫揍、囔涂等) 瓣工霞复舍纯。 等离子体弧柔性成形技术因具有上述优点，有望在航空航天器、汽车、船舶等制遗业 中发撵重要作耀。在燕莛空领域，飞极、卫星及火蓑土豹大鍪覆魏 串中，壹线努弯 串及乎叛 曲线弯边件所占比例较大，并且所用材料多为常温下难以成形盼钛合金，如果采用等离子 终弧豢注戏形技术，傻箕在翔热状态下累织成影，霹馊耪料拔型工艺性能大为改善，嗣 时，不仅能节省大量大型模具制造费用，而且可简化工艺条件，缩短零件制造周期，加快 舞型粤产品豹疆利。焱汽车巷造领域中，采用等离子体弧柔性成髟技术可对汽车覆盖 串避 一5 郭彦肖：金属板件磁控等离子体弧柔性成形技术研究 行柔性校正，特别是在新款式样车的试制中，将更能充分发挥其适合于单件及小批量生产 的优势。在造船业的船板成形方面，该技术同样拥有巨大应用潜力。 综上所述不难看出，等离子体弧弯曲成形技术大有取代传统的水火弯板技术的趋势， 同时在大型件的弯曲成形中它也有着激光弯曲成形所无法取代的优点低成本，因此等 离子体弧弯曲成形技术作为一种新型的成形技术有着广阔的应用前景。 本课题的研究对深化板件材料成形技术的系统认识、拓宽等离子体的应用领域具有重 要的意义；有关板件中温度场、应力场、形变规律等问题的系统研究，将为促进火焰成 形、激光成形等技术的发展提供可借鉴的研究依据；同时对等离子射流与材料之间的能量 耦合机制的认识，也有助于推进等离子在其它方面的应用。 总之，金属板件等离子体弧柔性成形技术研究涉及等离子体物理、塑性力学、金属物 理学、热传导学、材料学及计算机数值模拟等多门学科。随着本课题的深入开展，将丰富 或替代部分传统金属成形工艺，形成复杂、大型金属板件的无模具曲面柔性成形技术，为 国家创造出巨大的经济效益和社会效益。 1 2 2 研究思路 等离子体弧具有温度高、能量集中等特点，适合于做板件成形热源，并且等离子体弧 的加工设备适应性好，可在粉尘、振动、冷、热等各种恶劣的工业环境下完成对各种厚度 板件的柔性成形，因此，等离子体弧弯曲成形的适应面广泛，这是本课题的基础。由于带 电粒子在磁场中所受到洛仑兹力，宏观上可看到等离子体弧在磁场因受到的洛仑兹力而而 发生偏转，通过按一定频率改变磁场的方向并对其加以控制，可使等离子体弧在待加工板 件表面摆动，即在外加交变磁场中，等离子体弧柱在垂直于横截面方向上受到洛仑兹力的 作用，使得等离子体弧做横向摆动，使之在横向方向上分散等离子体弧，从而控制它在金 属板件表面上的接触时间以控制单位面积上的等离子体的热流密度。 基于以上思路，可以先对磁控等离子体弧柔性成形进行相应的计数值模拟，建立数学 模型，交变磁场发生装置，进行了大量的实验，找出实际结果与计算机模拟之间的差距， 进行修正或是找出其修正系数。 1 2 3 数值模拟技术在柔性成形技术中的应用 随着科学技术的发展，数学模型和数值模拟技术已被广泛应用在各个领域，可以通过 选择适当的数值方法和技巧去求解和模拟科学和工程的问题。利用数值模拟技术可以把实 验无法解决的或用实验解决不太现实的复杂问题在计算机上很方便的得到解决，还可以大 大降低实验成本，在一些工程领域中模拟技术已被视为与实验同等重要。 6 大连理工大学硕士学位论文 对板件柔性成形研究，还处于初始阶段，研究的手段主要依靠经验。利用有限元方法 对渐进弯曲成形过程进行仿真，可方便地校验成形中的工艺参数匹配是否合理、是否会出现 缺陷等，从而可有效地避免生产中的盲目性，节约了大量的物力，人力和时间，减少实验 工作量，对于保证板件成形的质量和安全可靠性具有重大的经济价值和现实意义。 1 3 本澡题工作的主要内容 本文的研究目标是，以磁控等离子体弧柔性成形实验为基点，进一步扩大对等离子体 弧弯曲成形的基本规律及关键技术研究，为得到所需的圆滑过渡的、弯曲曲率半径较大的 工件，研制出适用的实验装置，分析在磁场控制下板件的成形机理和影响成形的主要因 素，结合计算机模拟技术，通过实验与计算相结合，得到适合于磁控等离子体弧柔性成形 的工艺参数。 我们将根据等离子体在磁场中的性质及等离子体弧加工和板件成形的特点，着重研究 下列理论问题和技术问题： 1 引入等离子体在磁场中运动理论，为研究交变磁场控制等离子体柔性成形提供理 论基础： 2 数值模拟技术。在建立上述数学物理模型基础上，采用a n s y s 有限元分析软件的 二次开发，分析在磁场控制下板件温度场、应力场和形变规律，并对成形过程进行有效的 预测； 3 实验论证加入交变磁场是对等离子体弧柔性成形进一步的完善，可提高板件的成 形质量； 4 分析加入磁场对板件的成形规律的影响。 本文将从控制等离子体弧扫描路径入手，研究成形过程中由于加入了磁场使其弯曲变 形表面质量和曲率半径发生的改变，揭示板件成形精度特性与磁场大小以及频率大小之间 的内在联系，进一步完善金属板件等离子体弧柔性成形基础理论，为实现成形技术工业化 应用打下了基础，并为最终为实现大型板件多品种小批量成形无模具化、柔性化提供新的 途径。 7 郭彦肖：金属板件磁控等离子体弧柔性成形技术研究 2 磁控等离子体弧柔i 生成形技术简介 磁控等离子体弧柔性成形技术是在等离子体弧柔性成形技术的基础上发展起来的，是 对等离子体弧柔性成形技术的发展和完善。在介绍磁控等离子体弧柔性成形技术之前，本 文先介绍等离子体弧柔性成形的基本原理。 2 1 等离子体弧柔 生成形基本原理简介 等离子体弧柔性成形技术( f f u p a ) 是近几年发展起来的金属板件柔性成形技术。它 借助热应力与热变形( 应变) 实现板件成形，不需要制造相应的模具，在新产品开发过程中 拥有良好的应用前景。其基本思想是：以等离子体弧为热源，在不借助工模具和外加压力 条件下，合理控制弧柱的扫描轨迹和速率，并辅以有序的冷却措施，使材料内部形成可控 的温度梯度进而产生非均匀热应力场，当热应力超过材料相应温度下的屈服极限时，便会 在材料内部产生塑性变形，使板件成形为预期要求的形状。 等离子体弧柔性成形是成形温度、组织转变、应力共同作用的结果。通过实验研究的 方法，采用不同的工艺参数组合，得到了不同的变形形式。结果发现，弯曲机理与待定工 艺参数下所形成的温度场形式有关，根据板厚方向的温度场分布状况，其成形机理可归结 为以下三种：温度梯度机理、屈曲机理、镦粗机理。事实上板件成形机理非常复杂，往往 是几种机理复合作用的结果。 2 1 1 温度梯度机理 当弧功率较小、扫描速度较快的等离子体弧在具有一定导热系数的金属板件上表面加 热时，被扫描的上表面瞬间被加热至高温状态，而热量由上表面传导到下表面需要一定时 间，其温度在短暂的时间没有显著的变化，因此就导致在板件厚度方向上形成了突变的温 度梯度。如图2 1 所示在加热过程中，等离子体弧的快速加热作用使金属板件的上表面s l 区( 见图2 1 ( a ) ) 首先达到塑性状态，而下表面s 2 区仍保持弹性状态。s l 区内的材料受热膨 胀，但由于s 2 区内的材料仍保持刚性，抑制了s 1 区材料的膨胀，使s i 区的部分材料在 表面堆积。由于s l 区周围低温材料抑制了s 1 区材料的膨胀，在s l 区内会形成压应力， 当在此温度下压应力达到材料的屈服极限时，在s 1 区内就会产生塑性变形。同时由于s 2 区仍处于弹性状态，s 1 区材料的膨胀会使工件以一个c 1 的角度向背离等离子体弧的方向 弯曲，见图2 1 c o ) 。在冷却过程中，随着s i 区域温度的降低，先前由于受热产生压应力的 s l 区收缩。当s l 区的金属试图收缩时，会在s l 区诱发拉伸应力使金属板件产生一个以 0 【2 角度朝向等离子体弧方向的弯曲。由于低温下的屈服应力要高于高温下的屈服应力，在 一8 大i 燕理工大学礞学位论文 冷鑫j 避程中豹撞 枣瘟力会产生个梗对较大懿浚结。揍为这两个过程( 鸯l 热彝冷帮) 懿囊 加，公形成如图2 1 ( c ) 所示的弯曲变形，弯曲角度为2 。c d 。 从以上分辑不难蓉蹬，受热叛转农发生正囱弯莹熬过程孛，起主要作曩匏裁是湿度撵 度机理。为了茅用这种机理，可以通过控制等离子体弧输入热鼹和弓 入背向冷却气流柬诱 发涅发梯度枧理熬形成。通常情况下，温度梯发枧理主疆用于浮扳的囊向弯曲。对于零件 的弯曲成形，濂度梯度机理发挥了重要作用，如果需要加深板件的成形程度，可以靠增加 扫描次数来实现。 嚣三承鼗。e 三爵 心 心t心t 2 1 2 麟曲机理 当使用较大的弧穗蠢径、相对较高的弧功率或较低挡描速度的等离子体弧扫描热传导 率较高的金属薄板时( 如图2 , 2 所示) ，会造成扳件单位面积内等离予体弧的热流密度较 大，从衙在板件船燕鹾会导致热膨胀要院温度梯度梳隶l 大，板件正面首先被者e 热，先予投 料背面发生膨胀，使檄件产生很小的反向弯曲变形。由于等离子体弧扫描速度缓陧，正璇 的热量慢慢传递巍背嚣，使歪、背面溢度梯度极，j 、。在稻对较大静翔熬区城内，板俸因温 度升高，继续发生热膨胀，而邻近区域的冷态材料要限制其膨胀，因此+ 在整个加热区域内 产生强大翦匿缭应力，强辩，蠢予澄茨静舞高等| 起耪科藩驻应力豹i 餐惫，不仅後加燕区孝芎 料产生压缩塑性应变，而且使加热区材料产生失稳，即发生屈曲，使反向弯曲变形增大。 反两弯麴交形豹增大，避一多秀霹大了扳俘营瑟稳压鳍鍪往区，瓣泣，这辩扳稀肇擎蚕褪辩熬 压缩塑性应变值远大予正面的腿缩塑性应变值，结果馒扳件背灏的横向收缩量大于正面的 横蠢羧缭量，露表现蠢较大蕤反怒弯鏊! 变形。另方藿，在麓燕阶段酶寒蘩，叠霾热嚣豹蕊热 温度上升到最大温度后开始冷却，背面的温度却还在上升，由于热传导需要时间的关系， ，9 郭彦肖：金属板件磁控等离子体弧柔性成形技术研究 背面达到温度最高值的时间总比加热面滞后一些。这时，由于加热面温度已开始降低，产生 了横向收缩，结果加大了背面正在加热部位的塑性压缩区，使背面的横向收缩量进一步增 大，此时板料的反向弯曲角度达到了最大。随后，板料背面温度也开始刚氐，同样要产生横 向收缩，由于其塑性变形区及压缩应变值较正面大，因而，随温度的降低，板件背面的横向 收缩效应也较正面显著，结果使板件正面的塑性压缩应变值反而随温度的降低增大。当板 件温度恢复到室温时，板件正、背两面的塑性应变差值有所减小，但板料仍保持了背向等 离子体弧的反向弯曲。 屈曲机制主要被用于薄板的反向弯曲。 图2 2 屈曲机理 f i g 2 2b u c k l i n gm e c h a n i s m 2 1 3 镦粗机理 镦粗机理的过程与屈曲机制相似，只是等离子体弧柱的半径和板件厚度之间的相对大 小比屈曲机制要小。由于等离子体弧扫描速度较慢，温度梯度机理的作用在加热区的厚度 方向非常小，板件在等离子体弧周围的温度梯度主要表现在板平面方向上，随着加热的进 行，加热区材料很快达到屈服极限，由于受板件加热区周围材料的限制，加热区内部形成 了高压力，在厚度方向上几乎同时发生了塑性变形，变形厚度方向发展，致使材料产生堆 积。冷却过程中，这种堆积不能完全复原，从产生厚度方向上的正应变，被加热即在厚度 方向上发生了镦粗。在镦粗作用发生后，由于板件相对厚度较大，阻止了屈曲机制的发 生。也就是说，板件加热区在厚度方向上只有镦粗机理发生。 镦粗机理可以减小板件的面积，多用于空间曲面的成形中。 2 2 磁控等离子体弧柔i 譬减形技术基本原理 等离子体弧金属板件柔性成形中，由于受等离子体弧柱直径的限制，在板件表面上的 加热区不够宽，从而使得在加热区区域的变形区很窄，造成金属板件的弯曲成形的曲率半 径比较小，加工弯曲半径较大的工件比较困难，这样就限制了等离子体弧金属板件柔性成 形技术的应用范围。此外，等离子体具有温度高、能量集中和”e 氛可控和冲击力大等 特点，这些特点使它对所加工的工件表面产生了很大的影响。当等离子体弧瞬间加热板件 时由于上表面材料的温度很高，故其热膨胀量大且屈服极限低，使得板件热作用区产生非 均匀的压缩变形，板件上表面形成材料堆积，使得板件表面出现棱痕，表面不够光滑。如 1 0 大连理工大学硕士学位论文 图2 3 所示，等离子体板件柔性成形是由于金属板件原子相对移动和相变( 再结晶) 所致， 此变形属于塑性变形，具有不可逆性，这影响了工件成形的表面质量。 图2 3 板件弯曲成形表面堆积 f i g 2 3s u r f a c e p i l e u p o f f l e x i b l e f o r m i n g u s i n g p l a s m a a r c 由上述知，得到弯曲弧度圆滑和弯曲半径较大的工件比较困难，为解决这一技术问 题，由等离子体的“与磁场可作用性”这一特点，利用低强度的均匀磁场来控制电子运动 和增加在等离子体系统( 磁控装置) 中电子运动路径的长度。我们在等离子体弧的周围布 置两个相同的磁极控制等离子体弧，对其运动方向和路径加以控制，这样在外加交变磁场 中，等离子体弧弧柱在垂直于横截面方向上受到洛仑兹力的作用，使等离子体弧作横向摆 动，从而得到在横向分散等离子体弧，这样可增加等离子体弧的加热面积，随之增加了板 件变形区的宽度，得到弯曲半径较大的工件。此外，这样可控制等离子体在材料的表面上 的接触时间，以得到较大的等离子体弧截面，使得在板件表面上单位面积内的热流密度减 小，这样就可以获得表面比较光滑的工件。如图2 4 b 中所示，等离子体弧的加热区域得到 了控制，通过分析可知等离子体在微观上表现为带电粒子在磁场中做旋转运动和漂移运 动，在宏观上表现为等离子体弧在垂直方向上在加热线两侧偏转，控制了了加热区的宽 度。 e e j ll l汀i 曝蕊 图a 等离子体弧板件弯曲变形图b 磁控等离子体弧板件弯曲变形 图2 4 等离子体弧板件柔性成形 f i g 2 4f l e x i b l ef o r m i n go f s h e e = tm e t a lw i t hp l a s m aa r c 图a 与图b 分别显示了有无磁场控制下的板件弯曲变形，可以看出，在加入磁场控制 的情况下，加热区增大，厚度方向上热影响减小，变形的角度略微减小，变形的曲率半径 增大。 $ # 毖遣：金属扳件磁控等骞予体弧柔蛙成形技术磷究 实验中莱爱懿援馋塞璇一般远大予厚度( 援宽嚣留殍度 l o ) ，翅建忽旗援宽度瓣变形 的影响，簿离子体弧功率与形态擞要决定着工件成形处沿弧的轴向与径向的热传递速率 比。实验中我宙 穆器# 功率越毫，弧半径越小，扳转藏形懑建越枣；弧功率小，弧半径较大 或板件上加热区较大，板件弯曲成形圆角就较大，年4 用此特点我们可以加工不同形状的工 譬。 2 2 1 磁控簿离子体弧的基本原理 。等襄子镕魏豢娥粒子在毫磁场爨戆运动 由于瓣离子体具有与磁场可作用性，可通过外磁场来改变等离子体弧的形状和位置、 或者控