课程实验是配合授课进行的以特定内容为目标的实验,以便于学生加深对所学课程单元内容的理解;演示类实验是以主讲教师演示为主的实验,一般用于新技术的演示或者不便于学生上机进行的实验。
本课程是一门理论与实践紧密联系的专业基础课,以课程理论体系为指导的实践对提高教学效果有重要的影响。在实践教学上,本课程采取基于基本物性实验和基于塑性力学计算的典型工程应用实验,从具有实用价值的实际问题出发,激发学生应用所学知识、进一步探索课程知识的热情。
金属塑性成形原理实践教学包含 6个课程实验和Matlab编程计算及自由创新实验三部分组成。其中板材机械性能测试实验和板料成形性测试实验为材料的基本物性实验。板材弯曲性能实验、超塑胀形实验、拉深试验、拉弯成形试验为工程应用实验。增量成形试验为TeamWork学习小组进行的自由创新实验。每个实验都具有现实的航空制造工程背景,可使学生体验到实验研究与理论研究的价值。
( 1)板材机械性能测试实验
将多种材料基本性能测试实验综合起来,使学生能够多角度、全方位的对理论知识理解。培养学生对工程问题进行综合分析、诊断、评判的技能。
使学生熟悉评估板材成形性的重要性能参数及其取值方法;熟悉几种典型的板材成形方法;了解板材性能参数和几种典型成形工艺零件的成形性;培养学生的理论分析、计算能力,以及结果的处理与分析能力。
实验内容:
• 简单应力状态下的板材性能测试
• 复杂应力状态下的材料性能测试
• 成形性分析与评估
( 2)板料成形性测试实验
通过与单向拉伸实验比较,对复杂应力、应变状态有一定的认识。通过印制网格,运用液压胀形工艺,利用工程显微镜进行应变测试,寻找该材料成形极限,并且绘制成形极限图,验证该材料的成形范围。对液压机有一定的认识。
实验内容:
本实验在不同宽度试件上印制圆形网格的基础上,分别进行刚性凸模胀形实验,直至试件出现颈缩线为止,然后用工具显微镜测量与颈缩线最临近处网格的变形量,计算出对应的两个应变值,从而确定成形极限图。
实验时,刚性凸模与试件之间用多层聚乙烯薄膜加机油润滑。
具体的实验方法如下所述:
• 在实验用坯料上制备好坐标网格,然后在工程显微镜上测出试件表面网格圆的原始直径,读数准确到 0.01mm。为了减小误差,分别测出3个网格圆的互相垂直方向(可取板材轧制方向的纵向和横向)上的直径,并记入表1。
• 在胀形装置上以一定的加载方式使坯料产生胀形变形,至试件刚刚出现裂纹为止,测出试件破裂或靠近裂纹的椭圆网格长轴和短轴直径,读数准确到 0.01mm,并记入表2。
• 改变坯料尺寸或加载条件,重复 2)项实验,将得到的数据填入表2;
• 取得一定量的数值后,计算出应变 ε 1、 ε 2(长、短轴方向),然后在平面坐标图上描绘出各实验点,然后圆滑连线,做出FLD。
( 3)板材弯曲性能实验
通过板材弯曲性能实验,使学生了解和掌握弯曲成形问题的弯矩与曲率的关系,掌握其应力应变计算方法及弯曲性能的实验方法。
实验内容:
• 利用近似纯弯曲实验装置测量在加载和卸载状态下所对应的弯曲角数据;
• 对实验数据进行转换和处理;
• 通过自行选用算法和语言进行曲线拟合;
• 获取弯矩与曲率关系的解析表达式。
( 4)超塑胀形实验
微机控制盒形件超塑胀形成形实验是代表了航空宇航工程主机专业特色的一门综合性实验技术课程。充分体现了塑性成形理论在实践中的应用。使学生更加深入地掌握塑性成形理论及超塑胀形工艺参数的计算方法,并在实验中形成感性认识和提高理性认识。对增强学生的专业技能有着重要意义。
实验内容:
• 在粘塑性本构方程及塑性理论的基础上,运用屈服准则及力平衡方法计算超塑胀形压力;
• 通过对盒形件超塑胀形工艺过程的力学分析,建立盒形件最佳超塑变形条件及其对应的最佳加压规律数学模型;
• 将不同材料的性能参数和不同形状零件的几何参数输入计算机,计算得到不同零件的最佳加压规律曲线;
• 通过计算机按最佳加压规律曲线对成形过程中零件的胀形压力进行控制,并与恒压胀形进行比较。
( 5)拉深试验
利用 金属塑性成形原理课程中关于 筒形件拉深力的计算公式,计算筒形件拉深力,并与实验过程中毛料变形的特点及拉深力变化规律进行比较分析,加深对拉深过程中各种工艺现象及理论算法的认识。加强学生对主应力求解塑性力学问题的理论。
实验内容:
• 运用教材中关于筒形件拉深力的计算公式,计算筒形件拉深力;
• 观察拉深过程,记录拉深力;
• 分析拉深力的计算值与实验值的误差。
( 6)拉弯成形试验
通过实验,使学生了解拉弯零件形状和尺寸受预拉力、侧压力及摩擦系数的影响规律,从而理解复杂应力状态下材料成形的计算方法及特点。
实验内容:
• 通过单向拉伸实验确定试件材料的机械性能参数: E、σs、σb、εs、εb;
• 计算预拉力及侧压力的取值范围;
• 采用不同的润滑剂进行型材拉弯;
• 测量拉弯试件的回弹角;
• 分析预拉力、侧压力及摩擦条件对拉弯成形回弹角的影响规律;
( 7)Matlab编程上机实践
利用课外自学时间按排上机训练,通过运用 Matlab编程实现所学的力学公式及相应的习题,使学生掌握金属变形过程的力学分析、变形体力学的求解方法,培养解决实际问题的能力,为以后的工程应用及理论研究打下编程计算基础。
Matlab编程具体内容如下:
• 任意斜面上全应力、分量、正应力、剪应力计算编程及图形显示
• 主应力、应力张量不变量和应力椭球面、主应力、最大切应力、及其方向、八面体应力、等效应力的计算编程
• 应力莫圆图形显示编程
• 屈服准则的计算编程
• 屈服准则的几何描述编程
• 压力容器内压力计算编程
• 弹性应力应变关系计算编程
• 全量理论应力应变关系计算编程
• 几种金属流动变形力计算编程(平面应变镦粗、平面应变挤压、轴对称镦粗、轴对称挤压、薄壁管缩口、拉延)
• 第一类边值问题滑移线场建立的图形编程
• 平冲头压入半无限体计算编程
• 上限法应用计算编程
• 计算类作业题的计算编程
教学研究与改革极大地激发了学生的学习热情,学生在学习与实践中充分发挥 TeamWork方法的优势, 取得了十分理想的教学效果,并出现了盛兵(申请 9项专利)等特优学生,使经典、深奥课程教学的面貌为之焕然一新。
• 板材机械性能测试试验:

板材机械性能测试实验主要设备: CSS44100 电子万能试验机

板材机械性能测试实验试件:部分单向拉伸试件
• 板料成形性测试实验:

板料成形性测试实验主要设备: 100 吨双动液压机

板料成形性测试实验试件:部分胀形试件
• 板材弯曲性能实验:

板材弯曲性能实验主要设备: 30 吨试验机

板材弯曲性能实验:部分模具

板材弯曲性能实验:部分试件
( 4 )超塑胀形实验:
图略
超塑胀形实验主要设备:工控机、气瓶、加热炉等装置
图略
超塑胀形实验:部分试件
( 5 ) 拉深试验:

拉深试验主要设备: 200 吨压力机
图略
拉深试验:部分模具
图略
拉深试验:部分试件对比
( 6 ) 拉弯成形实验:

拉弯成形实验主要设备:转台式数控拉弯机床
图略
拉弯成形实验预拉阶段型材伸长量测量仪:引伸计测量
图略
拉弯成形实验:部分试件
( 7 ) 增量成形试验:

增量成形试验主要设备:工作台及增量成形模具
( 8 ) Matlab 编程上机实践:

Matlab 编程上机环境