塑性成型

塑性成型（精选4篇）

塑性成型 篇1

板料成型是金属塑性加工中经常遇到的一种工艺过程。板料成型的塑性计算中,当板料的厚度比其它尺寸小很多时,弯矩对变形的影响可以忽略,因此可以采用与实际情况相近的薄膜理论进行分析。而通常对板料成型问题的塑性分析是采用Treasca屈服准则和Mises屈服准则进行的,有关的结果大多也是利用这两个屈服准则得出的。这两种屈服准则分别对于剪切屈服应力τs=0.5σs与τs=0.577σs的材料是比较适合的。而对其它材料结果会有一定的偏差。我国学者俞茂宏在Treasca屈服准则和Mises屈服准则的基础上提出了一种可以适用于各种不同材料的统一屈服准则[1,2],并得到很好的应用[3,4]。因此,根据各种材料的具体性质采用相宜的权系数,用统一屈服准则来研究金属压力加工中有关问题、给出新的适用性更广的结果,是一件有意义的工作。

1 薄膜应力的平衡方程和统一屈服准则

1.1 薄膜应力的基本假设和基本方程

板料成型的塑性计算中,当板料的厚度比其他尺寸小很多时,可以忽略弯矩对变形的影响,相近地采用薄膜理论进行分析,薄膜理论的基本假设为[5]:

1) 板料只承受中面内主方向的拉力,其值为pr=σrh,pθ=σθh,h是板料的厚度。

2) 薄板不能承受弯矩的作用,即认为Mθ=Mr=0,或认为薄板的抗弯刚度为零。

3) 当满足屈服条件f(pθ,pr)=0时,板料将产生塑性变形,并认为板料是刚塑性的。

4) 板料是均匀的,材料的屈服极限σs为常数。

5) 模具与板料之间的摩擦可以忽略不计,模具的压力q垂直作用于板面上。

假设薄膜微元体上作用有周向薄膜力pθ和径向薄膜力pr,并且在垂直于薄膜的表面上作用有外力q,应力场与应变场均与角θ无关。则沿子午线的切线方向的平衡方程为:

d(prr)-pθdr=0 (1)

沿法线方向的平衡方程为

$\frac{p{}_{\theta }}{\rho {}_{\theta }}+\frac{p{}_r}{\rho {}_r}=q$ (2)

式中ρθ和ρr为曲率半径。

1.2 统一屈服准则

统一屈服准则是一种通过调整中间主应力的效应,以适用于不同材料的屈服准则。若规定主应力σ1≥σ2≥σ3,则其数学表达式为

$F=\sigma {}_1-\frac{1}{1+b}(b\sigma {}_2+\sigma {}_3)=\sigma {}_s$当σ2≤(σ1+σ3)/2 (3)

$F^{\prime }=\frac{1}{1+b}(\sigma {}_1+b\sigma {}_2)-\sigma {}_3=\sigma {}_s$当σ2≥(σ1+σ3)/2 (4)

式(4)中,b(0≤b≤1)为中间主应力对材料屈服的影响系数。双剪强度理论在π平面上的屈服轨迹如图1所示。

从图1中可以看到,随着影响系数b的变化,统一形成了一族屈服轨迹,覆盖了域内的所有区域。因此它适用于从上限到下限的所有拉压同性材料,并且它们都是线性关系。采用不同的b值可以得到不同的屈服准则,b的值可以由材料试验确定。

2 塑性分析的基本方程

板料成型问题可近似为薄膜应力问题[6],假设所取的模型是柔性的,且垂直于薄膜方向的应力为零。因此薄膜单元处于平面应力状态,且σr>0。

2.1 带孔薄膜的内拉伸问题

如图2所示的带圆孔薄膜,受内拉力的作用。薄膜内的应力可以由平衡方程式(1)和屈服准则式(3)或式(4),根据边界条件确定。进入塑性变形后,应力有σ1=σr≥0、σ3=σθ≤0、σ2=σz=0。当σr+σθ≥0时,薄膜应满足

$\{\begin{array}{l}\frac{\text{d}\sigma {}_r}{\text{d}r}+\frac{\sigma {}_r-\sigma {}_{\theta }}{r}=0；\\ \sigma {}_r-\frac{1}{1+b}\sigma {}_{\theta }=\sigma {}_s。\end{array}$

注意到r=R处σr=0,有

此时要求$\frac{r}{R}\le \left(\frac{2}{2+b}\right){}^{\frac{1}{b}}$。而当σr+σQ≤0时,薄膜应满足

$\{\begin{array}{l}\frac{\text{d}\sigma {}_r}{\text{d}r}+\frac{\sigma {}_r-\sigma {}_{\theta }}{r}=0;\\ \frac{1}{1+b}\sigma {}_r-\sigma {}_{\theta }=\sigma {}_s。\end{array}$

同样利用r=R时,σr=0,解得

此时要求$\frac{r}{R}\ge \left(\frac{2+b}{2(1+b)}\right){}^{\frac{1+b}{b}}$。在式(5)和式(6)中取b=0时即为Treasca解

2.2 带孔圆薄膜的外拉伸问题

如图3所示的带孔圆薄膜的外拉伸问题,薄膜的内半径为r0。这时应力有σ1=σθ≥0、σ2=σr≥0、σ3=0。当$\sigma {}_r\le \frac{1}{2}\sigma {}_{\theta }$时,薄膜应满足

$\{\begin{array}{l}\frac{\text{d}\sigma {}_r}{\text{d}r}+\frac{\sigma {}_r-\sigma {}_{\theta }}{r}=0;\\ \sigma {}_{\theta }-\frac{b}{1+b}\sigma {}_r=\sigma {}_s。\end{array}$

注意到r=r0处σr=0,有

此时要求$\frac{r}{r{}_0}\le \left(\frac{2+b}{1+b}\right){}^{1+b}$。而当$\sigma {}_r\ge \frac{1}{2}\sigma {}_{\theta }$时,薄膜应满足

$\{\begin{array}{l}\frac{\text{d}\sigma {}_r}{\text{d}r}+\frac{\sigma {}_r-\sigma {}_{\theta }}{r}=0；\\ \frac{1}{1+b}(\sigma {}_{\theta }+b\sigma {}_r)=\sigma {}_s；\end{array}$

同样此时r=r0处σr=0,故解得

同样,在式(8)和式(9)中取b=0时即为Treasca解

2.3 应用实例

对于图4所示的受圆锥形凸模深冲的带孔板料,初始半径为r${}_0^0$。假设在变形过程中子午线的长度不变,深冲后圆孔半径r0为

r0=r${}_0^0$+(R-r${}_0^0$)(1-cosα) (11)

若当板料被冲在至图示位置时,由式(9)可得深冲力为

${\rm P}=2\pi Rh\sigma {}_r\sin \alpha =2\pi Rh\sigma {}_s\left[1-\left(\frac{r{}_0}{R}\right){}^{1+b}\right]\sin \alpha (12)$

如图5所示的带孔板料深拉延时,板的初始半径为r${}_0^0$。若假定应变的比例关系在变形过程中不变。这一问题的应力场可由式(9)确定,并且σz=0。根据塑性流动法则有

$\frac{\dot{\epsilon }{}_z}{\dot{\epsilon }{}_{\theta }}=\frac{\sigma {}_z-\sigma {}_m}{\sigma {}_{\theta }-\sigma {}_m}=-\frac{\sigma {}_{\theta }+\sigma {}_r}{2\sigma {}_{\theta }-\sigma {}_r}$ (13)

其中平均应力$\sigma {}_m=\frac{(\sigma {}_r+\sigma {}_{\theta })}{3}$,因此利用式(9)可得

$\dot{\epsilon }{}_z=-\frac{2-(1-b)\left(\frac{r{}_0}{r}\right){}^{1+b}}{1-(1-2b)\left(\frac{r{}_0}{r}\right){}^{1+b}}\dot{\epsilon }{}_{\theta }$; (14)

由于$\epsilon {}_z=\ln \frac{h}{h{}^0}$、$\epsilon {}_{\theta }=\ln \frac{r}{r{}^0}$,因此有

$h=h{}^0\left(\frac{r{}^0}{r}\right){}^{\frac{2-(1-b)\left(\frac{r{}_0}{r}\right){}^{1+b}}{1-(1-2b)\left(\frac{r{}_0}{r}\right){}^{1+b}}}$ (15)

若在上式代入孔口处r=r0,r0=r${}_0^0$,可得到板料的厚度变化和孔口半径变化之间的关系

$h=h{}^0\left(\frac{r{}_0^0}{r{}_0}\right){}^{\frac{1+b}{2b}}$ (16)

因此,利用给出的薄膜应力统一解,针对不同的材料选取不同的b值,可以用来求解板料成形中的各种问题。以便更好地制定成形工艺,控制产品尺寸精度。

3 结束语

首次采用统一屈服准则对金属塑性加工中的板料成型问题进行了塑性分析,得到了不同材料的薄膜应力的统一解,Treasca解作为本文的特例。所得结果可以满足不同板料成型问题的需要,对科学地制定板料成形工艺具有一定的理论价值和实际意义。

摘要：应用统一屈服准则对金属塑性加工中的板料成型问题进行了塑性分析,得到了不同材料的薄膜应力的统一解,为工程实际问题提供了理论依据。

关键词：统一屈服准则,塑性加工,薄膜应力,板料成型

参考文献

[1]俞茂宏.双剪理论及其应用.北京:科学技术出版社,1998

[2]梁柄文,胡世光.板料成型塑性理论.北京:机械工业出版社,1987

[3]杜庆华.工程力学手册.北京:高等教育出版社,1994

[4]王钟羡.用双剪理论对厚壁圆筒的极限分析.江苏理工大学学报,1997;18(2):81—84

[5] Yu Maohong,He Linan,Liu ChunYang.Generalized twin shear stressyield criterion and its generalization,Chineses Science Bulletin,1992;37(24):2085—2089

[6]谭继锦.金属材料屈服准则的统一形式.科学通报,1990;35(7):555—557

塑性成型 篇2

飞机用ACM的低成本成型方法(Ⅲ)--热塑性树脂基复合材料的低成本成型技术、纺织技术及研究建议

1 热塑性树脂基复合材料的.低成本成型技术 热塑性树脂基复合材料(FRTP)有许多优点:具有较高的韧性,原材料可在室温下贮存,成型中没有化学反应因而成型时间短.注意到这些优点,从1980年代开始进行FRTP在飞机结构上的适用研究,然而由于成型困难,没有确立实用的成型方法,几乎没有装机实用.

作 者：泷敏美 天冈和昭  作者单位： 刊 名：复合材料学报  ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA MATERIAE COMPOSITAE SINICA 年，卷(期)： 16(3) 分类号： 关键词： 

塑性成型 篇3

关键词：风力机叶片,隔膜成型,Pro/E

1 引言

风力发电作为用之不尽的清洁可再生能源正在逐步取代传统的石化能源发电。目前为进一步提高风力发电设备的性能与发电效率, 风电设备生产企业开始转向新材料、新工艺、低成本和大功率风电设备的研发与制造。叶片是风电机组的核心部件之一, 其部件价值量占整个风电机组的20%~25%。叶片的材料选用和翼型结构设计直接决定其捕获风能的能力, 影响风力发电机组的发电功率。风机叶片的长度和重量随着单机规模的扩大到而增大, 叶片大型化发展使得复合材料取代了传统的风机叶片材料而成为首选。由于大功率风机叶片采用复合材料, 尺寸大, 结构复杂, 叶片成型制造工艺成为叶片质量优劣的关键。热隔膜成型技术是随着复合材料的发展产生的一种新的构件成型工艺, 在国外已经成熟的应用。选用热塑性复合材料, 运用隔膜成型原理, 将有效改善复合材料风机叶片生产质量, 提高生产效率, 降低生产成本, 对复合材料风机叶片制造工艺研发与改进具有重要的意义。

本文在研究分析当前复合材料风机叶片制造工艺的基础上, 选择生产效率高, 成型效果好的隔膜成型工艺, 设计可生产长度为1米的APC-2热塑性风机叶片隔膜成型系统, 该热隔膜成型系统包括成型模具、真空装置、增压装置 (在低温低压或单侧抽真空方法中不设置此装置) 、热压罐成型固化装置、加热装置、冷却系统以及检测、控制等附属辅助系统。

2 真空装置选型

真空装置在热隔膜成型系统主要有两方面应用, 一是预浸料隔膜平板叠层预处理, 对上下两层隔膜间进行抽真空处理, 使上下层隔膜夹紧预浸料, 避免成型过程中隔膜间残留空气作用造成制件空鼓或厚度不均等质量缺陷;二是模具侧抽真空形成隔膜上下层压力差 (适用成型温度低、压力要求小于1atm的制件) 。

本文选用的叶片材料和隔膜材料成型压力高于1atm, 成型过程需要增氮加压, 因此, 真空系统主要用来成型预处理。在叶片的小型零配件成型过程则直接使用抽真空形成成型压力即可。根据实际的工程需要, 可以选择不同类型的真空系统, 达到比较理想的配置, 真空系统的选用主要考虑以下几方面:

(1) 确定工作真空范围及极限真空度; (2) 被抽气体种类与抽气量; (3) 真空容积。

本设计最终选用的JZJ-70罗茨—旋片真空机组, 生产厂家为上海飞鲁真空泵厂有限公司。

3 热压罐主体设计

3.1 热压罐总体结构设计

本文给出的叶片热隔膜成型装配主要是进行热压罐主体结构的装配, 包括叶片模具、热压罐体和支撑结构等部分。管路系统、控制系统和检测系统等的装配工作都是基于热压罐隔膜成型主体装配的基础上进行。

1-封头;2-密封圈a;3-密封圈b;4-热压罐;5-热压罐支架;6-模具支架;7-模具导轨;8-模具

3.2 成型模具设计

本文设计的上部叶片模型考虑加工方便, 容易成型, 采用的是常用翼型型号为NACA4412, 其截面形式如图2。

成型模具的下部为真空箱, 真空箱内部设计为全空形式, 腔体空间以满足真空泵抽速的要求, 真空箱侧壁预留有真空管接口, 真空箱与叶片模型的连接通过φ12的螺栓进行连接。

成型模具组装后的结构与分解图分别如图3所示。

3.3 热隔膜成型热压罐设计

热压罐是复合材料热压成型的核心设备, 主要为制件的成型提供必要的温度和压力环境。热压罐在风力机叶片生产中的用途为两种: (1) 热隔膜叶片制件成型。 (2) 制件固化成型。热压罐的设计分为两个基本组成部分:罐体的设计和热压罐封口的设计。这两部分是热压罐受热和受压的主要元件。

本文设计的热压罐由于存在后期的固化需要, 其所能达到的最高温度为180℃, 能够承受的最大压力为1.0MPa。热压罐罐体圆筒结构采用单层卷板, 封头通过与罐体上的8个φ20螺栓连接, 封头与罐体之间通过两层密封垫圈密封。

热压罐的整体主要性能参数如表1。

4 加热冷却方式

热隔膜成型热压罐的加热结构设计中, 选用加热效率较高的红外线板型加热, 加热板安装在热压罐外壁, 包裹半个罐体, 剩余罐体部分直接采用增加与加热板同厚度的绝热保温层。采用的加热板结构形式如图4所示。加热板长度0.9米, 厚度5mm, 弯曲弧度180°。

本设计采用的SiC加热板由保护层、绝缘层、绝电层、反射涂料层以及碳化硅层等组成, 通过各个组成层的不同功能实现加热板给热压罐体提供热量, SiC加热板的内部层次结构如图4所示。

1-保护层;2-绝热层;3-绝电层;4-反射涂料层;5-碳化硅电热层

热压罐的冷却方式采用罐体内外的冷热气体对流, 通过外部向罐体内强制通入气体, 来实现罐体内模具和制件的降温处理。

5 结束语

目前, 像风力机叶片这样的复杂结构的复合材料梁、板成型, 由于结构外形狭长, 并有其他结构附件, 很难实现自动化铺叠、成型。热隔膜成型技术的出现, 成功的引进了自动化技术。复合材料成型预浸料经过自动化铺叠并制成平板叠层形状, 在隔膜成型机系统中可以按照设计要求成型复杂的制件。

参考文献

[1]中国复合材料集团有限公司.风电叶片发展趋势:热塑性复合材料”绿色叶片”[J].电器制造, 2010, (7) .

[2]Rijswijk, K, Bersee, H.E.N, Reactive processing of textile fiberreinforced thermoplastic composites-An overview[J].Composite Part A:applied science and manufacturing, vol.38, issue 3, March 2007, 38 (3) :666-691.

[3]Tan Hua, Yan Shilin.Three 2dimensional simulation of curing process for thermoset composite[J].Acta Materiae Compositae Sinica, 2004, 21 (6) :167-172.

[4]达道安.真空设计手册[M].北京:国防工业出版社, 2004.

塑性成型 篇4

江阴协统汽车附件有限公司2004年自主开发出以PU夹心/热塑性麻毡成型汽车内饰件的工艺。与传统的以麻毡板直接压制成型工艺不同, 该工艺是在两块麻毡中间夹一块硬质PU片材, 再加上面料、无纺布和热熔胶片经过加热后压制成型。

1 原材料要求

黄麻经脱胶、梳理成纤维状后, 添加丙纶和化纤, 然后经过混纺制成毡, 在毡表面复合上一层白色的PP纤维, 最后对毡背面进行热处理 (以防止在成型时收缩) , 这样就制成了压制汽车内饰件的原材料——麻毡。麻毡质量对成型的内饰件质量有决定性的影响, 麻毡的部分性能检测结果见表1。

麻毡的单位面积质量除了表1中常用的规格外, 还可以根据产品需要另行调整。一般情况下, 造型复杂、拉伸大的产品采用单位面积质量大一点的麻毡。另外, 带胶面麻毡片还要求不易剥落、面密度均匀、松硬度一致。麻毡厚度则因麻毡单位面积质量的不同而变化, 单位面积质量小的厚度小, 麻毡厚度最小为2 mm、最大可达4 mm。其他的原材料及其性能如下。

a.面料:要求单位面积质量、色差、断裂伸长率、断裂强度、耐温性和阻燃性达到规定指标。另外, 应根据产品需要选择不同的面料。

b.热熔胶片:要求单位面积质量和熔点符合规定指标。

c.无纺布:一般采用针刺无纺布, 要求单位面积质量、断裂伸长率和断裂强度达到规定指标。

d.PU片材:要求厚度均匀, 且应符合规定的指标;阻燃性能达标;片材不得有开裂、对穿孔、粉屑和损伤。

2 麻毡产品的成型工艺

2.1 简要工艺流程

准备原料→裁剪→铺料→设置机器参数→原料加热→送入压机→压制成型→后整理→检验→包装入库

该工艺采用接触式加热, 用框架式压机模压成型, 模具内置冷却水循环管道, 在成型过程中对产品进行冷却。

铺料时, 将PU片材放在两块麻毡中间, 麻毡覆有PP纤维的面朝里, 麻毡上、下表面都放一层无纺布, 然后在上层无纺布上放热熔胶片和面料, 将按规格裁剪好的面料、无纺布、麻毡和PU片材按顺序叠放整齐, 送进接触式加热压板中加热、加压, 至胶片和麻毡上的P P纤维熔化, 松软的麻毡在加热后被压紧, 再送进压机模腔压制成型。复合料在压力作用下被压至规定的厚度, 并在模腔中成型。到达规定的保压时间后, 产品就已经成型。产品成型后, 用裁纸刀切掉毛边, 上水切割进行修整, 切出安装孔位, 切掉废边, 安装上相关的配件, 经检验合格就可以包装入库了。

2.2 该工艺的优势

准备好原材料后, 该工艺一次性直接成型, 生产效率比较高;而且生产过程中不产生粉尘等污染物, 不会危害环境和操作工人的健康。

黄麻纤维是一种韧性好的长纤维, 制成的麻毡比较松散, 拉伸强度和断裂伸长率比较高, 能压制出造型复杂、拉伸很大的产品 (如高架箱内饰件、加长加高高顶内饰件等) ;而且麻毡容易成型, 产品定型后无回弹, 尺寸稳定性好;麻毡对模具的磨损性小、腐蚀性小, 批量生产时零件的尺寸稳定性好。PU硬质泡沫由于具有细密的气孔结构, 隔音和隔热性能良好, 而且密度低 (仅35±3 kg/m3) 。采用热塑性PU片材夹心, 减轻了产品自重, 增强了产品的隔音、隔热效果。

3 产品性能

3.1 产品的规格和外观

产品的最大规格为2 100 mm×2 100 mm×7 mm, 最小厚度为4 mm, 用户可以在最大尺寸规格范围内自由选择需要的规格。产品尺寸包括安装尺寸、产品厚度和外形尺寸等, 应为经过批准的图纸或技术文件规定的尺寸。

成型内饰件的表面应花纹清晰、色泽一致;平整无破损, 无明显折痕、折皱和气泡等缺陷;产品背面没有明显的鼓泡、空洞及分层等缺陷, 产品四周光滑无毛刺。

3.2 产品性能

PU夹心/麻毡产品有良好的性能, 部分性能指标见表2。

弯曲模量是衡量内饰件性能的指标之一, PU夹心/麻毡产品的弯曲模量跟采用的麻毡规格有关。以700 g/m2的麻毡成型的内饰件按SAEJ949标准测试, 弯曲模量能达到194 MPa, 完全符合装车要求。

3.3 安全性和环保性

麻毡吸收能量的能力好、耐冲击, 与玻璃纤维增强塑料件相比, 在发生碰撞事故时, PU夹心麻毡模压件不会产生锐利碎片, 因而更安全;同时, 也不像玻璃纤维会引起皮肤和呼吸道的过敏反应;麻纤维燃烧速率低, 经过后处理制成的麻毡的水平燃烧速度在30 mm/min以内, 完全符合GB 8410—2006的要求, 能满足汽车内饰的阻燃要求;在以焚化方式处理黄麻纤维的过程中, 仅产生CO2, 而黄麻在生长过程的光合作用中又要吸收CO2 (是普通植物的4～5倍) , 因此黄麻纤维是一种环保的绿色资源。

3.4 不足之处

a.麻纤维本身是一种亲水性的天然纤维, 黄麻单纤维细胞为多角形长管状, 在麻类中吸湿性最强。因此麻毡内饰很容易受潮, 特别在雨水多、空气湿度大的梅雨季节受潮严重, 造成产品自重增加、刚性降低、容易变形。

注:产品在装配状态下, 以90℃/3 h→RT/1 h→-40℃/3 h→RT/1 h→55℃、95%RH/15 h→RT/1 h为1个循环, 共计4个循环, 试验后观察外观变化情况。

b.我国的麻纤维应用研究起步较晚, 黄麻的后处理工艺落后于国外, 制成的麻毡的质量不够稳定。对某家麻毡供应商在一年内提供的各个批次的产品进行抽样检测, 发现麻毡的单位面积质量不够稳定, 比如要求规格为500±50 g/m2的麻毡, 最小的只有440 g/m2, 最大的则达到565g/m2;要求规格为450±50 g/m2的麻毡, 最小时只有388 g/m2, 最大则达到539 g/m2。麻毡的单位面积质量过大, 产品的物理性能有保障, 但产品的自重过大;麻毡的单位面积质量过小, 产品成型时拉伸大的地方过于薄弱, 影响产品的物理性能。

c.由于成型过程中要加热, 所以不能用耐热性不好的面料, 如PVC面料。

d.受麻纤维后处理工艺的限制, 必须要用单位面积质量较大的麻毡才能保证产品的物理性能。但这样一来, 使得产品自重过大, 例如采用两片700 g/m2的麻毡制成的产品, 单位面积质量达到1 800 g/m2, 与其他工艺生产的类似产品比较, 自重较大。

4 结束语