不锈钢/铝/不锈钢复合板圆筒件拉深成形过程中起皱机理研究

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不锈钢和铝轧制复合形成的不锈钢/铝/不锈钢多层复合材料已经被广泛应用于各行各业。不锈钢/铝/不锈钢组成的多层板不仅结合了不锈钢的光洁表面和铝质量轻、导热好等优点,而且易清洗、耐腐蚀,在厨具、航空、航天、医疗等领域得到了广泛的应用。然而,由于不锈钢和铝的材料之间存在着较大的差异性,导致复合板在拉深成形过程中的产品经常会出现一些缺陷,其中以圆筒件的法兰区与筒壁外侧的起皱最为显著。起皱的存在不仅严重影响了成形产品的使用和美观,甚至还可能对模具造成损害。目前,金属轧制复合板拉深件的起皱研究尚没有较为成熟的理论体系做指导。故本文旨在从理论分析法、有限元数值法和实验验证法三方面探讨不锈钢/铝/不锈钢轧制复合板圆筒件在拉深过程中起皱产生的原因以及各因素对起皱的影响规律,从而预测和防止起皱的发生,为企业制定相关参考评价体系提供依据。具体所做的工作如下:  1、采用主应力法得出了不锈钢304/铝1050/不锈钢430(SUS304/Al1050/SUS430)复合板圆筒件的法兰区和筒壁区受力情况及分布规律;利用能量法推导出了SUS304/Al1050/SUS430复合板拉深成形过程中起皱失稳条件下的临界压边力,并采用有限元软件定性的分析了理论模型中临界压边力影响的因素。  2、采用单向拉伸实验测得SUS304/Al1050/SUS430复合板的力学性能,得到复合板的抗拉强度σb和屈服强度σs都小于单层板的不锈钢,并且复合板与轧制方向成45°(简称45°)的σs>与轧制方向成0°(简称0°)的σs>与轧制方向成90°(简称90°)的σs。采用扫描电镜观察了单向拉伸试验的断口,发现断口是典型的塑性断裂断口,说明复合板结合非常好。采用金相显微镜观察起皱区,发现复合板界面结合紧密,其中Al1050层和SUS430层的结合界面和SUS430层的外侧都产生了明显的起皱现象。  3、采用ETA/DYNAFORM软件对SUS304/Al1050/SUS430复合板圆筒件的起皱进行了数值模拟,对起皱区材料流动状态、应力应变以及厚度分布进行了分析,结果表明:90°的流动速度>0°的流动速度>45°的流动速度,这是由于90°的σs<0°的σs<45°的σs,屈服应力值小的材料先流动;复合板间的流动速度大小为 Al1050层>>SUS304层>SUS430层。  4、提出了以厚度差作为评价指标,采用正交试验方法分析板料直径、凹模圆角半径、摩擦系数、压边力等对SUS304/Al1050/SUS430复合板在拉深成形过程中起皱影响。结果表明:对圆筒件起皱影响最大的因素是压边力,其次是凹模圆角半径、摩擦系数、板料直径等。采用极差与方差分析得到了拉深最优的工艺参数为:压边力为170KN,摩擦系数为0.2,板料直径为355mm,凹模圆角半径为14mm。  5、根据复合板拉深成形过程中的起皱理论与模拟的结果,提出了一种改善起皱的方法,及在最优的参数条件下,在速度流动快与厚度增加明显的方向上设置拉延筋,对其进行模拟与实验验证。结果表明:在加拉延筋的作用下,复合板整体的流动速度和筒壁外侧的厚度都得到了均衡,筒壁外侧的起皱明显减小了。  6、通过YBT实验对SUS304/Al1050/SUS430复合板的抗皱性进行了测试,并对实验后的试样进行了观测。结果表明:复合板的抗皱性大小为:0°>45°>90°,说明在与轧制方向成90°处最容易产生起皱。采用金相显微镜观察拉伸后的试样,与前面起皱区的现象一致,并且皱纹都是与轧制方向平行,与前面的理论、模拟和实验的结果相吻合。  在本课题中,采用理论、有限元模拟、实验相结合的方法探究SUS304/Al1050/SUS430复合板圆筒件在拉深过程中的起皱。以本文的研究结果为基础,来预测和防止多层复合板拉深成形过程中的起皱,并为实际生产提供有价值的参考。
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