超音波輔助中高碳鋼精沖成形技術基礎研究

《超音波輔助中高碳鋼精沖成形技術基礎研究》是依託武漢理工大學，由劉艷雄擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：超音波輔助中高碳鋼精沖成形技術基礎研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉艷雄
• 依託單位：武漢理工大學

項目摘要

精沖作為一種先進的塑性加工方法在工業領域中得到了廣泛套用。由於隨著材料碳含量升高，材料塑性降低和強度升高，精沖難以進行，所以現有研究主要為低碳鋼材料。基於中高碳鋼精沖件在工業套用中的強烈需求，本項目將超音波套用到中高碳鋼精沖成形工藝中,以提高其精沖成形性能。通過理論計算、有限元模擬、超音波輔助精沖成形實驗，以及精沖件斷面形貌和內部組織測試分析，綜合研究超音波輔助精沖成形中的金屬流動規律、剪下區萌生和演變機理、剪下區里應力應變以及溫度分布、裂紋萌生和擴張機理，揭示超音波輔助中高碳鋼精沖成形塑性變形和模具磨損機制與規律。針對具體的汽車鋼質同步環外齒圈精沖成形研究，建立超音波輔助中高碳鋼精沖成形精沖件質量、幾何尺寸精度和模具磨損協同控制方法，為超音波輔助中高碳鋼精沖成形工藝設計及過程控制提供科學依據。本研究對於建立中高碳鋼精沖成形工程科學理論，提高中高碳鋼精沖性能和精沖件質量具有重要意義。

結題摘要

精沖作為一種先進的塑性加工方法在工業領域中得到了廣泛套用。與普通沖裁相比，一次精沖成形既可得到沖裁斷面光潔、表面平整、尺寸精度高的可直接互換性裝配的零件。精沖原理是材料在三向靜水壓應力作用下，在狹窄的沖裁間隙里以純剪下塑性變形的方式實現分離。由於超音波的高頻振動能夠改變材料的金屬流動方式，因此本項目將超音波套用到精沖成形過程中，開展超音波輔助中高碳鋼的精沖成形基礎研究。 本項目首先建立了超音波輔助精沖的有限元模擬模型，製造了超音波輔助精沖實驗裝置，通過實驗驗證了有限元模型的正確性。利用有限元模擬和物理實驗研究，對超音波輔助精衝過程中的塌角與光亮帶形成機理進行了研究。研究結果表明與傳統精沖相比在相同的精沖工藝條件下，超音波高頻振動能夠極大的減小精沖件塌角尺寸，實現小無塌角成形。而對於光亮帶，由於超音波的高頻振動，變形非常劇烈，剪下變形區內的應力交替變換，從而使裂紋萌生提前發生。進而，研究了沖裁間隙、凹模圓角半徑、壓邊力、反頂力等工藝參數對於超音波輔助精沖斷面質量的影響，通過工藝最佳化能夠獲得塌角接近於零，全光亮帶的精沖件。 本項目對於超音波輔助精沖的凸模磨損進行了研究，研究表明雖然超音波輔助精沖能夠降低成形載荷，有益於模具壽命,但是由於沖頭的端面粒子高頻振動，因此沖頭在高的交變成形載荷作用下，磨損反而比普通精沖嚴重。 藉助本項目支助對於精沖成形裝備進行研究，提出了一種兩步拓撲最佳化設計方法，是大噸位精沖機機架的剛度得到了提升而質量減小了13.6%。採用機械結合面接觸特性理論建立了1200噸精沖機的模型，通過動態力學分析與性能最佳化，提高了大噸位精沖的運動精度與抗偏載能力，降低了振動。 通過本項目研究，揭示了超音波輔助精沖成形機理，為超音波在精沖領域的套用提供了理論指導；同時通過精沖裝備研究，為高性能大噸位精沖裝備的研發製造提供理論指導。