（材料加工工程专业论文）st16钢激光拼焊板渐进成形研究.pdf

南京航空航天大学学位论文 摘要 数控渐进成形技术是一项新的无模成形技术，它着力于解决板料成形领域中模具设计周期 长、耗资高与现今单件小批量的定制生产方式的矛盾。而激光拼焊板凭借其自身优点已经受到 工业界和学术界越来越多的重视。本文首次将数控渐进成形技术应用到激光拼焊板成形领域中， 拓展了激光拼焊板的成形方法。本文首先研究了激光拼焊板的成形基础；其次通过对焊缝处于 试样不同方向和位置的差厚激光拼焊板试样进行单向拉伸试验，结论指导渐进成形试验；再次 通过测量不同润滑条件下s t l 6 钢的成形极限角，并且用c c d 摄像头和光学显微镜观察成形件 表面磨损形貌，研究了板料在不同润滑条件下的渐进成形性能和磨损特性：最后通过正交试验 着重对比研究了压头半径、每层进给量、焊缝位置及板厚对激光拼焊板和母板成形性能的影响， 介绍了工艺参数对裂纹形状的影响，对比研究了激光拼焊板和母板成形零件的壁厚分布。研究 结果表明： 1 拉伸试验过程中，焊缝方向平行于拉伸方向时，断裂发生在试样中间位置；焊缝方向垂 直与拉伸方向时，断裂总是在薄板位置。 2 渐进成形过程中，润滑条件的改变影响成形性能和磨损特征：在磷化处理后加二硫化钼 锂基润滑脂的润滑条件下，s t l 6 钢渐进成形性能最好；在加工过程中，当压头成形层与层区间 时以磨粒磨损特征为主，当压头成形等高层时以黏着磨损为主。 3 激光拼焊板的成形性能受每层进给量的影响最大，母板s t l 6 钢的成形性能受板厚的影 响最大；压头半径和每层进给量对成形零件裂纹的延伸长度和宽度有关系；渐进成形后激光拼 焊板焊缝移动很少；激光拼焊板和母板成形零件的壁厚分布是有区别的。 通过本文的工作可以拓展激光拼焊板的成形方法，打破其传统成形方法的单一性，同时能 进一步的完善渐进成形技术的理论和应用范围的研究。 关键词：渐进成形，激光拼焊板，润滑，成形性能，壁厚分布 s t l 6 钢激光拼焊板渐进成形研究 a b s t r a c t t h en ci n c r e m e n t a lf o r m i n gp r o c e s si san e w l yd e v e l o p e da n dd i e l e s st e c h n o l o g y , w h i c hi s t r y i n gt og i v eaf a s ta n de c o n o m i cs o l u t i o nt of o r mt h es h e e tb l a n k a n dt a i l o rw e l d e db l a n k sf f w b ) h a sb e e ng i v e ne v e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf o ri t sa d v a n t a g e b yi n d u s t r ya n d a c a d e m i a i nt h i sp a p e r , i n e r e r n e n t a lf o r m i n gi sf i r s ta p p l i e dt ot h ef o r m i n go ft w b f i r s to fa l l ，t h ef o r m i n gt h eb a s i so ft a i l o r w e l d e db l a n k sa l ei n t r o d u e e a s e c o n d l y , t h ep l a s t i cf o r m a b i l i t yo ft h et w bi nt e n s i l et e s t si sa n a l y z e d w i t ht h ee x p e r i m e n t so ft h eu n e q u a lt h i c k n e s st w bs p e c i m e n s t h i r d l y , t h ef o r m a b i l i t ya n dw a t i c h a r a c t e r i s t i co ft h es t l 6s t e e l ，w h i c hi st h eb a s em a t e r i a l so ft w b ，i ni n e r e r n e n t a lf o r m i n gp r o c e s s u n d e rd i f f e r e n tl u b r i c a t i n gc o n d i t i o n sa r es t u d i e d f o u r t h l y ，t h ef o r m a b i l i t yo f t h et w bi ni n c r e m e n t a l f o r m i n gp r o c e s su n d e rd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c h 笛t o o ls i z e 、s t e ps i z ea n dw e l d i n gs e a m s p o s i t i o n sa l es t u d i e d t h ei n f l u e n c eo ft h e s ep r o c e s sp a r a m e t e r sa r ec h e c k e db yo r t h o g o n a lt e s t m e t h o d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa 托s h o w e dt h a t ： 1 i nl o n g i t u d i n a lt e s tt h ef r a c t u r ea l w a y so c c u r r e d0 1 3t h em i d d l eo ft e n s i l es p e c i m e n s ；i n t r a n s v e r s et e s t s ，t h ef r a c t u r ea l w a y so c c u r r e do nt h et h i n n e rs i d e 2 t h ec h a n g e so fl u b r i c a t i o ni ni n c r e m e n t a lf o r m i n gp r o c e s $ c o u l di r f f l u e n e et h em a x i m u m f o r m i n ga n g l ea n dt h ew e a l c h a r a c t e r m a x i m u mf o r m i n ga n g l ei sl a r g e s tu n d e rt h el u b r i c a t i o no f p h o s p h a t et r e a t m e n ta n dl i t h i u m - b a s e dm o l y b d e n u md i s u l f i d eg r e a s e a n dt h ew e a l c h a r a c t e r i s t i ci s m a i n l ya l la b r a s i v ew e a r , w h e nt h et o o lf o r c ed o w nt h ec e r t a i nh e i g h t t h ew e a l c h a r a c t e r i s t i ci s m a i n l ya l la d h e s i v ew e a r , w h e nt h et o o lf o r m i n gt h es e c t i o np r o f i l e 3 t h ed o m i n a n ti n f l u e n c ei ni n c r e m e n t a lf o r m i n gp r o c e s so ft w bw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s si s s t e ps i z e ，w h e r e a st h ed o m i n a n ti n f l u e n c ei ni n c r e m e n t a lf o r m i n gp r o c e s so ft h eb a s em a t e r i a l so f t w bi st h i c k n e s s t o o ls i z ea n ds t e ps i z eh a v er e l a t i o n s 、 ，i t l ll e n g t ha n db r e a d t ho ft h ec r a c k i n g b e s i d ei nr e s p e c to f t h et h i c k n e s sa f t e rf o r m i n g ，t w bd i f f e r sf r o mt h eb a s em a t e r i a l so f t w b t h i sa r t i c l ep r o v i d e san e wf o r m i n ga p p r o a c h , b yi n c r e m e n t a lf o r m i n g ，f o rt w b ，a n dt h i sw i l l b r e a kt h eu n i t yo fi t st r a d i t i o n a lf o r m i n gm e t h o d s k e yw o r d s ：n ci n e r e m e r l t a lf o r m i n g ，t a i l o rw e l d e db l a n k s ，l u b r i c a t i o n ，f o r m i n gp r o p e r t y ， t h i c k n e s s i i 南京航空航天大学学位论文 图表清单 图1 1 渐进成形负成形示意图3 图1 2 渐进成形正成形示意图3 图1 3 渐进成形应用实例6 图2 1 拼焊板冲压件组成的白车身。1 0 图2 2 激光拼焊板的生产过程简图。1 1 图2 3 激光拼焊板生产线图1l 图2 4 板料磁性输送装置1 1 图2 5 拼焊板的类型及使用状况1 2 图2 6 拼焊板厚度组合及焊缝最小厚度。1 2 图2 7 焊接缺陷示例1 3 图2 8 含碳量与焊缝处硬度的关系。1 3 图3 1r g 2 0 0 0 - 2 0 型拉伸试验机1 6 图3 2 母材试样真实应力真实应变曲线。1 7 图3 3 母材试样拉伸前后对比。1 8 图3 4 纵向焊缝试样的真实应力真实应变曲线1 8 图3 5 纵向焊缝试样拉伸前后对比1 9 图3 6 横向焊缝试样真实应力真实应变曲线1 9 图3 7 横向焊缝试样拉伸前后对比2 0 图3 8 焊缝方向、位置对断后总伸长率的影响2 1 图3 9 焊缝方向、位置对抗拉强度的影响。2 1 图4 1 磷化皂化润滑复合层示意图2 7 图4 2 磷化及磷化皂化形貌一2 8 图4 3 渐进成形机床。2 8 图4 4 渐进成形压头形状2 9 图4 5 试验模型。3 0 图4 6 高度测量仪3 l 图4 7 不同润滑方式下的成形极限角3 l 图4 8 压头轨迹3 2 图4 9c c d 摄像头获得形貌图3 3 v s t l 6 钢激光拼焊板渐进成形研究 v i 图4 1 0 放大2 0 0 倍时的形貌3 4 图5 1 焊缝位置示意图3 8 图5 2 渐进成形压头。3 9 图5 3 垫片形状及尺寸柏 图5 4 压头半径对激光拼焊板和母板成形性能的影响4 3 图5 5 每层进给量对激光拼焊板和母板成形性能的影响4 4 图5 6 焊缝中间时焊缝裂纹情况4 5 图5 7 焊缝在板料中间时应变示意图4 6 图5 8 焊缝偏移一定距离时焊缝破裂情况。4 6 图5 9 焊缝偏移一定距离时焊缝完好的情况4 6 图5 1 0 焊缝在偏移一定距离时应变示意图4 6 图5 1 l 焊缝偏移量对激光拼焊板成形性能的影响4 7 图5 1 2 板料厚度对母板成形性能的影响4 7 图5 1 31 5 r a m 母板在不同工艺参数下的裂纹4 8 图5 1 40 8 r n m 母板在不同工艺参数下的裂纹4 8 图5 1 5 焊缝在中间和成形角6 0 0 时零件样品4 9 图5 1 6 焊缝偏移一定距离和成形角5 0 0 时零件样品4 9 图5 1 7 不同成形方式下焊缝的移动5 0 图5 1 8 理想的台件渐进成形模型5 0 图5 1 9 板料厚度测量示意图5l 图5 2 0 零件理论及实际厚度分布( 0 8 m m 板) 5 1 图5 2 l 零件理论及实际厚度分布( 1 5 r a m 板) 5 2 图5 2 2 零件理论及实际厚度分布5 2 图5 2 3 零件理论及实际厚度分布5 3 南京航空航天大学学位论文 表3 1 试验材料的化学成分1 6 表3 2 试样的k 值、刀值2 2 表4 1 试验用润滑条件、使用方法及代号2 4 表4 2 常用酸洗液配方及工艺2 5 表4 3 磷化技术指标。2 6 表4 4 皂化技术指标2 7 表4 5 渐进成形机床的主要参数2 8 表5 1 差厚激光拼焊板正交设计因素水平表3 7 表5 2 母板正交设计因素水平表。3 8 表5 3 激光拼焊板正交试验数据记录3 8 表5 4 激光拼焊板正交试验数据记录3 9 表5 5 激光拼焊板正交设计因素水平表试验结果4 l 表5 6 母板正交设计因素水平表试验结果4 l 表5 7 激光拼焊板显著性分析表4 2 表5 8 母板显著性分析表。4 2 v i i s t l6 钢激光拼焊板渐进成形研究 v u i 碳当量 试件的原始横截面积 试件的横截面积 始试样标距长度 变形增量 载荷 真应变 真应力 工程应变 工程应力 注释表 断后总伸长率 母线半径 初始成形角 成形极限角 切向主应变 切向主应力 板料变形后厚度 板料初始厚度 成形压头半径 每层进给量 ， i 万r 岛钆勺q f 气，幽 巴以彳如p g s p 仃 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。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过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：盘壅敛 日 期：盈望! 墨! ! 南京航空航天大学学位论文 第一章数控渐进成形技术概述 1 1 课题的意义 激光拼焊板( t a i l o rw e l d e db l a n k s ，简称t w s ) 是指由不同厚度、不同材质或不同表面涂层 的板料用激光焊接在一起形成的平板坯料。激光拼焊板凭借其自身优点已经受到工业界和学 术界越来越多的重视。激光拼焊板成形作为综合材料精深加工和现代焊接技术结合的产物，其 研究工作在国内外已经开展，但所取得的实质性研究成果还不是很多。 目前激光拼焊板的成形方法主要是传统的刚模成形方法晗1 。但是由于焊缝的存在及板料性 能不同，造成激光拼焊板坯料各部分强度不同，给传统的冲压成形工艺带来了一系列问题，并 对模具设计与制造提出了更高的要求。而传统的冲压成形工艺中所需要模具设计，制造周期长、 费用高，难以适应小批量、多品种和新产品试制的需要。以汽车行业为例，每年市场上都有大批 新的车型问世，而新车型的开发主要是车身的开发，其中至关重要的是覆盖件的设计和制造。按 常规这需要经过模具设计、试模等复杂过程反复进行修改直至最终定型，才能投入生产。试模 过程耗时、耗资、耗力，极大地增加了新产品开发的周期和成本，因而极大地影响到产品在市 场中的竞争力。而数控渐进成形技术是一项新的无模成形技术，它着力于解决板料成形领域中 模具设计周期长、耗资高与现今单件小批量的定制生产方式的矛盾。因此，探讨激光拼焊板拼 焊板渐进成形工艺的可行性，对激光拼焊板的工程应用有着重要的意义。 2 0 0 8 年葡萄牙、丹麦的学者应用数控渐进成形技术成形了摩擦搅拌焊板，主要观察焊缝处 于成形板料不同位置时板料的破裂情况，实现了摩擦搅拌焊板新成形工艺可行性的研究n 钔。现 将数控渐进成形技术应用到激光拼焊板成形领域中，目前在国内外还没有开展这方面的研究工 作，并且随着激光拼焊板应用的不断推广，该研究不仅具有探索价值，而且对拼焊板的工程应 用有着重要的意义。 1 2 数控渐进成形技术介绍 塑性加工就是利用金属塑性产生永久变形，使用模具和冲压设备加工得到具有理想形状的 产品的方法。与传统的切削加工相比，它的材料利用率更高，生产效率也高，加工成本较低， 产品质量精度稳定，操作简单，易于实现自动化，尤其适合大批量生产。由于塑性加工的上述 优势，钣金件的应用很广泛。民用工业，国防军事上都大量采用钣金件口1 。 传统的钣金加工工艺是先设计、制造模具，然后用模具加工出产品。它是一种适合品种单 一、大批量、产品更新换代时间长的生产方式；所需的模具设计制造周期长、费用高，难以适 应小批量、多品种和样品试制的需要。所以传统的一些塑性冲压方法已经不再适应现在的生产 需要，因为现在的工业生产已经进入个性化定制时代，小批量多品种和样品试制将是以后需求 l s t l 6 钢激光拼焊板渐进成形研究 的主流，同时产品的改型、更新换代周期越来越短，这对产品研发要求更高，一方面要缩短研 发周期，尽快投入市场，另一方面又要降低研发成本，提高产品质量。对于这些制造企业来讲， 迫切需要有新的板料成形技术应对这种变革。为了适应市场的需要，各种无模成形方法不断涌 现出来，金属板料数控渐进成形技术就是其中一种，其他的成形方法还有如成形锤渐进成形、 喷丸成形、无模多点成形、激光热应力成形、旋压成形、c n c 高压水喷射成形等。近年来，国 内外愈来愈多的学者致力于金属板料单点渐进成形技术的研究。 1 2 1 成形原理及技术特点 2 0 世纪9 0 年代，日本学者松原茂夫提出了一种金属板料成形新工艺h 吲，即渐进成形技术。 它采用了快速成形技术中“分层制造”的思想，将复杂三维钣金件的整体成形划分为按等高线 分出的多个层加工，每个层上按照一定的轨迹成形，逐层加工出最后形状。成形过程中成形压 头与板料局部接触，在成形压头作用力的作用下，接触点周围很小区域处于受压状态而发生塑性 变形，在此层上按照一定的运动轨迹产生此层的加工形状，完成一层加工，成形工具下降到另 一层继续加工直至完成加工。渐进成形的原理就是靠逐次变形累积产生整体的变形，因此渐进 成形又被称为单点渐进成形( s i n g l e p o i n ti n c r e m e n t a lf o r m i n g ，s p i f ) ，早期的文章中也有将之 称为增量成形。 数控渐进成形技术就是在数控渐进成形机床上，用一个刚性的压头来代替铣刀，通过数控 来驱动压头运动。通过计算机直接驱动c a d 模型，实现设计与制造一体化的柔性快速制造方 法。采用专门研制的三轴数控成形设备，控制成形工具作相对三维曲线运动，沿其运动轨迹对 板料进行局部的塑性加工，使板料逐步成形为所需的工件h 棚。 渐进成形分为负成形与正成形。负成形可以成形一些形状比较简单的零件，它不需要支撑 模型，只需要简单的夹具即可。板料由夹具夹紧，然后成形压头按设定好的程序实现分层加工， 每加工一层，成形压头便下降一定距离，进行第二层的加工，如此直至结束，在加工过程中夹 具夹紧板料始终不动，如图1 1 所示。 2 南京航空航天大学学位论文 具 图1 1 渐进成形负成形示意图 形状复杂零件要用正成形方法。在正成形方法中，需要支撑模型，支撑模型的轮廓形状要 与所成形的零件的形状一致，在加工中起到支撑的作用，这种支撑模型与冲压成形中的模具有 很大差别，它的精度要求不是很高，并且材料的选择上比较灵活。在这种成形方法中，首先要 加工支撑模型，支撑模型加工完毕后再放上板料，与负成形所不同的是正成形中成形压头每走 完一层的路径，托板都要带动板料与成形压头共同向下移动相同距离。数控成形装置主要由成 形压头、导向装置( 导柱、导套) 、项支撑模型、托板组成如图1 2 所示。 托 板 逐 层 下 降 夹板 o一_成彤臆头 | 板料 蒯 。 托厂支撑模型 侈7 ，】 肜钐钐 板料成形前炳魁虎形后 图1 2 渐进成形正成形示意图 渐进成形技术具有以下几个特点： ( 1 ) 实现柔性成形 该技术不需要专用模具。当成形简单零件时，不需要模具，只需要一些专用的简单夹具： 3 就j - s t l 6 钢激光拼焊板渐进成形研究 当成形复杂零件时，也只需要一个简单的支撑模型，并且这种支撑模型灵活性较高，国内外一 般选择硬木作为支撑模型的材料，制作简单、表面精度要求也较低。因此，它与传统的成形方 法相比，可以节省巨额的模具制造费用，对于航空航天领域等的多种小批量产品，家用电器等 新产品的开发以及汽车新型样车试制等具有较大的经济价值和广阔的发展前景。 ( 2 ) 将快速原型制造技术与塑性成形技术有机结合 快速原型制造技术与塑性加工技术有机结合，是金属钣金件成形的一种快速原型制造技术， 可以极大的降低产品特别是金属钣金原型件的制造成本和缩短开发及制造周期。 ( 3 ) 该技术是对板材局部加压变形 该技术是对板材局部加压变形，连续积累而达到整体成形，变形工艺力小、设备小、投资 少、近似于静压力，振动小、噪声低；可成形其他技术无法成形的零件。 ( 4 ) 易于实现自动化 该技术实现数字化分层局部制造，可以把形状复杂的零件分成一系列的二维层进行加工， 便于成形且修改方便。 1 2 2 国内外研究现状 渐进成形技术从产生就得到了国内外专家的关注。日本睁1 1 1 的松原茂夫在9 0 年代初期提出 了渐进成形的工艺方法。k m i l l o 公司设计制造了数控渐进成形机床，并成形了一些具有代表性 的零件作为宣传，比如佛像钣金件等。s m a t s u b a r a 总结了渐进成形的成形过程，包括从建模到 加工的程序，研究了板料的成形性能，分析了壁厚变化规律和不同工艺参数对板料成形极限角 的影响。h t a k a n o ，kk i t a z a w a 以研究板料的成形极限为目的，在车床上进行了渐进成形，对 成形厚度不一致的板料的可行性进行了验证。意大利n 2 q 们的ga m b r o g i o ，l f i l i c e ，em i c a r i 等研究了渐进成形过程和不同应变路径下板料的渐进成形性能，讨论了f l d 图的应用，具体的 材料参数对成形性能的影响，计算了渐进成形中零件的厚度变化，分析了应变分布并给出了预 测f l d 0 的公式，并通过分析破裂时所成形零件的高度解释成形性能。ec m i n u t o l o ，m d u r a n t e 等通过试验详细讨论了成形极限角度，并进行了数值模拟，得到了板料的成形极限曲线。德国 “8 1 的d y o u n g 等研究了板料的成形性能，不同成形路径对成形结果的影响，得到了几种材料 的成形极限曲线，分析了成形零件的厚度变化。vf r a n z e n ，l k w i a t k o w s k i 等成形p v c 板料， 分析了p v c 板的成形性能和破裂现象，在常温条件下成功成形了深度较深的零件。葡萄牙、丹 麦n 9 。捌的m b s i l v a ，m s k i o e d t 等详细利用公式推导了渐进成形中板料的应力应变变化，比较 了板料破裂时裂纹形状与拉伸破裂的关系，得到了板料的渐进成形极限曲线并用公式进行了推 导和预测：并成形了摩擦搅拌焊接的板料，主要观察焊缝处于成形板料不同位置时板料的破裂 情况。泰国2 的o l a s u n o n 等成形了一些形状简单的零件，主要通过有限元模拟详细分析了板 料的厚度变化。 4 南京航空航天大学学位论文 国内研究渐进成形技术的机构主要有南京航空航天大学和华中科技大学等。南京航空航天 大学塑性成形实验室的高霖、韦红余、李泷果、g h u s s a i n 、崔震陋矧等从2 0 0 1 年开始深入研 究。主要工作有：数控渐进成形软硬件系统的开发：将数控的思想在渐进成形技术中实现，采 用数控三轴铣床加一数控托板形成第四轴来进行渐进成形试验；采用商品化的c a m 软件生成符 合渐进成形的压头轨迹，同时规划成形的路径；渐进成形零件的厚度分布：板料渐进成形后的 厚度分布符合正弦法则，以此来进行渐进成形零件的厚度预报；提出了渐进成形零件的复杂路 径的构建方法一虚拟靠模法用以在有限元软件中构建复杂钣金件的压头路径，并以p a m - s t a m p 为平台实现了渐进成形技术的数字模拟；难成形材料的渐进成形：在室温条件下成形了难成形 的材料一钛，主要解决了成形表面质量的问题，经过微弧氧化后在板料表面形成很多微孔结构， 再添加二硫化钼和凡士林等润滑剂得到了成形表面质量良好的钣金件；在板料的渐进成形性能 方面做了深入的研究，采用变角度的零件测量板料的成形极限角，从而成形一个零件就能大体 估计板料的成形极限角，研究了各种工艺参数包括压头直径、每层进给量、材料参数、设计零 件大小形状等对板料成形性能的影响：将渐进成形工艺用到翻边中去，得到了一些工艺参数。 发现在大型零件渐进成形中产生鼓包现象，并给出了工艺解决方案。开发了渐进成形的一些应 用比如成形浮雕字，讨论了不同成形方法( 负成形与正成形) 和加工参数对成形的浮雕字质量 的影响，并成功成形了质量良好的浮雕字钣金零件。目前，在u g 二次开发的成形轨迹的优化、 后处理程序编程和厚度预报图形系统的开发方面做了相关的开发研究。 华中科技大学莫健华等学者1 2 3 - 2 5 1 探讨了板料零件数控渐进成形工艺的成形过程、变形机理， 认为板料零件数控渐进成形使板料的厚度减薄，表面积增大，靠逐次的变形累积产生整体的变形， 变形区厚度的变化与成形半顶角有关，其中，成形极限半项角是数控渐进成形能否成功的关键，它 不仅与材料有关，而且与板料厚度有关，提出了金属板材分层渐进成形的有限元模拟方案。 1 2 3 应用实例与前景 目前渐进成形技术在工业领域没有得到大规模应用，技术手段和工艺方面还有待继续深入 研究。国内外学者在应用方面也做了很多的探索。 5 s t l 6 钢激光拼焊板渐进成形研究 a ) 汽车隔热板和灯反光罩b ) 翻边零件 c ) 渐进成形的浴盆d 1 本田公司s 8 0 0 跑车引擎罩零件 e ) 八脸零件o 渐进成形的浮雕字 图13 渐进成形应用实例 图13 曲渐进成形的汽车隔热板和灯反光罩。是为车辆工业中的各种数字化渐进成形零件。 本狃汽车公司已经利用数字化渐进成形技术进 亍了f r h b 型概念车覆盖件的成形并已投入设 计生产。 图13b ) 是通过渐进成形得到的翻边零件，利用渐进成形技术进行板料翻边不需要模具 可以降低中小批量翻边零件的生产成本，实现翻边件的无模柔性成形。该技术特别适用于小批 量和不规则内孔形状的韶边件异型件。 图1 3c ) 是渐进成形的一个浴盆，它的结构复杂，深度较大，侧壁的角度近似于直角普通 的成形方法如冲压等难以适用，采用其他方法成形工艺复杂。此零件采用渐进成形技术加工， 南京航空航天大学学位论文 它采用了一个简单的支撑，用于支撑其轮廓拐角部分。由于零件的各个区域中没有复杂的自由 曲面，这样的一个轮廓支撑足以保证轮缘部分的形状精度，保证已成形的区域不受下面的工艺 影响。该方法实现了复杂形状的成形，并且经济快捷，对于传统的冲压等板料成形方法也是很 大的补充。 图1 3e ) 、f ) 是渐进成形的人脸零件和浮雕字，是南京航空航天大学做的将渐进成形技术 应用到复杂零件和浮雕字成形上的零件。该浮雕字的成形工艺简单，成形的立体效果很好，质 量和精度很高。可用于雕塑，广告，艺术字等。 由于航空航天领域中钣金件应用较多，并且形状复杂，产品的批量小，所以渐进成形技术 在该领域有很大的应用前景。制造类企业，如汽车，家电制造等行业，由于产品种类多，更新 换代周期短，客户要求多样化等，都使得渐进成形技术在这些行业中有很大的应用前景。尤其 是汽车行业，目前各大汽车制造商都在原型制造上下了很大功夫，改变传统的使用油泥造型的 现状，采用渐进成形技术则是一个很好的选择，同时在汽车部件制造上也有很大优势。在一些 艺术品，如前面提到的浮雕字等，老爷车的修复等行业，由于其批量小的行业特点等，伴随着 技术的成熟，渐进成形技术也必将应用到这些领域。同时相关的应用领域在不断探索中。 1 3 论文结构与主要内容 本文共分六章： 第一章数控渐进成形技术的概述，系统的介绍了渐进成形技术的产生，成形原理，技术特 点和应用实例，并对可能的应用前景进行了论述，以及本文的主要研究内容。 第二章论述激光拼焊的成形基础，阐述了激光拼焊板的特点，研究及应用现状，并详细介 绍了激光拼焊的生产过程和影响质量的因素。 第三章通过对拼焊板所用母材s t l 6 钢和不同焊缝位置、方向的激光拼焊板试样进行单向 拉伸试验，得到拼焊板材料机械性能的一些基本数据，对比了母材和不同焊缝位置、方向的激 光拼焊板的机械性能。 第四章介绍渐进成形过程中不同润滑方式对激光拼焊板的母板s t l 6 钢的影响。阐述了 s t l 6 钢渐进成形试验中所用的润滑方式并详细论述了磷化、皂化的工艺过程；介绍了渐进成形 实验设备和实验模型的原理；研究了不同润滑方式对激光拼焊板的母板s t l 6 钢成形性能和磨损 特征的影响。为激光拼焊板渐进成形性能的研究做好准备。 第五章介绍激光光拼焊板渐进成形性能。阐述了渐进成形试验所采用的正交试验方法：着 重对比研究了压头半径、每层进给量、焊缝位置及板厚对激光拼焊板和母板成形性能的影响， 并介绍了工艺参数对裂纹形状的影响；渐进成形后激光拼焊板焊缝的对移动情况；比研究了激 光拼焊板和母板成形零件的壁厚分布。 第六章全文的总结与进一步研究的展望。 7 s t l 6 钢激光拼焊板渐进成形研究 第二章激光拼焊板的成形基础 2 1 激光拼焊板介绍 2 1 1 激光拼焊板的特点 激光拼焊板( t a i l o rw e l d e db l a n k s ，简称t w a ) 是指由不同厚度、不同材质或不同表面涂层 的板料焊接在一起形成的平板坯料。拼焊板的特点是可以在冲压零件的不同部位获得不同的使 用性能协罩酊。以前，现实生产中要想得到不同性能要求的成形件，最常见的方法是先将不同坯 料冲压成若干零件后，再点焊或铆焊成一整体零件，这很容易产生焊接变形和焊接残余应力， 产品整体刚度不好，质量难以保证。为了改善整体零件的质量和性能，生产中采用整板成形法， 零件质量明显提高，但整个部件都用同样贵重的材料，既是浪费，又增加重量，已基本被放弃。 如果采用拼焊板成形技术，则可避免这些问题，产品整体质量得到提高m 1 。拼焊板有如下优点 【拍】 1 ) 由于在变形前已将各部件焊接在一起，可以基本消除焊接残余变形，提高部件整体精度 和质量； 2 ) 在成形前进行拼焊或在轧制过程中焊接，焊接工艺简捷； 3 ) 零件整体化，减少装配数量，简化安装程序； 4 ) 改善部件抗冲击能力，焊接件的抗冲击能力比组装件好； 5 ) 降低部件重量，降低材料成本，充分发挥材料作用。 然而由于拼焊板板厚或材质的不同引起板料的不均匀变形给冲压成形工艺带来一系列问 题，如起皱条件改变、压边圈需要改型、焊缝发生不均匀偏移等同时对模具设计与制造提出了 更高的要求只有解决了这些问题才能广泛推广应用拼焊板。 2 1 2 激光拼焊板的研究现状 目前国内外许多学者采用试验和有限元分析相结合的方法研究激光拼焊板。s u s h a n t a k u m a rp a n d a m l 通过不同厚度和不同表面涂层的钢激光拼焊板单拉试验，得到纵向焊缝试样 与母材相比屈服强度和抗拉强度升高，而延伸率降低低；在横向焊缝试样中，如果焊缝质量较 好，则破裂发生在薄侧板料处；通过极限拱项高度试验( l d h ) ，表明差厚激光拼焊板的l d h 的高度相对单一薄板的l d h 位置要高，而比单一厚板的l d h 位置要低；从l d h 曲线可以看 出，在薄侧板料处出现两次应变峰值，且破裂最终发生在焊缝处：同时得到了有涂层和没有涂 层激光拼焊板的l d h 高度几乎与母材相同，破裂发生在没有涂层板料处。s a u n d e r s 、w a g o n e r 啪 提出了差厚激光拼板的两种失效方式，当主应变方向平行于焊接线且母材和焊缝处承受相同的 8 南京航空航天大学学位论文 载荷时，由于焊缝的强度和硬度比基材高，所以断裂发生在薄板或强度较低的一侧；当主应变 方向平行于焊缝时，由于焊缝处强度提高，延伸率减小，塑性相比两种基材都要低，破裂发生 在焊缝处。y o u n g r a o o h e o 等啪1 研究了差厚激光拼焊板在冲压成形中的成形性能，分别讨论了 在有压延筋和没有压延筋的情况下焊缝移动规律和厚度方向的应变，研究表明随着焊缝相对板 料中心距离的着增大，冲压深度变小，焊缝移移动距离变大，焊缝位置厚度方向的应变较小。 c h a n 等1 研究表明当焊缝垂直于主应变方向时，随着厚度比的增加f l d 曲线逐渐降低：激光 拼焊板的薄侧材料材料决定f l d 曲线的水平，而焊缝方向几乎不影响失效方式。c h c h e n g 等h 1 1 通过对不同厚度组合的激光拼焊板研究表明，激光拼焊板的薄弱一侧占变形的主要部分， 尽管焊缝方向不同但是破裂方式几乎一样，同时论证了单独的f l d 曲线不能说明差厚激光拼焊 板的成形性能。 在国内，王辉等m 1 通过对不同载荷下s t l 6 差厚激光拼焊板的成形极限，得到了差厚激光 拼焊板进行成形极限试验时裂纹发生在较薄的一侧，且裂纹位置随着试样宽度的改变与焊缝距 离逐渐减小：拼焊板焊缝附近的成形性能较母材差，在成形极限图的左侧接近较薄母材的成形 性能；利用不同厚度的激光拼焊板成形零件时焊缝应该远离零件上形状复杂、成形难度较大的 位置，以保证焊缝区域不会过早发生破裂。李立军等h 3 1 探讨了母材厚度、性能和焊缝对激光拼 焊板成形性的影响。吉林大学、上海交通大学车身技术中心和江苏大学等单位，也在与相关企 业进行合作，开展了对激光拼焊板成形性能的实验研究和成形模拟。 2 1 3 激光拼焊板的发展、应用情况 拼焊板是2 0 世纪6 0 年代日本本田汽车公司利用边角小料做车身侧内板而采用的一项技术 。2 0 世纪7 0 年代，美国福特汽车公司采用激光焊接技术进行车身钢板的拼焊，但未走向商 业化。2 0 世纪8 0 年代，社会对节能、环境、驾驶安全等要求越来越高，拼焊板的应用才得到 越来越多的关注。在2 0 世纪8 0 年代早期，欧洲( 德国) 开始大批量的应用拼焊板。从此以后 拼焊板的实际应用迅速在世界范围内展开。1 9 8 5 年，德国蒂森钢铁公司生产出第一批宽幅拼焊 板，并成功用于a u d i l 0 0 车底板，激光拼焊板才进入高速发展阶段h 射。1 9 9 8 年，在日内瓦汽车 展览会上展出了新超轻型钢制车身( u l t r al i g h t s t e e la u t ob o d y ，u l s a b ) 结构。u l s a b 计划采 用大型计算机辅助有限元分析技术，通过试验论证了采用薄低合金钢板以及由不同等级和厚度 钢板制成的拼焊板可以得到更轻更坚固、更便宜的车身结构。这些车身质量与当前四门中型轿 车平均设计水平相比，重量降低超过2 5 ，抗扭刚度提高了6 5 ，振动特性改善3 5 ，并且 增强了弯曲刚度，在u l s a b 计划中，工程师们建造并测试了1 2 辆全钢样板车车身，使用了4 倍于当前设计中采用的拼焊板数量( 共计1 8 块) ，几乎u l s a b 白车身一半质量的测试单元包 含拼焊板引。为实现1 0 年时间内将钢制车身重量降低2 0 的目标做出了示范，从而进一步增 加了业内人士对拼焊板技术的关注。 9 s t l 6 钢檄光拼焊板渐进成形研究 从2 0 世纪8 0 年代起， 们开始关注有关拼焊板的技术问题，从材料，成形工艺等方面做 了相关的探讨。现在随羞激光拼焊板的大量应用于汽车工业，这个问题也一直是人们关注的新 技术，新工艺的焦点之一。研究的重点是关于激光拼焊板的力学性能及成形性能的特性。 撇光拼焊板目前主要应用于汽车车身方面成形方法主要是冲压成形此外，激光拼焊扳 在飞机和航空器材上也得到了应用。拼焊板在汽车发达国家已被成功用于内覆盖件、井覆盖件 和骨架件等车身零件的冲压生产中“如图2t 所示。 图2l 拼焊板冲压件组成的白车身 22 激光拼焊板的生产及焊接质量 2 21 激光拼焊板的生产过程 激光拼焊板的整个生产过程如图2 2 及2 3 所示。拆垛机器人将扳料从钢板存放垛码车上取 下来，井将板料放在中转台上，等待中转机器人将板抖放至预定位工作台进行预定位。随后 精定位上料装置将板料按照一定的顺序精确定位到精定位工作台上，为下一步的激光焊接做准 备。激光焊头是整个生产过程的核心部分，其前面装有负责寻找和跟踪焊缝并可测量焊缝大小 的系统，后面装有摄像头，负责焊缝正面的质量检测。焊接完毕的扳料通过f 辩机器人经磁性 传送带传送至检测机器人处检测焊缝背面的质量，如图2 4 所示。最终板料通过磁性传送带被 堆垛机器人按照扳料的焊接质量将板料放至成品或者废品堆垛区“7 。 南京航空航天大学学位论文 图22 激光拼焊板的生产过程简图 图23 檄光拼焊板生产线图 图24 板料磁性输送装置 根据产品设计所要求的不同厚度与不同强度板的拼合位置确定捍缝的类型、剪切下料。焊 缝的类型有3 种：纯直线拼焊型( s i m p l e - l i n e a rw e l d ) ；复数直线拼焊型( m u l t i p l e - l i n e a r w e l d ) ； 非直线类拼焊型( n o n l i n e a r w e l d ) 。 拼焊板各种焊缝的应用情况如图2 5 所示 但随着轿车车身整体侧围生产技术的普堪应用 不断增加。 目前实际生产中大多数采用前两种拼焊类型， 将第 种与第种类型组合起来的拼焊方式将 s t l 6 钢激光拼焊板渐进成形研究 简单复数非直线 图2 5