（材料加工工程专业论文）板料拉深成形变压边力理论模型与应用研究.pdf

摘要 板料成形技术在整个汽车制造过程中占有着非常重要的地位。如何提高板料 成形技术，有效缩短新产品的开发周期，不断改善成品件的成形质量已经成为世 界各国汽车行业展开相互激烈竞争、争夺市场的一个重要法宝手段。压边力是板 料拉深成形过程中至关重要的工艺控制参数之一，在一些复杂汽车车身覆盖件成 形过程中，诸如起皱、拉裂以及回弹、扭曲等主要缺陷现象可以通过调整所施压 边力大小的手段来消除。可以说，变压边力控制技术在整个板料成形，尤其是复 杂零件拉深成形工艺中占有着非常重要的地位。为此，近十年来，世界各国的学 者和工程师都在不断的努力，使得板料成形变压边力控制技术研究的深度和广度 都取得了很大进展。然而直至今日，由于相关基础理论模型的不完善性及缺乏相 关设备的缘故，变压边力控制技术仍未能在工业界得到广泛应用。本文以圆筒件 和矩形件为主要研究对象，通过建立圆筒件临界变压边力控制模型和矩形件分段 变压边力控制模型，并借助数值模拟和物理试验手段分别确定了安全区域内的优 化变压边力控制曲线，最后将研究成果应用于更加复杂的汽车覆盖件简化模型上 进行可行性验证。 从能量守恒的角度出发，结合材料断裂屈服准则，利用平面应力状态假设条 件下圆筒件临界起皱和临界拉裂变压边力控制理论模型，构筑了后续变压边力控 制曲线优化研究的基本安全区域，并分析了其它主要拉深工艺参数对安全区域 上、下极限曲线的影响规律；通过数值模拟和物理模拟相结合的手段最终确定了 实际拉深成形过程中的u 型变压边力优化加载曲线。 运用塑性力学理论分析，结合有限元数值模拟结果，提出了包括摩擦系数和 硬化指数在内的矩形件圆角部分和直边区域的径向拉应力理论计算模型；并以板 厚变化率均方差及拉深力曲线极值作为最终衡量标准，通过数值模拟方法对比研 究了整体压边控制和分段变压边控制对拉深成形过程的影响。研究结果发现分段 变压边控制条件下所得拉深件板厚变化率均方差要较小些，也即均匀性更好，而 且极限拉深力极值也更小；物理模拟验证过程中，采取自主设计的双层压边圈结 构( 国家发明专利号：z l 2 0 0 410 0 1 5 6 7 8 _ 3 ) 来实现分段变压边力控制效果，并 借助于自主研发的双层悬臂粱组合式探针传感器( 国家发明专利号：z l2 0 0 31 0 1 0 9 8 8 6 5 ) 来验证实际真实分段变压边实施效果。最终试验研究结果证实了双 层压边圈方案的可行性，为后续进一步验证矩形件分段变压边力控制效果提供了 可靠的物理试验保证。 选取复杂汽车覆盖件的简化模型为研究目标，参照前述研究成果进一步验证 变压边力控制技术的实际操作可行性。 在实验室现有的单动薄板液压拉深机基础上，进彳亍了计算机自动控制改造， 即通过计算机精确控制下顶出缸中比例溢流阀的开度，从而在控制主缸向下运动 压制板料时，根据液压油不可压缩原理以及机械部分的作用力与反作用力，下顶 出缸能够实时调节作用在压边圈上的压边力大小，从而实现变压边力拉深成形， 为进一步深入研究变压边力技术提供了实验基础；另外，针对上述变压边力液压 控制系统初始动态性能和稳态精度较差的难题，建立了一个基于模糊p i d 自适应 调整的液压模糊控制模型，并借助m a t l a b 仿真得到了控制参数的优化模糊查 询表。最后结合实际板料拉深成形系统，选取两种变压边力加载模式进行实时变 压边力模糊控制应用效果验证。应用结果表明：采用模糊p i d 自适应控制方式可 大大改善拉深成形液压控制系统的动态响应性能和稳态精度。 关键词：板料拉深成形变压边力数值模拟物理模拟双层压边圈双层悬 臂梁组合式探针传感器 i i a b s t r a c t s h e e tm e t a lf o r m i n gp l a y sav e r y i m p o r t a n t r o l e i nm o d e ma u t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n g s oh o w t oi m p r o v e f o r m i n gt e c h n i q u e sa n ds h o r t e nd e v e l o p m e n tc y c l e h a sb e c o m eav e r yn e c e s s a r ym e a s u r et op r e d o m i n a t et h em o r ea n dm o r ec o m p e t i t i v e m a r k e t b l a n kh o l d e rf o r c e ( b h di so n eo fi m p o r t a n tt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sd u r i n g t h ew h o l ep r o c e s so fd e e pd r a w i n g f o re x a m p l e ，w h e nd e e pd r a w i n gs o m ec o m p l e x o v e r l a y so fa u t o m o b i l e s ，s o m eb a dp h e n o m e n a ，s u c ha sw r i n k l i n g , r a p t u r e ，s p r i n g b a c k a n dd i s t o r t i o nc a nb ea v o i d e db ya d j u s t i n gb h es oi ti sv e r ya p p a r e n tt h a tt h ec o n t r o l t e c h n o l o g yo fv a r i a b l eb l a n kh o l d e rf o r c e ( v b h f ) p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei ns h e e t m e t a lf o r m i n g , e s p e c i a l l yf o rs o m ec o m p l e xi r r e g u l a rp a r t s t i l ln o w , v b h f t e c h n o l o g yh a sm a d eg r e a tp r o g r e s si n t h e p a s tt e ny e a r su n d e rh a r dw o r k so f r e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r sa l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e r , i th a ss t i l ln o tb e e na p p l i e d b r o a d l yi ni n d u s t r yu pt on o w , d u et ot h ei m p e r f e c t i o no fp l a s t i c i t yt h e o r ym o d e l sa n d t h es h o r to fr e l e v a n te q u i p m e n t s i nt h i st h e s i s ，t a k i n gc y l i n d e ra n dr e c t a n g l ep a r t sa s m a i no b j e c t s ，s t u d i e sw e r ec a r r i e do u ts y s t e m i c a l l yt og e tc r i t i c a lv b h fc o n t r o l m o d e l sf o rc y l i n d e rp a r ta n ds u b s e c t i o nv b h fc o n t r o lm o d e l sf o rr e c t a n g l ep a r t ，a n d t h es a m ea st h e i ra c t u a lo p t i m i z e dv b h fc a l v e sw i t h i ns a f e t yr e g l o n i nt h ee n d , t e s t s w e r ed o n eo ns o m ec o m p l e xp a r t st ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ff o r m e rc o n c l u s i o n s t a k i n gt h ea s s u m p t i o no fp l a n es t r e s so nf l a n g e ，f r o mt h ep o i n to fv i e wo fe n e r g y c o n v e r s a t i o na n dm a t e r i a l sc r a c ky i e l d i n gr o l e , o n es a f er e g i o no fb h ff o rf o l l o w i n g v b h fc o n t r o l l i n gs t u d yw a sm a d eu pb yt h ea i do fb u i l d i n gu pc r i t i c a lw r i n k l i n g b h fe x p r e s s i o na n dc r i t i c a lm p t u mb h fe x p r e s s i o nf o rc y l i n d e rp a r t a n ds o m e i n f l u e n c i n gd i s c i p l i n e so fo t h e rm a i nt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r so nt h e s et w ou t m o s t c o n t r o l l i n gc u l v e so f t h i sv b h fs a f er e g i o nw e r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h e n n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s tw e r ec a r r i e do u tt ov e r i f ya n dd e t e r m i n et h ef i n a la c t u a l o p t i m i z e dv b h fc o n t r o lc u r v ef o rc y l i n d e rp a r t s b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，p l a s t i c s m e c h a n i c sa n a l y s e sw e r ed o n eo n r e c t a n g l ep a r t si no r d e rt op u tf o r w a r dc a l c u l a t i o nm o d e l so fp u l l s t r e s so nc i r c u l a r c o m e ra n ds t r a i g h t - b o r d e rs u b s e c t i o n f l a n g e sr e s p e c t i v e l y t h e yt o o k f r i c t i o n c o e f f i c i e n ta n dh a r d e n i n gc o e f f i c i e n ti n t oa c c o u n ts i m u l t a n e o u s l y t h e nn u m e r i c a l s i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u tt oc o m p a r et h ef i n a le f f e c to fw h o l e b i n d e rh o l d i n ga n d s u b s e c t i o n b i n d e r sv a r i a b l eh o l d i n gb yt h ea i do fa d o p t i n gm e a n s q u a r ed e v i a t i o no f t h i c k n e s st h i n n i n gr a t i oa n dt h ee x t r e m u mo fd e e pd r a w i n gf o r c ea sg a u g i n gc r i t e r i o n s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tn o to n l yt h eu n i f o r m i t yo ft h i c k n e s s i i i d i s t r i b u t i o nu n d e rs u b s e c t i o n b i n d e r sv a r i a b l eb h fh o l d i n gw a sb e t t e rt h a nw h a t u n d e rw h o l e b i n d e rh o l d i n g ，b u ta l s ot h el o w e rp e a kv a l u eo fd e e pd r a w i n gf o r c e c o u l db ea c h i e v e du n d e rs u b s e c t i o n - b i n d e r sv a r i a b l eb h f h o l d i n g i nt h ep r o c e s so f t e s t ，o n es t r u c t u r eo fd u a ll a y e r so fb i n d e r s ( n a t i o n a li n v e n t i o np a t e n tn u m b e r ：z l 2 0 0 410 0 1 5 6 7 8 3 ) w a sa d o p t e dt or e a l i z et h ec o n t r o le f f e c to fs u b s e c t i o n - b i n d e r s h o l d i n g a n di no r d e rt ov e r i f yt h i st r e ee f f e c to fs u b s e c t i o n - b i n d e r sh o l d i n gi nt e s l o n ea s s e m b l e dp r o b e ( n a t i o n a li n v e n t i o np a t e n tn u m b e r ：z l2 0 0 310 1 0 9 8 8 6 5 1 b a s e do nd u a ll a y e r so fc a n t i l e v e rg i r d e r sw a s d e s i g n e do u t f i n a lt e s tr e s u l t sv a l i d a t e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h e s ed u a ll a y e r so fb i n d e r s a l lt h e s er e l i a b l ye n s u r e dt h ef o l l o w i n g o p t i m i z i n gp r o c e s so fs u b s e c t i o nb h f c u r v e ss t u d yo nr e c t a n g l ep a r t s i na d d i t i o n ，s i m p l i f i e dm o d e l so fc o m p l e xa u t o m o b i l e p a r t sw e r et a k e na so b j e c t s t of u r t h e rv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fv b h fc o n t r o lt e c h n o l o g yi n t e s t ，a c c o r d i n gt o f o r m e rs t u d yr e s u l t s i no r d e rt or e a l i z et h ea i mo fv b h fi n d e e pd r a w i n gi nt e s t ，a u t o c o n t r o l r e c o n s t r u c t i n go fs i n g l e a c t i o ns h e e tm e t a lh y d r a u l i cp r e s s u r em a c h i n ew a sc a r d e d t h r o u g h f o rt h ep r i n c i p l eo fo i li n c o m p r e s s i b i l i t ya n dt h et h e o r yo fa c t i o na n d c o u n t e r - a c t i o nb e t w e e nm e c h a n i s mp a r t s ，b e l o wp r o p p i n gj a rc o u l dr e g u l a t et h e a m o u n to fb h fp u to nt h eb l a n kh o l d e r , b yt h ew a yo fe x a c t l y c o n t r o l l i n gt h e p r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v e sp o r o s i t ye x t e n ta l o n gw i t hm o v e m e n t so ft h eh o s tj a rd o w n t op r e s s i n gs h e e t a n dt h i se x p e r i m e n ts y s t e mf o u n d e dag o o dt e s tf o u n d a t i o nf o r f u r t h e rr e s e a r c hw o r ko nv b h ft e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v i n gp e r f e c t d y n a m i cr e s p o n s ep e r f o r m a n c ea n db e t t e rs t e a d yp r e c i s i o n ，o n ef u z z yc o n t r o l l i n g m o d e lb a s e do na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rw a sb u i l tu p t h e ns o f t w a r em a t l a bw a s s i m u l a t e dt o g e to n eo p t i m i z e di n q u i s i t i o n a l t a b l eo fa l lk i n d so fc o n t r o l l i n g p a r a m e t e r s i nt h ee n d ，t w om o d e so fv b h fc u r v e sw e r es e l e c t e dt ov a l i d a t et h e a c t u a le f f e c to ff u z z yc o n t r o l l i n g a p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed y n a m i c r e s p o n s ep e r f o r m a n c ea n ds t e a d yp r e c i s i o no ff u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rw o u l db e i m p r o v e dm u c h k e y w o r d s ：s h e e tm e t a ld e e pd r a w i n g , v a r i a b l eb l a n kh o l d e rf o r c e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t e s t ，d u a ll a y e r so fb i n d e r s ，a s s e m b l e dp r o b es e n s o rb a s e do nd u a ll a y e r s o fc a n t i l e v e rg i r d e r s i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：筘么b 日期：洲年z 。月；1 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密r v i 。 ( 请在以上方框内打“”) 精撕签名黜良 日期：加年，。月；日 绎 李下 擗 阱瀑 靴 醐 上海交通大学博t 学位论文 i i 引言 第一章绪论 作为国民经济的一个重要组成部分，汽车工业代表着一个国家制造业现代化 发展水平。世界上主要发达国家的经济发展无一例外不与汽车工业有着极为密切 的联系，如发达国家居多的欧美诸国就是很好的例子。另外，中国的邻近国家日 本和韩国也是如此。这两个国家上个世纪中后期经济强劲、持续快速的发展也主 要归源于汽车和电子工业取得高速发展后有效地带动了整个国民经济的腾飞。当 前，汽车工业作为社会的重要支柱产业，是一项集材料、电子、能源、制造等多 个领域高新技术成果于一身的高技术密集型行业。这些关键技术一方面极大地改 善了汽车的性能，有效地推动了整个社会国民经济向前发展；另一方面也从汽车 产业高速发展的洪流中获得了强劲的推动力。因此，大力发展拥有相关自主知识 产权的汽车产业，不仅可以带动相关产业的发展，为社会提供大量的就业机会， 而且还能有效地促进相应领域中一些高新技术产品的不断诞生和快速发展，是不 断增强国家综合国力的有效手段之一。 中国的汽车工业从无到有，经过近半个世纪人才、技术的不断沉淀，尤其是 改革开放后的快速发展，已经基本具备了自行开发汽车新产品的能力，如安徽生 产的奇瑞汽车以及浙江生产的吉利汽车。但总的来说，综合水平还比较低，产品 还主要停留于中低档次，尤其是缺乏拥有自主知识产权的重要核心技术，大多情 况下还是主要依靠于国外厂家提供核心部件或从国外厂家购买相关技术和设备 来完成整车的制造和组装。因此，如何在当前世界经济全球一体化、区域合作化 改革大潮中改变现有这种“尴尬”处境是摆在中国汽车工业面前的一个前所未有 的机遇和挑战。 板料冲压成形技术在整个汽车制造中占有着非常重要的地位。因为大量汽车 用零部件都是通过冲压成形方式获得的。因此，如何提高板料冲压成形技术，有 效缩短新产品的开发周期，不断改善成品件的成形质量已经成为世界各国汽车行 业展开相互激烈竞争、争夺市场的一个重要法宝手段。随着生活质量水平的不断 提升，人们对于汽车性能和车身外观的要求也越来越高，由此不断改进车型和提 升外观美观程度必然成为今后汽车行业发展的一种迫切需求。但由于目前各种汽 车用零件及外观覆盖件成形过程的多样性和复杂性，必然导致过去那种周期长且 效率低下的传统设计研究方法，已明显不再适应于现代工业的发展需求。因此， 近几十年来，一些新型的研究手段开始应用于汽车制造领域，如计算机辅助设计 与制造技术( c a d c a m ) 、反向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 、并行工程( c o n c u r r e n t e n 画n e e r i n g ) 等等。这些新技术的大量应用有效地带动相关产业的快速发展，产 生了巨大的经济效益。现阶段而言，中国在车身设计和相关制造技术水平方面与 国外先进水平还存在着非常大的差距。这主要体现在国内一些大型汽车制造厂家 的中高档产品车身覆盖件模具还主要从国外进口或者由国外厂家提供原始设计 图纸，这不仅使国家流失了大量的外汇资会，而且也间接导致了国内大量的人力、 物力资源没有得到充分有效的利用，从某种程度上进一步延缓了汽车国有化的进 程，这也成为了制约中国汽车工业快速发展的主要瓶颈之一。币是基于这种形势 和背景之下，上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心与上海大众汽车有限公 上海交通大学博t 学位论文 司展开校企合作，充分发挥双方各自优势资源，共同开发研究了“变压边力与轿 车冲压件质量控制的相关规律研究”。本论文所述即结合此项研究进行的。 目前，板材拉深成形过程中最常见的质量缺陷是起皱和拉裂。拉深成形过程 中，影响成形件质量的影响因素有很多，如大多数研究重点主要集中在诸如拉深 环境、成品件尺寸形状、压边力大小、板料力学性能参数、模具结构参数、摩擦 润滑条件以及初始板坯形状和尺寸等因素【“。而在这些影响因素中，控制压边力 ( b l a n kh o l d e rf o r c e ，b e w ) 大小对板料拉深成形质量影响尤为明显【2 】。一般来说， 压边力过小，则无法有效地控制板料的流动，板料法兰处很容易产生起皱现象； 而压边力过大，虽然可避免起皱现象，但由于相应增大了拉深力而会导致拉裂趋 势明显增加。与此同时，模具和板坯表面受损的可能性亦增大，从而影响模具寿 命和成品件表面质量，对最终产品尺寸精度产生不良的影响。 事实上，在上述众多拉深成形影响参数中，最有效的是控制和调节压边力大 小p j 。现实生产当中一些大型复杂覆盖件的调模过程也主要就是以压边力、模具 参数为重点的一系列工艺参数的联合调整过程。随着现代化加工设备的不断更新 以及计算机控制技术的进一步推广与应用，拉深成形变压边力控制技术开始在汽 车行业得到了应用，而且在一些机电、航空以及轻工等领域中也同样具备着十分 宽广的应用前景。 因此，如何优化板料拉深成形过程中所施压边力大小是当前板料拉深成形工 艺研究中的热点之一卜。近些年来，一些学者提出了变压边力控制模式，即实 时变化压边力大小，指在板料拉深成形过程中，依据法兰板料起皱的可能性大小 趋势，随着时间或凸模行程合理地调整所施压边力大小【1 1 l 。这样一来，采用变压 边力控制模式，一方面不仅可以有效地提高板料的成形性能极限，避免成形过程 中的出现起皱和断裂等现象，而且能有效保证拉深件的尺寸精度和生产稳定性； 另一方面，还可以明显地降低能源消耗，提高生产效率。 传统的拉深方式通常是借助于单动压力机上的弹性压边圈或者双动压力机 上的固定刚性压边圈来施加所需的压边力大小。鉴于一些汽车车身覆盖件的特殊 复杂性，其在成形过程中金属板坯在各个位置上的流动情况是不均匀一致的。如 果这时只是简单地在板料周围统一施加相同的压边力，就极容易导致拉深件某些 特殊区域过早地出现起皱或者拉裂现象。与此同时，在现有有限的拉深设计资料 中，可供设计人员实用的压边力计算方法也多来自于实验法或半理论方法，其中 一些结构参数显得非常的笼统，有的参数其物理意义甚至还不太明确，几乎不能 与零件的大小、板料的力学性能参数及零件的外形有机地联系起来，并且这些计 算方法还仅仅局限于一些简单的轴对称零件，如圆筒形、方盒形或矩形件。因此， 当遇到一些更加复杂的大型覆盖件时，压边力大小的设置就只能主要凭经验行 事，并无理论可循。这样会导致其后现场模具调试过程中，不仅增加了调模时间 和调模难度，而且与此同时浪费大量的人力和物力，严重时甚至会导致整套模具 作废。鉴于此，迫切需要全面、完善的变压边力控制基础理论的研究成果来指导 实际生产应用。 就现阶段而言，国内众多板料加工企业的设备在整个板料拉深成形过程中还 只能提供恒定压边力值1 1 2 1 。因此，首要任务便是如何对现有传统拉深设备进行 较为经济且可行度和可靠度较高的液压机改造，从而方便地在实际生产中实现变 压边力拉深成形的目的，进而有效地提高拉深成品件质量，这是现阶段板料成形 领域中亟待解决的一个棘手问题，也是摆在板料拉深工艺研究者们面前的一个艰 巨任务。 2 上海交通大学博上学位论文 本研究即在实验室现有型号为h h p 2 8 - 1 2 0 的单动薄板拉深液压机基础上， 对其下项出缸油路系统进行全面的计算机控制改造，使后续对圆筒件整体变压边 力或矩形件分段变压边力【1 3 l 拉深成形研究时，能够精确地按照事先设定的压边 力变化曲线实时地控制所施压边力真实大小，从而研究得出拉深成形的优化变压 边力控制曲线。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 变压边力控制模式 国外对变压边力的控制研究要比国内研究的更早。第一套可调控的变压边力 控制设备是由h a r d t 等人于1 9 9 0 年设计出来的。d e h a r d t i “j 在应用冷轧钢板进 行杯形件拉深成形试验时，通过增加一个p i d 反馈控制器来反馈控制作用在压 边圈的伺服阀，以此达到精确、可靠地控制单位压边力大小恒定的目的，即作用 于板坯法兰单位面积上的压边力大小在整个拉深成形过程中自始至终被保持在 不起皱的最小单位值上，不会出现随着拉深行程的不断进行由于法兰处板坯面积 越来越小而导致的单位压边力值越来越大的现象，以此来有效防止板料拉裂现象 的出现。随后，1 9 9 3 年德国斯图加特大学的k s i e g e r t 等人i ”l 以弹性压边圈作为 主要研究对象【1 6 】，对单动液压机进行了改造。其改造思路是：弹性压边圈上的 四个角部和四个直边上分别由8 个独立的液压缸分别进行分段控制，如图1 1 所 示，并且四个角部的压边圈结构在底部是相连的，而四个直边段则由轴承结构支 撑，其下设置了多个压力传感器，以此来测得拉深成形过程中板坯所受到的正压 力和摩擦力，从而建立了计算机数字控制的( c n c ) 多点变压边力液压控制系统。 到目前为止，国外一些大型汽车集团正在开展有关压边力控制与冲压件质量之间 的关系性基础研究，希望以此来有效地降低生产成本，提高轿车覆盖件成形的质 量。比如：学者m u s t a f aa a h m e t o g l u i ”j 提出多点控制变压边力理论，使压边力 成为时间( 或压机行程) 和位置的函数，以此来提高非对称零件的拉深成形性能， 并用他的试验室装置进行了试验分析。根据他所提供的试验结果以及相关理论， 日本尼桑汽车公司和美国俄亥俄大学进行了合作，他们采用相似性物理模拟方法 进行了汽车挡泥板拉深成形的压边力控制研究；m i c h a e l j 。s a r a n l 4 1 和f o r d 汽车 公司的m a h m o u d y d e m e f i 用p r o e 软件对板坯和模具建立了其有限元计算模 型，并使用d y n a f o r m 有限元分析软件模拟了s 型轨道的成形过程，采用变压边 力模式对整个工艺过程进行控制。研究结果发现：压边力的不同设置对最终零件 的成形质量影响很大。 国内对变压边力的控制研究开始于2 0 世纪9 0 年代末。截至到目前，上海交 通大学机械工程学院已经开发出了一套变压边力控制装置，其控制思路基本上与 k s i e g e r t 的做法相似，也是添加8 个独立液压缸分别分段控制压边圈的四个角部 和四个直边。这种改造思路由于造价费用相对较高，很难在现实生产当中普及开 来，而且要想在现有一些普遍内部空间相对较小的实际生产设备上( 例如仅能提 供恒定压边力的传统单动、双动液压机) 进行改造是十分困难的。不仅如此，由 于上述各个小液压缸控制是相对独立的，这就势必给控制带来一系列的难题。例 如：如何进行同步动作以及如何消除各个小液压缸由于各自滞后而带来的不协同 影响。 3 上海交通大学博t = 学位论文 图i - i 八小缸控制多点变压边力装置 f i g 1 - 1m u l t i - p o i n t sv b h fi n s t r u m e n t sw i t he i g h tc y l i n d e r s 吉林工业大学的李明哲等人1 1 5 , 1 9 已经研制出了一种板料多点无模成形机，即 板料成形时是通过一系列由一个个小液压缸独立控制的、形状可实时变化的离散 单个点模来代替传统模具。它的优点在于：它是一种柔性加工技术，它可以实现 一机多用的构想，既节省模具设计与制造所需要的时间和费用，又可加速产品的 更新换代。并且从经济效益考虑，多点无模成形技术特别适用于大型板材的三维 成形。缺点是：成形大型件时只能分段成形，且存在要处理过渡区和刚性区的影 响的问题。另外它一个致命的问题是：存在控制系统过于复杂，众多控制点如何 同步协同的难题。 因此，如何更好地针对现有设备现状进行较为经济的变压边力液压控制改造 2 0 - 2 2 1 ，从而方便后续对简单拉深件( 如圆筒件、方盒件、矩形件) 及复杂汽车覆 盖件在基于多种变压边力控制模式状态下的拉深成形性能进行系统的深入研究， 并相应借助于一些显著指标参数，如板厚变化率均匀性分布情况或者极限拉深比 f 捌等来研究得到所拉深成形件的优化变压边力控制模式，将非常有意义。这也 正是本研究所要开展的工作。 目前研究拉深成形过程中变压边力控制模式的基本类型有很多种，常见的主 要有以下几种，详见图1 2 所示。 ( 1 ) 恒定型，如图- z ( a ) 所示，在整个拉深成形过程中所旌压边力大小为 一固定值，它不随主动模的行程而发生变化，是通过事先依据单位压 边力经验公式计算而求得。 ( 2 ) 阶梯型，在这当中又可分为阶梯增加型和阶梯减少型，如图1 2 f 吣。 这种阶梯型有时也被称为“多级压边力方法”，其中级与级之间压边 力值产生突变，为一不连续值。如韩丹莹等人1 2 4 j 提出了一种多级压边 力方法，即分级定压边力方法，允许拉深过程初期和中期法兰出现轻 微的起皱，而在拉深过程中、后期靠加大压边力来“消除”这种前面 产生的轻微起皱现象。多级压边力拉深方法是利用最大拉深力和防皱 压边力最大值出现的时间差来实施，即在拉深成形过程中最大拉深力 出现时刻前后适当降低压边力值，以使成形能够顺利地通过这一危险 时刻，并允许法兰区出现轻微起皱现象；而在防皱压边力最大值出现 时刻j ； 后，采用较大的压边力来抑制起皱或“消除”初期产生的轻微 皱纹。实际试验证明l ”，2 6 i ：这种阶梯型压边力值型可有效地提高成形 4 上海交通大学博上学位论文 件的质量，避免出现起皱和拉裂等缺陷的产生。 ( 3 ) 组合变化型，在这当中也可细分为斜线 型和斜线v 型，如图1 - 2 ( c ) 。 这种类型压边力变化要经过两个阶段，中间存在一个极值点。从表面 上来看，变化曲线为一连续曲线，但其在极值点处的导数不连续。 ( 4 ) 直线上升或下降型。如图1 - 2 ( d ) 所示。 p u n c hs t r o k e p t m c hs t r o k e p u n c hs t r o k e 图1 - 2 四种变压边力基本控制模式 f i g 1 - 2f o u rc o n t r o l l i n gm o d e so fv b h f p u n c hs t r o k e 然而研究发现：由于各种内在和外在影响因素的不确定性作用，无论是在实 际拉深成形生产当中，还是单单从塑性力学理论推导角度来看，上述这些基本控 制模式均得不出最优化的变压边力控制曲线。实际上，依据塑性力学理论推导， 最理想的变压边力控制曲线应为文献【2 7 】所示的抛物线型曲线，如图1 3 所示。 但在实际生产或试验研究当中，上述控制模式是行不通的。大多数研究成果验证 了应为文献 2 8 ，2 9 1 研究分析得出的可获得最大极限拉深比的近似u 型控制模式 曲线，如图1 - 4 所示。但到目前为止，有关如何定位u 型变压边力控制曲线还存 在着较多的想法和疑虑。本研究也即针对这个问题展开了深入的探讨。 翰 p u n c hs t r o k e 图1 - 3 理论理想临界最优变压边力曲线 f i g 1 3o p t i m i z e dc r i t i c a lv b h fq f v e i nt h e o r y 琵 舶 p u n c hs t r o k e 图1 4 安全变化区域内u 型变压边力试验曲线 f i g 1 4u c u r v eo fb h fw i t h i ns a f e t yb h fr e g i o n s i n t e s t 上：海交通大学博士学位论文 1 2 2 变压边力有关理论模型 由于起皱和拉裂是拉深成形中最主要的两种失稳现象，因而优化的变压边力 控制曲线应该处于临界起皱失稳和l 临界拉裂失稳两条变压边力曲线所构成的安 全区域内。在理论分析最简单的轴对称圆筒形件拉深成形时，相对而言，求解拉 裂失稳临界变压边力模型比求解起皱失稳临界变压边力模型要来得更加容易一 些，这是因为一般只需要通过分析拉深件侧壁危险处的最大极限承载能力就可得 出拉裂极限，而理论求解法兰塑性压缩失稳( 起皱) 问题时，通常为了简化计算求 得近似解答，大多情况下需采用各种前提假设条件，如平面应力、平面应变等等， 并应用能量守恒定律法则求得。一般来说，应用能量法求解，只要挠曲表面假设 适当，即使所设曲面不完全符合实际情况，也能得到比较正确的答案，且误差也 非常d d 3 0 l 。杨玉英等人p 1 j 总结出了比较常见的几个圆筒形件拉深成形法兰突缘 防皱的最小压边力公式模型，其中包括由试验方法和半理论方法得到的理论计算 公式： ( 1 ) 河合及s i e b e i 的半理论公式 ( 2 ) 福井、吉田实验公式 ( 3 ) 俄罗斯的罗曼诺夫斯基经验公式 这些经验公式或经验理论相结合的防皱压边力公式由于考虑因素比较少，如 基本上只考虑了凸、凹模尺寸因素，而排除了诸如摩擦系数、硬化系数等因素的 影响作用，因而形式较为简单，易于计算，故常常在实际生产中得到应用。但反 过来看，正是由于它们在推导过程中考虑因素较少，依据经验成分较大，故精度 比较低。后来，很多研究者都力图从理论上得到形式较为简单的防起皱压边力公 式。如：梁炳文等人1 3 0 】就采用能量法推导出了筒形件拉深时凸缘起皱的临界压 边力公式；商凯祁等人1 3 2 i 也从能量原理出发，应用二维折线式变位函数代替统 一的起皱几何模形，建立了法兰最小无皱压边力模型。km a n a b e 等人【3 3 】基于塑 性理论模型给出了各向异性板坯材料的拉裂极限公式和起皱极限力学理论计算 公式，由这两个公式可以直接近似得到b h f 可行的控制区间。m aa h m e t o g l u 和t a i t a n 等人【叫也给出了压边圈上安全的单位压边力计算公式，文中给出的公 式综合考虑了材料硬化指数n 值和拉深极限m 的影响作用。但是，所有上述这些 公式推导过程中均没有考虑摩擦的影响。赵军1 3 5 j 贝0 从能量法出发，以法兰边界 近似为单向压缩状态为假设前提条件，将板料通过法兰区域时所存在的摩擦系数 也同时考虑进去，推导出了锥形件拉深成形时法兰起皱失稳的临界变压边力公 式，因而是对文献【3 0 】的有效完善和补充，但唯一不足是没有考虑到板料的各向 异性特性。 实际上，要想非常严谨地通过塑性力学推导方法得到板料拉深成形时精确的 临界防皱变压边力公式模型是非常困难的。这是因为在推导过程中，要考虑的影 响因素太多的缘故。如果为了综合地将这些影响因素都考虑进去，而又想简化理 论推导过程，通常都要提出很多i ； 提假设条件，这也导致了到目前为止理论力学 推导对象还仅仅局限于一些较为简单的圆筒件或圆锥件，对于一些稍微复杂一点 的，如方盒件和矩形件而言，其临界变压边力理论模型推导还难以提出和展开， 更不用说一些外形更加复杂的车用覆盖部件。这些零件的拉深变压边力研究目静 还仅仅限于通过有限元数值模拟方法来展开研究。不过无论如何，从一些简单零 件的塑性理论数学模型中比较容易得到压边力与其影响因素之间的定性影响关 6 上海交通大学博上学位论文 系，这也有助于进一步认识和理解变压边力在拉深成形过程中的作用规律，进而 有助于避免在生产复杂形状冲压件时如何进行压边力设置时的盲目性。 随着计算机控制理论的迅速发展以及生产设备的日益更新，在不久的将来， 对压边力进行更为准确的随机控制将成为生产更为复杂和不规则零件时的普遍 性需求。故而在目前，遵循由简单到复杂的基本科学研究规律，得到更为精确的 简单零