（机械制造及其自动化专业论文）磁控等离子体弧柔性成形技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 等离子体弧柔性成形技术是近几年发展起来的一种无模具板件弯曲成形技术。研究 中发现，等离子体弧柔性技术在弯曲v 形件时可以达到较高精度，而在加工曲率半径较 大的工件如圆柱体、圆台等时，尚有不足之处。针对这一情况，本文利用“等离子体弧 可以受外加磁场控制”的特点，在等离子体弧柔性成形过程中引入两极交变磁场，通过 控制等离子体弧的摆动幅度以及在加热区域各点的停留时间，对成形过程中等离子体弧 的实际加热区域宽度以及加热区域各点的加热温度进行控制，进而控制变形区域宽度与 变形程度，从而达到弯曲成形不同曲率半径工件的目的。本文在现有等离子体弧柔性成 形技术研究的基础上对磁控等离子体弧柔性成形技术主要做了以下工作： ( 1 ) 分析了等离子体在外加磁场中的运动规律，据此在等离子体弧柔性成形过程 中引进了两极交变磁场，并对其控制机理进行了研究； ( 2 ) 由于磁控等离子体弧柔性成形过程中的影响因素繁杂，本文利用有限元分析 软件a n s y s 对磁控等离子弧成形过程中的温度场、应力场、位移场进行了模拟，得到 磁控等离子体弧柔性成形过程中的弯曲规律，为后续的试验工作提供参考依据； ( 3 ) 建立、完善了磁控等离子体弧柔性成形装置，通过试验，对板件成形过程中 的各种影响因素进行研究，找到了适合磁控等离子体弧柔性成形的工艺参数； ( 4 ) 通过试验，对有、无外加磁场控制等离子体弧柔性成形件进行了对比研究， 发现磁控等离子体弧不但可以弯曲不同曲率半径的工件，而且成形件的表面质量有较大 的提高。 o 上述研究，对进一步扩大等离子体弧柔性成形技术的应用范围，推进该技术在大型 板件多品种、小批量的成形生产中的实际应用具有积极意义。 关键词：金属板件；等离子体弧；磁场控制；柔性成形；数值模拟 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 g u s i n g p l a s m aa r cc o n t r o l l e d b ym a g n e t i cf i e l d a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo f f l e x i b l ef o r m i n gu s i n gp l a s m aa f ci sd e v e l o p e d 勰o n eo f n e wf 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 hc a nb ea p p l i e di nf o r m i n gw o r k p i e c ew i t hv - s h a p ep r e c i s e l y ， a n d y e ti ti sd i f f i c u l tt op r o d u c ew o r k p i e c ew i 也l 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 饥l r v e t o s o l v et h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f w h i c ht h ep l a s m aa r c c a nb ec o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l d , a na l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l di sa p p l i e di nt h ep r o c e s so f f l e x i b l ef o r m i n go fs h e e tm e t a lt oc o n t r o lt h es c o p ea n dt h es t a y i n g - t i m eo fp l a s m aa r cs oa s t oc o n t r o lt h ee x t e n ta n dd e g r e eo fd e f o r m a t i o n , t h e nv a r y i n gw o r kp i e c cw i t hd i f f e r e n tr a d i u s c a nb ea c q u i r 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 gu s i n gp l a s m aa t cc o n t r o l l a db y a l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l db a s e do ne x i s t i n gf l e x i b l ef o r m i n gu s i n gp l a s m aa r ca 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 c so fp l a s m ai nm a g n e t i cf i e l di sa n a l y z e d , t h e nt h e a l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l di sa p p l i e di nt h ep r o c e s so ff l e x i b l ef o r m i n go fs h e e tm e t a lu s i n g p l a s m aa r c ，a n dt h er e s e a r c h0 1 1t h ec o n t r o l l i n gm e c h a n i s mi sc a r r i e do u t ( 2 ) c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo fp a r a m e t e r sd u r i n gt h ef l e x i b l ef o r m i n gu s i n gp l a s m a a c o n t r o l l e db ya l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l d ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h es 眦豁f i e l da n dt h e d e f o r m a t i o nf i e l di nt h ep r o c e s so ff l e x i b l ef o r m i n ga r es i m u l a t e dw i t ht h eh e l po fp r o g r a m a n s y s ，a n dt h es i m u l a t i o ni si n t h er o l eo f i n s t r u c t i o ni nt h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t ( 3 ) t h et e s t e rf o rc o n t r o l l i n gt h ep l a s m aa r c i ss e tu p t h r o u g he x p e r i m e n t , t h e m u l t i t u d i n o u sf a c t o r st ot h ef l e x i b l ef o r m i n gu s i n gp l a s l r l aa r oc o n t r o l l e db ya l t e r n a t i n g m a g n e t i cf i e l da r es t u d i e d , a n dt h ep r o p e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa d a p tt 0f l e x i b l ef o r m i n ga r e f o u n do u t ( 4 ) d u r i n ge x p e r i m e n ti ti sf o u n dt h a tt h ef l e x i b l ef o r m i n gu s i n gp l a s m aa l ec o n t r o l l e d b ym a g n e t i cf i e l di sn o to n l ys u i t a b l et op r o d u c ew o r k p i e e ew i t hl a r g er a d i u sb u ta l s oa m e t h o dt oi m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t yo f f o r m i n gp a r t s t h er e s e a r c ho nt h ef l e x i b l ef o r m i n gu s i n gp l a s m aa r oc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l d f - b r t h e rp r o m o t e st h es c o p eo ft h et e c h n i q u eo ff l e x i b l ef o r m i n gu s i n gp l a s m aa r c ，a n dm a k e s t h et e c h n i q u em o r es u i t a b l et ot h ev e r s a t i l ea n ds m a l l - b a t c hp r o d u c t i o n k e yw o r d s - s h e e tm e t a l ；p l a s m aa r e ；m a g n e t i cc o n t r o l ；f l e x i b l ef o r m i n g ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i i - 硕士学位论文 磁控等离子体弧柔性成形技术研究 r e s e a r c ho nf l e x i b l ef o r m i n gu s i n gp l a s m a a r cc o n t r o l l e db y m a g n e t i cf i e l d ( 国家自然科学基金资助项目：5 0 3 7 5 0 2 4 ) 作者姓名： 学科、专业 学号 指导教师： 完成日期： 塞变庞 担撼剑造丛基自动丝 2 q 璺q 垒q 三三 一盆窒翼熬援 2 q q 生1 2 旦 大连理工大学 d a l i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 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。 作者签名：燃日期：丞翌z ! ! ：三 大连理工大学硕士研究生学位论文 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沧文的全部或部分内 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：囊噬 导师签名： 理年上月二 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 金属板件的成形和加工在航空航天、汽车、化工、船舶等领域中应用十分广泛。据 统计，全世界所生产的材料有半数以上被加工成板件，板件成形零件的数量占飞机零件 总数的1 2 ，在轿车中高达总质量的3 4 ，化工容器、船体的巨大外壳更是板件成形的 典型代表。有鉴于金属板件成形和加工的广泛应用，提高相应的成形技术和制造水平是 一个具有普遍意义的大课题，其核心集中体现在简化设计、提高质量、缩短周期、降低 成本。传统的成形技术通常需要根据板件形状，制造相应的工模具，这不仅需要花费大 量的时间和资金，而且还要占用可观的人力资源，必将增加产品成本，在大型板件多品 种小批量成形生产中，这些费用尤为昂贵，因此，如何充分利用和发挥材料的成形性能、 发掘新的成形工艺方法，并借助当今飞速发展的计算机技术优化零件结构及工艺、预测 成形缺陷、检测和控制成形过程是当今薄板成形技术发展的必然趋势【】。 1 2 课题的提出 目前，板件成形技术主要指板件冲压成形技术。板件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，对金属板件的变 形加以控制，使其成为所要求的零件，而不产生断裂或局部过量变薄的金属压力加工技 术【4 】。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。板件成形 过程通常包括成形材料的选择、成形件坯料制备、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，板件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。 为了解决上述问题，近年来，出现了新的板件成形方法，这就是板件柔性成形技术。 板件柔性成形技术是一种非接触式成形技术，在成形过程中不借助任何工模具，通过加 热金属板件使其内部产生热应力，导致板件发生塑性变形，从而达到板件弯曲成形的目 的。迄今为止，根据加热热源的不同，板件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为加热热源，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 磁控等离子体弧柔性成形技术研究 性层，它是导致材料性能下降的主要原因。因此，尽管水火弯曲成形成本较低，但氧乙 炔焰流的可控性和稳定性较差，能量密度较低、含氧量较高，所以，水火弯曲成形技术 在成形精度较高的场合( 如成形航空航天器覆盖件及汽车覆盖件) 以及成形易氧化板件 方面存在一定的局限性。 激光成形的优势是能量集中、成形精度较高。目前激光成形存在下列问题： ( 1 ) 激光加工( 特别是大功率激光加工) 设备成本及运行成本较高； ( 2 ) 由于激光设备能量转换率低，因此能量损失较大； ( 3 ) 对多金属和合金材料，需要对表面做涂覆预处理( 如黑化处理) ，以提高能量 吸收率； ( 4 ) 大功率激光束的柔性光纤传输问题尚未彻底解决，这在一定程度上限制了激光 弯曲成形应用的灵活性。 因此，从经济性角度讲，激光成形加工更适用于中小型零件或精密零件成形，但在 大型零件和厚板零件成形中受到限制。 通过以上分析不难看出，寻求并采用更经济、更实用的成形热源，是解决上述问题 的关键，而采用等离子体弧做成形热源，具有独特的优势： ( 1 ) 与激光相比，等离子体弧平均能量转换率可达8 5 ，远高于激光的能量转化率 ( 平均为5 - 1 0 ) ： ( 2 ) 设备成本及操作成本低，约为激光设备的5 1 0 ； ( 3 ) 金属表面状况对等离子体弧热能吸收率没有明显影响； ( 4 ) 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。 与氧乙炔焰流比较，等离子体弧能量密度大，可控性好，必要时可采用氮气、惰性 气体为工作气体，以减小成形板件的氧化程度。而且，可采用附加磁场等方法，可以方 便地控制等离子体弧空间分布，不需增加机械摇摆装置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问题。另外，可利用各种再约束手段，从控制等离子体弧 弧柱形态、功率密度和稳定性入手，获得高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做成形热源( 特别是需要大功率成形热源时) 有很多优势，可弥补水火弯曲成形和激光成形存在的不足。 正是在这样的背景下，我们提出了等离子体弧柔性成形技术的研究。研究中发现， 等离子体弧柔性技术在弯曲v 形件时可以达到较高精度，而在加工曲率半径较大的工件 如圆柱体、圆台等时，尚有不足之处。针对这一情况，本文利用“等离子体弧可以受外 加磁场控制”的特点，在等离子体弧柔性成形过程中引入两极交变磁场，以现有等离子 大连理工大学硕士学位论文 体弧柔性成形技术为基础，以磁控等离子体弧柔性成形为出发点，展开本课题的研究工 作。 1 3 国内外研究现状 利用热应力和热应变来实现板件成形在国内外逐渐成为研究热点，并公认是很有发 展前景的成形方法。目前利用热应力和热应变来实现板件弯曲成形的研究主要集中在氧 乙炔火焰成形( 以水火弯板为代表) 和激光弯曲成形。水火弯曲技术出现较早，在使用 此技术时，一般凭个人经验操作【5 叫。在国外，日、韩等国在这方面的研究较为突出： 东京大学n o m o mt 采用简化的非线性弹性板弯曲模型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 a at 为开发水火弯板计算机辅助设计系统做 了理论分析 7 1 ：m o s h a i o va 对简化热应力成形的数值模拟问题及减小计算量方面做了有 益的研究 8 1 ；汉城国立大学j a n gcd 等人将热弹塑性分析和数值模拟技术引入加热线选 择和变形预测等方面【叫2 】。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 3 05 】。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 7 1 。日 本的n a m b ay 、德国的m a r t i nr 、y 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【l 町。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 一硐。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【2 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m3 ”，探索在微电子工业中应用的可能性【3 2 l 。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，目前的研究主要在于成 形过程的理论分析、定量描述和形变预测。 2 0 0 0 年以来，美国肯塔基大学m a l eat 等人首先对等离子体弧弯曲板件的可行性 进行了研究，主要进展情况概括如下： 一3 磁控等离子体弧柔性成形技术研究 ( 1 ) 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； ( 2 ) 利用0 8 m m 厚不锈钢板定性研究工艺参数与弯曲角度的关系； ( 3 ) 探讨材料的热物理性能对弯曲角度的影响； ( 4 ) 探讨成形热影响区的组织转变特钳3 3 。3 ”。 在国家自然科学基金资助下，大连理工大学业已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，对直线扫描的弯曲方向、 弯曲角度已能较好控制 3 8 ，3 9 】。图1 1 1 4 给出的几种板件零件就是该课题组运用等离 子体弧柔性成形技术加工的部分零件。它们包括封闭六面体零件、直线弯曲板件、z 形 件、槽形件、封闭五边形以及正四面体零件等。 图1 1 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 a r g 图1 2 z 形件和槽形件 f i g 1 2za n dc h a n n e ls h e e tm e t a l 一4 图1 3 封闭五边形件 f i g 1 3c l o s e dp e n t a g o ns h e e tm e t a l 大连理工大学硕士学位论文 图1 4 正四面体零件 f i g 1 4 r e g u l a r t e t r a h e d r o ns h e e t m e t a l 图1 5 1 6 则是运用曲线路径加热加工的部分零件。它们是利用圆形板材进行复 杂曲线路径加热成形的零件 4 0 4 ”。 图1 5 圆板的复杂曲线扫描 f i g 1 5c o m p l e xc u r v es c a n n i n gp a t ho f c i r c u l a rs h e e tm e t a l 图1 6 球冠扫描结果 f i g 1 6p a r a g r a p h so f s p h e r i c a lc a p 1 4 本课题的研究意义 等离子体弧柔性成形是近几年发展起来的金属板件柔性成形技术，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，通过合理控制弧柱扫描轨迹 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。它不需要花费大量时间和资金来制造工模具，节省可观的 磁控等离子体弧柔性成形技术研究 人力、物力资源，对减小新产品的开发成本、缩短开发周期具有积极意义，尤其在大型 板件多品种小批量成形生产中，具有良好的应用前景。 等离子体弧柔性成形技术的优势在于： 首先，等离子体弧柔性成形技术具有一般柔性成形技术的特点，与常规机械冲压成 形相比，具有如下特点： ( 1 ) 等离子体弧柔性成形技术是一种无模成形技术，省去了生产过程中模具制作的 时间和费用，成产周期短，生产柔性大，对不同形状工件的弯曲成形，仅仅更改程序即 可进行，因此特别适应于现代工业批量小、更新快的工件生产。 ( 2 ) 等离子体弧柔性成形技术是一种非接触成形方式，在整个弯曲过程中不需要任 何外力，因此没有贴模及工件回弹现象，成形精度高，工件的夹持也很方便，使用磁性 或真空吸料器便可完成，因此应用等离子体弧弯曲大型工件有着常规方法难以比拟的优 越性。 ( 3 ) 等离子体弧柔性成形技术是一种热态下累积成形方式，每一次等离子弧扫描的 变形区及变形量都很小，因此可以加工常温下难以变形的材料。 ( 4 ) 可以进行复合弯曲成形，以制作各类异形工件。 ( 5 ) 借助形状测量仪及红外测温仪，可在数控等离子加工机上进行全过程闭环控制， 进一步保证成形精度，这在异形件的成形工艺中尤为重要。 ( 6 ) 可以实现弯曲、切割、焊接等加工工序的同工位复合化。 ( 7 ) 等离子体弧柔性成形对金属组织的性能影响不大。 其次等离子体弧柔性成形技术还具有其他柔性成形技术所不具备的特点： ( 1 ) 等离子体弧具有温度高、能量集中等特点，特别适合做板件成形热源； ( 2 ) 等离子加工设备适应性好，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。 ( 3 ) 采用附加磁场等方法，可以方便地控制等离子体弧的空间分布，不需要机械摇 摆装置也能控制加热宽度，可灵活解决不同厚度板件的成形问题。 ( 4 ) 可利用各种再约束手段，从控制等离子体弧柱形态、功率密度和稳定性入手， 获得高功率密度的有效等离子体弧，进而提高成形精度与质量。 鉴于等离子体弧柔性成形技术的特点，有望在航空航天、汽车、船舶、化工容器等 制造业中发挥重要作用。 首先，在飞机、卫星及火箭上的大型覆盖件中，直线弯折件及平板曲线弯边件所占 比重较大，并且所用材料多为常温下难以成形的钛合金，如果采用等离子体弧柔性成形 技术，使其在加热状态下，累积成形，可使材料成形工艺性能大为改善，同时，不仅能 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 节省大量大型模具制造费用，而且可以简化工艺、缩短零件制作周期、加快新型产品的 研制。 其次在汽车制造领域，采用等离子体弧柔性成形技术可对汽车覆盖件进行柔性校 正，特别是在新款式样车试制中，将更能充分发挥其适合单件、小批量生产的优势。 另外，在造船业的船板成形方面，因等离子体弧可控性以及热源功率密度优于氧乙 炔焰流，等离子体弧柔性成形技术有可能成为水火弯板技术的有力竞争者。 本课题的研究对深化板件成形技术的系统认识、拓宽等离子体的应用领域具有重要 意义；有关板材中温度场、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、高频感应加热成形等技术的发展提供可借鉴的研究依据：对等离子射流与材 料之间的能量耦合机制的系统认识，有助于推动等离子喷涂、切割、熔射成形、及热处 理等相关技术的发展。最终将能够建立完善的金属板件等离子体弧柔性成形基础理论和 技术基础，为实现大型板件多品种小批量成形的无模具化、柔性化提供新的途径。 1 5 本课题的主要工作 在现有等离子弧柔性成形的基础上，以磁控等离子体弧为出发点，进一步研究等离 子弧柔性成形的基本规律及关键技术。结合计算机模拟技术，通过实验建立相应的磁控 装置，研究等离子体弧在外加交变磁场控制下的成形规律，找到适合磁控等离子体弧柔 性成形的工艺参数。 着眼于以上研究目标，将根据磁控等离子体弧的自身特点，着重研究以下问题： ( 1 ) 根据电磁场理论，研究等离子体在外加磁场中的运动规律以及磁场的产生规律， 为研究磁控等离子体弧柔性成形提供理论基础； ( 2 ) 以等离子体弧柔性成形数值分析为基础，结合磁控等离子体弧的自身特点，利 用a n s y s 软件模拟不同等离子体弧摆动幅度下板件的温度场、应力场、位移场的变化规 律，为后续的实验提供指导； ( 3 ) 建立、完善相应的磁控装置，通过实验研究磁控等离子体弧柔性成形中弧柱摆 动幅度与板件成形之间的规律，找到适合磁控等离子体弧柔性成形的工艺参数； ( 4 ) 通过实验，对常规等离子体弧柔性成形件与磁控等离子体弧柔性成形件进行对 比研究，通过金相组织对比，研究成形件之间的差异。 本文将针对以上四个方面的内容，研究磁控等离子体弧柔性成形的特点，进一步完 善等离子体弧柔性成形技术。 磁控等离子体弧柔性成形技术研究 2 磁控等离子体弧柔性成形技术概述 2 1 等离子弧柔性成形基本原理 热胀冷缩是材料固有的物理性质，当材料受到不均匀加热时，内部便会产生热应力， 致使材料产生弯曲变形。当热应力超过材料的屈服极限时，材料便会产生永久的塑性变 形甚至出现裂纹而失效。因此，实际生产中一般尽量避免不均匀加热。但是如果不均匀 加热产生的热应力大小及方向控制得当，使由此产生的塑性变形朝着预定的方向发展， 便会成为一种有效的塑性加工方法。等离子体弧柔性成形技术正是利用等离子体弧扫描 板件表面时，在板件内部形成不均匀温度场导致内部产生热应力来实现板件成形的一种 方法。图2 1 为其工作原理图。 图2 1 等离子体弧柔性成形示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f f l e x i b l ef o r m i n gu s i n gp l a s m a a r c 等离子体弧柔性成形是成形温度、组织转交、应力共同作用的结果。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。 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金属板件上表面加热时，上表面瞬间 被加热至高温状态，由于板厚的缘故，热量由上表面传导到下表面需要一定时问，因此下 表面温度在较短的时间内没有明显变化，从而在板件厚度方向上形成较大的温度梯度， 导致材料在板件厚度方向上产生不同的热膨胀。 如图2 2 所示，在加热过程中，面向等离子体弧的受热部分( s l 区) 被快速加热进 入塑性状态，而周围其他部分( s 2 区) 仍保持在刚性或弹性状态。此时s 1 区的自由膨 胀受到s 2 区的阻碍，s 1 区受到压应力作用。随着热量不断输入，s 1 受到的压应力越来 大连理工大学硕士学位论文 越大，当压应力达到材料屈服极限时，在s 1 区内产生塑性变形，由于受周围材料约束， 材料在s l 区上表面堆积，造成表面层材料缺失，同时由于热膨胀，工件背向等离子体 弧产生一个弯曲角( 反向弯曲) 。 - ， t 6 i 上 出 l 下 0 x ( 应力) 0 ( a ) 加热过程 ( ”冷却过程 图2 2 图温度梯度机理 f i g 2 2t e m p e r a p a r eg r a d i e n tm e c h a n i s m 在工件冷却过程中，随着s 1 区温度降低，s 1 区开始收缩，同样受周围材料约束， 在s 1 区内产生拉应力，工件在面向等离子体弧方向产生一个弯曲角。由于金属低温屈 一9 一 磁控等离子体弧柔性成形技术研究 服应力大于高温屈服应力，加上加热时在表面层堆积的材料在冷却时不能完全恢复，因 此冷却过程中的收缩量更大些，作为加热和冷却两个过程的叠加，便会在工件中形成永 久弯曲变形角度( 正向弯曲) 。 从以上分析不难看出，受热板件在发生正向弯曲过程中，温度梯度机理起主要作用。 通常情况下，温度梯度机理主要用于厚板的正向弯曲。如果需要增加板件弯曲角度，可 以靠增加扫描次数来实现。 2 1 2 屈曲机理 当使用较大的弧柱直径( 远比板件厚度大) 、相对较高的弧功率或较低移动速度的 等离子体弧扫描热传导率较高的金属薄板时( 如图2 3 所示) ，板件单位面积内输入的 热量以及加热区的面积都远比温度梯度机理所对应的大，同时由于使用的是薄板，因此 在板件厚度方向上温度梯度较小。加热时板件正面先于背面发生膨胀，使板件产生较小 的反向弯曲变形。随着热量输入，在相对较大的加热区域内，板件因温度升高，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很大的压 缩应力，同时，由于温度升高引起材料屈服应力降低，不仅使加热区材料产生压缩塑性 变形，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，进一步加大板 件背面的压缩塑性变形区，此时板件背面材料的压缩塑性应变值远大于正面的压缩塑性 应变值，因此，板件背面横向收缩量大于正面横向收缩量，而表现出较大的反向弯曲变形。 由于热传导需要时间，在加热阶段末期，加热面温度上升到最大后开始冷却，背面 温度继续上升。由于加热面温度已开始降低，产生横向收缩，加大了背面正在加热部位 的塑性压缩区，使背面横向收缩量进一步增大，此时板件反向弯曲角度达到最大。随后， 板料背面温度也开始降低，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，随着温度降低，板件背面横向收缩效应也较正面显著，结果使板件正面塑性压 缩应变值反而随温度降低而增大。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，但板件仍保持反向弯曲。 屈曲机理主要被用于薄板反向弯曲。在板件成形过程中，同样可以通过增加扫描次 数来增加反向弯曲角度。 大连理工大学硕士学位论文 ( a ) 加热初始阶段 ( b ) 加热过程中 ( c ) 最终形状 图2 3 屈曲机理 f i g 2 3g r o w t ho f b u c k l e 2 1 3 镦粗机理 镦粗机理过程与屈曲机理相似，只是等离子体弧柱半径和板件厚度之间相对大小比 屈曲机理所对应的要小。如图2 4 ( a ) 所示，由于等离子体弧扫描速度较慢，板件厚度方 向上温度梯度较小，温度梯度机理在板件厚度方向的作用较小，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限制，加热区内部形成高压力，沿厚度方向上几乎同时发生 塑性变形，致使材料产生表面堆积，如图2 4 c o ) 。冷却过程中，这种堆积不能完全复原， 从而在厚度方向上发生镦粗，如图2 4 。 镦粗机理可以减小板件面积，多用于成形空间曲面。 磁控等离子体弧柔性成形技术研究 弹性应变，塑性应变温度应交 ( a ) 加热初始阶段 ( b ) 加热过程中 ( c ) 冷去后工件形状 图2 4 镦粗机理 f i g 2 4t h eu p s e t t i n gm e c h a n i s m 事实上板材成形机理非常复杂，往往是几种机理综合作用的结果。 1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2 磁控等离子体弧柔性成形基本原理 等离子体是大量带电粒子组成的集合体，带电粒子之间存在相互作用力，同时，它 们还受到外力场的作用。带电粒子的运动会改变电磁场的性质，而电磁场的改变反过来 又要影响粒子的运动。所以等离子体在电磁场中的运动是一个十分复杂的问题。如果忽 略带电粒子之间的相互作用，并且假设等离子体带电粒子运动所产生的电磁场与外场相 比是小量，以至于可以忽略它们的影响，则我们可以近似地把等离子体看成由大量相互 独立的带电粒子组成的集合。这样，单个带电粒子在外场中的运动可看成是具有代表性 的，知道单个粒子的运动规律，就可以粗略地估计和推断整个粒子系统在外场中的性质 4 2 _ 4 6 1 。 2 2 1 带电粒子在均匀磁场里的运动 磁场对带电粒子运动的影响依赖它自己的空间分布。考虑到本实验的实际情况，仅 考虑带电粒子在均匀恒定磁场里运动的情形。 j 铲 m 等= q ( v x 岛) ( 2 1 ) i 其中m 2 石丽m o 万 式中：y 为等离子体在电磁场中的运动速度；q 为等离子体所带电量；为等离子 体质量；c 为光速。式( 2 1 ) 为作用在离子上的洛仑兹力，该力在磁场方向上无分量。 以下采用下标“”和“上”分别用来表示平行和垂直于磁场方向的分量。 z 百 z ， 争毒 = 0| j ) y 厂”毪厂、 钆 图2 5 带电粒子在磁场中运动轨道 f i g 2 5t h em o v e m e n to r b i to f c h a r g e dp a r t i c l ei nt h em a g n e t i cf i e l d 磁控等离子体弧柔性成形技术研究 如果选z 方向为磁场否的方向，以z = 鲁表示z 方向的单位向量如图2 5 所示， 以单位向量乏点乘( 2 1 ) 两边，得到：乏等= o ，这表示在z 方向加速度的投影为零， 所以堡：坚：0 ，即： d td t = 圪= 常数 ( 2 2 ) 如果以矿点乘方程( 2 1 ) ，则得：了d v 矿：o 讲 丢1 ，2 = 丢吻2 + 丢o = 常数 ( 2 3 ) 这样把矿分解成平行于磁场否的速度巧和垂直于磁场否的平面上的速度瓦。由于 否方向上没有洛仑兹力，洛仑兹力与瓦垂直，所以粒子在x 一】，平面上的投影为等速圆 周运动。正因为洛仑兹力垂直于瓦，对粒子不做功，所以粒子的动能守恒。粒子受洛 仑兹力做回旋运动，运动方程为： 簪= 吼风 ( 2 4 ) 或吼：垒：盟 屹 ( 2 5 ) 式中吃是粒子回旋频率，也称拉美尔频率曲率半径吃为回旋半径，或称拉莫尔 半径。 现在从总体上考察粒子在巧和瓦合成速度下的运动。平行于磁场否的速度分量不 随磁场否变化，也不产生洛仑兹力，只是使粒子作平行于否的直线运动。见式( 2 2 ) ， 它与瓦引起的圆周运动即式( 2 4 ) 合成后的运动是以磁力线否为轴的螺旋运动。现在 从运动方程定量考察，式( 2 1 ) 的分量为： , n o 乱- - x = 驴y 氐 鲁一织岛 ( 2 6 ) 确警- o 两边微分得到： 大连理工大学硕士学位论文 孝2 鲁鲁2 2 阮， 争一等警= 警2 b 求解方程( 2 7 ) 得简谐运动速度分量： 吃2v c o s ( 彩l t + a ) ( 2 8 ) 匕= 叱s i n ( t o l t + a ) 式中吼= l q l b o l m 。为回旋频率，吼是粒子沿着圆旋转的角速度。它取决于粒子的 电荷符号。当为正电荷时，粒子沿着顺时针旋转，相反时则按反时针旋转。积分( 2 8 ) 式，得到轨道参数方程： z = 坚血慨件q ) + 而 j ，= 坚c o s ( o a l t + a ) + y o ( 2 9 ) u ， z 2 p + z o 由( 2 9 ) 中的前两式得： ( x - x o ) 2 坳一) 2 = 0 2 = e ( 2 1 0 ) 式中吃。卺2 篇i q l 粤 o 为回旋半径；式( 2 9 ) 中第三式为等速直线运动方程。积分常 数q 、而、肋、由初始条件决定，所以合成的运动是等螺距的螺旋运动。在分析带电 粒子与磁场的相互作用时，假定拉莫尔圆为电流线圈。再假定按粒子旋转很多个周期 ( 瓦= 兰三) 的时间作平均，沿着拉莫尔圆的平均电流值显然等于单位时间内通过与轨 道相垂直的面积元q 的电荷，即等于粒子的电荷与旋转周期之比： ，：当婴 ( 2 1 1 ) z2 石 可以用磁矩描述载流的线圈，它的磁矩“的大小等于电流i 与电流圈围成的面积 万e 的乘积 尸届= 去鼋吃e ( 2 1 2 ) 其中，s = 万堙拉莫尔圆的面积。将q 和吒的表达式( 2 5 ) 代入上式，得到： 磁控等离子体弧柔性成形技术研究 叫耐= 嘉警= 鲁， 眨m 式中睨= 妻v 上2 ，f 的方向与占相反。 因为对有任意电荷符号的粒子磁矩总是与外磁场反向，所以( 2 1 2 ) 式又可写成矢 量形式：= 嘞 。这样一来，在拉莫尔圆里电流的磁场与外磁场相减，而在圆外则 与外磁场相加，这意味着拉莫尔圆具有逆磁性。 结果在均匀的恒定磁场里带电粒予的运动轨迹是一条螺旋线。它是由粒子沿着场的 匀速运动和沿着与磁场垂直的平面上拉莫尔圆的匀速旋转合成的，显然，这样螺旋线的 半径是拉莫尔半径( 2 5 ) ，它的螺距要由粒子纵向速度决定，并且等于 磊2 芒 2 “) 2 2 2 电磁场理论 ( 1 ) 毕奥一萨伐尔定律 图2 6 电流的磁场 f i g 6c u r r e n t sm a g n e t i cf i e l d j i d l l jj i d l 2如 2 7 圆形电流线圈的磁场 f 塘2 7m a g n e t i cf i e l do f c i r c u l a rc u r r e n tc o i l 载流导线产生的磁场是由导线中各电流元产生的磁场迭加而成。如图2 6 所示，设 每一电流元产生的磁感应强度为d 否，则在某点的磁感应强度秀，就是所有电流元在该 点产生的d 荟的矢量和。设导线上的电流强度为j ，讲为导线的一个线段元，则电流元，历 ( 它的方向就是电流的方向) 在距离它r 处的p 点所产生的磁感应强度d 否是 rii、l i 大连理工大学硕士学位论文 d 否：一1 一m l r ( 2 1 5 ) cr 。 式中；表示由电流元指向p 点的矢径， c 为比例系数，它等于真空中的光速。 ( 2 ) 圆形电流线圈轴线上的磁感应强度 半径为矗，通有电流强度为，的圆形线圈如图2 7 所示，它的轴线就是通过圆心d 并 与线圈平面垂直的直线，在轴线上距圆心0 为x 处的p 点的磁感应强度为秀。在此情况 下，所有电流元j 历都垂直于各自到点p 的矢径，所以有? 葫x ；= i d l r ，从图中可以看出， 直径两端的一对电流元，面和，瓦在p 点产生的合成磁感应强度历平行于轴线。而整 个线圈可以看成由这样的许多一对一对的电流元所组成，因此整个线圈所产生的总磁感 应强度也必将平行于轴线。所以，只需计算出每仓电流元所产生的磁感应强度在轴线方 向的分量，然后求出这些分量的代数和就可以得到整个载流线圈在p 点所产生的总磁感 应强度否。电流元，鬲，在p 点所产生的磁感应强度历，依照毕奥一萨伐尔定律有： 面：三! 筚：! 粤 ( 2 1 6 ) c 气c 吒 电流元，面产生的磁感应强度沿轴线的分量为： 皿s i n 屈= 丢等s i n a ( 2 1 7 ) 对于各电流来说，和声都是相同的，并有s t o p = 兰，对整个回路积分，就可得圆形电 流线圈在p 点上所产生的总磁感应强度 丑= s i n f l d b = 三c 坚r 3r f j ，者 ( 2 1 8 ) 口= ：1 面2 再r r f 2 ( 2 1 9 ) 否的方向与圆形线圈上电流方向构成右手螺旋关系。当x = 0 时，毛= 竺 ( 3 ) 通电螺线管轴线上的磁场 对于通电螺线管，如果各线匝靠的很近，则螺线管相当于一组相同半径和共同轴线 的圆形线圈。通电螺线管轴线上某点的磁感应强度即为各圆形电流线圈产生的磁感应强 度之和。如图2 8 所示，设螺线管的半径为r ，总长为工，单位长度上绕有珂匝导线， 磁控等离子体弧柔性成形技术研究 导线内通过的