（材料加工工程专业论文）板带不均匀压下面内弯曲过程失稳起皱与参数优化的研究.pdf

西北工业大学工学硕士学位论文 摘要 板带不均匀压下面内弯曲成形方法，利用材料不均匀塑性变形，可充分挖 掘材料变形潜力，是一种能够发展成为集省能、柔性、高效、精密、绿色于一 体的先进塑性加工技术。本文围绕失稳起皱和工艺参数优化这两个需要迫切 解决的问题，采用实验研究、理论解析和数值模拟相结合的方法，对这一 成形过程展开了深入的研究，得出了如下主要结果： ( 1 ) 研究发现了轧制正应力和切向正应力的分布规律：在接触面上，轧制正 应力和切向正应力沿宽度方向从外缘向内缘近似呈线性减小趋势，并分别在最 外缘和最内缘达到最大和最小值；沿轧制方向，随着变形量的增大呈先轻微增 大后逐渐减小的趋势，轧制出口处达到最小值，甚至出现拉应力；在纵向截面， 轧制正应力与切向正应力沿轧制方向随着变形量增大呈先轻微增大后减小的趋 势，沿厚度方向变化不大。研究揭示了实际加载楔角、接触变形区宽度、材料 性能参数和摩擦因子对总功率、总轧制力、平均轧制力以及轧制力距的影响规 律：实际加载楔角、接触变形区宽度和强化系数对力能参数的影响都是近似线 性增大的趋势；硬化指数增大则力能参数轻微减小；摩擦因子对力能参数的影 响不明显。 ( 2 ) 揭示了板带不均匀压下面内弯曲成形过程基于能量原理的失稳起皱机 理，提出了统一的描述内外缘起皱波形的函数，采用变分法推导了服从该波形 函数的内外缘起皱能，建立了统一的起皱预测准则；将新建立的统一的起皱预 测准则引入到数值模拟系统i b s 中，数值预测结果与实验结果的吻合较好：分 析了成形过程各参数对起皱的影响规律：随着接触变形区宽度的逐渐增大，先 是发生外缘起皱，然后发生内缘起皱，进而才出现稳定成形；随着实际加载楔 角的增大，先是发生内缘起皱，然后发生稳定成形，进而出现外缘起皱；硬化 指数和强化系数增大，易于稳定成形；摩擦因子对起皱的影响不明显；而且接 触变形区宽度对起皱的影响最大。 ( 3 ) 确定了工艺参数优化的优化目标、设计变量、约束条件，建立了工艺参 数优化的数学模型；提出了采用复合形法与黄金分割法相结合的优化方案，开 发了工艺参数优化系统，采用实验方法对工艺参数优化系统的可靠性进行了验 西北工业大学工学硕士学位论文 证。该研究为板带面内弯曲成形过程优化工艺参数确定和成形过程精确控制打 下了基础。 本文的研究成果不仅可以进一步完善板带不均匀压下面内弯曲理论与丰富 薄壁件的失稳起皱理论，而且可以为这一先进塑性加工技术的推广应用提供理 论基础，也可以为其它先进塑性加工技术研究和开发提供新思路。 关键词面内弯曲；不均匀变形；力能参数；失稳起皱；参数优化；复合形法 酉j 士些厶主兰堂堡主主售丝塞 a b s t r a c t 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 g ，m a k i n g u s eo f t h eu n e q u a ld e f o r m a t i o n ，c a nb ed e v e l o p e di n t oa i la d v a n c e dp r e c i s i o nf o r m i n gp r o c e s s 、i t hg o o df l e x i b i l i t y ，p r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y ，t o wc o n s u m p t i o n ，h i g hf o r m i n gl i m i t a n de n v i r o u m e n t a lf r i e n d l y t h ei n s t a b i l i t yw r i n k l i n ga n dt h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n a r et h ek e yp r o b l e m su r g e n t l yt ob es o l v e di nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e p r o c e s s i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，as y s t e m a t i c a la n d t h o r o u g hi n v e s t i g a t i o no n t h ew r i n k l i n g a n dt h e p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n o ft h e p r o c e s s h a sb e e nc a r r i e do u t b yu s i n g r i g i d - p l a s t i cf e m s i m u l a t i o ni nc o n j u n c t i o nw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t t h en e wa c h i e v e m e n t sm a d ea r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 1 en o r m a la n ds h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o ni sr e s e a r c h e d 谢t 1 1t h ef i n i t ee l e m e n t c o d e t h er e s u l t sa r ea st h ef o l l o w i n g ：t h en o r m a la n ds h e a rs t r e s sl i n e a r l yd i m i n i s h f r o me x t e r n a lt oi n t e r n a lo nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e p a r t a n dt h er o l l e r ，a n d r e s p e c t i v e l yr e a c hm i n i m u m a n dm a x i m u ma tt h ee x t e r n a la n di n t e m a l ；t h en o r m a la n d s h e a rs t r e s ss l i g h t l yr i s e 、v i mt h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o na l o n gt h er o l l i n gd i r e c t i o n a n dr e a c ht h em i n i m u ma tt h ee x i t ；t h en o r m a l a n ds h e a rs t r e s ss l i g h t l yr i s ew i t ht h e i n c r e a s eo fd e f o r m a t i o na l o n gt h er o l l i n gd i r e c t i o n ，w h e r e a sk e e pc o n s t a n ta l o n gt h e t 1 1 i c k n e s sd i r e c t i o no ft h el e n g t h w i s es e c t i o n t h e nt 1 1 ee 位c to ft h ef o r m i n gp a r a m e t e r s u c ha st h ec o m p r e s sw i d t h ，t h el o a d i n gw e d g e a n g l e ，t h es t r a i n h a r d e n i n ge x p o n e n t ， t h es t r e n g t hc o e f f i c i e n ta n dt h ef r i c t i o nf a c t o ro nt h et o t a lp o w e r ，t o t a lr o l l i n gf o r c e ， m o m e n ta n da v e r a g er o l l i n gf o r c ei s a n a l y z e d t h e r e s u l t sa r ea st h e f o l l o w i n g ： e n e r g e t i cp a r a m e t e r sr i s e sl i n e a r l yw i t ht h ec o m p r e s sw i d t h ，t h el o a d i n gw e d g ea n g l e a n dt h e s t r e n g t h c o e f f i c i e n t i n c r e a s e s ；e n e r g e t i cp a r a m e t e r d e c r e a s ea st h e s t r a i n - h a r d e n i n ge x p o n e n ti n c r e a s i n ga n dt h ee f f e c to f t h ef r i c t i o nf a c t o ro ne n e r g e t i c p a r a m e t e rm a y b e i g n o r e d ( 2 ) t h em e c h a n i s mo fi n s t a b i l i t yw r i n k l i n gi nt h ep r o c e s sb a s e do nm i n i m u m e n e r g yp r i n c i t l ei sr e v e a l e d ，u n i f o r m m a t h e m a t i cd e s c r i p t i o no f t h ew r i n k l i n gw a v eo n t h es t r i po f i n - p l a n eb e n d i n g i se s t a b l i s h e d ，t h ei n t e r n a la n de x t e r n a le n e r g yi sd e d u c e d b ye n e r g ym e t h o d ，a n d au n i f o r mc r i t e r i ao fi n t e r n a la n de x t e r n a l w r i n k l i n g i s e s t a b l i s h e d ；t h e nh o w t oc o m b i n et h ec r i t e r i a 、i mt h ef e ms i m u l a t i o ns y s t e mt om a k e t h en u m e r i c a lp r e d i e d o no fw r i n k l i n gi n t or e a l i t yi sa l s or e s o l v e di nt h ep a d e r t h e e f f e c t so ft h ef o r m i n gp a r a m e t e r so nt h ed e f o r m i n gr e s u l ta r ea n a l y z e db yt h eu n i f o r m p r e d i c tc r i t e r i a t h er e s u l t ss h o w a sf o l l o w s ：a st h ec o m p r e s sw i d t hi n c r e a s e ，e x t e r n a l w r i n k l i n gf i r s tc o m ei n t ob e i n g ，t h e ni n t e r n a lw i n k l i n gd o ，a n df i n a l l yi n - p l a n eb e n d o c c u r ；t h el o a d i n gw e d g ea n g l ei n c r e a s e ，i n t e r n a lw i n k l i n g f i r s tc o m ei n t ob e i n g ，t h e n i n 耍i i 王些盔主三芏鎏主主篮鎏茎 i n p l a n eb e n dd o ，a n df i n a l l ye x t e r n a lw r i n k l i n go c c u r ；i n p l a n e b e n di sp o s s i b l et o o c c b i w i t hai n c r e a s eo f t h es t r a i n - h a r d e n i n ge x p o n e n ta n d t h es t r e n g t hc o e f f i c i e n t ；a n d t h ee f f e c to f t h ef r i c t i o nf a c t o rm a yb ei g n o r e d ， ( 3 ) t h et h i n k i n go f t h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ni nt h ep r o c e s si sb o u g h tf o r w a r d ； a n dt h e nt h e o p t i m i z a t i o no b j e c t i v e ，d e s i g nv a r i a b l e ，c o n s t r a i n t c o n d i t i o na n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na r ep r o p o s e d t h es c h e m eo f c o m p l e x m e t h o dc o m b i n e dw i t ht h ef i b o n a c c im e t h o df o rt h ep r o c e s si sp r o p o s e d t h e p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nc o d ei sd e v e l o p e d t h ee x p e r i m e n t sc a r r i e do u ts h o w t h a tt h e d e v e l o p e d c o d ei sr e f i a b l e t h er e s u l tc a n l a yab a s i sf o r t h ef o r m i n g p a r a m e t e r sr a p i d l y a n d e x a c t l yb e i n gd e c i d e d a n d r e g u l a t e d t h ea c h i e v e m e n t so ft h i ss t u d ya r ei m p o r t a n tt of u r t h e rd e v e l o p i n gt h eu n e q u a l d e f o r m a t i o n t h e o r y ，a n d t h e p l a s t i cw r i n k l i n gt h e o r y o ft h i n w a l l c o m p o n e n t f u r t h e r m o r e ，i tl a y sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rg e n e r a l i z a t i o na n d i n d u s t r i a l i z a t i o no f t h i sp r o c e s s ，a l s oo f f e r san e wi d e at ot h er & do ft h ea d v a n c e dp l a s t i cp r o c e s s i n g t e c h n o l o g i e s k e y w o r d si n - p l a n eb e n d i n g ，u n e q u a ld e f o r m a t i o n ，e n e r g e t i cp a r a m e t e r ，w r i n k l i n g ， p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，c o m p l e x m e t h o d - - i v 西北工业大学工学硕士学位论文 本文的主要创新与贡献 ( 1 ) 采用本实验室自主开发的刚塑性有限元系统i b s 对板带不均匀压下面 内弯曲成形过程力能参数进行了系统的研究，发现了轧制正应力和切向正应力 的分布规律；揭示了实际加载楔角、接触变形区宽度、材料性能参数( 硬化指数 和强化系数) 和摩擦因子对总功率、总轧制力、平均轧制力以及轧制力矩的影响 规律。该研究为板带不均匀压下面内弯曲成形装置改进、工艺参数优化和精确 控制提供了依据。 ( 2 ) 揭示了板带不均匀压下面内弯曲成形过程基于能量原理的失稳起皱机 理，提出了统一的描述内外缘起皱波形的函数；采用变分法推导了服从该波形 函数的内外缘起皱能，建立了统一的起皱预测准则；将新建立的统一的起皱预 测准则引入到数值模拟系统i b s 中，其数值预测结果与实验结果吻合较好；分 析了成形过程参数对起皱的影响规律。该研究为成形极限的确定和工艺参数的 确定与优化提供了依据。 ( 3 ) 确定了工艺参数优化的优化目标、设计变量、约束条件，建立了求解 的数学模型；提出了采用复合形法与黄金分割法相结合的优化方案：开发了工 艺参数优化系统，对工艺参数优化系统的可靠性进行了实验验证。该研究为板 带不均匀压下面内弯曲成形过程优化工艺参数的确定和成形过程的精确控制打 下了基础。 一v 西北工业大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 面向2 1 世纪，先进塑性加工技术正向着高质量、高柔性、低能耗、高精密、 轻量化的方向发展。具有上述特点的先进塑性加工新技术和新工艺对于提高产 品质量、缩短产品开发周期、减少或免除切削加工、降低成本、节省原材料等 方面有着重要的意义，是当今先进制造技术的一个重要发展方向h 4 l 。金属板带 不均匀压下面内弯曲成形技术f 6 ，7 正是一种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成形方法。该方法通过主动逾控制材料不 均匀压缩塑性变形来产生面内弯曲，其实质是板带受到宽向单调不均匀压缩， 在长度方向产生单调不均匀伸长，不均匀交形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与传统塑性弯曲的变形方式和变形条件 不同，具有以下显著优点：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：成形过程整个变形区几乎都处在三向压 应力状态，这有利于充分发挥材料的变形潜力，材料的成形极限大大地提高； 利用这种成形方法可获得无需加工或少加工的几乎无弹复的面内弯曲圆环 件，成形精度高，可实现精确成形；板料的变形方式为连续的局部加载变形， 变形力小，因而具有节能的特点；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，缩短产品的生产周期， 若借助其它辅助装置则可以高效地成形复杂的叶片，因而成形柔性程度高： 可以避免传统冲裁原材料的浪费，可实现绿色制造。 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、小直径轻型法兰、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、少无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。 本章介绍了板带不均匀压下面内弯曲成形技术的研究现状；综述了该成形 技术研究中力能参数、失稳起皱和参数优化的主要研究方法、研究成果以及存 在的问题；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 和采用的研究方法。 1 2 文献综述 1 2 1 板带不均匀压下面内弯曲成形技术的发展概况 不均匀压下面内弯曲成形过程，最早由前苏联学者h m 巴甫洛夫在上世纪 3 0 年代提出，并利用其塑性变形不均匀的特性辗轧成形螺旋叶片。后经茹拉列 夫完善，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1 7 j ，如图1 1a ) 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 - 1b ) 所示。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，出辊缝时由于滚弯形成螺距而成形螺旋叶片。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。 蛐 a )b ) 图1 1 楔形辗轧轧辊示意图 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 f i g 1 - 1s c h e m a t i c v 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 e r o i l i n g ： a 1t h es y m m e t r i c a l a r r a n g e m e n t o f t w o c 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 lm i l e ra n da n o t h e rc o n i c a lr o l l e r 上述成形过程的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 西北工业大学工学硕士学位论文 量的试验研究，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。 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 eo f i n p l a n eb e n d i n gb yw e d g er o l l i n g 对于金属板带面内弯曲成形，日本学者做了大量的研究工作。1 9 8 4 年，山 田收等人提出了边缘轧制弯曲法1 8 , 9 1 来生产热交换器用的螺旋叶片。其实质是利 用一个圆柱型轧辊和一个圆盘型轧辊形成楔形辊缝，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，其主要类型为板料面内弯曲成形，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 8 ，9 】指出该成形方式有着高效、省材、成形质量好及可以提高弯曲成 形极限等特点。文献d 0 - 1 2 对这一成形方式作了较系统的试验研究。在试验结 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 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 c v i e wo f t h eb a s i ci d e a o f b e n d i n gm e t h o df o rs h a p e db e a mb y c o m b i n e dr o l l i n g ：1 ，2 ，3 t h et h r e e d i f f e r e n tr o l l e r s 图1 4 局部增量锻造法成 形过程示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cv i e w o f t h ep r i n c i p l eo f i n t e r m i t t e n t p a r t i a lf o r g i n g 西北工业大学工学硕士学位论文 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后张力可 以减少或消除圆环外缘起皱，从而提高成形极限；得出了轧辊速度、润滑条件、 轧制力及后张力对成形圆环弯曲半径的影响规律试验曲线。 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 i ”，如图1 - 4 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弯曲。中村敬一通过试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 - 5 两步辗轧弯曲成形示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i c v i e wo f t h e p 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 图1 6t 型剖面铝板面内弯曲成形示意图 f i g 卜6s 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 9 9 4 年，渡边忍提出了两步辗轧面内弯曲成形获得等截面面内弯曲件【l 4 】， 如图1 5 所示。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，以便板带出口后长 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。渡边忍通过试验研究方法获得了过程参 数与圆环半径间的经验曲线。但是此成形装置比较复杂，不易于推广应用。 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实现成形横断面为t 型的铝板圆环零件【l “，如图1 - 6 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，并基于试 验研究得出了变形区各参数对弯曲半径的影响规律曲线。 由英国l e n h a m 公司和m a t c 0 公司首先提出来锥辊异面楔形辗轧成形 f | 茸北工业大学工学硕士学位论文 图1 - 7 锥辊异面楔形辗轧成形示意图 f i g 1 - 7s c h e m a t i c v i e wo f t h e c o l dr o l l i n go f s p i r a lm g h tw i t ht h ea x e so f t h et w oc o n i c a l r o l l e r si nd i f f e r e n tp l a n e s 生产螺旋叶片1 7 l ，如图1 7 所示，这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。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国，目前都用此 法生产螺旋叶片。在国内，文献【7 ，1 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。 从前面论述中可看出，国外学者对不均匀压下面内弯曲成形过程的研究已 作了许多研究工作，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间的关系，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，因而其结果都只侧重于 定性的指导其成形过程。在国内，西北工业大学学者对该成形术做了大量的研 究工作，通过试验和解析以及数值模拟相结合的方法进步定量地对该成形过 程进行了研究。为了进一步研究复杂不均匀压下面内弯曲成形方式的成形规律 和失稳规律，西北工业大学学者提出了利用一对对称共面布置的锥辊形成楔形 辊缝实现的不均匀压下面内弯曲成形方法，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，纵向产生单调不均匀伸长，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。这一成形方式相对容 易使变形边界条件匹配，面内弯曲成形质量好，而且能够充分反映复杂不均匀 压下面内弯曲技术的成形规律。 西北工业大学工学硕士学位论文 西北工业大学学者提出从锥辊共面实现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，针对国内外对该研究所存在的问题， 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 1 8 - 3 0 。考虑到不均匀压下面内弯曲成形过程的复杂性及研 究的相对不成熟性，采用有限元数值模拟、理论解析与实验研究有机结合并互 补的研究方法来研究这一过程。 文献 1 8 1 为把该成形过程发展成为一种省能、柔性、高效、精密的成形技术， 自行设计了实现金属板带不均匀压下面内弯曲过程的模拟装置；此外，对成形 机理作了初步分析，并应用不同材料通过试验分析了该成形方法对材料的适应 性。 文献 1 9 ，2 0 根据不均匀塑性变形条件及塑性理论揭示出这一成形方式的成 形机理：通过不均匀变形协调作用来实现的，该协调作用是一个渐进的积累过 程；提出了利用不均匀变形协调系数c l ，c 2 ，c n 来描述板带宽度方向上各 点对形成圆环的贡献大小。令人遗憾的是，作者尚未给出这些系数的具体值。 文献 2 1 ，2 2 作了进一步的研究工作，得出了成形过程的影响参数，运用正 交试验得出了影响参数的主次。在此基础上，开发了有限元数值摸拟系统 c o n i c a l - l ，可根据过程参数预估弯曲半径，但该系统的计算精度差，对过程参 数的适应范围窄。文献 2 3 】对c o n i c a l 1 模拟系统进行了发展，开发了可用于模 拟稳定成形过程的有限元分析系统c o n i c a l 2 ；在此基础上，给出了不均匀变形 协调机理的定量描述，求出了不均匀变形协调系数c i 值；并对过程参数的影响 规律进行了系统分析；利用该系统模拟计算了成形过程中的材料流动速度分布 和等效应变速率的分布规律，指出该系统可以计算力能参数，但并没有系统的 分析力能参数的规律；此外，对失稳形式进行了初步探索，解释了产生三种失 稳形式的原因。然而，c o n i c a l 一2 模拟系统在对成形过程中的失稳起皱与成形极 限的研究方面，存在着计算效率低、系统界面不友好、不具备研究失稳起皱规 律与分析成形极限的不足。 文献 2 2 2 7 通过实验研究，发现了三种特有的失稳形式一外缘起皱、空间 扭曲、内缘起皱，它们决定了这过程的成形极限，是这一先进塑性加工过程 研究和发展中迫切需要解决的关键问题。文献 2 8 】在此基础上，对这一过程的外 缘起皱与内缘起皱机理以及成形极限进行了系统深入的研究，针对不同起皱形 式分别建立了预测公式，揭示了过程参数对起皱的影响规律，提出了基于失稳 6 西北工业大学工学硕士学位论文 起皱的工艺参数优化方案，并在c o m c a l 一2 的基础上开发了可预测失稳起皱和分 析成形极限的板带不均匀压下面内弯曲过程刚塑性有限元数值模拟系统i b s 。 利用弯矩法求解外缘起皱预测模型依然存在外缘起皱与内缘起皱预测不准的问 题，外缘起皱的区域过大；建立内缘起皱模型过程中，提出的描述内缘起皱的 波形函数物理意义不明确且待定参数难以求解；提出了基于成形极限和内缘起 皱预测准则的工艺参数优化方案，但没有提出具体设计变量的选取、约束条件 以及优化数学模型，未能最终实现参数优化系统的开发。 文献【2 9 在对内缘起皱研究的基础上，提出了物理意义更加明确的波形函数 的改进模型，并用能量法建立了内缘起皱预测准则，分析了各参数对内缘起皱 的影响，提出了成形极限的确定方法，并开发了工艺参数确定程序。然而对于 起皱没有建立一个统一的预测准则，而且所确定的工艺参数并不是最优工艺参 数，因而要实现成形结果参数与过程工艺参数之间精确的定量关系，还需进一 步对失稳起皱研究的基础上进行工艺参数合理优化的研究。 综上所述，国内外学者对于面内弯曲成形过程的成形机理、参数影响规律 和失稳起皱以及模拟装置等方面做了大量的研究工作，然而对力能参数，失稳 起皱和工艺参数优化的研究尚有不足之处，还须进一步深入地研究推动该成形 技术的完善和发展。 1 2 2 板带不均匀压下面内弯曲过程力能参数的研究现状 力能参数的研究一直都是塑性加工领域中一个重要的研究课题，其大小不 仅关系到设备的选择和工艺的实现，而且影响成形零件的质量。 在板带不均匀压下面内弯曲成形中，轧制力和力矩的大小影响着锥辊挠度 的大小，进而会影响到实际加载楔角的大小，最终影响到板带的成形半径，如 文献 3 0 推导了不均匀压下面内弯曲模拟装置辊缝变化预测模型，该模型建立 的关键是精确求解锥辊上的载荷集度，即接触面上轧制单位压力大小影响初始 加载楔角与实际加载楔角的偏差，最终影响成形件的形状和尺寸精度。锥辊轴 强度和刚度、电机容量的确定都取决于轧制总功率、轧制力和轧制力距这三个 参数值的大小，这些参数还是控制系统、预紧装置、调整装置、传动系统( 减速 器，万向节，齿轮和联轴节) 设计和强度校核的重要依据。同时力能参数的研究 还是工艺参数优化、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 西北工业大学工学硕士学位论文 择与校核的重要依据。因而对总轧制功率、轧制力、平均轧制力、轧制力矩规 律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 数选择的提供依据，也是成形过程最佳工艺参数研究不可缺少的条件。 文献 1 6 利用主应力法建立了两种简化解析压力模型，可以求解面内弯曲 成形过程的力能参数，但是推导过程中采用了过多的简化，且各参数不易直接 求出。 文献 2 l ，2 7 ，2 8 提出了用数值模拟的方法快速准确地求解轧制变形功率及 轧制力矩，但是应力分布的规律和各参数的影响规律没有研究，也没有给出最 佳的力能参数，因而还需对力能参数进行系统的研究。 综上所述，接触面和纵向截面轧制应力的分布规律以及各参数对轧制总功 率、总轧制力、平均轧制力和轧制力矩影响规律的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，而且还为成形件的尺寸精度控制打下 基础，因而本文采用本实验室自主开发的有限元模拟系统l b s 对力能参数做系统 深入的研究。 1 2 3 板带不均匀压下面内弯曲过程失穗起皱的研究现状 1 2 3 i 薄壁件失稳起皱的研究现状薄壁件，主要是指以板料、管材或型材为 毛坯的零件，其成形过程是先进塑性加工技术的重要组成部分。板带不均匀压 下面内弯曲过程属于薄壁件塑性成形的范畴。起皱是薄壁件成形过程中决定成 形极限最主要的缺陷之一。薄壁件失稳起皱，如图1 8 所示，严重影响着零件 套上习， 蟛 图1 8 薄壁零件成形过程中典型的起皱现象 a ) 拉深过程中的法兰起皱；b ) 型材弯曲过程中的起皱；c ) 管弯曲过程中的起皱 f i g 1 - 8s c h e m a t i cd r a w i n go ft y p i c a lw r i n k l i n gp h e n o m e n ai nt 1 1 i n - w a l l e dp a r tf o r m i n g p r o c e s s e s ：a ) f l a n g ew r i n k l i n gi nd e e p d r a w i n gp r o c e s s ；b ) w r i n k l i n gi ns h a p es t e e lb e n d i n g p r o c e s s ；c ) w r i n k l i n gi nt u b eb e n d i n gp r o c e s s 的形状、质量、精度及模具的寿命。随着零件的轻量化【3 ”及其精度要求的提高， 起皱的预测与控制在薄壁零件塑性成形领域显得愈来愈重要。 对于预测薄壁件失稳起皱的研究，国内外学者进行了广泛的研究。 早在1 9 2 8 年，g e c k e l e r i j 2 j 开创了薄壁零件成形过程中起皱现象研究的先河。 他研究了拉深过程中没有压边力的法兰起皱现象，得出了用于计算临界压应力 与临界波数的近似公式。然而，直到2 0 世纪7 0 年代晚期，对于起皱的研究没 有明显的进展，可能有两个原因：研究者更注重破裂失稳的研究；失稳起皱的 复杂性导致研究的高难度。在1 9 8 0 年，y o s h i d a 3 3 】提出了玎试验( y b t - y o s h i d a b u c k l i n gt e s t ) ，推动了全世界对起皱研究的高潮。到8 0 年代末期，以有限元法 为代表的数值模拟方法被应用到起皱的研究中。随着有限元方法与计算机技术 的迅速发展，到9 0 年代，有限元法变成了研究起皱行为的最主要工具。从1 9 2 8 年到现在，发表了大量以起皱为研究主题的文献。 起皱可能与分叉点有联系。分叉点是当板料面内压应力达到临界压应力时， 从面内变形开始分叉到发生面外弯曲变形的点。对于具体的成形过程，起皱点 可以通过基于试验的经验方法、能量法和h i l l 的分叉理论等方法求得。 在起皱研究的早期阶段，预测起皱的方法主要是基于试验的经验方法。试 验在探索起皱的主要影响因素及起皱的形成与消除过程中起着重要的作用。本 质上，它是一种寻求逐步逼近工作压应力等于l | 缶界压应力时的未知工艺参数的 方法。例如，文献【3 4 】通过大量试验研究了剪应力下的起皱现象。上面提到的 y o s h i d a 起皱试验曾经作为一种决定板料变形趋势的方法而受到高度重视。但实 践证明y b t 与类似的经验方法不是有效的起皱预报方法。对于简单的成形过程， 试验方法可能获得较好的结果；但对于复杂的成形过程，试验不是很有效。另 外，试验方法有成本高、精度低及效率低等不足之处。但对于一些尚未进行深 入研究的成形过程，它是一种必不可少的方法。 通常，没有理论指导的纯试验方法难以获得起皱点，因此在试验前一般要 进行理论分析。一种高效率追踪起皱点的试验方法的步骤可概述为：分析起 皱抵抗能力的影响参数及影响规律；分析引起起皱的压应力的影响参数及影 响规律；根据这些参数及规律，设计试验方案，进行试验。 在1 9 5 6 年，s e n i 0 9 3 5 】提出了能量法，为随后对诸如拉深过程的法兰起皱 3 6 - 4 6 与侧壁起皱【47 j 等起皱问题临界条件的研究提供了一种重要的方法。s e n i o r 用能 量法求解了g e c k e l e r 研究的起皱问题，提出了较为精确的起皱临界压应力计算 西北工业大学工学硕士学位论文 公式。y u 与j o h n s o n 3 6 1 基于二维起皱模型成功地求解了拉深过程法兰起皱的临 界条件，使先前的有关结果成为他们解的特殊情况。y o s s i f o n 口7 】进一步求解了液 压拉深过程中起皱的临界条件。一年后，他们研究了用液压压边的液压拉深过 程中法兰起皱的抑制1 3 ”。胡世光等【3 9 1 用二维起皱模型与能量方法获得了拉深过 程中的最小无皱压边力，并且进一步获得了考虑硬化与各向异性的起皱规律。 最近，c a o 与w a n g 4 4 。4 7 1 在试图提供一个用于评价复杂成形过程失稳起皱的通用 工具方面作出了努力。除了预测法兰起皱与直壁起皱外，能量法也被广泛应用 于预测管成形过程中的起皱，m y o s h i d a 4 8 】求解矩形管弯曲过程中起皱的临界压 应力便是一个典型的例子。 基于能量法的预测方法在预测起皱临界条件方面是可靠适用的，是求解薄 板弯曲和稳定问题的有效方法。它实际上是试验、解析、数值分析相结合的方 法，便于研究各个影响因素对起皱的影响。能量法不仅较简单，计算效率较高， 更适合实际应用。基于能量法的预测方法常用于自行开发的专用有限元软件。 在1 9 5 8 年，h i l l 提出了弹塑性材料唯一性的充分性条件 4 9 】，为起皱的研究 提供了另外一种重要的方法，特别是为跟踪后续起皱行为( p o s t b u c k l i n g b e h a v i o r ) 提供了一种强有力的手段。在该理论中，认为开始发生起皱的点是从 基本平衡路径发生分叉的点。h u t c h i s o n 5 0 】进一步细化了h i l l 的分叉理论，获得 了用于薄板与薄壳的分叉理论，其早期的应用是t r i a n t a f y