（材料科学与工程专业论文）非连续加载面内弯曲实验与理论研究.pdf

摘要 论文题目：非连续加载面内弯曲实验与理论研究 学科专业：+ 材料科学与工程 研究生：薄蕾签名：盏蒸 指导教师：唐文亭副教授签名：童盗 摘要 金属板带不均匀压下面内弯曲成形是一种主动地控制材料不均匀压缩塑性变形，使其 产生面内弯曲进而向形成圆环方向发展的先进塑性加工技术。非连续加载面内弯曲成形是 不均匀压下面内弯曲成形的一种，其实质是通过倾斜冲头对金属板带进行非连续地局部压 缩来实现板带面内弯曲成形的自由锻过程。因此，非连续加载面内弯曲成形是一个非连续 的局部塑性变形过程。本文通过理论解析和物理实验相结合的方法对非连续加载面内弯曲 过程进行了系统地研究，主要内容和结论如下： ( 1 ) 通过物理实验，系统地研究了冲头倾斜角度口、冲头压下量s 、板带进给量p 、 板带宽度对板带弯曲半径的影响。 ( 2 ) 应用主应力法推导出了板带非连续加载面内弯曲成形力的表达式，并揭示了当 各参数一定时，材料在可能的三种变形情况下厚度方向主应力沿板带长度x 方向和宽度z 方向的分布规律。 ( 3 ) 通过平衡微分方程和塑性条件推导出了板带形成圆环后的切向应力、径向应力、 厚向应力的表达式，并揭示了成形过程各应力分量的分布规律。同时也推导出了应变中性 层半径风和应变中性层的内移量6 的表达式，为各应力分量的计算提供了数据。 本文的研究结果对丰富不均匀压下面内弯曲变形机理和科学地制定弯曲成形工艺具 有一定的指导意义。 关键词：非连续加载面内弯曲：弯曲半径；理论解析；物理实验；应力 本研究得到陕西省教育厅2 0 0 7 年自然科学研究项目( 0 7 j k 3 4 5 ) 的资助。 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：e x p e r i m e n ta n dt h e o r ys t u d yo ni n c r e m e n t a l l n - p l a n eb e n d l n g m a j o r ：m a t e r i a l s c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g n a m e ：l e ib o s i g n a t u r e ：圭堕堡2 s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f w e n t i n gt a n gs i g n a t u r e ： a b s t r a c t h p l a n eb e n d i n gi sa na d v a n c e dp l a s t i cp r o c e s s i n gt e c h n i q u ew h i c hc o n t r o l st h ea n - e q u a l c o m p r e s s i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o no fs t r i pm e t a lh a r m o n i o u s l ya n df o r c e st h es t r i pm e t a lt o p r o d u c ei n p l a n eb e n d i n ga n df o r m sa no p e nc i r c l e t h ei n c r e m e n t a li n p l a n eb e n d i n g i so n eo f i n - p l a n eb e n d i n gp r o c e s s e s ，a n di t i saf r e ef o 画l 培p r o c e s sa c c o m p l i s h i n gi n - p l a n eb e n d i n g p r o c e s sb yb e a t i n gt h em e t a ls t r i pp a r t l yw i t ht h ep u n c hi n c r e m e n t a l l y t h e r e f o r e ，i n c r e m e n t a l i n p l a n eb e n d i n gp r o c e s si sa ni n c r e m e n t a lp l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s s i n c r e m e n t a li n - p l a n e b e n d i n gp r o c e s s i sr e s e a r c h e d s y s t e m a t i c a l l yt h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dp h y s i c a l e x p e r i m e n ti nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee f f e c to fp u n c hi n c l i n e da n g l ea 一，p u n c hi n d e n t a t i o ns ，s t r i pt h i c k n e s st o ，p i t c hp a n ds t r i pw i d t h w 0 0 1 1 s t r i pb e n d i n gr a d i u si s r e s e a r c h e d s y s t e m a t i c a l l yb yp h y s i c a l e x p e r i m e n t ( 2 ) t h ef o r m u l ao ff o r m i n gf o r c eo fi n c r e m e n t a li n - p l a n eb e n d i n gi s d e d u c e db ys l a b m e t h o d m o r e o v e r ，t h ed i s t r i b u t i o no fm a i ns t r e s s 、v i t hs t r i pl e n g t hxa n dw i d t hzi np o s s i b l e t h r e ei n s t a n c e si sr e v e a l e dw h e nt h ep a r a m e t e r si sf i x e d ( 3 ) t h ef o r m u l ao ft a n g e n t i a ls t r e s s ，r a d i a ls t r e s sa n dt h i c ks t r e s si sd e d u c e db ye q u i l i b r i u m d i f f e r e n t i a le q u a t i o na n dp l a s t i cc o n d i t i o n m o r e o v e r , t h ed i s t r i b u t i o no fe a c hs t r e s si sr e v e a l e d f o rc a l c u l a t i n ge a c hs t r e s s ，t h ef o r m u l ao fs t r a i nn e u t r a ll a y e rr a d i u s p 0 a n ds t r a i nn e u t r a l l a y e ri n s i d ed i s p l a c e m e n t6i sd e d u c e d t h ea c h i e v e m e n t so ft h i ss t u d yh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f o rt h ed e v e l o p m e n to ft h eu n e q u a l i n p l a n eb e n d i n gd e f o r m a t i o nt h e o r ya n dt h ef o r m u l a t i n go f b e n d i n gd e f o r m a t i o ns c i e n t i f i c a l l y k e yw o r d s ：i n c r e m e n t a li n - p l a n eb e n d i n g ；b e n d i n gr a d i u s ；t h e o r e t i c a la n a l y s i s ；p h y s i c a l e x p e r i m e n t ；s t r e s s 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说甓并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，e f j 本人承担一切相关责任 论文作者签名：蓬垫。8 年专月f 7 日 学位论文使用授权声明 h k - 一嬉 本人莲委 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在两安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，袋p ：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交豹学位论文，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：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 涤料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、测览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权甄安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：盟 导师签名： 建遭 扩艿年 多 月 7 圈 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 塑性加工技术是指包括锻造、冲压、挤压、轧制及其它以材料发生永久变形为特点的 材料加工技术。从某种方面来讲，塑性加工过程是在一定载荷和边界条件诸如加载方式、 加载速度、约束条件、几何形状、接触摩擦条件、温度场等作用下对材料进行“力 处理 和“热处理的过程，从而使材料发生所希望的几何形状的成形与组织性能的变化n 1 。 现代塑性加工是介于原材料生产与最终产品制造之间的零部件生产的主要行业之一，是制 造业的一个重要组成部分。随着国民经济的健康持续发展，塑性加工技术迎来了空前的发 展机遇，同时也面临诸多挑战。通过对塑性加工技术的发展状况和趋势的研究，有助于我 们及时了解、推广和应用塑性加工的高新技术，并推动塑性加工技术和产业的持续发展， 因而具有重要的现实意义z 2 1 。 金属板带不均匀下压面内弯曲成形是一种不同于传统塑性弯曲，集省能、柔性、高效、 精密于一体，可充分挖掘材料成形潜力的先进加工方法3 4 】。该方法是主动地控制材料发 生不均匀压缩塑性变形从而产生面内弯曲，其实质是板带受到厚向单调不均匀压缩，在长 度方向受到单调不均匀伸长，不均匀伸长的协调发展使板带产生面内弯曲进而向形成圆环 的方向发展。金属板带不均匀压下面内弯曲成形法有利于充分发挥材料的变形潜力，能够 大大提高工件的弯曲成形极限，实现几乎无弹复的面内弯曲，从而提高成形件的精度，可 获得无需加工或少加工的圆环件，实现“近净成形 乃至精确成形，节材、节能，可缩短 生产周期，成形柔性高，这是传统成形过程难以实现的。该成形方法有望发展成为具有高 质量、高效率、低能耗及其成形极限高等特点的先进精密成形技术5 6 l 。 本章介绍了先进塑性加工技术的发展趋势、板带不均匀压下面内弯曲成形技术的研究 进展及现状；综述了该成形技术的理论及实验研究概况；在此基础上，提出了本文的选题 背景和意义，确定了主要研究内容和研究方法。 1 2 文献综述 1 2 1 先进塑性 j ut 技术的发展趋势 2 1 世纪的塑性加工技术既面临着前所未有的挑战，又充满了机遇。传统制造业为 适应当今世界经济与科技的发展要求，不断吸收机械、材料、能源、计算机技术、信息技 术及自动化技术等学科的最新研究成果，将其应用于制造的全过程而形成先进制造技术。 先进制造技术要求塑性加工技术向强韧化、轻型化、优质、高效、低耗、精密的加工方向 发展，由此产生了先进塑性加工技术 7 - 1 1 1 ，其总体发展趋势是高新技术化、精密化、柔性 化、省能以及能充分挖掘材料变形潜力。板带不均匀压下面内弯曲成形技术n 2 1 正是响应 先进塑性加工要求，创造性地利用材料不均匀塑性变形而获得产品的一种先进塑性成形技 术。 西安理工大学硕士学位论文 总的来说先进塑性加工技术的主要发展趋势有： ( 1 ) 向着高新技术化方向发展。将现代计算机技术、自动化技术、现代力学、现代 数学及材料科学等引入到传统塑性加工技术中，以使传统塑性加工技术得到提升。例如g 通过对传统塑性成形过程进行计算机数值模拟仿真1 1 3 - 1 5 使工艺设计科学化；通过模具 设计的智能化以及基于网络的删c 觚a 蝴d m 一体化，使模具的设计与制造朝着高 效与高精度方向发展e 1 6 1 0 ( 2 ) 向着精密化方向发展。精密塑性成形可分为“净成形”及“近净成形，具有 节约材料及节省后续加工等优点。能够优质、低耗、高效、洁净地实现“完全零件形状 或“几乎完全零件形状 的生产，符合绿色制造可持续发展战略的要求n 7 1 8 1 。精密塑性 加工技术研究和发展的重点为精密锻造、精密冲压、超塑性技术1 1 9 1 , 冷温挤压技术t 2 0 2 1 j 左盘 专宁0 ( 3 ) 向着柔性化方向发展。柔性加工，指一种适应产品多变而加工工艺少变的方法。 橡皮成形1 2 2 1 超塑性成形、喷丸成形 2 3 1 无模液压成形1 2 4 1 , 辗环1 2 5 1 , 不均匀压下面内 弯曲成形、管轴压成形哳1 ，都是具有好成形柔性的例子。 ( 4 ) 向着省能方向发展。塑性加工缺点之一是所需变形抗力大2 7 棚。减小变形抗力 的方法有降低流动应力、降低接触变形区面积和降低约束系数。实际生产中采用的降低流 动应力的途径主要有超塑成形、半固态成形及等温锻造等。降低接触变形区面积的成形方 法有局部成形：如旋压1 2 9 1 辊锻啪1 、摆动辗压1 3 1 1 , 不均匀压下面内弯曲成形、管轴压 成形都是其中的例子。降低约束系数的方法之一为降低摩擦力。 ( 5 ) 向着能充分挖掘材料变形潜力的方向发展。塑性加工一个重要的特征是存在“成 形极限的问题。提高材料成形极限的方法有：通过中间过渡状态逐步挖掘材料的变形潜 力，如多道次拉深t 3 2 1 采用不同于传统的加载路径以造成有利于挖掘材料变形潜力的应 力状态，如不均匀压下面内弯曲成形；通过改变变形温度与变形速度以创造有利于材料塑 性发挥的条件，如超塑性成形技术。 综上所述，先进塑性加工技术包括两个方面的内容：传统塑性加工技术的高( 新) 技 术化与新塑性加工技术的研究与发展。先进塑性加工技术总体发展趋势是塑性加工零件制 造向优质、低耗、高效、轻量化、信息化和环境友好的方向发展。 1 2 2 不均匀压下面内弯曲过程的研究进展 根据不均匀压下面内弯曲成形过程中加载方式的不同，可将其分为两类，即：基于连 续加载方式下的面内弯曲过程( 简称连续加载面内弯曲) 和基于非连续加载方式下的面内 弯曲过程( 简称非连续加载面内弯曲) 。连续成形过程目前主要是指利用轧辊形成的辊缝 对材料的压下作用而形成不均匀变形状态，从而来实现板料面内弯曲成形的连续辗轧过 程，用来成形的轧辊组合可以是不同的类型，包括圆柱辊一圆锥辊辗轧成形、圆柱辊圆 盘辊辗轧成形、圆柱辊一圆柱辊两步辗轧成形、锥辊异面楔形辗轧成形、锥辊共面楔形辗 轧成形等。非连续成形过程目前主要是通过冲头对金属板带进行非连续地局部压缩来实现 2 1 绪论 板料面内弯曲成形的自由锻过程t 3 3 | 。 a 连续成形过程 ( 1 ) 圆柱辊一圆锥辊辗轧成形。最早由前苏联学者h m 巴甫洛夫提出的利用塑性变 形不均匀辗轧成形螺旋叶片而诞生的。后经茹拉列夫的研究工作，确立了该成形方法。起 初，该成形法由两直圆柱轧辊轴线共面成角度布置，如图1 1 0 ) 所示，后来发展成为一对 圆柱辊一圆锥辊轴线平行布置，如图1 1 ( b ) 所示1 。当金属板带通过两辊形成的辊缝时 产生不均匀压下而形成圆环，出辊缝时滚弯形成螺距而形成螺旋叶片。该成形过程的特点 是：轧辊两端受到支承，因而刚性好，辊缝有足够的稳定性，不易随轧件的材料性能和几 何尺寸而波动。 蓼 7 ( a ) 两直圆柱辊轴线成角度布置 ( b ) 圆柱辊一圆锥辊轴线平行布置 图1 - 1 楔形辗轧轧辊布置示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cv i e wo ft h ea r r a n g e m e n to ft w or o l l e r su s e df o rw e d g er o n i n g ( a ) t h es y m m e t r i c a la r r a n g e m e n to ft w oc y l i n d r i c a lr o l l e r s ( b ) t h ep a r a l l e la r r a n g e m e n to fo n ec y l i n d r i c a lr o l l e ra n da n o t h e rc o n i c a lr o u e r 此工艺致命弱点是构成轧件变形区边界的圆柱辊辊面速度不满足轧件形成圆环的运 动学边界条件。因为当圆柱辊转速一定时，圆柱面任意处的线速度均等，而对于轧件，由 于宽向不均匀压下，金属材料的纵向流动速度不同。因而两者不适应，导致形成的圆环半 径稳定性差，叶片截面弯曲，出现分层，增加了叶片的报废率。前苏联学者对这一辗轧成 形工艺的稳定性进行了大量的实验研究，其研究结果对圆柱辊一圆锥辊楔形辗轧成形工艺 的毛坯选择和叶片结构尺寸的确定具有重要意义。 ( 2 ) 圆柱辊一圆盘辊辗轧成形。1 9 8 4 年，山田收等人提出了边缘轧制弯曲法来生产 热交换器用螺旋叶片1 3 5 - 3 9 1 。其实质是利用一个圆柱型轧辊和一个圆盘型轧辊之间形成楔 形辊缝，对板料进行楔形辗轧成形，如图1 2 所示。并进一步将该成形法用于各种截面( l 、 z 、u 型截面) 的薄带型材的面内弯曲成形，如图1 3 所示，以获得各种轻型法兰零件。 这类零件以法兰环或半圆形的形式而广泛应用于飞行器上。文献 3 5 ，3 6 指出该成形 方式有着高效、省材、成形质量好、可以提高弯曲成形极限等特点。文献 3 7 3 9 对这一成 形方式作了较系统的实验研究。在实验结果的基础上分析了送料位置的准确度对弯曲半径 的影响，指出有利于提高成形极限的理想辊缝形状应为双曲线型；指出在面内弯曲成形过 3 西安理工大学硕士学位论文 程中施加张力可以减少或消除圆环外缘起皱，从而提高成形极限；得出轧辊速度、润滑条 件、轧制力及张力对成形圆环弯曲半径的影响规律实验曲线。 图1 - 2 边缘轧制弯曲成形示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cv i e wo ft h ep r i n c i p l e o fi n - p l a n eb e n d i n gb yw e d g e r o l l i n g 2 图1 3 型材边缘轧制弯曲成形示意图 1 ，2 ，3 3 种不同型式的轧辊 f i g 1 3s c h e m a t i cv i e wo ft h eb a s i ci d e ao fb e n d i n g m e t h o df o rs h a p e db e a mb yc o m b i n e dr o l l i n g w h e r e l ，2 ，3 - t h et h r e ed i f f e r e n tr o l l e r 一一 图1 _ 4 两步辗轧弯曲成形示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cv i e wo f t h ep r i n c i p l eo fi n p l a n eb e n d i n gb yr o l l i n g ( 3 ) 圆柱辊一圆柱辊两步辗轧成形。1 9 9 4 年，渡边忍提出了两步辗轧面内弯曲成形 等截面面内弯曲件柏1 ，如图1 4 所示。该成形分两步进行：首先，把横截面为矩形的金 属板带通过两共面倾斜布置的直圆柱辊梯形辊缝，使其截面为梯形，在出口侧加一导引装 置，以便板带从出口出去后长度方向仍保持直线型；其次，将横截面已呈梯形的板带通过 两圆柱辊平行布置的辊缝，结果使板带在面内弯曲成形。此成形装置比较复杂。渡边忍通 过实验研究方法获得了过程参数与圆环半径间的经验曲线。 ( 4 ) 锥辊异面楔形辗轧成形。锥辊异面楔形辗轧成形，如图1 5 所示，是一种先进 的局部连续并主要含有不均匀压下板带面内弯曲成形的工艺。这种工艺首先是英国 l e n h a m 公司和m a t c o 公司提出来的跚，4 ，利用该成形工艺生产螺旋叶片。由于其成 形机制能较好地满足螺旋叶片成形所需要的边界条件而成为目前世界上最先进的螺旋叶 片生产工艺。在工业发达的美国与英国、研究历史最长的前苏联、拥有叶片辗轧专利的德 4 1 绪论 国，目前都用此法生产螺旋叶片。在国内，文献 3 4 ，4 1 针对引进产品国产化，进行了螺 旋叶片冷辗轧成形技术的研究，研究结果为成形工艺参数从“经验试轧法过渡到高效、 科学调整奠定了理论基础。此外，还首次辗轧出内径为零的螺旋叶片。 上 i - - j 3 弋 图1 - 5 锥辊异面楔形辗轧成形示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i cv i e wo ft h ec o l dr o l l i n go fs p i r a lf l i g h tw i t h t h ea x e so ft h et w oc o n i c a lr o l l e r si nd i f f e r e n tp l a n e s _ 丁 图1 - 6 板带不均匀压下面内弯曲过程 h g 1 - 6t h ei n - p l a n eb e n d i n gp r o c e s so fs t r i pm e t a lu n d e ru n e q u a lc o m p r e s s i n gw i t hc o n i c a lr o l l e r s 1 l 1 锥辊轴；2 滑块联轴节；3 减速器； 4 电机；5 楔角调节器；6 间隙调节器 图1 - 7 板带不均匀压下面内弯曲过程的实验装置图 f i g 1 7t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u so ni n - p l a n eb e n d i n gp r o c e s s ，w h e r e1 - r o l l e r , 2 - s l i d e r c o n n e c t o r , 3 - m o d e r a t o r , 4 - m o m f ，5 - w e d g ea n g l ea d j u s t e r , a n d6 - g a pa d j u s t e r 5 西安理工大学硕士学位论文 ( j ) 锥辊共面楔形辗轧成形。一种锥辊获面楔形辗轧成形方式“”如图1 - 6 ，利用 对对称共而布置的锥辊形成楔形辊缝以造成娈形不均匀，当金属板带从楔形辊缝中通过 时，沿板带宽向局部受到单调不均匀压缩作用，产p 单调不均匀分布的纵向伸长，变形 的协调和连续积累的结果使板带在而内发生塑性弯曲成形。 图1 7 为西北工业大学研制的实验装筒图t 4 3 1 这一成形方式，由于相对容易使边界 条件匹配，因而面内弯曲成形质量好。 b 非洼续成形过程 ( 1 ) 1 9 8 9 年，中村敬一和渡边忍等对自由锻造局部压缩金属板带使之发生面内弯曲 成形方法进行了研究1 4 4 1p 如图1 - 8 所不。此方法实质足利用截面尺寸小于会属板带的冲 头，对板带断续地进行局部锻造增量变形。扳带受压区域沿长度方向产生小均匀伸长，未 受压区域被带动发生长度方向压缩变形，变形的累力与协调的结果使板带在面内发生弯 曲。中村敬一通过实验着重研究了压缩变形区长度与宽度对弯曲半径的影响。 图1 - 8 局部增量锻造成形示意图 f i 9 1 8s c h e m a t i cv i e w o f t h ep r i n c i p l e o f i n t e f i r i i t l e n tp a r t i a l f o r g i n g 幽i - 9t 型剖【丑i 铝板i 且i 内弯曲成形示意幽 f i g l - 9s c h e m a t i cv i e w o f t h e i n - p l a n e b e n d i n gb yf l a t t e n i n g 1 一电动机2 一进料装置；3 - 板料4 - 电动机： 5 一r 砧；6 - 倾斜冲丑：7 调角度鞋置；8 一压r 装置 酗i - 1 0 实验设备草图 f i 9 1 - 1 0 s k e t c ho f e x p e r i m e n ts e t u ph e m l - a c o m o t o l2 - f e e d i n ge q u i p m e n t ， 3 - s t r i p4 a c o - m o l o r ，5 - d i e 6 - i n c l i n e dp u n c h ，7 - l o a dc e l l ，8 - b e a t i n ge q u i p m e n t 1 绪论 ( 2 ) 1 9 9 8 年横山俊雄等人针对大型面内弯曲件的多品种小批量生产的高成本现状 提出了利用该成形法弯曲横斯面为t 型的铝板成形圆环零件1 4 5 1 ) 如图1 - 9 所示。作者推 导出了压缩变形区各参数与轧件弯曲半径问的解析式，并基于实验研究得出了变形区各参 数对弯曲半径的影响规律曲线。 ( 3 ) 2 0 0 4 - 2 0 0 5 年，日本学者j i ny i r l 西l i n ，m u r a t a , m a k o t o 等在自己研制的设备( 如 图1 1 0 ) 上对金属板料断续加载下的变形行为进行了实验研究，分析了冲头压下量、板料 进给量、板料宽度、板料厚度、扳带材料等参数对板带厚度方向上的应变、环向上的应变、 宽度方向上的应变以及弯曲半径的影响4 ”。图1 1 1 为不同条件下的成形产品圈。 a ) 进给量的影响( b ) 扳带材料的影响 削1 一儿面山弯曲成形产品图 f i 9 1 - 1 1p h o t o g r a p ho f f o r m e ds t r i pb y i n c r e m e n t a l i n - d 1 a n cb e n d i n g ( a ) i n f l u e n c eo f p i t c h( b ) i n f l u e n c eo fs t r i p m a t e r i a l s 1 r 砧：2 一板料：3 一倾斜冲头；4 一挡板：5 推板 ( a ) 模拟模型幽c b ) 模型局部放大图 图1 1 2 面内弯曲模j _ 示意图 f i 9 1 1 2s c h e m a t i c v i e w o fs i m u l a t e d m o d e lb v i n c r e m e n t a l i n - p l a n eb e n d i n g a ) p b a t o g r a o ho fs i m u l a t e dm o d e lb yi n c r e m e n t a li n p l a n eb e n o i n g - w h e m l d i e 2 - s t r i p b ) p a r t i a la m p l i f i c a t o r yp h o t o o f m o d b l w h e r e3 - i n c l i n e dp u n c h ，4 - b a f f l e5 - p u s hp l a t e ( 4 ) 2 0 0 5 2 0 0 7 年，西安理工大学塑性成形课题组对非连续加载下的面内弯曲利用 计算机数值模拟的方法研究了冲头倾斜角度、冲头压下量、板带进给量、板带宽度和板带 初始厚度对弯曲内径、板带外例环向应变、扳带外侧厚向应变、板带径向应变以及等效应 变的影响“”得出了对实际生产具有一定指导意义的结论。图1 1 2 为模型示意图，图1 1 3 西安理工太学硕士学位论文 为模拟成形产品示意图 幽1 - 】3i 自内弯曲模拟成j b 产拍不惫削 f i g , l - 1 3s c h e m a t i cv i e w o fs i m u l a t e d f o x e ds l r i pb y i n c i e m e n l a l i n 。p l a n eb e n d i n g 从前而论述中可看到前苏联、h 本对小均匀雎下面内弯曲成形技术作了许多研究 工作，特别是在几本受到高度重视。研究的内容主要集中在寻求成形结果与变形参数州的 关系：研究方法基本上是基于试验结果的分析，得出了成形结果与影响参数间的试验曲线、 经验公式等。在国内，西北工业大学学者对该成形技术做了大量的研究工作通过实验和 解析以及数值模拟柑结合的方法对连续成形不均匀变形机理、稳定成形规律、成形极限、 丁艺装置等方而进行丁一定的研究。不均匀压下面内弯曲非连续成形过程的研究则属于开 创性工作“9 。5 4 。而对于非连续加载而内弯曲的理论研究，日前围内外还很少有相关研究 报道，对其的理论研究还是空白。而该成形过程由于变形协调机理复杂、成形过程的参数 相互依赖度大、存在复杂多因素交互作用，又是自由边界问题，很难仅用实验的方法对其 进行精确定量的研究。许多方面不能给出令人满意的结果，这就阻碍了这一先进成形技术 向着实用化方向发展。鉴于此本文有必要对限成形方法进行深入、系统地理论加实验研 究解决该成形方法中的儿个关键技术问题，对丰富和发展非连续成形面内弯曲理论、推 动先进塑性成形技术的发展和应用有十分积极意义。 123 非连续加载面内弯曲成形技术的研究方法 金属塑性成形是一个复杂的变形过程。变形速度、温度、摩擦条件、坯料形状及尺 寸、模具形状等因素对成形过程部有一定的影响。塑性成形过程研究金属材料盼特征分 析余属塑性成形过程中的应力、应变场及变形条件等因素对变形的影响，在此基础上充分 了解和掌握成形规律，从而为解决塑性加工巾出现的各种实际问题，确定最佳工艺参数， 高效低耗地实现成形过程，获得优质成品提供科学依据 5 5 1 由于金属塑性成形般为复杂的塑性变形过程，既存在材料非线性，义有儿何非线悱， 变形机制十分复杂，再加上边界条件的非线性，所以对金属塑性成形问题进行精确求解非 常困难，甚至不可能。吲此，人们只能通过简化、假设和利用实验、经验数掘以及图解、 模型等方法使之成为工程实际问题，从而产生符种近似程度不同，使用范嘲不同的近似 1 绪论 分析方法t 5 6 1 。 非连续加载面内弯曲成形技术的研究方法主要有如下三种： ( 1 ) 理论解析研究方法。 ( 2 ) 实验研究方法。 ( 3 ) 数值模拟研究方法。 上述各类方法中，理论解析法5 7 瑚1 突出的优点是求解直接，能给出力学量与参数间 的函数全局关系，对揭示变形的力学本质和指导实践有重要意义。 实验研究6 u 方法在理论解析与数学手段尚不完善的情况下，是一种不可缺少的研究 方法；结果可靠，常作为理论解析与数值模拟的验证或对比数据；此外，实验研究可以发 现新现象、新规律。 数值模拟的方法，近年来得到很大的发展6 绷。特别是基于变分原理的有限元法， 由于其单元形状的多样性与方法本身的特点，原则上可以运用于分析任何材料模型、任意 边界条件、任意形状的零件的塑性成形过程，因而得到广泛的应用。西安理工大学塑性成 型研究课题组，文献 4 8 已经用数值模拟的方法对非连续加载面内弯曲过程中冲头倾斜角 度、压下量、进给量、板带宽度和板带厚度对弯曲半径的影响，成形时的应变分布规律等 进行了深入的研究，得出了一些很有价值的结果，对该成形技术的发展具有深远的意义。 但是非连续加载面内弯曲过程在理论解析和实验研究方面还没有深入的研究，因而还需对 板带不均匀压下成形力和各应力分量的变化进行系统的研究。 在板带不均匀压下面内弯曲成形中，成形力和各应力分量大小影响着成形件的形状和 尺寸精度。压力机的选择取决于板带成形力的大小；各应力分量的研究是工艺参数优化、 实现过程精确控制以及变形抗力大的材料成形过程设备选择与校核的重要依据。因而对板 带不均匀压下面内弯曲成形中应力的研究不仅关系到成形零件的尺寸精度和表面质量，而 且还为设备设计和参数的选择提供依据，也是成形过程最佳工艺参数研究不可缺少的条 件。 综上所述，板带不均匀压下面内弯曲过程理论的研究分析将为成形设备的选择、工艺 参数优化、过程控制提供理论依据，而且为成形件的尺寸精度控制打下基础。 1 3 本课题的目的及意义 塑性加工技术在材料加工中占有重要地位，也是制造技术的重要组成部分。2 1 世纪， 汽车、航空、航天、电子等工业推动塑性加工技术向精密化、数字化方向发展【6 5 阐，由此 产生了利用高新技术对传统工艺进行改造和利用新的能源、新的介质和新的加载方式的先 进塑性成形方法。 塑性变形的不均匀性，指变形区内不同点在同一时刻的变形程度不同，它是塑性加工 中客观存在的普遍现象，也是导致塑性成形产品缺陷产生、成形极限和成形精度难以提高 的主要原因。但如果对塑性变形的不均匀分布主动进行控制，使其朝着预定方向发展，不 仅能提高传统塑性加工工艺的质量，而且有可能成为开发符合先进塑性加工技术要求的新 o 西安理工大学硕士学位论文 工艺的重要途径。一二 金属板带不均匀压下面内弯曲成形技术是创造性地利用材料不均匀塑性变形，使金属 板料发生面内弯曲成形的方法。该方法具有以下显著优点： ( 1 ) 充分地挖掘和利用了材料的非均匀塑性变形效应来高效地成形所需面内弯曲环 形件。 ( 2 ) 利用这种成形方法可获得无需加工或少加工的几乎无回复的面内弯曲圆环件， 成形精度高，可实现精确成形。 ( 3 ) 板带的变形方式为局部加载变形，变形力小，因而具有节能的特点。 ( 4 ) 可以通过调整成形过程参数获得不同半径的面内弯曲件，能够满足小批量，多 品种的生产要求。 ( 5 ) 可以避免传统冲裁原材料的浪费，实现绿色制造。 基于上述板带不均匀压下面内弯曲成形的特点，该技术在多品种、小批量环形件、型 材弯曲件及螺旋叶片成形等加工领域具有明确的应用价值和广泛的应用前景，尤其在塑性 差、变形抗力大、材料成本高的薄板带或型材成形无裂纹、少起皱的小直径弯曲件成形领 域具有很广的应用前景。因而对该成形技术进行深入地研究具有重要的理论和实际意义。 本文从物理实验和理论解析两方面对板带不均匀压下面内弯曲成形过程进行深入系 统地研究，物理实验能直观地得到各参数与弯曲半径之间的关系，而理论解析中板带成形 力和各应力分量的大小是成形过程控制、工艺参数优化和设备设计改进的依据，合理地选 择成形工艺参数并在此基础上实现精密地控制成形过程则要求对应力进行系统的研究，为 工艺参数的优化作准备，还可以解决过程控制和参数调整困难，制约成形技术推广和应用 的问题。 本次研究不仅在理论研究方面有重大意义，而且在实际的生产应用中也有重要的指导 作用，对板带不均匀压下面内弯曲成形工艺的进一步发展和应用有着重要的实际价值。 1 4 本文主要研究内容 本文对板带非连续加载面内弯曲成形技术在物理实验与理论解析方面进行深入系统 地研究，具体研究内容如下： ( 1 ) 通过对实验结果进行分析和讨论，系统地研究板带非连续加载面内弯曲过程中 各参数如冲头倾斜角度、冲头压下量、板带进给量、板带宽度以及板带厚度对弯曲半径的 影响，从而为以后工艺参数的进一步优化做好准备。 ( 2 ) 应用主应力法推导板带面内弯曲成形力的表达式，分析当各参数一定时，厚度 方向主应力的分布情况，为设备的选择和成形装置的进一步改进提供依据。 ( 3 ) 推导板带形成圆环后的切向应力、径向应力、厚向应力的表达式，揭示该成形 过程各应力分量的分布规律。并推导应变中性层半径和应变中性层的内移量随各参数变化 的表达式，为各应力分量的计算提供数据及进一步深入研究面内弯曲变形机理和科学地制 定弯曲成形工艺参数具有重要的理论价值和实际意义。 1 0 2 板带不均匀压下面内弯曲过程的基本理论厦实验研究 2 板带不均匀压下面内弯曲过程的基本理论及实验研究 21 引言 板带不均匀压下面内弯曲成形过程利用金属板带的不均匀压下，使其发生沿板带长度 方向的伸长，不均匀伸长互相协调的结果使其发生而内弯曲最终向着圆环的方向发展，该 成彤技术恰当的利用不均匀变形来实现成形的目的，其加载路径和变形方式与传统的弯曲 成形的工艺不同。考虑到板带非连续加载面内弯曲过程的复杂性及研究的相对不成熟性， 为了系统深入地研究这一成形过程成形力及各应力分最的分布规律本章介绍了板带不均 匀压下面内弯曲的变形过程和变形区几何模型的基本理论，并介绍了该成形过程实验研究 的实验装置、实验材料，对实验结果也做了系统的研究分析，揭示了各参数对板带弯j | 半 径的影响从而为该成形过程成形力、各应力分量的研究打下基础，为工艺参数的进一步 优化做好准备。 2 2 板带不均匀压下面内弯曲过程的基本理论 22 1 变形过程 非连续加载而内弯曲成形足通过倾斜冲头对金属板料进行非连续地局部压缩来实现 扳料面内弯曲成形的自由锻过程，如图2 - 1 ( a ) 所示，当金属板带在下砧与倾斜冲头中间运 动时，厚度方向上非连续地受到不均匀压缩长度方向产生不均匀的环向伸长，变形的不 断互相协调和连续累积的结果使板带在面内产生弯曲变形。因此非连续加载面内弯曲成 形足一个非连续地局部塑性变形过程。图2 - i ( b ) 是成形板带示意图，图中( a ) 部分为接触 变形区，0 3 ) 部分为非接触变形区。 目2 - 1 冲头打- h 扳带示意图 1 - 倾斜冲头，2 扳带，3f 砧 ( a ) 冲头打击板带示意幽( b ) 成形板带示意阿 f i g2 1s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no fs t r i p b e a t e nb y i n c l i n e dp u n c h ( a ) s c h e m a t i cv i e w o fs l r i p b e a t e nb y i n c l i n e dp u n c h ，w h e r e1 - i n c l i n e dp u n c h ，2 - s l r i p ，3 - d l e s c h e m a l i ci l l u s t r a t i o no f b e a l e ns t r i p 西安理工大学硕士学位论文 2 2 2 变形区的几何模型 非连续加载面内弯曲过程中的变形区分为接触变形区和非接触变形区。接触变形区为 倾斜冲头在打击板带的过程中直接与板带接触的区域；非接触变形区为倾斜冲头在打击板 带的过程中没有与板带直接接触的区域，如蚓2 - 1 凹中的( a ) 、( b ) 部分，其巾( a ) 为接触变 形区，f b l 为非接触变形区。研究整个成形过程，实际上就是研究局部区域内材料流动位 移场、速度场、应变场及应力场等场变量的大小及分布。为此，首先必须建立描述变形区 的儿何模型，以便为研究变形区相关参数与成形结果之间的数学关系及建立成形过程有限 元模型提供数学基础。 图2 - 2 是冲头和底板的倾斜角度示意图，其中冲头的倾斜角度为a 。底板的倾斜角 度为a 。在这次研究中取a 。0 ，即非连续加载面内弯曲过程中总的倾斜角度 a 。a p + a d 。a p 。 刚22 冲头和r 砧的倾斜角度小恿幽 f i g21s c h e m a t i cv i e w ( 1 r i n c l i n e da n g l e o fp u n c ha n dd i e a ) 伞接触情况 b ) | 接触情毗 图23 变形医儿何模型 f i g2 3 g e o m e t r i c a l m o d e lo fd e f o m l a t i o na r e a ( a ) f u l lc o r l a c tc o n d i t i o n帕) p a r t i a lc o nr a dc o n d i t i o n 图2 - 3 为非垃续加载厕内弯曲变形肘变彤仄的j l 何模型，定，义冲头倾斜角度即为总 的倾斜角度“，冲头进给量p ，冲头爪下量i ，板带宽度，扳带长度l 。与扔始h j 为 t 。x w o l 的板带非连续地从冲又和下砧间经过时，扳带厚度方向i | 厦到了不均匀的j 1 、缩” 山于不同宽度处的材料在厚度方向的胝缩量不h ，导致板带庄长度方向发牛不均匀的仲长 变形，从而实现了弯曲成形的日的。定义成形厉的板带弯曲什内缘半径为r ，外缘、f 径为 il二i；i 2 板带不均匀压下面内弯曲过程的基本理论及实验研究 r ，径向任意处的弯曲半径为p