金属板料成形的数值模拟分析
杨曼云罗庆丰
云南省机械研究设计院
金属板料成形的数值模拟分析
Numerical Simulation Of Sheet Metal Punching Process
杨曼云罗庆丰
（云南省机械研究设计院）
摘要:在总结现有冲压成形技术、冲压数值成形原理和方法的基础上，揭示板料冲压数值成形过程的实质；并通过将数值成形技术应用于冲压工艺设计的实际算例，提供解决冲压工艺瓶颈问题的科学方法。
关键词:板料；冲压；数值模拟；MSC.Dytran
Abstract：Substantially uncovered the essence of numerical simulation of sheet metal punching process in the basis of summarizing the theory of punching and punching related numerical simulation. Provided a scientific resolution method of encountered thorny punching problems of sheet metal through citing the representative instances of numerical simulation of sheet metal punching process . Key words: sheet metal;punching;numerical simulation；MSC/DYTRAN
一．前言：
金属塑性成形加工生产目前主要依靠人的技术和经验来进行。由于塑性成形过程的影响因素非常复杂而且涉及到非线性问题的求解，靠人为经验准确制定冲压工艺和开发相关模具就具有相当大的任意性和不确定性。随着计算机应用技术的普及，用有限元方法进行塑性成形过程的数值模拟成为一项有效解决该问题的高新技术。塑性成形的有限元数值模拟不仅能直观描述塑性成形工步中材料的变形流动状态，还能定量地计算出塑性变形区的应力、应变和温度分布状态，为制订和优化工艺以及开发新工艺，设计模具形腔和结构，分析产品的质量问题，缩短生产周期，提高经济效益，提供科学的依据。
冲压是一种典型的金属塑性成形加工过程。它是一种通过模具对板材施加压力或拉力使板材塑性成形或对板料施加剪切力而使板材分离，以获得一定尺寸，形状和性能的零件的加工方法。冲压加工的材料一般为板材或带材。冲压成形过程包含十分复杂的物理现象，冲压成形技术由压力机械、冲压模具，冲压工艺，材料及润滑技术和生产自动化技术等重要环节组成。其中冲压模具和冲压工艺技术是最关键的技术，也是板料冲压成形中的难点。在给定的压力机和冲压板材等条件下，只有合理的模具结构尺寸，合理
的工艺方案才可能生产出合格的产品。而对一个给定的零件来说，一套合理的模具和工艺方案的确定，不仅要靠实践经验和理论计算，还往往离不开反复地试模和修模。冲压成形过程的数值模拟技术可以尽快地确定合理的模具和工艺方案。目前冲压过程的计算机分析与仿真技术（CAE）已能在工程实际中帮助解决传统方法难以解决的模具设计和冲压工艺设计难题：如拉裂预测、回弹计算和起皱预测等。通过应用CAD/CAM/CAE一体化技术，可以大大缩短新产品模具和工艺的设计以及模具的制造周期，降低模具制造成本，提高模具和冲压件产品品质。在该论文中我们就板料弯曲及拉延工步的变形、板料回弹模拟两个问题作了探讨。
二．冲压生产中需要解决的关键问题：
实际冲压生产过程中的瓶颈问题为：
1．拉裂：传统的计算方法难以准确预测工艺条件改变后材料的流动状况。很难准确计算给定条件下材料的塑性流动状况，因此对材料的拉裂缺陷是无法预测的。为了消除零件的拉裂现象，必须降低拉裂区的拉应变值。这就要求能准确地预测材料的流动状况。
2．起皱：是由于局部压应力过大引起薄板失稳所致。它不仅影响零件的精度和外观，还可能会影响到下一道工序。消除零件的起皱同样要求能准确地预测材料的流动状况。
3．回弹补偿量的确定：冲压件在冲压完成后会有弹性变形，即会产生回弹，回弹会使冲压件的尺寸与模具的工作表面尺寸不符。在传统经验设计中为了补偿回弹所引起的尺寸改变，需要调整模具形状和尺寸。而靠传统经验方法精确计算弯曲件的回弹量是一件十分困难的事。传统计算方法由于不能精确计算回弹，新产品的模具通常要经过修模来补偿由于回弹造成的尺寸偏差，这会增加新产品模具开发的时间和成本。
4．毛坯形状、尺寸的确定：在传统设计方法中毛坯的相关参数要依靠反复的实验来确定。而采用数值模拟技术可避免对实验数据的依赖，从而获得更为精确的结果。通过仿真，对冲压过程中的材料流动状况进行精确计算，从而精确地求出冲压件的毛坯形状和尺寸。
5．成形力的确定：成形力是拟订冲压成形工艺和选择设备的重要依据。传统的成形力计算方法是靠经验公式和实验获得的修正系数来近似计算。并且辅以大的安全系数和大的设备预备力来保障。通过数值模拟技术，可以精确地计算出冲压成形所需的最大成形力和整个成形过程中成形力的变化状况。
追究以上问题产生的原因，就是靠传统经验设计无法准确预估材料在冲压过程中的流动状况和冲压完成后材料弹性变形的状况。而通过冲压问题的数值模拟技术可以定性与定量地得到相关的工艺参数，并可对工艺参数进行合理性判别与修正从而从根本上解决上述一系列问题。
三．冲压数值模拟中的关键问题：
板料冲压过程是金属材料大位移、大转动、大变形的一个塑性变形过程。即它是一个几
何非线性问题，该问题必须在考虑材料屈服准则、材料流动准则的情况下进行求解。冲压成
形的数值模拟过程是对动态问题的求解过程：
其运动微分方程为： n n n n F Ku Cv Ma =++
在求解该动态问题的过程中的最大特点是存在接触问题，一般接触问题的求解有很多
困难，这是由于接触摩擦的非线性本质和接触体系在运动和变形中所表现的几何非线性和材
料非线性。在考虑接触问题的情况下，运动方程的形式变为：
F L L v K K Ma c ?+=++)(21
式中K1和K2分别为系统的线性和非线性刚度矩阵，L 为外力引起的节点载荷向量，Lc
为接触力引起的载荷向量，F 为内力引起的节点载荷向量。若相关参数的计算是以物体的初
始状态作为参考系，则采用全量拉格朗日列式法求解接触问题，若采用某时刻的运动状态为
参考状态，则采用增量拉格朗日列式法来求解接触问题。
上述运动方程的求解涉及到时间域的数值积分方法问题。在显式求解法中，用中心差分
法进行动态问题的时域积分，其位移、速度和加速度关系为：
，2
11)(2t a u u u i i i i ?+?=?+)2/()(111t u u v i i i ??=?+?
考虑到显式求解法不存在收敛性的问题，且不用求解联立方程组。但为了保证数值积
分的稳定性，其选取的时间步长是不能超过系统的临界时间步长，其临界时间步长用下
式确定： t ?c SL t /=? ，而一般来说c L t /≤?
式中：S 为时间步长的比例因子，S<1；c 为声音在该物质中传播的速度。
ρE c = （E 为材料杨氏模量，ρ为材料密度）
MSC.DYTRAN 采用显式积分法。在采用低精度单元和细密网格的基础上，经处理，使系
统的质量矩阵不包含耦合项，从而在进行显式时间积分时只需求解关于每个自由度的一元一
次代数方程，从而提高计算效率。该方法中当前时刻的位移只与前一时刻的加速度和位移有
关。在求解时通过拉格朗日乘子法或罚函数法求解接触问题中的接触力大小。
有限元方法中单元分析的基本步骤与流程为：
}e
单元分析之后，再根据单元之间的相互关系，将单元的方程有序的集合成整个系统的方
程组，并表示成矩阵形式。求得单元结构方程后，对于连续体问题，将单元集合成整体结构
后求解，整体集成包括下面四步：
四、板料冲压数值模拟在实际生产中的应用：
4.1 方形盒深拉伸冲压有限元分析：
（一）、分析参数的确定
1．冲压机参数：冲压速度为： V=4000 mm/s ；冲头行程：L=25.2 mm
2．用于冲压的低碳钢材料性能参数：
弹性模量：E=2.06e5；密度： 2/mm N 68.7?=e ρ KN/mm
3
泊松比：υ=0.3；摩擦系数：μ=0.18；强化模量：B=533.38
2/mm N 应变偏移：C=1.8193e-3；应变强化指数：N=0.1908
材料各向异性屈服系数：85.090450===R R R
（二）、分析软件的确定
采用美国MSC SOFTWARE CORPORATION 的MSC.Patran 2000 r2 前处理器及MSC.Dytran
软件对轴承滚子的冲压过程进行有限元分析。
（三）、方形盒深拉伸冲压有限元分析CAD 、CAE 模型：
图1方形盒深拉伸冲压分析简化后的CAD 模型 图2方形盒深拉伸冲压分析的CAE 模型
①、当无压边时：
图3 冲压完成时刻状态
其冲压变形情况如以下两图：
图 4 冲压完成后俯视图图 5 冲压完成后3D视图
②、当压边力为6e6 KN时：
其变形情况：
图 6 冲压完成后俯视图图 7 冲压完成后3D视图可以看出在该压边力作用下，材料在冲压过程中起皱，不能保证冲压件的品质。
③、当压边力为8e6 KN时：
图 8 冲压完成时刻状态
从以下的变形情况可以看出当压边力为8e6 KN时，刚好可以防止起皱现象，以保证冲压合格。
图 9 冲压完成后俯视图图 10 冲压完成后3D视图
以下两图为冲压完成后板料中性层的等效应力分布情况：
图 11 板料中性层等效应力俯视图图 12 板料中性层等效应力3D视图
冲压完成后板料中性层的等效塑性应变情况为：
图 13 板料中性层等效塑性应变分布图图14 板料中性层等效塑性应变3D分布图
从以上两图中可以看出，应变最大的部位是方形盒四条竖直边的上部与法兰边的交角位置附近，因此也是破裂发生的最大可能处。
冲压过程中板料中性层几个典型结点等效应力的变化情况及等效塑性应变的变化情况分别如以下两图所示：
图15 板料中性层典型结点的等效应力图16 板料中性层典型结点等效塑性应变
④、当压边力为5e7 KN时：
冲压完成后板料中性层的等效应力分布情况为：
图17 板料中性层等效应力俯视图图18 板料中性层等效应力3D视图
冲压完成后板料中性层的等效塑性应变情况为：
图19 板料中性层等效塑性应变分布图图20 板料中性层等效塑性应变3D分布图
冲压过程中板料中性层几个典型结点塑性变形情况、结点等效应力的变化情况及等效塑性应变的变化情况分别如以下两图所示：
图21 板料中性层典型结点的等效应力图22 板料中性层典型结点的等效塑性应变
当压边力为1e7 KN时，其冲压过程中板料最大等效塑性应变为0.425mm。
当压边力为5e7 KN时，其冲压过程中板料最大等效塑性应变为0.529mm。
可以得出如下结论：压边力的取值并不是越高越好，压边力应取使板料冲压成形不起皱的临界值，超过该临界值附近越大，板料最大等效应力与最大等效塑性应变都会增大，从而增大破裂的危险性。因而，该压边力临界值的确定是非常重要的。根据以上的一些分析结果及其板料成形极限图（FLD），若应变落入临界区内，则意味着该处的板料有濒临破裂的危险。从而评估其发生破裂的可能性，并以此为依据采取相应的工艺措施。
4.2 板料回弹数值模拟：
冲压过程在t=0.0080时刻结束，压边力为8e6KN，阻尼系数为1.6262,板料在回弹过程中等效应力的变化过程如以下图示：
图 23 t=0.0085s时图24 t=0.0090s时图25 t=0.0095s时
图26 t=0.010s时图27 t=0.0105s时图28 t=0.011s时
图29 t=0.0115s时图30 t=0.0125s时图31 t=0.0135s时
图32 t=0.0145s时图33 t=0.0155s时图34 t=0.0165s时
板料在回弹过程、冲压与回弹整个过程中典型节点的等效应力随时间的变化历程为：
图35 回弹过程中等效应力随时间的变化图36 冲压与回弹过程中等效应力随时间的变化
而板料在冲压与回弹整个过程中典型节点的等效塑性应变随时间的变化历程与塑性变形量情况为：
从图35、36可以看出，工件在回弹变形过程中等效应力急剧减小至带有残余应力的状态。通过对特定单元点的跟踪，可以确定回弹量等参数。从而指导冲压模具与工艺的设计与改进。
五．总结：
通过数值成形技术（成形工艺数值模拟）得到的结果，可以预测工件变形的详细过程，并定量地给出我们所关心的与变形有关的各种物理量在工件或模具上的空间分布以及随时间的变化。通常这些物理量包括: 工件与模具的几何外形、位移、速度、（弹性和塑性）应变、应变率、应力、载荷等。并根据上述计算结果，判断出工件是否存在成形缺陷：对于冲压工艺，可以从工件外形判断是否起皱，对比成形极限图可以看到工件哪些位置可能开裂。回弹计算结果直接给出工件各处的相对回弹量；对比破裂准则可以看到工件哪些位置可能开裂等。如果加工工艺、模具或坯料设计不当，还可以分析预测出由此而产生的各种成形缺陷，如开裂、折叠、过烧与回弹等等。因而数值成形在某种意义上是虚拟的工艺试验。与实际工艺试验相比，它的优势是成本低、周期短，所得到的技术信息更多更全、而且全是定量化的数据，可以很现实地指导生产实践。可以通过模拟工件的冲压过程分析出加工工艺具有的缺陷，从而找出产生缺陷的原因，然后对工艺、模具和坯料进行修改，将修改后的数据进行第二次工艺模拟，如此反复直到工艺成功。通过数值成形技术，可以进行工艺设计并最终得到一个经过优化的成形工艺。由于这个工艺模拟的计算是根据固体力学、材料科学与数值计算的基础理论借助功能完备的计算机和软件进行的，因此这种数值成形过程原则上与进行工艺试验具有相同的效果。但是由于数值成形是在计算机上进行的，它不需要加工实际的模具和坯料，也不需要压力机，从而可以使开发新产品的工艺试验次数大为减少。在费用昂贵的模具制造和工艺过程确定之前，采用数值成形方法模拟材料成形过程，可以减少原型试验次数、
改进模具设计、提高模具寿命、减少原材料浪费，缩短新产品的开发周期，降低新产品的开发成本，提高产品质量，在时间、费用和质量上都会受益。应用这项高新技术使工艺设计逐步地从传统的技艺走向科学，将大幅度地提升企业的技术水平，提高企业在市场上的竞争能力。
六．参考文献：
[1] 《冲压工艺与模具设计》姜奎华主编机械工业出版社
[2] 《弹性理论基础》陆明万罗学富清华大学出版社
[3] 《大型薄板成形技术》杨玉英主编国防工业出版社
[4] 《材料成型原理》陈玉喜主编中国铁道出版社
[5] 《数值计算原理》李庆扬关治白峰杉编著清华大学出版社
[6] 《MSC.DYTRAN USER’S MANUAL》美国MSC.Software公司
金属板料数字化渐进成形工艺研究 摘要：本文围绕板材数控单点渐进成形技术的工艺规划的一般原则的建立和加工轨迹优化方法。主要内容包括基于理论分析和实践经验的一般性工艺规划和针对解决实际问题的加工轨迹优化处理。 关键词：数字化成形快速成形加工轨迹 1 引言 金属板材数控单点渐进成形技术是一种数字化的柔性加工技术，与传统的塑性成形技术相比，具有不需要设计、制造模具，小批量多品种加工板材零件的优点。其柔性的特点决定了该项技术尤其适合于新产品开发阶段的板料零件成形，如日用品、汽车覆盖件、航天航空产品的研制阶段的工作，利用该技术可以大大缩短产品开发周期，降低开发成本和新产品开发的风险。 本文根据在加工过程中的一些实例，在UG软件进行使用方法的介绍，供同行们参考。 2 金属板料塑性成形技术的概述 2.1 传统板料塑性成形技术 金属板料通过塑性成形方法可以加工成各种零件，它们被应用于国民经济和日常生活的各个领域中。例如汽车行业、航天航空、电机电器、食品包装、建筑等工业用品、家庭用品及家居装饰品、工艺美术品、医疗器械、家用电器等日常用品都大量使用金属板料塑性成形件。 传统的板料塑性成形技术的加工过程通常包括两个阶段。第一阶段是模具的设计与制造阶段；第二阶段是采用模具的生产阶段。这种加工方式的优点是，一旦模具设计制造成功后，可以大批量的生产需要的零件。但是，因为在模具的设计制造过程中，需要反复的对模具进行修改，这样就表现出模具的设计、制造费用高、周期长，使板材零件的应用范围受到限制。 2.2 板料塑性无模成形技术 二十一世纪是以知识经济和信息社会为特征的新时代，制造业正面临着空前严峻的挑战。如何快速、低成本和高质量地开发出新产品，以满足信息社会中瞬息万变的市场对小批量多品种产品的要求，是企业生存和发展的关键。传统的板料塑性成形技术已经不能够满足这种要求，市场经济要求提高成形的柔性。提高塑性加工柔性的方法有两种途径”，一是从机器的运动功能上着手，例如多向多动压力机，快速换模系统及数控系统。二是从成形方法上着手，无模成形便是其中一种。 2.3 快速成形技术 快速成形技术问世于20世纪80年代末，被认为是近20年制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相比。它引进分层制造(Layered Manufacturing)的思想，通过切层得到三维实体的截面轮廓曲线的型值点信息，然后山数控系统和执行单元完成逐点、逐层成形，从而将三维加工变为二维加工，最后得到零件或者零件的原型。 综上所述，对薄板数控单点渐进成形的研究是非常必要的，它将快速成形技术和塑性成形技术有机结合，该技术是综合性的跨学科的课题，它涉及力学、摩擦学、塑性成形技术、数控技术、CAD／CAM等多个学科，该技术的发展可推动相关学科尤其是快速成型技术和塑性加工理论的发展，既有重要的理论意义又有广阔的应用前景。 3 金属板料数控单点渐进成形原理 金属板材数控单点渐进成形法，是一种基于计算机技术、数控技术和塑性成形技术基础上的先进制造技术，其特点是采用快速成型制造技术“分层制造(Layered Manufacturing)”的思想，将复杂的三维模型沿高度方向离散化，分解成一系列二维层，并在二维层上对板材进行局部的塑性加工。加工是在三轴联动的数控成形机上进行的，工作时，在计算机控制下成形工具头先走到
第二章铸造成形 问答题： 合金的流动性（充型能力）取决于哪些因素？提高液态金属充型能力一般采用哪些方法？答：因素及提高的方法： （1）金属的流动性：尽量采用共晶成分的合金或结晶温度范围较小的合金，提高金属液的品质； （2）铸型性质：较小铸型与金属液的温差； （3）浇注条件：合理确定浇注温度、浇注速度和充型压头，合理设置浇注系统； （4）铸件结构：改进不合理的浇注结构。 影响合金收缩的因素有哪些？ 答：金属自身的化学成分，结晶温度，金属相变，外界阻力（铸型表面的摩擦阻力、热阻力、机械阻力） 分别说出铸造应力有哪几类？ 答：（1）热应力（由于壁厚不均、冷却速度不同、收缩量不同） （2）相变应力（固态相变、比容变化） （3）机械阻碍应力 铸件成分偏析分为几类？产生的原因是什么？ 答：铸件成分偏析的分类：（1）微观偏析 晶内偏析：产生于具有结晶温度范围能形成固溶体的合金内。（因为不平衡结晶） 晶界偏析：（原因：(两个晶粒相对生长，相互接近、相遇；(晶界位置与晶粒生长方向平行。）（2）宏观偏析 正偏析（因为铸型强烈地定向散热，在进行凝固的合金内形成一个温度梯度） 逆偏析 产生偏析的原因：结晶速度大于溶质扩散的速度 铸件气孔有哪几种？ 答：侵入气孔、析出气孔、反应气孔 如何区分铸件裂纹的性质（热裂纹和冷裂纹）？ 答：热裂纹：裂缝短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化颜色 冷裂纹：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。 七：什么是封闭式浇注系统？什么是开放式浇注系统？他们各组元横截面尺寸的关系如何？答：封闭式浇注系统：从浇口杯底孔到内浇道的截面逐渐减小，阻流截面在直浇道下口的浇注系统。(ΣF内<ΣF横
板料成形CAE技术及应用 长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于某些特殊复杂的板料成形零件，甚至制约了整个产品的开发进度，而板料成形CAE技术及分析软件的出现，有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高了企业的市场竞争力。 一、前言 计算机辅助设计技术以其强大的冲击力，影响和改变着工业的各个方面，甚至影响着社会的各个方面。它使传统的产品技术、工程技术发生了深刻的变革，极大地提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期，实现了设计的自动化。 板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、造型美观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模具等行业中占据着重要地位。由于板料成形是利用板材的变形得到所需的形状的，长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以预防缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的现有工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功。某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。 板料成形CAE技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺技术方案优化，从而有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高企业的市场竞争力。 板料成形CAE技术对传统开发模式的改进作用可以通过图1 和图2进行对比。
图1 传统板料成形模具开发模式 图2 CAE 技术模具开发方式 通过比较，就可发现板料成形CAE技术的主要优点。 (1)通过对工件的可成形工艺性分析，做出工件是否可制造的早期判断；通过对模具技术方案和冲压技术方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。 (2)通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计和模具设计，增强模具结构设计以及冲压技术方案的可靠性，从而减少生产成本。 (3)通过CAE分析可以择优选择材料，可制造复杂的零件，并对各种成形参数进行优化,提高产品质量。 (4)通过CAE分析应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足，还可通过虚拟的冲压模拟，提高提高工艺人员的经验。 二、板料成形需要解决的问题 板料成形通过模具对板料施加压力，使板料产生永久性的塑性变形，以获得预期的产品形状。在这个过程中影响板材变形的因素非常多，要控制好变形的形状也非常困难。首先，金属受外力作用会发生变形，变形可分为弹性变形和塑性变形，弹性变形是可逆的，外力去除后变形体就会恢复成原来的形状；第二，材料的成分和组织对变形影响极大；第三，塑性变形有多种方式，再结晶温度下的塑性变形有晶内滑移和孪动、位错（位错分多种形式），再结晶温度上的塑性变形有晶间滑移、多晶体扩散和相变变形等；第四，变形温度、变形速度的影响；第五，变形体内部应力状态的影响；第六，摩擦与润滑的影响；第七，材料塑性变形后，当变形体内部各部分变形不一致时，
单点渐进成形原理 IDMEC，研究所高级Tecnico，TULisbon，葡萄牙 机械工程学系，丹麦技术大学，丹麦 摘要：本文介绍了完整的单点渐进成形的基本原理理论分析模型，解释了过去几年里文献中实验和数值结果的可信性。该模型是基于平面内双向接触摩擦的膜分析，以单点渐进成形过程中发现的极端的变形方式重点。本文全部的研究都来自作者的实验，数据来自检索到文献。关键词：金属薄板成形性能单点渐进成形 1.简介 单点渐进成形（SPIF）是一种具有高潜力应用的快速原型制造和少量生产经济收益的新型板材成形工艺。图1介绍了该进程的基本组成部分：（i）金属板坯料，（ii）压板（iii）垫板及（iv）单点旋转成形工具。该压板是单点渐进成形工艺中用来夹紧和夹住工作板的。该垫板支持支撑板料其开口确定了单点渐进成形工具的工作区域。该工具是用来逐步将板料成形为一个工件，其路径是由数控加工中心产生。在成形工艺中有没有备份模具支撑板料的背面。 大多数关于SPIF的研究结果与工艺的应用和成形极限有关。到目前为止，研究得出结论认为该工艺的成形性可由四个主要参数来决定[1]：（i）板材厚度，（ii）轴向进给量，（iii）速度（包括转速和进给速度）及（iv）成形工具半径。第一个参数的影响通常解释为正弦定律。关于第二个参数，一般认为成形性随着轴向进给量的增大而减小，但是由Ham和Jeswiet （文献[2]）提供的新的结果似乎表明，轴向进给量本身对成形性影响不大。众所周知，成形工具的速度影响成形性，因为其直接影响成形工具与板料间的摩擦条件。较小成形工具的半径可以具有更好的成形性，这是由于成形工具下方的板料变形区域存在应变集中。较大的刀具半径往往使应变分布在一个更为广泛的区域，使这一工艺类似于传统的冲压工艺。 虽然Jeswiet（文献[1]），Fratini（文献[3]）和Allwood（文献[4]）等人不仅对SPIF作出了重大贡献，而且在其他方面（如工业应用的发展和更好地表征进程中的成形极限）也有很多贡献，但是变形的机制仍然鲜为人知。事实上，现如今，即使SPIF不是唯一的金属板料成形工艺，那么也是极少数工艺之一，用这些工艺，即使解决最简单的实际问题，在理论和数值分析上的优势也是绝对的。 本文介绍了完整的单点渐进成形的基本原理理论分析模型，解释了过去几年里文献中实验和数值结果的可信性。该模型是基于平面内双向接触摩擦的膜分析，以单点渐进成形工艺中发现的极端的变形方式重点。该工艺的成形极限是通过结合膜的韧性和损伤力学进行分析的。深冲压和传统冲压相比，一个关于增加成形性的解释是通过（断裂的基础上的）断裂成形极限图提供的，而不是（颈缩的基础上的）传统的成形极限图提供的。以在工件和工具之间使用覆板为基础的改进的SPIF也在讨论中，本文全部的研究都来自作者的实验，数据来自检索到文献。 2. 理论背景 圆形网格分析结合工具和工作板表面之间的涂抹标签干扰的观测让所有可能的工具路径作为三种基本变形模式的组合（如图2所示）；（A）根据平面应变条件平面伸展，（B）根据平面拉伸条件和平等的双向轴向拉伸条件（c）角旋转对称的表面应变。 表1 单点渐进成形和传统冲压的应力、应变状态
板料成形中有限元模拟技术的应用 衡 猛 周建忠 (江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013) 摘要:使用传统的靠经验和反复修模试模的方法研发模具,不仅难以掌握板料成形的真实过 程,而且会造成人、财、物、时的浪费。将有限元技术引入冲压成形模拟中是解决这一问题行之有效的方法,对板料冲压成形模拟进行了讨论,并重点介绍了Dynaform 软件的应用。 关键词:有限元模拟;Dynaform ;板料成形;汽车覆盖件模具 汽车工业是国民经济的重要产业之一,而覆盖件的研发周期长是阻碍新车型尽快推向市场的重要瓶颈。目前覆盖件及模具的设计制造工艺、先进装备及CAD/CAM 的应用已取得了重要进展,缩短了设计制造周期、提高了产品的质量、减轻了劳动强度,但CAE 的发展略显滞后。从模具开发的整个过程来看,设计初期的模具工艺结构、冲压工艺参数的合理选择,能有效地减少调试修模工作量,缩短了开发周期,降低模具成本。因而,推广应用CAE 技术,研究板料冲压的仿真成形是摆在覆盖件及模具行业 收稿日期:2003-10-23 第一作者简介:衡猛,男,1979年生,硕士研究生。 面前的重要课题。 1 板料冲压成形模拟的发展[1～4] 板料成形数值模拟研究始于20世纪60年代,之前人们主要用试验分析的方法了解塑性成形的性能,为设计提供依据。在20世纪70年代中期到80年代中期,主要是建立一些简单的有限元分析模型和应用,包括二维平面问题和轴对称问题,这阶段大多采用薄膜单元。20世纪80年代中后期开始三维板料成形分析研究,各种板壳单元被应用于成形分析。1973年,Kabayashi 采用刚塑性有限元法模拟了板料冲压成形过程。1976年,Weifi 用弹塑性有限元法模拟圆形板料在半球形凸模作用下的胀形和 最终,以该零件凹模为例,根据LOM 原型翻制的硅胶模、砂型以及熔射并补强后的凹模(表面硬度50～55HRC )如图15～17所示 。 图15 硅胶模—凹模 图16 砂型— 凹模 图17 带不锈钢壳层的硬模—凹模 3 结束语 采用与快速原型相结合的等离子熔射快速制造金属硬模新技术,成功地在短时间内制造出表面具有高耐磨性、高硬度的不锈钢模具。实践证明,该技术在制模周期、成本、模具精度和模具寿命几个关联因素中找到了一个很好的结合点,能满足当前汽车工业车型变化极快,换型时间短的需要。 后续试冲压结果表明,冲压成形有限元模拟对于冲压模具设计有良好的指导作用,采用LOM 制作原型有良好的复型性。参考文献: [1] 张海鸥.金属模具快速制造技术,电加工与模具,2002(2):6～9[2] 王伊卿,朱东波,卢秉恒.电弧喷涂制造汽车覆盖件模具,模具 工业,2001(9):41～44 [3] 徐达,宋玉华,张人佶,等.基于快速成形技术的汽车覆盖件金 属模具制造.清华大学学报(自然科学版),2000,40(5):1～5 设计?研究 《电加工与模具》2004年第2期
金属板材无模成形 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
类型多样的金属板材无模成形技术 1.金属板材无模成形简介 金属板材无模成形是指使用非模具的成形工具强迫金属板材发生渐进的塑性变形，最终得到所需零件的加工方法。 由于市场需求的多样化，机械和控制技术的进步，促使金属板材无模成形有了较快的发展，国内外许多企业学者进行了大量的研究。目前比较典型的板材无模成形方法有成形锤渐进成形、旋压成形、多点成形和数字化渐进成形等。通过不同的板材成形方法来了解各种成形技术的发展及其优缺点。 2. 无模成形的类型及特点 2.1 CNC成形锤渐进成形法[1] 该方法使用刚性冲头和弹性下模，对板材各局部区域分别打击成形，逐步成形为所需形状的加工工艺。成形锤渐进成形法成形方法简单，成形速度较快，但是该技术只能成形形状比较简单的工件，而且成形后留下大量的锤击压痕点，影响制品的表面质量，因而还必须进行后续处理。 成形锤渐进成形示意图 2.2 喷丸成形[2] 喷丸成形是利用高速弹丸撞击金属板材的一个表面，使受撞击表面及其下一层金属产生塑性变形，导致面内产生残余应力，在此应力作用下逐步使板材达到要求外形的一种成形方法。目前其主要应用在航空航天领域，如波音和空中客车等飞机制造公司在其现代客机的生产中，都
已采用了喷丸成形方法。 喷丸成形的主要优点： （1）零件长度不受喷丸成形方法的限制，现代飞机蒙皮零件的长度已达32 m，若采用其他方法，设备投资将急剧增加； （2）工艺装备简单，无需成形模具，只需简单的夹具，准备周期短，固定投资少； （3）在进行成形的同时，可对板料起到强化作用； （4）可对变厚度的板料进行成形； （5）既可成形单曲率外形，又可成形双曲率外形，如机翼上下气动弯折区或非直母线区。 A380飞机超临界外翼下翼面整体壁板长度30余m、厚度30余mm，是迄今采用喷丸成形技术所获得的长度最长、厚度最大的构件，代表了国际喷丸成形工艺技术的最新成果。 2.3 旋压成形[3-5] 旋压成形是一种将金属坯料装在芯模的顶部，旋轮通过轴向运动和径向运动，使旋转坯料在旋轮滚压作用下产生局部连续塑性变形，最终获得所要求的薄壁回转体零件的塑性加工方法。 旋压原理图 旋压成形作为金属塑性加工的一个重要分支，具有柔性好、成本低廉等优点，适合加工多种金属材料，是一种经济、快速成形薄壁回转体零件的方法。与其他冲压工艺方法相比，由于它能制造出形状多样、尺寸各异的产品，特别是在结合高效、精密的数控技术后，更具有明显的
金属板材数控渐进成形加工轨迹交互修改及优化分析 通过CAD模型，能够直接驱动金属板材数控渐进成型技术，来设计完成柔性快速一体化的制造与加工。这种技术在提升加工效率上必然会发挥巨大的作用，对此，文章对相关方面的内容进行了论述。 标签：金属板材；数控渐成形；加工轨迹；交互修改优化 1 加工原理分析 沿着z轴方向将复杂的三维形状离散化处理，就是将多个二维断面层分解出来，在二维断面层上，塑性加工其局部。图1为基本的加工原理图。在一个支撑模型9上放置被加工板材3，在板材周围通过压板4在托板5上将材料夹紧，可以顺着导柱6自由上下滑动托板。在三轴联动的数控无模成形机上固定该装置，加工的过程中，首先在指定的位置控制成形工具头，将压下量设定在板材下，之后在控制系统的作用下，在第一层截面轮廊规定下，通过等高线的形式，渐进塑性加工板材。在第一层截面轮廊形成之后，将高度在成形工具头压下设定出来，再依据下一层截面轮廊的规定去运动，从而将这一层的轮廊构造出来。多次这样操作，直到加工完成整个工件为止。加工轨迹与工艺规划是这些塑性加工成型的重点。工件的成型精度不仅会直接受到它的影响，同时，不恰当的轨迹与工艺会直接造成加工受阻。 2 具体的修改和优化对策分析 2.1 优化改造CAM/CAD软件生成加工轨迹 通过图2中所示的工艺路线，对板材数控渐进成型过程进行改进与优化，首先，在工艺要求的基础上，将零件的CAD模型在通用的CAM/CAD软件中构建起来，再从CAD模型着手，将工艺模型制作出来，并且在此基础上构成加工轨迹和支撑模型，之后加工模板，使其成为需要的模型。然而，在成形的时候，垂直部分的板材变形或者工件的尖角处，因为超过了相应的塑性变形极限，这样塌陷和破裂问题极易发生。所以，需要根据实际情况认真的修改这些部位的加工轨迹。但是，在加工修改这些加工轨迹的时候，一定要转换到过去的三维模型中。再将加工轨迹重新生成出来，比如图2中的第一种方法。 一般的时候，是通过多个细小的面片缝合而得到CAD模型中的复杂曲面，因此，在进行修改的时候就会面临很多的困难。并且，很多三角模型中的特征参数已经不复存在，一些时候还存在STL格式的模型，修改起来就会非常的困难。所以，弄清楚了这些以后，在加工修改这些轨迹的时候，我们建议应用人机交互的方法直接完成。 2.2 应用人机交互交工轨迹进行优化与修改
板料成形CAE技术 贵州风华机器厂童春桥 一、前言 计算机辅助设计技术以其强大的冲击力，影响和改变着工业的各个方面，甚至影响着社会的各个方面。它使传统的产品技术、工程技术发生了深刻的变革，极大地提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期，实现了设计的自动化。 板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、造型美观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模具等行业中占据着重要地位。由于板料成形是利用板材的变形得到所需的形状的，长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以预防缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的现有工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功。某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。 板料成形CAE技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺方案优化，从而有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高企业的市场竞争力。 板料成形CAE技术对传统开发模式的改进作用可以通过图1 和图2进行对比。
图1 传统板料成形模具开发模式 图2 CAE 技术模具开发方式 通过比较，就可发现板料成形CAE技术的主要优点。 (1)通过对工件的可成形工艺性分析，做出工件是否可制造的早期判断；通过对模具方案和冲压方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。 (2)通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计和模具设计，增强模具结构设计以及冲压方案的可靠性，从而减少生产成本。 (3)通过CAE分析可以择优选择材料，可制造复杂的零件，并对各种成形参数进行优化,提高产品质量。 (4)通过CAE分析应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足，还可通过虚拟的冲压模拟，提高提高工艺人员的经验。 二、板料成形需要解决的问题 板料成形通过模具对板料施加压力，使板料产生永久性的塑性变形，以获得预期的产品形状。在这个过程中影响板材变形的因素非常多，要控制好变形的形状也非常困难。首先，金属受外力作用会发生变形，变形可分为弹性变形和塑性变形，弹性变形是可逆的，外力去除后变形体就会恢复成原来的形状；第二，材料的成分和组织对变形影响极大；第三，塑性变形有多种方式，再结晶温度下的塑性变形有晶内滑移和孪动、位错(位错分多种形式)，再结晶温度上的塑性变形有晶间滑移、多晶体扩散和相变变形等；第四，变形温度、变形速度的影响；第五，变形体内部应力状态的影响；第六，摩擦与润滑的影响；第七，材料塑
金属板材增量成形 张弘斌200812015 1 引言 金属板料增量成形工艺是一种通过数字控制的设备，采用预先编制好的控制程序进行逐点成形板料零件的柔性加工工艺。该工艺不需要专用模具，成形极限较大，重复性好，可控制金属流动，能加工出形状复杂的自由曲面，适用于航天、汽车工业等的小批量、多品种、形状复杂的板料零件加工，有着十分诱人的发展前景[l，2]。 2 金属板材数控增量技术介绍 金属板材渐进成形是一种柔性化的板材数控加工技术，与传统的冲压成形不同，它在成形中不需要专用的模具，而且板料具有更高的成形性能，可以在局部区域内成形出用常规手段无法加工的复杂曲面造型，同时由于局部渐进成形所需的成形力小，设备的能耗低，不仅节能而且无噪声污染，属于绿色加工的范畴。因此，渐进成形技术引起世界各国的广泛关注，日本、韩国、意大利等各国学者对此纷纷展开研究[3,4]。 2.1 成形的工艺过程 首先将被加工板料置于一个通用模芯上，在板料四周用压板夹紧材料，该压板可沿导柱上下滑动。然后将该装置固定在三轴联动数控成形机上，加工时，压头先走到指定位置，并对板料压下设定压下量，然后根据控制系统指令，按照第一层截面轮廓要求，以走等高线方式，对板料进行渐进塑性加工(见图1)，并形成所需第一层截面轮廓，然后压头压下设定高度，再按第二层截面轮廓要求运动，并形成第二层轮廓。如此重复直到整个工件成形完毕。
图1 金属板料渐进成形示意图 2.2增量成形的分类 增量成形根据成形时接触点的数目分为TPIF和SPIF，在TPIF中板料和工具头、支撑板同时接触，在SPIF中没有支撑板，完全无模成形[5]。图2中A、B为TPIF，C 为SPIF。 图2 增量成形分类示意图 板料增量成形又可分为单次成形和多道次成形两种方式。单次成形是指工具头沿目标工件轮廓自上而下逐层加工的成形方法。该方法工序简单, 成形速度快, 成形前后壁厚t0 , t 与成形角θ呈正弦关系, 即t = t0 sinθ。 单次成形有两个主要缺点: 其一, 工件形状确定后, 各处θ角就确定了, 根据上述关系则工件壁厚就随之确定了, 无法合理调整工件各处厚度以符合均匀性原则；其二, 单次成形角度θ存在极限, 一般在22°左右, 小于其成形极限角度时(比如较大深度的直壁件) , 此方法难以加工[6]。 多次成形工艺弥补了单次成形的不足, 通过对不同道次成形形状以及每一道次加工参数的合理规划, 可分别调整工件各部分壁厚, 以达到均匀性原则的要
板料成形有限元分析的发展综述 摘要：在参阅和分析大量有关文献的基础上，对有限元法的产生和弹塑性有限元的发展进行了总结，特别是对当前应用广泛的板料成形有限元数值模拟在国内外的发展概况和发展趋势进行了详尽的剖析，为深入了解板料成形有限元的发展提供了有益的参考。 关键词：板料成形；数值模拟；有限元法；有限元分析；弹塑性 引言 有限单元法是工程计算领域的一种主要的数值计算方法，其基本思想就是将连续区域上的物理力学关系近似地转化为离散规则区域上的物理力学方程。它是一种将连续介质力学理论、计算数学和计算机技术相结合的一种数值分析方法。此方法由于其灵活、快捷和有效，已迅速发展成为板料冲压成形中求解数理方程的一种通用的数值计算方法。 有限元法源于40年代提出的结构力学的矩阵算法。“有限元法”这一术语是R.W.Clough于1960年在论文“The finite element method in plane stress analysis”中首次提出来的，他用这种方法首次求解了弹性力学的二维平面应力问题。1963年，Besseling证明了有限元法是基于变分原理的Ritz法的另一种形式，从而使Ritz分析的所有理论基础都适用于有限元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。 板料成形数值模拟涉及到连续介质力学中材料非线性、几何非线性、边界条件非线性等三非线性问题的计算，难度很大。随着非线性连续介质力学理论、有限元法和计算机技术的发展，通过高精度的数值计算来模拟板料成形过程已成为可能。从70年代后期开始，经过近二十年的发展，板料成形数值模拟逐渐走向成熟，并开始在汽车、飞机等工业领域得到实际的应用。 1 弹塑性有限元分析研究发展概况 有限元法建立之初，只能处理弹性力学问题，无法应用于金属塑性成形分析。1965年Marcal提出了弹塑性小变形的有限元列式求解弹塑性变形问题，揭开了有限元在塑性加工领域应用的序幕。1968年日本东京大学的Yamada推导了弹塑性小变形本构的显式表达式，为小变形弹塑性有限元法奠定了基础。但小变形理论不适于板料冲压成形这样的大变形弹塑性成形问题，因此人们开始致力于研究大变形弹塑性有限元法。1970年美国学者Hibbitt等首次利用有限变形理论建立了基于Lagrange格式（T.L格式）的弹塑性大变形有限元列式。1973年Lee 和Kabayashi提出了刚塑性有限元法。1973年Oden等建立了热-弹粘塑性大变形有限元列式。1975年Mcmeeking建立了更新Lagrange格式（U.L格式）的弹塑性大变形有限元列式。1978年Zienkiewicz等提出了热耦合的刚塑性有限元法。1980年Owen出版了第一本塑性力学有限元的专著，全面系统地论述了材料非线性和几何非线性的问题。至此，大变形弹塑性有限元理论系统地建立起来了。 2 板料成形有限元数值模拟国内外研究发展概况
激光板料成形技术的研究与应用 ——激光热应力成形与激光冲击成形 摘要： 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对金属或非金属材料进行切割、焊接、表面处理、打孔以及微加工等的一门加工技术。随着激光技术的发展，特别是大功率工业激光器制造技术的日益成熟，激光作为一种“万能”工具，已应用于材料的切割、焊接、弯曲变形和表面改性处理等领域，其中板料激光成形技术已较为成熟，广泛应用于各种碳钢、不锈钢、合金有色金属以及金属基复合材料的弯曲成形，替代了部分零件的冲压工业。金属板料激光成形技术是近年来出现的一种先进柔性加工技术。金属板料成形作为薄板直接投入消费前的主要深加工方法，已在整个国民经济中占有十分重要的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、家电等生产行业。传统的金属板料加工方法主要用模具在压力机上进行冷冲压成形，其生产效率高，适用于大批量生产。随着市场竞争的日趋激烈，产品的更新换代速度日益迅速，原有的采用模具加工的技术就表现出生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大，制造成本高等缺陷，且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢、铝合金以及铜等塑性较好的材料，其适用范围有限。为此国内外许多学者致力于板料塑性成形新技术的研究，实现金属板料的快速高效、柔性冲压和无模成形，以适应现代制造业产品快速更新的市场需要。本文介绍了激光热应力弯曲成形以及冲击成形的成形机理，分析了成形的主要因素，并对这两种成形技术的未来做出展望。 关键词：激光技术、板料成形、热应力弯曲成形、冲击强化技术 一、激光弯曲成形技术 激光弯曲成形是一种新兴的塑性加工方法，具有高效、柔性、洁净等特点。它是基于材料的热胀冷缩特性，利用高能激光束扫描金属板料表面时形成的非均匀温度场导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。与传统的金属成形工艺相比，它不需模具、不需外力，仅仅通过优化激光加工工艺、精确控制热作用区内的温度分布，从而获得合理的热应力分布，使板料最终实现无模成形。激光束的大小和能量精确可控，特别适用于冷加工难以成形的硬且脆，或刚性大的材料，比如陶瓷、钛合金等。 1、激光弯曲成形基本原理： 板材激光弯曲成形是近年来出现的一种板材柔性成形方法，究其根源，可以追溯到上百年前的火工矫形。它的基本原理是，在基于材料的热胀冷缩特性上，利用高能激光束扫描金属板材表面，通过对金属板材表面的不均匀加热，照射区域内厚度方向上会产生强烈的温度梯度，从而引起非均匀分布的热应力[6]。当这一热应力超过了材料相应温度条件下的屈服极限，就会使板材产生所需要的弯曲变形，激光弯曲成形的装置示意图如图1所示[7]。激光弯曲成形实际上就是这样一种基于材料的热胀冷缩特性、用热应力代替机械载荷的板料无模成形技术。
Mac hine Building A utomation ，A ug 2010，39（4）：37 38，75 作者简介：胡铭明（1981—），男，江西南昌人，硕士，助理工程师，主要从事机械设计工作。 渐进成形在整体壁板制造中的应用 胡铭明，高霖，韦红余 （南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016） 摘 要：数控渐进成形工艺是一种新兴的金属板料柔性成形技术。加工过程无需或仅需简单 模具，故可在许多领域得到运用。尝试通过将渐进成形工艺运用于某整体壁板类零件的下半部分，了解到通过增加辅助面，从而增强零件的刚度，可以避免材料因随工具摆动造成破裂，完成此类零件的加工。 关键词：渐进成形；整体壁板；成形中图分类号：TG39文献标志码：B 文章编号：1671- 5276（2010）04-0037-02Application of Incremental Forming Process for Overall Wall Manufacturing HU Ming-ming ，GAO Lin ，WEI Hong-yu （College of Mechanical and Electrical Engineering ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ） Abstract ：NC Incremental forming of sheet metal is an innovative and flexible forming．The forming process needs non-die or simple die ，so the process is widely applied．This paper tries to use the incremental forming for bottom half of a overall wall product ’s man-ufacturing．During the process the metal is prevented from breaking because product sways with forming tool and the product ’s stiff-ness is enforced by adding aided surface． Key words ：incremental forming ；overall wall ，forming 0引言 随着现代航空工业的发展，要求在初始设计阶段和后 期的制造阶段，采取新的方法和工艺，在保证甚至提高零件强度的前提下，尽量减轻零件的质量，从而实现飞机的整体要求。 渐进成形加工，是近几年新兴的一种柔性化的薄板成形工艺。与传统的冲压成型不同，它不需要专用模具或仅采用简单模具支撑， 就可以通过数控成形设备成形出成形极限较大，形状复杂的板材零件［1－3］ ，是具有发展前景的新工艺。 渐进成形将复杂的零件模型沿高度方向分解成许多 等高层， 每个等高层中零件的轮廓线为一封闭曲线，数控机床控制成形工具沿着封闭曲线在板料上运动实现每层 的加工通过逐层从而完成整个三维零件的外形加工。 1 常用的整体航空壁板成形方法 1．1 整体壁板的优势 大型整体壁板主要用于飞机机翼和机身，以及地板和 壁板等重要部位，与传统的铆接组合式壁板结构相比，大型整体壁板结构件具有如下优点［4－6］ ：1）由于取消了零件之间连接用的螺栓、铆钉等附件，减轻了飞机整体的质量；2）由于不需要铆接等安装工序，大大减少装配工序的周期和 工作量，减轻劳动强度；3）减少开孔等造成的应力集中，可 提高部件的强度和刚度；4）零件表面没有了铆钉等造成的表面不平，提高整体的气动性能，并能提高装配品质。 1．2 整体壁板常用成形方法 1．2．1 喷丸成形技术 喷丸成形技术是利用高速球丸撞击金属板材的表面， 使受撞击的表面及其紧靠的下层金属材料产生塑性变形而延伸（图1），从而逐步使板材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种成形方法 ［7－8］ 。 图1喷丸成形原理图 1．2．2 蠕变时效成形技术 蠕变时效成形技术是利用金属的蠕变特性，将成形与 时效同步进行的一种成形方法［4］ （图2）。使坯料产生一定的弹性变形，一起保温一段时间，零件上的部分弹性变形将转变为永久塑性变形并保持下来，从而使零件在完成时效强化的同时获得所需外形 ［5，9］ 。 · 73·
板料成形CAE技术及应用 作者：风华机器厂童春桥 | 阅读次数：596 转自：《CAD/CAM与制造业信息化》时间：2005年5月26日11:32 长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于某些特殊复杂的板料成形零件，甚至制约了整个产品的开发进度，而板料成形CAE技术及分析软件的出现，有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高了企业的市场竞争力。 一、前言 计算机辅助设计技术以其强大的冲击力，影响和改变着工业的各个方面，甚至影响着社会的各个方面。它使传统的产品技术、工程技术发生了深刻的变革，极提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期，实现了设计的自动化。 板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、造型美观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模具等行业中占据着重要地位。由于板料成形是利用板材的变形得到所需的形状的，长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以预防缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的现有工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功。某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。 板料成形CAE技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺方案优化，从而有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高企业的市场竞争力。 板料成形CAE技术对传统开发模式的改进作用可以通过图1 和图2进行对比。 图1 传统板料成形模具开发模式
填空题 1．常用毛坯的成形方法有铸造、、粉末冶金、、、非金属材料成形和快速成形. 2.根据成形学的观点,从物质的组织方式上,可把成形方式分为、、 . 1．非金属材料包括、、、三大类. 2．常用毛坯的成形方法有、、粉末冶金、、焊接、非金属材料成形和快速成形作业2 铸造工艺基础 2-1 判断题（正确的画O，错误的画×） 1．浇注温度是影响铸造合金充型能力和铸件质量的重要因素。提高浇注温度有利于获得形状完整、轮廓清晰、薄而复杂的铸件。因此，浇注温度越高越好。（×） 2．合金收缩经历三个阶段。其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的基本原因，而固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹的主要原因。（O） 3．结晶温度范围的大小对合金结晶过程有重要影响。铸造生产都希望采用结晶温度范围小的合金或共晶成分合金，原因是这些合金的流动性好，且易形成集中缩孔，从而可以通过设置冒口，将缩孔转移到冒口中，得到合格的铸件。（O） 4．为了防止铸件产生裂纹，在零件设计时，力求壁厚均匀；在合金成分上应严格限制钢和铸铁中的硫、磷含量；在工艺上应提高型砂及型芯砂的退让性。（O） 5．铸造合金的充型能力主要取决于合金的流动性、浇注条件和铸型性质。所以当合金的成分和铸件结构一定时；控制合金充型能力的唯一因素是浇注温度。（×） 6．铸造合金在冷却过程中产生的收缩分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。共晶成分合金由于在恒温下凝固，即开始凝固温度等于凝固终止温度，结晶温度范围为零。因此，共晶成分合金不产生凝固收缩，只产生液态收缩和固态收缩，具有很好的铸造性能。（×）7．气孔是气体在铸件内形成的孔洞。气孔不仅降低了铸件的力学性能，而且还降低了铸件的气密性。（O） 8．采用顺序凝固原则，可以防止铸件产生缩孔缺陷，但它也增加了造型的复杂程度，并耗费许多合金液体，同时增大了铸件产生变形、裂纹的倾向。（O） 2-2 选择题 1．为了防止铸件产生浇不足、冷隔等缺陷，可以采用的措施有（D）。 A．减弱铸型的冷却能力； B．增加铸型的直浇口高度； C．提高合金的浇注温度； D．A、B和C； E．A和C。 2．顺序凝固和同时凝固均有各自的优缺点。为保证铸件质量，通常顺序凝固适合于（D），而同时凝固适合于（B）。 A．吸气倾向大的铸造合金； B．产生变形和裂纹倾向大的铸造合金； C．流动性差的铸造合金； D．产生缩孔倾向大的铸造合金。 3．铸造应力过大将导致铸件产生变形或裂纹。消除铸件中残余应力的方法是（D）；消除铸件中机械应力的方法是（C）。 A．采用同时凝固原则； B．提高型、芯砂的退让性； C．及时落砂； D．去应力退火。 4．合金的铸造性能主要是指合金的（B）、（C）和（G）。 A．充型能力；B．流动性；C．收缩；D．缩孔倾向；E．铸造应力；F．裂纹；G.偏析；H.气孔。
板料成形回弹特征及其控制技术 1 前言 回弹是板材冲压成形过程的主要缺陷之一．严重影响着威形件的威形质量和尺寸精度，是实际工艺中很难有效克服的成形缺陷之一，它不仅降低了产品质量和生产效率．还制约了自动化装配生产线的实施，是我 国汽车制造工业中亟待解决的关键性问题。 从理论上说，板材冲压成形过程可以被看作是板材经过塑性变形变为想要获得的形状的过程。然而实际上．板料尺寸．材料特性和环境条件使冲压成形过程的预测性和可重复性变得困难。以韧性金属板材为主的冲压成形件从模具上取出后，必然产生一定量的回弹。回弹是板材冲压成形的3种主要缺陷(起皱．破裂和回弹)中最难控制的一种，因为它涉及到对回弹量的准确预示．不同的材料和尺寸的零件其回弹规律大不相同，单凭经验和工艺过程类比是很难进行准确的回弹补偿的．这就使得一个模具设计的周期变长．因此在板材冲压成形中回弹变形是使模具设计明显变复杂的一个基本参数。在大多数板材冲压成形中．强烈的非线性变形过程致使板料产生很大的弹性应变能．在模具与板料动态接触过程中存在于板料中的这种弹性应变能会随着接触压力的消除而自动释放掉，回弹的驱动力一般是朝着板料原始形状变形。因此，冲压成形中的最终产品形状不但依赖于凹模形状．而且依赖于成形后存储在板料中的弹性应变能。弹性应变能与许多诸如材料特性．接触载荷等参数有关，因此在成形过程中预测回弹变得很复杂．这也就给那些必须精 确评估回弹量的设计者提出了很重要的问题。 近40年来，有许多研究人员一直在对回弹行为进行着研究．并提出了很多解决方法和计算机仿真算法．发表了大量相关论文。就有限元仿真方法而言．在众多仿真算法模拟应用中，采用显式算法模拟成形过程．用隐式算法模拟回弹过程的方法最多；其次是冲压成形和卸载回弹过程都采用隐式算法。而G．Y-L．等学者提出一种新算法，冲压成形和回弹过程全部采用显式算法。U．Abdelsalam等学者还提出了采用一步成形算法模拟冲压成形过程，再用隐式算法计算卸载回弹过程．并应用该算法模拟了3个复杂冲压件的卸载回弹过程．这种算法的模拟精度虽然不高．但计算速度很快．可以为模具在设计阶段提供一个定性的参考方案。T-C．Hsu等学者采用隐式TL(Total Lagrangian)算法，引入Hill--次方屈服函数模拟了轴对称问题的冲压成形和回弹过程。M．Kawka等学者采用静态显式有限元(实际上也是隐式算法)算法软件ITAS3D模拟了轿车顶盖和轮毂的多阶段成形过程，以及卸载回弹和切边回弹过程．并与试验结果进行了比较。 以上这些对于回弹的研究只限于理论方面．其与实际试验的对比验证还鲜有涉及。对于如何补偿所产生的
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２００９年第４３卷№５ 器手越来越多的被应用到数控渐进成形技术中，更好地实现了制造的柔性化与自动化【５】（如图２所示）。 图２工业机器手在数控渐进成形中的应用 ２．１金属板材单点渐进成形工艺及精度的研究 成形工件尺寸精度不高是金属板材单点渐进成形技术难以得到广泛应用的主要原因【６，７｜，也是目前该技术国内外研究的热点，现行的大部分的成形工艺研究也正是围绕如何提高成形精度而展开。 由于成形力越小越有利于提高工件的成形精度，而成形力又随着步长、成形角、工具头半径和板材厚度的减少而减小，因此可以通过控制工艺参数达到提高成形精度的目的。为得到确切的工艺参数与工件成形精度的关系，意大利的Ａｍｂｒｏｇｉｏ【８Ｊ通过调整工艺参数对工件进行多次试验成形，然后利用统计分析方法对试验数据进行分析总结，从而得到了工艺参数与工件尺寸精度的关系表达式。但该方法适用范围有限，一般只适合于简单的零件，对于复杂零件很难找到工艺参数与工件尺寸精度的确切关系表达式。另外，工艺参数中板材厚度的选定并不能只根据成形力的需要而随意更改，而其它工艺参数对成形力的影响并不显著，而且还会降低成形效率【７．９１。 工具头与板材接触区域附近不必要的塑性变形和回弹是成形件几何尺寸精度不高的主要原因№Ｊ。为了获得良好的成形精度，一般希望在成形区（即板材与工具头接触的区域）内的金属板材具有较低的屈服强度和较好的延伸性，这样有益于板材在较小的成形力下加工成形，并且还能防止板材卸载后的回弹；但与此同时又希望在成形区域外的金属板材具有较高的屈服强度，这样有助于避免成形区外板材产生不必要的塑性变形，从而达到板材的准确成形。对金属板材的上述两个要求看起来有些冲突，因为同一金属板材很难同时具备相互矛盾冲突的两 ９ 种属性。通过改变装置可以达到提高成形区外材料刚度、并由此提高成形精度的目的，但该方法会降低工艺的柔性［１０］。比利时的Ｄｕｆｌｏｕ［６，７］利用激光对板材成形区域进行局部动态加热，从时间和空间上改变材料性质，达到了减小成形区材料屈服强度的目的。试验结果表明，这种方法不但可以改善尺寸精度和增加板材的可成形性，而且还可以减少残余应力和提高材料的成形极限，但采用该方法会增加设备（激光源、机械手及其它辅助设备）成本。为此，Ｆ锄【１１Ｊ提出了电热渐进成形技术，该技术所需设备简单（直流电源、电缆、绝缘垫圈），只需将工具头与金属板材通上直流电，根据焦耳定律，当直流电从工具头流人金属板材时电流产生热量，从而达到提高成形区附近金属板材延展性的目的。 在渐进成形中，板材厚度变化和工艺也会导致工件的尺寸偏差。为得到准确的加工轨迹，需要对原始模型进行偏置处理，传统的方法只是通过一些ＣＡＤ工具对模型的表面进行统一的偏置处理。由于板材成形时，变形后的板材厚度ｔ．跟板材初始厚度ｔ。以及板材变形面与成形工具轴线方向的夹角的关系符合正弦定律，即ｔｌ－ｔｏｓｉｎ０，可知对模型进行统一的偏置处理这种方法显然不合适，会使得工具头与支撑间的间隙不合理，导致成形尺寸的不准确甚至失败。为此，德国的Ｔｅｋｋａｙａ［１２Ｊ提出了根据板材厚度正弦变化规律来重构模型，对模型进行偏置处理，使工具头与支撑的间隙合理，从而达到改进成形精度的目的。 对于因装置、工具和板材回弹等工艺因素所导致的偏差（ｐｒｏｃｅｓｓ．ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｄｅｖｉａｔｉｏｎ，ＰＤＤ），ＨｉｒｔｄＬｌ３Ｊ提出了对具有简单几何外形工件进行基本ＰＤＤ的修正方法：通过加工得到的模型与参考模型进行对比，然后对参考模型进行处理来得到修改模型；为了扩大ＰＤＤ修改方法的适用范围，德国的Ｔｅｋｋａｙａ【１２ｊ还使用有限元分析和实验方法获得相关补偿因素的信息，然后通过局部修正（１０ｃａｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓ）与整体修正（ｇｌｏｂａｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓ）的方式对工件进行ＰＤＤ补偿修正。 金属板材单点渐进成形技术还可以与其他技术结合起来加工工件。比如，首先采用多点渐进成形进行预成形，形成大致形状之后，再采用单点渐进成形进行后续的精加工再次成形。这样既可避免直接采用单点渐进成形效率低的问题，也避免了多点成形在一些复杂的局部位置成形精度不高的问题。还 有把单点渐进成形技术与水射流技术结合的金属板万方数据