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曲面零件超声波喷丸成形技术研究

作　者: 史学刚
导　师: 鲁世红
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 超声波喷丸成形曲率半径残余应力场成形轨迹规划有限元模拟
分类号: V261.92
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

超声波喷丸是近年来发展起来的应用于金属板料成形和表面改性的绿色节能新技术，相对于传统喷丸工艺，超声波喷丸具有精度更高、表面质量更好、节能、环保、易实现自动控制等特点，有利于曲面零件的成形，在航空航天、汽车和船舶等工业领域中将有着十分广泛的应用前景。以2024铝合金为研究对象，利用理论研究、试验研究与有限元模拟相结合的方法，开展了曲面零件的超声波喷丸成形技术研究，主要研究工作如下：1.分析了板料超声波喷丸成形的基本过程、物理机制和力学状态，对板料表面诱导产生的残余应力进行了计算；研究了超声波喷丸诱导产生的残余应力场和板料弯曲变形之间的关系，推导出了板料成形曲率半径和弧高值的计算公式。2.研究了板料超声波喷丸成形的工艺过程，分析了喷丸成形轨迹、成形轨迹间距、电流强度、撞针直径以及进给速度等数控超声波喷丸工艺参数对板料成形曲率半径的影响，获得了最佳超声波喷丸成形工艺参数；分析了超声波喷丸后材料的表面层性能，探讨了各超声波喷丸工艺参数对材料的表面形貌、表面粗糙度、显微硬度、残余应力场以及X射线衍射半高宽的影响，获得了最佳表面完整性。3.采用有限元模拟的方法研究了板料超声波喷丸成形过程，探讨了超声波喷丸参数对板料成形曲率半径及诱导产生的残余应力场的影响，探讨了残余应力场和板料成形曲率半径之间的关系，并将试验研究与有限元模拟的结果进行对比和分析，模拟结果与试验研究结果基本一致。4.采用有限元模拟的方法研究了一种曲面零件的超声波喷丸成形工艺，采用有限元模拟和成形轨迹优化相结合方法成功的模拟出了该曲面零件的成形，有限元模拟的弯曲成形量与零件要求非常相近，较好的实现了该零件的最终成形，证明利用有限元模拟超声波喷丸板料成形过程是可行的。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章绪论  14-24
  1.1 课题研究背景及意义  14
  1.2 喷丸技术的研究进展  14-16
    1.2.1 喷丸成形技术  14-15
    1.2.2 自动化喷丸成形技术  15-16
    1.2.3 超声波喷丸成形技术  16
  1.3 超声波喷丸技术国内外研究进展  16-19
    1.3.1 超声波喷丸技术国外研究进展  16-19
    1.3.2 超声波喷丸技术国内研究进展  19
  1.4 喷丸数值模拟技术国内外研究进展  19-20
  1.5 超声波喷丸技术的应用  20-23
  1.6 本文主要研究内容  23-24
第二章超声波喷丸成形过程的理论分析  24-36
  2.1 超声波喷丸过程的理论分析  24-30
    2.1.1 碰撞理论基础  24
    2.1.2 超声波喷丸过程的力学分析  24-30
  2.2 超声波喷丸表面残余压应力的计算  30-31
  2.3 板料超声波喷丸弯曲变形的理论分析  31-35
    2.3.1 板料弯曲变形理论  31
    2.3.2 残余应力场作用下板料弯曲变形的机理分析  31-32
    2.3.3 残余应力场与板料弯曲变形的关系  32-35
  2.4 本章小结  35-36
第三章板料超声波喷丸成形及表面层性能试验研究  36-54
  3.1 试验方案  36-39
    3.1.1 试验装置和仪器  36-37
    3.1.2 试样制备和定位  37-38
    3.1.3 试验方案确定  38-39
  3.2 超声波喷丸工艺参数对板料弯曲变形的影响研究  39-44
    3.2.1 板料超声波喷丸弯曲变形的机理分析  39
    3.2.2 喷丸成形轨迹对板料弯曲变形的影响  39-41
    3.2.3 成形轨迹间距对板料弯曲变形的影响  41
    3.2.4 电流强度对板料弯曲变形的影响  41-42
    3.2.5 撞针直径对板料弯曲变形的影响  42-43
    3.2.6 进给速度对板料弯曲变形的影响  43
    3.2.7 最佳成形工艺参数  43-44
  3.3 超声波喷丸后材料表面层性能研究  44-53
    3.3.1 表面形貌分析  44-45
    3.3.2 表面粗糙度分析  45-47
    3.3.3 显微硬度分析  47-49
    3.3.4 残余应力场分析  49-51
    3.3.5 Ｘ射线衍射半高宽分析  51-52
    3.3.6 最佳表面层性能  52-53
  3.4 本章小结  53-54
第四章板料超声波喷丸成形有限元模拟研究  54-73
  4.1 超声波喷丸有限元分析的理论基础  54-55
  4.2 有限元模型建立  55-58
    4.2.1 几何模型建立  55-56
    4.2.2 材料参数定义  56
    4.2.3 本构模型的选择  56-57
    4.2.4 初始载荷的加载  57-58
    4.2.5 有限元网格划分  58
  4.3 板料超声波喷丸成形的有限元分析  58-72
    4.3.1 铝合金板料超声波喷丸成形的有限元分析  59-61
    4.3.2 工艺参数对板料超声波喷丸成形影响的有限元分析  61-69
    4.3.3 板料超声波喷丸成形残余应力场研究  69-72
  4.4 本章小结  72-73
第五章曲面零件超声波喷丸成形研究  73-81
  5.1 曲面零件的成形量分析  73
  5.2 成形轨迹规划及参数确定  73-76
    5.2.1 超声波喷丸成形的初始路径  73-74
    5.2.2 最佳成形轨迹  74-76
    5.2.3 有限元模拟参数选择  76
  5.3 曲面零件超声波喷丸成形有限元分析  76-80
  5.4 本章小结  80-81
第六章总结与展望  81-83
  6.1 总结  81-82
  6.2 展望  82-83
参考文献  83-88
致谢  88-89
在学期间的研究成果及发表的学术论文  89

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