（材料加工工程专业论文）金属板料渐进成形过程的数值模拟.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所是交的学位论文是我个人在导师指导+ f 进行的研究j r 作及取得的研究成果。尽我所知，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 得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：毒卧日期：j 巴坦卿 东南大学学位论文使用授权声明 东南火学、中国科学技术信息研究所、国家图： 弓馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南入学研究生院办理。 i 研究生签名：狲导师 期2 口 摘要 金属板料渐进成形过程的数值模拟 研究生：蒋松 导师：高锦张副教授 学校：东南大学 摘要 板料渐进成形是一种通过数控程序控制成形工具按照设定的路径进行连续的逐层加 工，利用变形累积，获得制件最终形状的板料成形新工艺。它具有无需专用模具、成形 极限大、加工柔性高、自动化程度高等优点，特别适合新品丌发及单件或小批量的生产。 采用数值模拟方法可以获得会属成形过程各个阶段的应力、应变、余属流动情况、厚度 分布等难以通过实验得到的数据是金属塑性成形工艺研究的重要手段。 基于a n s y s l s d y n a 分析平台建立成形过程的有限元系统：根据渐进成形特点抽 象出成形系统的有限元模型；将成形工具复杂的空间运动分解成x 轴、y 轴和z 轴三 个方向的线性运动，完成a n s y s l s d y n a 系统下成形运动的加载。通过模拟结果与 实验结果的对比，对有限元模型中材料模型及摩擦参数进行选择：对网格尺寸及虚拟成 形速度进行调整，在不失模拟精度的前提下极大的提高了成形模拟效率。通过对模拟结 果与试验结果的壁厚分布情况、开裂、下沉现象的比较，证明了模拟结果的可信性。 通过对不同成形角圆锥台件的单道次渐进成形模拟，分析了成形后制件壁厚分布情 况与正弦定理预测值之间的关系，并从节点运动角度对单道次成形过程中薄壁区域可能 的影响因素进行了讨论。对多道次渐进成形过程不同成形方式对制件壁厚分布的影响及 多道次成形过程中节点的运动情况进行了分析；并从节点运动角度研究了多道次成形过 程中下沉现象产生的原因及道次间央角、工具头直径及z 轴进给量三个要素对下沉量的 影响情况，并提出解决下沉现象的方法。 本文以成形性和壁厚均匀性为目标探讨半球形制件成形路径的设计原则，通过模拟 优化成形方案并通过实验得以验证。以成功的半球形制件成形路径为基础，对路径几何 参数、成形工具几何参数、进给量进行同比缩放，通过模拟验证了壁厚分布均匀及路径 参数化的可行性。 关键词：渐进成形，有限元，材料模型，路径加载，正弦定律，下沉现象，壁厚分布， 缩放 a b s t r a c t n u m e r i c a lsi m u l a t io nfo r i n c i 之e m e n t a lsh e e tm e l a lfo r m i n g p r o c e s s b yj i a n gs o n g s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rg a oj i n - z h a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ei n c r e m e n t a ls h e e tf o r m i n gi san e ws h e e tf o r m i n gp r o c e s s i nw h i c hs h e e tm a t e li s f o r m e dl a y e rb yl a y e rt h r o u g ht h ei n c r e m e n t a lo fc o n t i n u o u sl o c a lp a s t i cf o r m i n gu n d e rt h e c o n t r o lo fp r o g r a m m e dt o o l p a t h t h ep r o c e s si ss u i t a b l ef o rn e w p r o d u c td e v e l o p m e n t ，s i n g l e p a r ta n ds m a l lq u a n t i t yp r o d u c t i o nw i t hi t sa d v a n t a g e so fn os p e c i a l d i e ，l a r g ef o r m i n g l i m i t a t i o n ，h i g hp r o c e s sf l e x i b i l y a n dh i g ha u t o m a t i z a t i o n s t e s sd i s t r i b u t i o i n s t r a i n d i s t r i b u t i o n ，m e t a lf l o wc o n d i t i o n ，t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni ne v e r ys t a g eo ft h ef o r m i n gp r o c e s s w h i c hc a n tb ea b t a i n e df r o me x p e r i m e n tc a nb ea b t a i n e d b ym e a n so f n u m e r i a c a l s i m u l a t i o n t h i si sa ni m p o r t a n tw a yt os t u d yp l a s t i cf o r m i n gp r o c e s so fm e t a l t h ef i n i t ee l e m e n ts y s t e r mo ft h es i m u l a t o nf o ri n c r e m e n t a ls h e e tf o r m i n gi sb u i l tb a s e d o na n s y s l s - d y n ap l a t f o r m t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i se s t a b l i s h e dt h r o u g hs t u d y i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ef o r m i n gp r o c e s s t 0 0 1 p a t ho ft h ef o r m i n gp r o c e s si sl o a d e di n t o a n sy s l s - d y n as y s t e r mt h o u g hd i v i d i n gt h ec o m p l e xs p a c em o t i o ni n t ol i n e rm o t i o n si n xa x i s ，ya x i sa n dza i x sd i r c t i o n m a t e r i a lm o d e la n df r i c t i o nf a c t o ra r es e l e c t e d b y c o m p a r i n gt h er e s u l t sb e t w e e ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t f o r m i n gs i m u l a t i o ne f 五c e n c yi s i m p r o v e dg r e a t l yu n d e rt h ec o n d i t i o no fn o tl o s e i n gs i m u l a t i o np r e c i s i o nt h r o u g ht h e m o d i f i c a t i o no fm e s hs i z ea n dv i r t u a lf o r m i n gv e l o c i t y c r e d i t a b i l i t yo fs i m u l a t i o nr e s u l ti s d e m o n s t r a t e db ym e a n so fc o m p a r i n gt h et h i c k n e s sd i s t m i t i o n ，c r a c ka n ds u b s i d e n c eb e t w e e n s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h er e l a t i o no ft h i c k n e s sd i s t r _ j 【b u t i u o nb e t w e e ns i m u l a t i o na n ds i n s 1 a wp r e d i c t i o ni s a n a l y s i s e dt h o u g ht h es i m u l a t i o no fs i n g l es t a g ef o r m i n gf o rc i r c u l a rt r u n c a t e dc o n ew i t h d i f f e r e n tf o r m i n ga n g l e a n dt h ep a r a m e t e rw h i c hm a ya f f e c tt h et h i na r e ai nt h es i n g l es t a g e f o r m i n gp r o c e s si sd i s c u s s e df r o mt h en o d em o t i o na s p e c t t h ea f f e c t i o no ff o r m i n gs t y l et o t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no fw o r k p i e c ea n dn o d em o v i n gc o n d i t i o ni nt h e m u l t i p l es t a g e s l n c r e m e n t a l f o r m i n gp r o c e s si sa n a l y s i s e d r e a s e r c h i n gt h er e a s o no fs u b s i d e n c ei nt h e m u l t i p l es t a g e sl n c r e a m e n t a lf o r m i n gp r o c e s so nt h ea s p e c to fn o d em o t i o na n da f f e c t i o no f a n g l eb e t w e e np a t h ，t o o ld i a m e t e r , f e e dr a t ei nza x i sd i r e c t i o nt os u b s i d e n c e a n dt h em e t h o d o f d e a l i n gw i t hs u b s i d e n c ei sd e v e l o p e d d i s c u s s i n gp r i n c i p l eo ft o o l p a t hd e s i g n i n gf o rah e m i s p h e r eo nt h eg o a lo ff o r m a b i l i t y a n du n i f o r mt h i c k n e s s ，o p t i m i z a t i o no ft o o l - p a t h si sm a d ef r o ms i m u l a t i o na n dd e m o n s t r a t e d b ye x p e r i m e n t m a k i n gt h es u c c e s s f u lt o o l - p a t ho ft h eh e m i s p h e r ea sab a s e a n ds c a l i n gt h e g e o m e t r yp a r a m e t e ro ft o o l p a t ha n df o r m i n gt o o l ，f e e dr a t e ，o fw h i c hd e m o n s t r a t et h e i i k e y w o r d ：i n c r e m e n t a lf o r m i n g ，f i n i t ee l e m e n t ，m a t e r i a lm o d l e ，l o a d i n go f t 0 0 1 p a t h ，l a wo f s i n s ，s u b s i d e n c e ，t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ，s c a l e i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j 录1 1 i r 第1 章绪论1 1 1 课题的来源和意义1 1 1 1 课题的研究意义1 1 1 2 课题的来源1 1 2 无模成形技术的发展l 1 2 1 喷丸成形2 1 2 2 成形锤渐进成形2 1 2 3 多点成形2 1 2 4 激光成形3 1 2 5 旋压成形3 1 2 6 c n c 高压水射成形3 1 。2 。7 板料渐进成形4 1 3 板料渐进成形工艺国内外研究现状5 1 4 板料成形的数值模拟技术6 1 5 板料渐进成形过程的数值模拟现状7 1 6 课题主要内容7 1 7 本章小结8 第2 章板料渐进成形系统介绍9 2 1 成形机床介绍9 2 2 板料支撑固定装置1 0 2 3 板料渐进成形工具1 0 2 4 板料渐进成形实验用板料1 1 2 5 板料变形分析方法l1 2 6 c a m 软件选择l3 2 7 本章小结15 第3 章板料渐进成形过程有限元模型建立1 6 3 1 材料力学性能的测定1 6 3 1 1 厚向异性指数测定1 6 3 1 2 应变硬化指数和应变硬化系数测定1 7 3 1 3 屈服极限的测定1 8 3 1 4 弹性模量的测量1 9 3 1 5 切线模量的测定2 0 3 2 分析平台选择2 3 3 2 1 算法选择2 3 3 2 2 有限元分析平台的选择2 3 3 3 显式有限元方法基本原理2 4 3 3 1 增量运动方程的表示形式与有限元离散方程2 4 目录 3 3 2 本构关系。2 6 3 3 3 中心差分法2 6 3 3 4 中心差分法的稳定条件2 7 3 4 有限元模型的建立2 9 3 4 1 板料渐进成形机理分析2 9 3 4 2 单元选择3 0 3 4 3 实常数定义3 1 3 4 4 材料模型3 2 3 4 5 网格戈0 分3 3 3 4 6 接触处理3 4 3 4 7 接触面摩擦处理3 5 3 4 8 成形路径加载：。3 6 3 5 关键模型参数的确定3 8 3 5 1 材料模型及摩擦系数的确定3 9 3 5 2 网格尺寸确定4 2 3 5 3 虚拟成形速度确定4 4 3 6 有限元模型的可信性研究4 5 3 6 1 单道次成形的验证4 5 3 6 2 多道次成形的验证4 6 3 7 本章小结4 8 第4 章板料渐进成形规律的模拟研究4 9 4 1 单道次渐进成形规律模拟研究4 9 4 1 1 单道次渐进成形壁厚分布规律研究4 9 4 1 2 薄壁区域影响因素研究5 2 4 2 多道次渐进成形规律模拟研究5 4 4 2 1 自上而下成形方式研究5 4 4 2 2 自下而上成形方式研究5 8 4 2 3 z 轴进给量对壁厚分布的影响6 1 4 2 4 两种成形方式对壁厚分布影响比较6 2 4 3 下沉现象研究：6 2 4 3 1 下沉量影响因素的模拟分析6 4 4 3 2 避免下沉现象的方法6 5 4 4 。本章小结6 6 第5 章半球形制件成形6 7 5 1 目标制件6 7 5 2 路径设计6 7 5 2 1 两道次成形6 8 5 2 2 三道次成形6 9 5 2 3 四道次成形7 0 5 3 路径缩放7 2 5 4 本章小结7 3 第6 章总结与展望7 4 6 1 结 仑7 4 6 2 展望7 4 致谢7 5 参考文献7 6 v v i 第一章绪论 1 1 课题的来源和意义 1 1 1 课题的研究意义 第l 章绪论 随着制造业的发展，金属板料成形件的需求越来越大。特别是航空航天、汽车、船 舶等行业，板料成形件在产品外观零件中占有较大比例。传统板料成形方法中，模具成 形方法由于其适应性广、生产效率高、适合大批量生产等优点，在板料成形行业占据主 导地位。但由于模具成本高加之模具设计制造过程周期较长，使其不能适用于小批量、 多品种的生产情况。这就对塑性成形方法的柔性提出较高要求。提高塑性成形方法柔性 有两种途径i l j ，一是从成形设备的运动功能上着手，例如多动多向压力机、快速换模系 统及数控系统；二是从成形方法上着手，在成形过程中摆脱模具的限制，即无模成形技 术。 金属板料渐进成形是无模成形工艺的一种，是一种柔性的板料数控成形技术。与传 统的板料成形方法不同，它在成形中不需要模具，而且板料具有更高的成形性能，可以 在局部区域内成形出常规成形方法无法成形的复杂曲面形状。同时，由于局部成形所需 要的成形力小，设备能耗低，会属板料渐进成形属于绿色加工范畴。 板料渐进成形技术由于其潜在巨大优越性，受到各国学者的广泛关注。但板料渐进 成形技术目前仍处于实验室研究阶段，对成形机理的分析主要是通过物理实验的方法， 即在实验结束后从金属宏观位移的角度展开研究。这使得对板料成形过程中金属如何流 动、应力、应变如何分布不能做出进一步的研究。通过数值模拟方法获得成形过程中各 个阶段各个部位的应力、应变等难以由物理实验获得的数据，为更加深入的研究板料渐 进成形的变形规律有重要意义。 1 1 2 课题的来源 本课题是东南大学材料科学与工程学院塑性加工课题组和南京工程学院材料工程学 院的合作项目，是先进数控技术江苏省高校重点建设实验室开放基会项目“金属板料的 渐进成形的关键技术研究”的重要组成部分。 1 2 无模成形技术的发展 为了克服模具成形的不足，节约模具制造费用及时间，适应新产品的丌发及小批量 生产的要求，出现了一些新型的板料成形工艺：喷丸成形、成形锤渐进成形、无模多点 成形、激光成形、旋压成形、c n c 高压水喷射成形、板料渐进成形。 金属板料无模成形技术是指通过非模具的成形工具使板料发生塑性变形，得到所需 制件的成形方法。从成形轨迹的空间分布特点来看，金属板料无模成形技术可以分为离 散点击成形和连续碾压成形1 2 j 。其中，喷丸成形、成形锤渐进成形、多点成形、激光成 形属于离散点击成形方法，而旋压成形、c n c 高压水射成形和金属板料渐进成形属于 连续碾压成形工艺。 东南人学硕j ：学位论文 1 2 1 喷丸成形 喷丸成形是利用高速金属弹丸冲击金属板材表面，使受撞击表面及其下层金属产生 塑性变形而延伸( 如图1 1 所示) ，从而使板材产生向受喷面突起的弯曲变形而达到所需 外形的一种成形方法。喷丸成形的方法有：预应力喷丸技术、数字化喷丸技术、新型喷 丸成形技术( 双面喷丸成形技术、激光喷丸成形技术、超声喷丸成形技术、高压水喷丸 成形技术) 【3 一。 ( a ) 喷丸成形变形过程( b ) 残余应力情况 图l - 1 喷丸成形基本原理 喷丸成形技术目前主要应用于航空航天领域，其主要特点是：工艺装备简单，不需 要成形模具，对零件尺寸的大小适应性较强；既可以成形单曲率零件，也可以成形复杂 双曲率零件。但该方法成形机理十分复杂，影响成形过程的因素较多，使得喷丸成形工 艺参数的选择仍要依靠庞大的实验数据库和操作经验，耗时费资。 1 2 2 成形锤渐进成形 成形锤成形是将盒属板料放置于刚性冲头和弹性橡胶模之间，通过不断的锤击对板 料各区域分别进行局部成形，逐步成形为所需形状的零件加工工艺如图1 2 所示。成形 锤渐进成形方法简单、成形速度较快，但是只能成形形状比较简单的工件，而且成形后 留下大量的锤击压痕点，影响制品的表面质量，因而还必须进行后续处理。 1 2 3 多点成形 多点成形是由一系列规则排列的、高度可调的基本体( 或称冲头) 组成的阵列形成离 散曲面来代替传统的模具进行板料三维曲面成形的柔性加工技术1 6 叫j ，如图1 3 所示。多 点成形可分为多点模具、多点压机、半多点模具及半多点压机等四种有代表性的成形方 式，其中多点模具与多点压机成形是最基本的成形方式p 】。多点模具成形时首先按所要 成形的零件的几何形状，调整各基本体的坐标位置，构造出多点成形面，然后按这一固 定的多点模具形状成形板料。成形面在板料成形过程中保持不变，各基本体之徊j 无相对 运动。多点压机成形是通过实时控制各基本体的运动，形成随时变化的瞬时成形面。因 其成形面不断变化，在成形过程中，各基本体之间存在相对运动。在这种成形方式中， 从成形开始到成形结束，上、下所有基本体始终与板料接触，央持板料进行成形。这种 成形方式能实现板料的最优变形路径成形，消除成形缺陷，提高板材的成形能力。这是 一种理想的板料成形方法，极大提高了加工柔性 1 0 - 1 5 ，但要实现这种成形方式，压力机 必须具有实时精确控制各基本体运动的功能。无模多点成形虽然初步实现了无模成形， 但仍存在以下缺点：( 1 ) 该技术是将基本体( 或称冲头) 离散成具有柔性的模具作用的曲 苎二兰堑堡 面，但是由于基本体不可以做的很小，不能加工形状复杂的零件。( 2 ) 多点成形法加工 零件，容易产生表面压痕、起皱等缺陷，精度不容易控制。( 3 ) 只适用于加工厚板，对 薄板成形不适用。 冲 n 图l - 2 成形锤渐进成形图1 3 多点成形示意图 1 2 4 激光成形 激光成形是一种非接触式塑性加工方法，不需要考虑模具制作费用、制作周期、磨 损、润滑等问题，包括激光热应力成形和激光冲击波成形。激光热应力成形是利用激光 束扫描金属薄板表面，在热作用区域产生明显的温度梯度，导致非均匀分布的热应力， 使板料产生塑性变形的一种工艺方法。激光冲击波成形是在激光冲击强化基础上发展起 来的一种全新的板料成形技术【1 6 以s 】。它是利用高功率密度、短脉冲的强激光作用于覆盖 在金属板料表面上的柔性贴膜，使其汽化电离形成高温高压的等离子体而爆炸，产生向 金属内部传播的强冲击波。由于冲击波压力远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料 产生塑性变形。由于激光成形仅靠热应力使板材成形，所以其不存在模具制作问题，生 产周期短、柔性大；同时，激光成形作为一种热态累积成形，能够成形常温下的难变形 材料或高硬化指数金属【1 9 2 0 】。 1 2 5 旋压成形 旋压成形( 如图l _ 4 ) 是将金属坯料固定于芯模顶部，通过旋转轴的轴向运动和旋轮的 径向进给滚压使坯料产生局部连续塑性变形，最终获得空心回转体零件的塑性加工方法 2 1 - 2 2 j 。旋压是一种无切削的先进加工工艺。采用这种工艺，可以节约原材料，提高材料 的利用率。由于旋轮与工件的接触面积小，瞬间的变形区小，总的变形力和机床吨位相 对于其它压力加工方式来说较低。旋压工艺只适用于加工空心回转体零件，坯料的厚度 不能太大，生产效率和精度低，影响产品质量的工艺因素复杂，对旋压设备和操作技术 的要求较高。由于上述特点，旋压成形工艺仅适用于简单旋转薄壁零件成形，难以成形 非旋转形状零件。 1 2 6 c n c 高压水射成形 c n c 高压水射成形工作原理可以简单概括为：水通过高压泵通过喷头高速射到成形 板料上( 如图l - 5 ) ，压力达到一定程度使板料产生局部塑性成形，在计算机的控制下工作 3 口醋 东南火学硕i ：学位论文 台沿一定路径运动，完成一层成形后，z 轴向下进给一定距离继续成形下一层金属，如 此循环直至最终形状成形，如图l - 4 所示【2 3 l 。 旋 板材 图1 4 旋压成形原理 1 2 7 板料渐进成形 外旋棒 图1 5c n c 高压水射成形示意图 板料渐进成形技术是根据板料成形过程要求，利用数控设备和简单的辅助装置，采 用预编好的数控程序，使板料按照给定的轨迹逐步成形，最终获得预定的零件形状。该 工艺采用快速成形技术的“分层制造”思想，将零件的三维形状沿z 轴方向分层离散化， 即分解成一系列二维切片，进行分层局部加工。为了便于对板料渐进成形的研究，根据 不同的原则对其进行分类：根据成形后零件底部相对原始板料的方向可以分为j 下向成形 ( p o s i t i v e i n c r e m e n t a l f o r m i n g( p i f ) ) 和负向成形( n e g a t i v eb u l g e i n c r e m e n t a l f o r m i n g ( n i f b i f ) ) 1 2 4 - 2 6 1 。 图1 6 为板料渐进正向成形示意图。它是将板料固定装置安装于成形设备上，通过 特定的支撑板和压板加紧板料，装置底部预留出空间以容纳变形的金属。成形时成形工 具按照预先编好的数控程序运动到指定位置，并对板料压下预定的下压量，分层逐点的 对板料进行塑性加工。在成形第一截面轮廓后，程序驱动成形工具头在z 轴方向上增加 一个下压量到第二层位置，完成第二层的成形。如此反复直至整个工件完成成形。其特 点是装置简单，不需要支撑装置和导向装置，只需要夹紧装置，零件的内表面成为加工 面。 一1 。压板l ! j 掣 成形t 具 ( a ) 成形前( b ) 成形后 图l _ 6 正向渐进成形示意图 板料渐进负向成形工艺成形过程如图1 7 所示。该成形系统主要由成形工具、导向 4 第一章绪论 装置( 导柱、导套) 、支撑模型( 或简单模具) 、托板、压板和成形机床组成。成形时，首 先将被成形板料置于支撑模型上，用托板和压板央紧板料。成形过程中工具头在程序驱 动下运动，金属板料、托板和压板一起沿导柱随着工具头在z 轴方向进行随动，成形过 程与板料渐进正向成形过程类似。其特点是需要支撑和导向装置，零件的外表面为加工 面。 ( a ) 成形前 图1 7 负向渐进成形示意图 1 3 板料渐进成形工艺国内外研究现状 ( b ) 成形后 自1 9 9 4 年日本学者松原茂夫提出板料渐进成形工艺以来，由于其单件或小批量加工 中的明显优势，得到了世界范围内塑性加工学者的关注，并对其成形原理、性能及应用 方面进行了大量的研究。作为新兴的板料成形方法，板料渐进成形的研究还处于探索阶 段，理论方面的分析较少且并不成熟，对该工艺的成形参数及控制方面有待于进一步完 善。由于市场需求的多样化、加工机械及控制技术的进步，促使金属板料渐进成形技术 有了新的发展，下面将国内外板料渐进成形工艺的研究、发展现状加以介绍。 日本学者k m o r i ，m y a m a m o t o ，k o s a k a d a l 2 7 j 将遗传算法引入到渐进成形变形分析方 法中，遗传算法可以很好的分析变形顺序对成形结果的影响。h i s e k i ，t n a g a n a w a 1 2 8 j 对退火铝板多道次成形方盒形直壁件的过程进行了分析，将试验板料应变分布与成形极 限图应变分布进行比较，结果表明二者数值比较接近。h i r o k it a k a n o 和k i m i y o s h i k i t a z a w a 2 9 1 将板料渐进成形工艺应于工业板料成形废料的二次利用的研究中。通过成形 不同角度的锥形件与整块板料厚度成形的锥形件进行比较，研究板料废料的成形极限， 得出渐进成形工艺可以用于工业板料废料的循环利用。 韩国学者y h k i m 、j j p a r k 及d y y a n g 3 0 0 ) j 等对渐进成形机理及铝板材在渐进成 形工艺下的成形性进行了分析，并在实验的基础上分析了渐进成形工艺板料渐进成形与 传统板料成形极限图的区别和特点，提出了渐进成形工艺较大成形极限的原理。讨论了 加工参数，包括球头半径、球头是否可以滚动、转速以及进给速率等对板料渐进成形极 限的影响，并给出了适合该加工工艺的常用加工参数。 意大利学者g a m b r o g i oa l d oa t t a n a s i o 、a f o r m i s a n o 等p 3 j 对渐进成形理论及实验 方面做了大量的研究：开发出测量成形过程中工具受力的方法，并研究成形参数对成形 力的影响情况；提出成形精度概念，并对成形精度影响因素做了大量研究；提出渐进成 形新方法在一定温度环境下进行成形过程的研究。 英国、德国、法国、加拿大、丹麦、斯洛文尼亚及比利时等国家学者在金属板料渐 进成形及成形工艺应用方面也做了大量的研究工作枷】。 国内哈尔滨工业大学从9 0 年代中后期进入该研究领域，是国内较早进行渐进成形 研究的单位之一。他们在变形理论分析的基础上仞步探讨了板材零件渐进成形的壁厚变 东南人学硕十学位论文 化规律，对变形后的壁厚分布进行了可视化处理，但是该种可视化还只是通过成形后的 测量来获得数据，不能起到预测壁厚变化的目的1 6 卜6 引。 华中科技大学在九十年代后期开始了渐进成形技术研究，并很快开发出了金属板料 数字化渐进成形设备如图1 8 所示，并对板料渐进成形机理、成形轨迹优化、成形后制 件的回弹现象及典型零件的成形过程进行了大量实验研究峭。7 。 _匐 图1 - 8 华中科技大学开发的板料渐进成形机 华南理工大学也对该工艺进行了研究，介绍了金属板材和管材的成形实验，并对板 料渐进成形的成形条件、变形状况、影响因素等进行了初步的分析和探讨。研究了不同 材料对于渐进成形的适应性以及不同的成形形状对板材逐步塑性成形的影响。并初步分 析了工具的运动轨迹，板材成形时的加工力、加工应力、应变状态，以及被加工材料的 加工极限和板材成形性能指标，初步揭示了板料渐进成形的机理【7 1 7 4 1 。 南京航空航天大学对板料渐进成形机理、成形样机系统、成形工艺及渐进成形新方 法进行了研究7 5 7 8 1 。 北京科技大学、西北工业大学、中国科学院、北京航空工程制造研究所等也对板料 渐进成形的机理及应用进行了大量研究p 9 。8 1 】。 1 4 板料成形的数值模拟技术 板料成形是一种十分重要的零件加工方法，在汽车、飞机、电器等工业领域有着广 泛的应用。传统的方法是依赖经验和直觉，这往往很难达到缩短产品开发周期、降低成 本的目的，同时，产品的质量也不能达到应有的保证。同时，板料成形过程包括复杂的 物理现象，涉及力学中三大非线性问题，即几何非线性( 大位移、大变形) 、材料非线性( 弹 塑性、弹粘性、各项异性) 、状态非线性( 接触和摩擦) 的非常复杂的力学过程。因此难以 用传统的弹塑性理论的解析法进行研究。近年随着数值模拟技术的不断成熟和计算机软 硬件技术的高速发展，基于有限元方法的计算机方针技术在板料成形领域得到了广泛的 应用【8 2 8 4 1 。 根据金属材料非线性本构关系的不同可以将用于板料成形过程模拟的有限元方法分 为弹塑性有限元法、弹( 粘) 塑性有限元法、刚塑性有限元法和刚( 粘) 塑性有限元法。 粘塑性有限元法主要用于热加工，因为在热加工过程中，应变硬化效应不显著，板料变 6 第一荦绪论 形对变形速度有较大敏感性。刚塑性有限元法可以被用于板料胀形、深冲等成形过程。 由于刚塑性有限元法不计弹性，使得刚塑性有限元法既不能计算弹性变形区的应力、应 变分布、对回弹、残余应力等卸载问题也无能为力，因而它在板料成形中的应用是有限 的。 目前在板料成形数值模拟中应用最广的是弹塑性有限元法。在板料成形等固体力学 问题中一般采用l a g r a n g e 描述，用弹塑性有限元法分析板料成形问题，不仅能计算工 件的变形、应力、应变分布，而且还能计算工件的回弹、残余应力、残余应变等，但计 算时间较长。复杂形状的板料成形过程中板料与模具不断接触，相对滑动，粘着和脱离， 为了真实反映这种变化过程，必须使计算增量步长减小到一定程度，这样就涉及到运动 方程对时间和空l 日j 的积分问题。根据时间积分方法的不同，可将板料成形有限元方法分 为静态隐式、静力显式和动力显式算法。静力隐式算法在了理论上是严格的，但在实际 计算中不能保证迭代计算的收敛性，求解规模巨大且不能模拟板料成形中的起皱；由于 成形后的回弹问题是一个线性问题，不考虑接触，采用隐式算法可以得到很好的结果且 有较好的计算效率。动力显式算法不需要进行迭代计算，可以稳定求解非线性问题，能 够很好的模拟起皱及开裂；但在分析板料成形的回弹时，由于采用时间中间差分，系统 的最大固有周期和时间步长比较大使得所需要的计算步长远远超过分析加载过程所需 步长，从而使得模拟效果及效率不理想。 1 5 板料渐进成形过程的数值模拟现状 金属板料渐进成形是近年涌现出的板料成形新技术，该工艺目前仍处于实验研究阶 段，对成形机理的分析主要是通过物理实验的方法，从金属宏观位移的角度进行研究。 为了更加深入的研究渐进成形的成形规律，通过数值模拟的方法来获得金属成形过程中 的应力、应变、金属的流动情况等难以通过实验得到的数据。此外，通过对不同工艺参 数的成形过程进行模拟，既可以节省费用，又可以为实际制件的成形提供预报信息。 随着计算机软硬件技术的发展，各国学者也相继采用有限元技术对板料渐进成形过 程进行研究。意大利卡拉布里亚大学g a m b r o g i o t 4 l j 等采用简单的二维无模单点渐进成 形数值模型，对于特定的几何模型进行了材料回弹的预测。同本的m i n o my a m a s h i t a 等 蝉副以d y n a 3 d 为有限元分析平台，通过把材料的各向异性简化为各向同性模型，以锥 台的单道次成形过程为研究对象，分析了成形路径、工具头轨迹问过度方式等对模拟结 果制件形状及厚度分布的影响，提出了采用动力显式算法分析板料渐进成形过程的注意 事项。华中科技大学吴胜军、尹长城等1 8 6 】设想了如果能够开发一个软件接口，可以把分 层软件离散三维实体时记录点的坐标输入到有限元分析软件中，通过这个接口软件建立 有限元模型，模拟了第二层平面轨迹线运动时的板料应力分布云图。南京航空航天大学 李泷果等心7 j 利用虚拟靠模导向法进行了有限元数值模拟，该方法借鉴数控加工方法中仿 形的思想，利用轨迹生成球再由零件派生出的虚拟靠模表面上的持续运动来模拟实际成 形工具的运动过程，从而获得最终成形路径，基于该思想和简单的运动学原理，轨迹球 与虚拟靠模有限元模型被构建起来。 1 6 课题主要内容 板料渐进成形工艺是一种先进的柔性加工工艺，应用前景非常广阔。同时，板料渐 进成形工艺是新型的板料成形技术，目前还没有一种完备而科学的理论对其成形机理做 出合理的解释。对成形机理的分析主要是通过物理实验的方法，从会属宏观位移的角度 进行研究。由于渐进成形过程分析需要考虑加载历史对成形结果的影响，若不了解中间 东南大学硕十学位论文 过程的变化，将不利于分析渐进成形过程，使成形过程得不到较好的控制。为了更加深 入的研究渐进成形的成形规律，通过数值模拟方法来获得金属成形过程中的应力、应变、 金属的流动情况等难以通过实验得到的数据是一种有效的研究手段。但在目前的研究 中，所模拟的成形过程均是简单的规则形状的单道次成形，而对于复杂形状及多道次板 料渐进成形过程的模拟没有涉及。同时，对模拟方法本身的影响因素如材料模型、由于 动力显示算法带来的惯性效应、网格划分精度等也没有涉及。 本文采用a n s y s l s d y n a 为有限元分析平台，通过对成形机理及成形物理过程的 分析构建板料渐进成形过程的有限元模型，解决复杂路径及板料多道次渐进成形过程模 拟中的路径加载及各个道次间数据传递问题。通过将模拟结果与实验结果进行比较，优 化模拟参数( 材料模型的选择、惯性效应、网格划分水平等) ，提高模拟结果的精度；同 时证明有限元模拟的可行性。通过对不同工艺参数成形过程的模拟，深入研究工艺参数 对成形工艺的影响。 本文研究内容主要包括一下几个方面： 1 1 通过分析渐进成形过程物理特点，构建成形过程的有限元模型； 2 ) 对比模拟结果及实验结果，对模型参数：材料模型、摩擦系数、网格尺寸及虚拟 成形速度进行优化选择，以及对模拟结果的可信性进行验证。 3 ) 通过模拟对单道次渐进成形材料流动特点、壁厚分布规律及影响因素进行研究； 4 ) 通过模拟对多道次渐进成形的成形方式材料流动特点及壁厚分布情况进行研究； 5 )