（材料加工工程专业论文）断续加载面内弯曲有限元模拟研究.pdf

摘要 论文题目：断续加载面内弯曲有限元模拟研究 学科专业：材料加工工程 研究生：金莉 指导教师：唐文亭副教授 摘要 签名： 金麴 签名：童遭 不均匀压下面内弯曲成形是利用材料不均匀塑性变形，集高效、优质、低耗于一体， 充分挖掘材料成形潜力的先进塑性成形技术，有着明确的理论价值和广泛的应用前景。断 续加载面内弯曲成形是其中的一种，它是通过冲头对金属板带进行断续局部压缩来实现板 带面内弯曲成形的自由锻过程。本文通过有限元数值模拟与理论解析相结合的方法对断续 加载面内弯曲过程进行了系统的研究，主要内容和结论如下： ( 1 ) 基于平面应变假设理论，推导出了断续加载面内弯曲半径的近似计算公式。全 接触的情况时，断续加载面内弯曲内径如= ( t o j ) t g a ，外径= ( t o s ) 辔口，+ w o ： 当冲头倾斜角度为临界角度时，面内弯曲半径达到最小值，此时外径为r = = s ，内 径为月? “= t a w n s w n 。 ( 2 ) 应用有限元法系统地研究了冲头倾斜角度d 。、板带厚度f 。、冲头压下量s 、板 带宽度w o 和板带进给量p 对弯曲内径r ，板带外侧环向成变q ，、板带外侧厚向应变，、 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。 ( 3 ) 与同本学者的实验数据进行对比分析，可知应用有限元模拟方法对断续加载面 内弯曲过程进行模拟研究易于实现，结果可靠，方法有效。 本文的研究结果可以为不均匀压下面内弯曲的推广应用提供理论基础和生产指导，对 其它先进塑性加工技术的研究和开发也有一定参考意义。 关键字：面内弯曲；断续加载面内弯曲；有限元模拟 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：f e ms l mu l a t i o no ni n c r e m e n t a ll n p l a n eb e n d i n g m a j o r ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a l t l e ：l ij i n s i g n a t u r e ：! 型 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 ： i 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 gi sa na d v a n c e dp l a s t i c f o r m i n gt e c h n o l o g yu s i n gt h eu n e q u a lp l a s t i cd e f o r m a t i o na n dd e v e l o p i n gt h ef o r m i n gp o t e n t i a l o fm a t e r i a l sa d e q u a t e l yw i t hh i 曲e f f i c i e n c y ，g o o d q u a l i t y , l o wc o n s u m p t i o n ，s p e c i f i c t h e o r e t i c a lv a l u ea n dw i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d t h ei n c r e m e n t a li n - p l a n eb e n d i n gi 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 r g i n gp 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 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 si sr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l yt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ff e ms i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y s i si 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 ea p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fb e n d i n gr a d i u so fi n c r e m e n t a li n - p l a n e b e n d i n gi sd e d u c e db a s e do nt h ea s s u m p t i o no fp l a n es t r a i nt h e o r y t h ef o r m u l a so fi n n e r b e n d i n g r a d i u s a n d o u t e r b e n d i n g r a d i u s o fi n c r e m e n t a l i n p l a n eb e n d i n g a r e 吃= ( t o s ) l t g a pa n d 心“= ( t o s ) t g a p + w o r e s p e c t i v e l yu n d e rf u l lc o n t a c tc o n d i t i o n ； t h em i n i m a lo u t e rb e n d i n gr a d i u sa n dm i n i m a li n n e rb e n d i n gr a d i u sa r e 赋= t o w o sa n d 碟”= 岛w o j w or e s p e c t i v e l yw h e np u n c hi n c l i n e da n g l ei sc r i t i c a l ( 2 ) t h ee f f e c to fp u n c hi n c l i n e da n g l e 口。，s t r i pt h i c k n e s st o ，p u n c hi n d e n t a t i o ns ，s t r i p w i d t hw 0a n dp i t c hpo ns t r i pi n n e rb e n d i n gr a d i u s 如，o u t e rc i r c u m f e r e n t i a ls t r a i n l ，o u t e r t h i c k n e s s s t r a i n 乞2 ，w i d t h s t r a i n e 3 3a n d t o t a l e q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i ni sr e s e a r c h e d s y s t e m a t i c a l l yb yf e m m e t h o d c o n c l u s i o n sw h i c hh a v es o m eg u i d i n gs i g n i f i c a n c et op r a c t i c a l p r o d u c t i o na r ed r a w n ( 3 ) i ts h o w st h a tu s i n gf e ms i m u l a t i o nt or e s e a r c hi n c r e m e n t a li n - p l a n eb e n d i n gp r o c e s si s e a s yt oa c c o m p l i s hw i t hc r e d i b l er e s u l t sa n di ti sa ne f f e c t i v em e t h o d t h ea c h i e v e m e n t so ft h i ss t u d yc a ns u p p l yt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dp r o d u c t i o ng u i d a n c e f o rt h eg e n e r a l i z a t i o no fi n p l a n eb e n d i n gp r o c e s su n d e ru n e q u a lc o m p r e s s i n g ，a n dt h e yh a v e s o m er e f e r e n c es i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo t h e ra d v a n c e dp l a s t i c p r o c e s s i n gt e c l m o l o g i e s k e yw o r d s ：i n - - p l a n eb e n d i n g ；i n c r e m e n t a li n - p l a n eb e n d i n g ；f e ms i m u l a t e 1 1 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论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，。由本人承担一切相关责任 论文作者签名：之劲? 一年弓月留日 学位论文使用授权声明 本人! l ：麴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 已经在话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，即：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的 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、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西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：金丕】导师签名一：监，。| 年；月迎目 l 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着国际市场竞争的加剧以及知识经济和绿色经济的兴起，2 l 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。为了适应挑战，塑性加工技术需要向智能 化、精确化和自动化的方向发展3 a 。以锻造加工为例，塑性加工技术的精确化包括两方 面内容：一是锻件的外形尺寸尽可能接近零件的形状尺寸，即所谓近净净形锻件；二是 锻件内部质量的精确控制，锻件的组织性能满足使用要求并且稳定一致。塑性加工技术向 精确化方向的发展，可以满足高效、优质、低耗的现代化生产要求”。7 1 。实现塑性加工技 术精确化的前提条件是要准确了解塑性加工过程中材料的变形规律。在揭示塑性加工过程 中发生的各种现象和过程方面，模拟技术的应用具有许多独特的优势嵋1 ，如可降低研究 成本、缩短产品开发周期、预测成形缺陷等。 不均匀塑性变形，是塑性加工过程中客观存在的普遍现象，也是导致成形件产生缺陷、 成形极限与成形精度难以提高的丰要原因。如何将不均匀塑性变形加以合理利用已成为精 确塑性加工和先进塑性加工技术发展中迫切需要解决的问题。不均匀压下面内弯曲成形技 术正是利用材料不均匀塑性变形，集高效、优质、低耗于一体，充分挖掘材料成形潜力的 先进塑性成形技术，有着明确的理论价值和广泛的应用前景1 9 1 。 本章综述了先进塑性加工技术的发展趋势、塑性加工过程有限元数值模拟技术的研究 概况、不均匀压下面内弯曲技术的研究进展及现状。并在此基础上，给出了本文选题的背 景、意义和主要研究内容。 i 2 文献综述 1 2 1 先进塑性加工技术的发展趋势 金属塑性加工技术具有悠久的历史，从上世纪4 0 年代起开始有了突飞猛进的发展。 它是一种少( 无) 切削加工的方法，具有生产率高、生产质量稳定、原材料消耗少等特点， 并且可以有效改善金属的组织性能，被广泛应用于汽车、宇航、船舶、兵工、仪表、电器 和日用品等工业部门l l o i 。 相对于机加工和铸造而言，塑性加工有成形速度快、节省材料、便于大规模生产、可 改善材料性能、精度高和稳定性好等优点。随着塑性加工技术的发展，原来许多由机加工 和铸造生产的产品现在也由塑性加工方法来生产。目前，在航空、航天、汽车、电子、轻 工以及高技术等产业领域大约有7 0 的金属是通过塑性加工方法来进行加工的。在2 l 世 纪，同整个制造业一样，塑性加工技术本身也面临着市场、信息、环境和资源的严峻挑战， 为了适应这些挑战，塑性加工技术不断吸收机械、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，从而形成先进制造技术。 而先进制造技术进一步要求塑性加工技术向优质、商效、低耗、精密、环保的加工方向发 西安理工大学硕士学位论文 展，由此产生了先进塑性加工技术，其总体发展趋势是高新技术化、精密化、柔性化、省 能化和充分挖掘材料的变形潜力川1 。 具体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： 通过对传统塑性成形过程进行计算机数值模拟仿真1 1 2 - 1 4 1 ，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c a d c a e c a m ，p 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1 1 5 1 ( 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| 1 6 , 1 7 1 0 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 8 1 、冷温挤压技术1 啦0 1 等； ( 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 1 | 、超塑性成形、喷丸成形1 2 2 1 、无模液压成形 3 1 、辗环t 2 3 1 、不均匀压下面内 弯曲成形、管轴压成形2 4 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晓5 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 7 1 、辊锻1 2 8 1 、摆动辗压1 2 9 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“们；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商( 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 塑性加工过程有限元数值模拟技术的研究概况 科学技术的飞速发展，使得“模拟技术”一词广为人们所熟知，模拟技术已拥有 相当广阔的应用领域。所谓模拟，就是针对某个现象或过程的原型，建立一个与该现 象或过程具有相似性而又便于人们进行观测和控制的模型，通过研究模型在各种条件 下的响应来推测原型在相应条件下的响应，从而获得对于原型规律性的认识1 3 1 1 。 研究金属塑性加工过程的模拟方法有两种：一种是物理模拟，一种是数值模拟。物理 2 1 绪论 模拟足选用实际材料或模拟材料进行缩比或令尺j r 成形试验，然后在相似性理论基础上， 揭示实际成肜过程中材料流动规律用l 组织演化规律的一种研究方法。在金属塑性加工的物 理模拟研究中，多以模拟材料来代替实际材料。常用的模拟材料有石蜡、塑性泥、低熔点 金属材料等。一方面，这些模拟材料与实际材料之日j 存在物理性质的差异，另一方面，物 理模拟所采用的成形条件与实际成形条件也不可避免地存在差异。所以，其物理表征性具 有一定的局限性。与物理模拟相比，数值模拟方法的优势在于，通过精心设定材料模型和 成形过程的初始条件与边界条件，可以准确地表征金属塑性加工过程各个阶段的材料宏、 微观变化规律1 3 2 1 。目前应用于塑性加工过程的数值模拟方法有：有限元法、上限单元法 和边界元法等几种。其中有限元法的应用最为广泛。 有限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在应用有限元法分析 问题时，首先采用“化整为零”的办法，将连续体分解为有限个形态比较简单的“单元”， 对这些单元分别进行分析；然后采用“积零为整”的办法，将各单元重新组合为原来连续 体的简化了的“模型”，通过求解这个模型得到问题的基本未知量( 例如位移) 在若干个 离散点上的数值解：最后，根据得到的数值解再回到各个单元中计算其它物理量( 例如应 变、应力) 1 3 3 1 。 2 0 世纪下半叶，由于计算机及其相关技术的飞速发展，在全球范围内弓f 起了一场前所 未有的信息技术革命。塑性加工作为制造业的一个主要分支，也取得了长足的发展。先进 制造技术的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断转向定量分析，加工工艺由技艺发展 为工程科学。在分析金属塑性加工过程所伴随发生的各种现象时，基于有限元法的数值模 拟方法已经发展成为一个强有力的工具。 目前，在模拟金属塑性加工过程中，常用的有限元求解方法有弹塑性有限元法和刚 塑性有限元法”。弹塑性有限元法足以小变形理论为基础的。从分析金属塑性加工过程 的角度出发，弹塑性有限元法在增量求解时，每一步都要判断各单元是弹性还是塑性状态。 为了保证迭代收敛和获得理想的求解精度，每一个加载步中同时进入塑性状态的单元数量 不能太多。这就限制了步长不能过大。因此，对于塑性加工中变形量较大、工件形状复杂 的问题。用弹塑性有限元法分析显碍不够方便、效率不高。大变形量的金属塑性加工过程 中，弹性变形部分远小于塑性变形部分，因而忽略弹性变形建立刚塑性材料模型是合理的。 此举可大大简化有限元列式的计算过程，在保证足够的精度下可以采用较大的加载步长， 从而大大提高计算效率。 有限元数值模拟技术自6 0 年代出现以来，已经在金属塑性成形领域取得了广泛的应 用，成为产品设计、工艺设计和模具设计的主要辅助工具，尤其在分析新工艺和模拟复杂 变形过程方面，显示出了突出的优越性t 3 5 1 0 通过计算机模拟，可以获得1 3 6 1 ( 1 ) 材料变形和流动的详细过程； ( 2 ) 速度、应力、应变分布； ( 3 ) 成形力： 3 西安理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 破裂的产生； ( 5 ) 起皱的产生与发展； ( 6 ) 回弹； ( 7 ) 残余应力分布； ( 8 ) 优化毛坯形状与尺寸； ( 9 ) 优化成形过程等。 总而言之，有限元数值模拟对简化和优化塑性成形过程、缩短生产周期、提高产品质 量、降低生产成本等起到了极其重要的作用1 3 7 1 。 在世界范围内，已推出了一些商业软件1 3 8 1 如：a b a q u s 、p a m s t a m p 、m a r c 、 d e f o r m 、a n s y s 、s u p e r f o r m 、m t l f r m 、d y n a f o r m 、o p t r i s 等，它们的出 现标志着数值模拟技术向实际应用阶段迈出了重要的步伐。 1 2 3 不均匀压下面内弯曲过程的研究进展 不均匀压下面内弯曲成形技术是一种响应先进塑性加工技术的要求，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。本小节综述了不均匀变形条 件下各种面内弯曲方式、成形特点、国内外研究现状及其应用前景。 乱成形方式及国内外研究现状 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) 和基于断续加载方式下的面内弯 曲过程( 简称断续加载面内弯曲) 。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、圆柱辊一圆盘辊辗 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。断续成形过程目前主要是通过冲头对金属板带进行断续地局部压缩来实现板料面内弯 曲成形的自由锻过程1 3 9 1 0 ( 1 ) 连续成形过程 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 - l ( a ) 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 4 0 1 。当金属板带通过两辊形成的辊缝时产生 不均匀压下形成圆环，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。 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 4 1 绪论 径稳定性差，叶片截血弯曲，出现分层，增加了叶片的报废率。前苏联学者对这辗轧成 形工艺的稳定性进行了人璧的实验研究，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。 ii 纩 ii1 ( a ) 两直圆村= 辊轴线成角度布置( b ) 圆柱辊圆锥辊轴线平行布置 图1 i 楔形辗轧轧辊布置示意图 f i g 1 一ls c h e m a t i cv i e wo f t h ea r r a n g e m e n to f t w or o l l e r su s e df o rw e d g er o l l 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 f t 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 f o 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 l l e r 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 4 1 - 4 5 1 0 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。 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 f t h ep r i n c i p l e o f i 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 l ，2 ，3 - 3 种不同型式的轧辊 f i g 1 - 3s e h e r n a t i cv i e wo f t h eb a s i ci d e ao f b 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 tm i l e r 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 4 1 ，4 2 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 4 3 - 4 5 1 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 西安理工大学硕士学位论丈 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。 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1 ，如图l - 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问的经验曲线。 锣组 图l - 4 两步辗轧弯曲成形示意图 f i g i - 4s c h e m a t i cv i e wo f t h ep r i n c i p l eo f i n - p l a n eb e n d i n gb yr o l l i n g 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4 0 , 4 力，利用该成形工艺生产螺旋叶片。由于其成 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 f t h ec o l dr o l l i n go f s p i r a lf l i g h tw i t h t h ea x e so f t 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 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 德国，目前都用此法生产螺旋叶片。在国内，文献 4 0 ，4 7 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 6 1 绪论 高效、科学调整奠定了理论展础。此外，还首次辗轧出内径为零的螺旋叶片。 锥辊其面楔形辗轧成形。种锥辊共画楔形辗轧成形方式”如图1 6 ，利用一对 对称共面布置的锥辊形成楔形辊缝以造成变形不均匀，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，产生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面内发生塑性弯曲成形。 图i 7 为西北工业大学研制的实验装置图。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。 上 弋 图i 6 板带不均匀压卜- 面内弯曲过程 f i g 1 - 6 t h e i n p l a n eb e n d i n g p r o c e s s o f s t r i p m e t a lu n d e r u n e q u a lc o m p r e s s i n g w i t hc o n i c a lr o l l e r s l 1 1 一锥辊轴；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l - 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 g o i l q c l o r , 3 - m o d e r a t o r , 4 - m o t o r , 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 ( 2 ) 断续成形过程 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 9 1 如图l 一8 所示。此方法实质是利用截面尺寸小于金属板带的冲头， 对板带断续地进行局部锻造增量变形。板带受压区域沿长度方向产生不均匀伸长，未受压 区域被带动发生长度方向压缩变形，变形的累加与协调的结果使板带在面内发生弯曲。中 村敬一通过实验着萤研究了压缩变形区长度与宽度对弯曲半径的影响。 7 西安理工大学硕士学位论文 图1 - 8 局部增量锻造成形示意图 f i g 1 8s c h e m a t i cv i e wo f t h ep f n c i p l e o f i n t e r m i t t e n tp a r t i a lf o , 售i n g 图1 - 9t 型剖面铝板面内弯曲成形示意图 f i g 1 - 9s c h e m a t i cv i e wo f t h ei n - p l a n e b e n d i n gb yf l a t t e n i n g 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断面为t 型的铝板成形圆环零件1 5 0 1 如图l - 9 所示。作者推导 出了压缩变形区各参数与轧件弯曲半径间的解析式，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。 2 0 0 4 - 2 0 0 5 年，日本学者j i ny i n 西u 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、板带材料等参数对板带厚度方向上的应交、环向上的应变、 宽度方向上的应变以及弯曲半径的影响1 5 1 ，5 2 3 。图1 1 1 为不同条件下的成形产品图。 2 0 0 5 2 0 0 7 年，西安理工大学塑性成形课题组对断续加载下的面内弯曲利用计算 机数值模拟技术进行研究。图1 1 2 为模型示意图，图1 1 3 为模拟成形产品示意图。 8 1 一电动机；2 进料装置；3 板料；4 电动机； 5 下砧；6 - 倾斜冲头；7 调角度装置；8 压卜装置 图1 1 0 实验设备草图 f i g 1 1 0s k e t c ho f e x p e r i m e n ts e t - u p ，w h e r el a cs e r v om o t o r , 2 - f e e d i n ge q u i p m e n t 3 - s t r i p , 4 - a cs e r v o - m o t o r , 5 - d i e ，6 - i n c l i n e dp u n c h , - l o a dc e l l ，8 - b e a t i n ge q u i p m e n t l 绪论 ( a ) 进给量的影响( b ) 板带材料的影响 图i 1 l 面内弯曲成形产品图 f i g 1 1lp h o t o g r a p ho f f o r m e ds t r i pb yi n c r e m e n t a li n - p l a n eb e n d i n g ( a ) i n f l u e n c e o f p i t c h( b ) i n f l u e n c e o f s t r i pm a t e r i a l s 1 下砧：2 一板料；3 一倾斜冲头：4 一挡板；5 一推板 ( a ) 模拟模型图( b ) 模型局部放人图 图1 1 2 面内弯曲模型示意图 f i g 1 1 2s c h e m a t i cv i e wo f s 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 d i n g ( a ) p h o t o g r a p h o f s 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 d i n g ，w h e r e l - d i e , 2 - s a 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 oo f m o d e lw h e r e3 - i n c l i n e dp u n c h ，4 - b a f f l e ，5 - p u s hp l a t e 图1 1 3 面内弯曲模拟成形产品示意图 f i g 1 - 1 3s c h e m a t i cv i e wo f s i m u l a t e df o r m e ds t r i pb yi n c r e m e n t a li n - p l a n eb e n d i n g 9 西安理工大学硕士学位论文 b 成形方式的优势与应用前景 对于板带面内弯曲件的制造，传统方法有塑性弯曲法与冲裁法。传统塑性弯曲外区受 拉及内区受压的应力状态常导致弯曲件外区开裂、内区起皱，以至于难以成形薄而半径小 的面内弯曲件。冲裁法的材料利用率低。随着新材料、难变形材料的不断应用、推广，以 及需要使薄板带或型材面内弯曲的场合越来越多，不均匀压下面内弯曲成形技术，在面内 环形件成形、小直径轻型化法兰产品、型材弯曲件及螺旋叶片的多品种、小批量成形加工 等领域必将担当愈来愈重要的角色。 不均匀压下面内弯曲成形与传统塑性弯曲成形相比有如下显著优点： ( 1 ) 柔性程度高。不均匀压下面内弯曲成形是一种完全不同于传统塑性弯曲的成形 技术。当给定板带几何尺寸( 主要指宽度和厚度) 时，只需调节工艺参数便可获得所需半 径的面内弯曲件，可满足多品种、小批量的生产要求，缩短产品的制造周期，成形柔性高。 ( 2 ) 能耗低。塑性加工缺点之一是所需变形抗力大，不均匀压下面内弯曲成形是一 种局部成形过程，减小了接触面积，故所需变形抗力小。 ( 3 ) 精密度高。可获得无需加工或少加工的圆环件，实现的是一种“近净成形”乃 至精确成形，具有省材、节能、符合绿色制造工程可持续发展战略的要求。此外，该成形 过程整个变形区为三向压应力状态，不同于传统塑性弯曲外区受拉、内区受压的应力状态， 可实现几乎无弹复的面内弯曲，从而提高了成形件的精度。 ( 4 ) 材料成形潜力发挥充分。由于三向压应力有利于金属塑性的发挥，该成形过程 可充分挖掘材料的成形潜力。 综上说述，不均匀压下面内弯曲成形技术是集省能、柔性、高效、精密于一体，并可 充分挖掘材料成形潜力的先进塑性加工技术。 厶现状及需要进一步研究的问题 从前面的论述中可看出，国外学者对不均匀压下面内弯曲成形过程已作了一定研究工 作，特别是在日本受到了高度重视。研究的内容主要集中在寻求成形结果与变形参数问的 关系，研究方法基本上是基于实验结果的分析，得出了成形结果与影响参数问的实验曲线、 经验公式等，其结果都只侧重于定性的指导成形过程。 在国内，西北工业大学学者对连续成形技术做了大量的研究工作，针对国内外对该研 究所存在的问题，通过实验哪! 和解析纬5 7 1 以及数值模拟5 “相结合的方法进一步定量 地对不均匀变形机理、稳定成形规律、失稳机理与规律、成形极限、工艺装置等进行深入 系统的研究。但对于断续成形过程，目前国内还未知有学者在这方面进行系统研究。 为了进一步研究和发展面内弯曲技术，丰富不均匀塑性变形理论，为面内弯曲技术的研 究与发展提供新的思路，本文提出从断续加载方式下的板带不均匀压下面内弯曲这一典型 的不均匀压下面内弯曲成形方式入手，针对国际上对该研究所存在的不足，对不均匀面内 弯曲过程采用有限元数值模拟的方法进行更深入系统的研究。 1 0 l 绪论 1 3 选题的背景及意义 2 l 世纪，汽车工业、航空航天工业等的迅速发展，向先进塑性加工技术的发展提出 了新的要求，要求其应具有优质、高效、低耗、轻量化、信息化和环境友好的特点。材料 科学与技术、计算机技术、计算技术等方面的快速发展，大大推动该项技术向精密化、数 字化方向发展。先进塑性加工技术是先进制造技术中十分重要的组成部分，对提高国家的 制造业竞争力有重大影响，已成为当今塑性加工领域中重点研究和发展的方向之一。有限 元数值模拟方法是研究和发展先进塑性加工技术的重要手段“1 。 金属板带不均匀下压面内弯曲成形技术是通过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的过程，其实质是板带受到厚度方向不均匀压缩，在长度方向受到 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的变形方式和变形条件与传统塑性弯曲不同，成形过程 整个变形区为三向压应力状态，这有利于充分发挥材料的变形潜力，能够极大地提高工件 的弯曲成形极限，实现几乎无弹复的成形件，从而提高了成形件的精度，可获得无需加工 或少加 的圆环件，实现“近净成形”乃至精确成形，这些都足传统成形过程难以实现的。 板带不均匀压下面内弯曲成形过程作为一种先进塑性加工方法，具有精密、高效、 节能和柔性高的特点。对成形过程工艺参数进行精确的求解和优化，再根据优化的工艺参 数对成形过程进行精确的控制，最终实现精密高效的成形，是本次研究的指导思想。合理 地选择成形工艺参数并在此基础上实现成形过程中的精密控制要求对成形过程中各个参 数要进行系统的研究，以此作为工艺参数的优化的基础，并且这项研究还可以解决成形过 程中制约成形技术推广和应用的诸多问题。本文对成形过程中各个参数的影响规律进行系 统深入的研究，并在此基础上进一步对不均匀压下面内弯曲成形过程中的工艺参数进行优 化研究，从而实现快速准确地确定优化的工艺参数，并指导实际的成形过程，推动这一先 进成形技术向着实用化的方向发展。 本次的研究不仅可以进一步完善板带不均匀压下面内弯曲成形理论，推动板带不均 匀压下面内弯曲成形技术的研究和发展，而且还可以为其它先进塑性加工技术的研究和发 展提供新思路。 1 4 本文主要研究内容 本文利用有限元数值模拟方法与理论解析相结合的方式对板带断续加载面内弯曲成 形技术进行深入系统的研究，具体研究内容如下： ( 1 ) 推导面内弯曲成形件弯曲半径的近似计算公式，为实际生产奠定理论基础； ( 2 ) 通过有限元数值模拟方法，系统深入地研究板带断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内径大小、 外侧环向应变、外侧厚向应变、宽向应变以及等效应变场分御和变化的影响，对成形件的 生产提出指导： ( 3 ) 与f i 本学者j i ny i n g j u n ，m u r a t a , m a k o t o 所得出的实验数据进行对比，进行计算 l l 西安理工大学硕士学位论文 方法有效性和模拟数据可靠性的论证，供以后研究参考。 2 板带面内弯曲成形技术的基本理论 2 板带面内弯曲成形技术的基本理论 2 1 引言 板带面内弯曲成形过程利用金属板带的不均匀压下，使板带发生沿长度方向上的伸 长，不均匀伸长互相协调的结果使板带发生面内弯曲，并最终向着圆环的方向发展，其加 载路径和变形方式与传统弯曲的加载路径和变形方式完全不同嘟1 。为了进行这一成形过 程中各参数与成形结果之间关系的研究，本章介绍了板带不均匀压下面内弯曲成形技术的 成形特点、几何模型、板带弯曲半径的推导以及刚塑性有限元法的相关基本理论。 2 2 板带不均匀压下面内弯血过程的基本理论 2 2 1 成形特点 断续加载面内弯曲成形是通过倾斜冲头对金属板料进行断续地局部压