（材料加工工程专业论文）金属薄板直壁件数字化渐进成形机理及工艺的研究.pdf

辈中科技大学硕士学位论文 滚要 金霪缀辫鼗签萃煮溪逑壤形终隽一麓羧字攮鬃瞧爨王攘零，楚在圭畿笼充专零钱 瘸雪本攀饕秘暴蒺夫淫蹴翡。壹予崽誉辫耍凌诗潮逑搂鼹，荬豢炼蕊蒋煮缀邋予产翕 开发黢段熬扳辩零传成彤，如丑援照、汽车覆盏搏游，w 以大犬缎短产菇努发潮期， 降低开发成本帮新产晶开发的风除。 在囊蕊簿嫒囊壁黪骥黪孛，爨潦辩决嚣蠢慧蕊嚣浚妻揍液辫赛莪蒜爨蕊溪。搴 文蔷先分树了数羟蕈煮渐滚成形虢一般避程。爨疆j 耩辩戒形静辩个基本变形糕黛，得 出板料爨燃液形怒在弹悭颓拉伸下厦艇谶程的弯曲嗣反向弯曲谶摆的结论。并用应变 奎量理论窝繇变壤量理谂势辑了弯爨隆羧窝反趣驽麓羚段懿变澎壤理。校瓣纛缮梃 骥，努臻了笼注豢搜蔽辩辘蹇砉蘧黪滚漤，雾藏褰遵凌藏澎誊爨靛霹嚣瞧进孬努辑。 崮予羧按或澎静符煮t 路径麓潮瀚纛疆律热互瓣关熏要。零文首先蒜结了念耩薄 板盖壁件的鼹径舰划方淤，即数控獠滞盛接生成g 代码的路径搜划帮u g 崖接造型的 黪径燕鬣互熬，搬较了鬻释君法戆鹱跤意。在嚣蒸旗上巍逡篓子磐g 籍经撬囊楚蕊德 方法。强擞摇始滚径瓣剃加工邕鼗壁秫瓣，分褥了豢整襻童爱鄢分构鏊簿交德精挽， 纛壁熬势瓣濂长壤鸯瑟爱粕擒变变纯耩穗，并分援魄较了惑坯玲羧，孛窝逶次淤羧，壹 麓残形竞除疆的隧格变健髓 芷。簸聪，本文总结? 愈属溅髓掇镎，黪睫成形襞爨翁工 蓑参鼗。 、 麓毽霉：焱瓣葭霹蕊攀 羧事毪溅谶髓黟豢擦鏊瘕巍逮凌辫莰蘧麓辫 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa d i g i t a l f l e x i b l e m a n u f a c t t t d n gt e c h n o l o g y , s h e e t m e t a ln u m e r i c a lc o n t r o l s i n g l e p o i n t i n c r e m e n t a lf o r m i n gw a sp r o p o s e df i r s t l yb yaj a p a n e s er e s e a r c h e rw h o s e n a m ei s s h i g e om a t s u b a r a i nt h e1 9 9 0 s w i t h o u td i e sa n dp u n c h e sw h i c ha r e n e c e s s a r y i nt h et r a d i t i o n a l p l a s t i cf o r m i n g f o rs h e e tm e t a l ，t h en e wt e c h n o l o g yi s e s p e c f a l l y s u i t a b l ef o rt h es h e e tm e t a lp a r tf o r m i n gi nt h ec o u r s eo fd e v e l o p i n gn e w p r o d u c t ss u c h a sa r t i c l e so f d a i l y u s ea n dc o v e r i n g p a r t so f a u t o m o b i l e a tt h es a m et i m e i t i s w i d e l yb e l i e v e dt h a ta p p l y i n gt o t h et e c h n o l o g yc a l l g e ts h o r t e n e dc y c l eo fp r o d u c t d e v e l o p m e n t , r e d u c e d c o s ta n dl e s si n v e s t m e n tr i s k h o w e v e r , t h et a l l e rs t r a i g h t w a l lp a r t sc a l ln o tb ep r o d u c e dd i r e c f l y , w h i c hi st h em o s t d i f f i c u l tp r o b l e mt ob er e s o l v e d i nt h i s p a p e r , t h eg e n e r a lp r o c e s sb a s e do nd i g i t a l i n c r e m e n t a l f o r m i n g i sd i s c u s s e d s a y t w ob a s i cd e f o r m a t i o nm o d e l sa r eu s e dt oa n a l y z e t h ew h o l e p r o c e s so f d e f o r m a t i o n t h es h e e tm e t a li ss u b j e c t e dt ob e n d i n ga n du n b e n d i n g 州m s t r e t c h i n g ，w h i c ha r er e p e a t e d i nt h ec o u r s eo f f o r m i n gp r o c e s s t h e n ，t h ed e f o r m a t i o n m e c h a n i s mo fb e n d i n ga n du n b e n d i n gi s d e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s m , w h y t a l l e rs w a i 旃t - w a l lp a r t sc 黼n o tb ep r o d u c e dd i r e c t l yi se x p l a i n e dc l e a r t y s e c o n d l y , t h e p o s s i b i l i t yo f m u l t i p a s sf o r m i n gi sd i s c u s s e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ro fc n c f o r m i n g ，r o u t ep l a n n i n gm e t h o di sm o s ti m p o r t a n t f o rs t r a i g h t - w a l lp a r t s f o r m i n g 。t w og o tr o u t ep l a n n i n gm e t h o d sa 揩c o m p a r e d an e w p l a n n i n gm e t h o di sd e s i g n e dt om a k em e t a lf l o we a s i l y t h ec h a n g eo fs t r a i g h t - w a l l s t h i c k n e s si sr e s e a r c h e d t h ec h a n g e dm a r k so nt h ep a r t 8d o w ns u r f a c eo f t h r e e s t a g e s ，t h a t i 8 ；t h ef i r s tp a s s ，o n eo ft h ep a s s e sb e t w e e n t h ef i r s tp a s sa n dt h el a s tp a s s ，a n dt h el a s tp a s s a r ec o m p a r e d i nt h el a s t ，m e t a lf l o wr u l e sa r es u m m a r i z e d 。s o m ep r o c e s sp a r a m e t e r s a f f e c t i n gt h eq u a l i t yo f f o r m i n g a r ei nr e t a r nd i s c u s s e d k e y w o r d s ：m e t a l p l a t ef o r m i n g d i g i t a li n c r e m e n t a lf o r m i n g n u m e r i c a lc o n t r o l s i n g l e - p o i mi n c r e m e n t a lf o r m i n g r a p i dp r o t o t y p i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文楚我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成栗。尽我所知，除文中已经梅明引用的国容辨，本论文不包含任俺其德个 人或集体融经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贺献的个人平日集体， 甥已在文中以弱穗方式标臻。本人宠全意识到本声鹱熬法镲赣暴出奉入承攫。 学位论交终豢签名；至羲 网期：2 0 0 乎年4 - 月2 9 网 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完众了解学校鸯关保留、使藤学位论文熬烧定，酆：攀校毒 权保留并岛国家有关部门或机构送交论文静复印件和电子版，允许论文被凌阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入肖关数据 痒进行检索，霹鞋采鼷影露、缝印藏躲攒等复裁手段镶存积汇编零学经谂文。 保密口，在年解密詹适用本授权书。 本论文属于， 不保密蒯。 ( 请教以上方摇蠢努“0 ”) 学位谂文露者签名；董裁 日期：2 。p 年牛月2 9 日 笋 c ， 巫尹靴 名 年 签辱一晔 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 l 。l 鏊嚣掭盍藁鼗糕羧掌稼鬻遴鹱辫蘸巍篱嚣 透些举浓，嚣对垒球他的竞挚，越浓越震簧一、批量、多样化、阙裁缎黪精的赋形 按术。薄缀戚形技术在成璐工艺中占霄根重要翦娥位，篡多样他趋势己缀变褥趟寐越 鬻篓，窭溪了多耱怒工方潆，宅藩蒋寒懿羔犍婆蕊簿产燕懿生产蔽术无瑟整一蕊攀杂， 禽薄板科教窜诧藏形搜承篷众多勰工方法中较露代液往鹩一释，毹上超懿丸十率代裙 开始，随漪枫械和控制拽沭的进步，该颁技术得到了很大的发蠼湖完善，国内外许多 学者特鬟燕攘霉辩霹零敬譬嚣对就避章挚了大量懿磷巍。 甄藏鼯魏邃魏空黧努壤寒看，袅灏授赣鼗亨鼹蕊影鼗漆莓澈努海褰羧纛爨瘸澎鬻 淹续碾蕊成嚣两稀，前游觚手工邂感成澎发展为娥澎锤逐点渐遐襁击，多点成辫等离 散点击成形方法，后者则包括金属扳料的旋压成形和板辨数控举点渐进成形。禺雏， 述蠢毫爨或澎窝c n c 鬻蕊蕊蝼辩戴绺。 残黟鼷渐进成形法 惯用剐健潦热和弹性下横对板瓣番辩部区域分巍加工锼之 藏势繇篱黪狄。它霆一游攀点压蘸澎澄袋澎工芑。皇氆筑零钱，强本逶符了c n c 戚黪锤澈避波形法的研究，该盛黟技零方法蓠单，娥黪速度较谀，僵燕鼠憨袋澎搿凌 魄襞麓纂瓣z 黪，嚣霆藏澎君錾下太爨镪参嚣亵，澎拣蕊熬藩裘瓣凄耋，溪蕊辫矮进 行后续处璐。 多点壤黔法1 2 3 “蹦燕删粥寒度搿镤麓熬体冀蟛熊离鼗麓藿代蛰簧缝貘舆避褥三 蕊篷瑟纛影游黍黢麓王鼓零。它懿戆雾纛攘冥纛辫、多蕊基撬藏澎舞餮方式。雾纛漠 菇成影法套藏形蘸，镶节嚣基零嚣鼹辩艘澎袋鸯塞攘嚣，或形越熬中主下萋零绺嚣分 剐作为一个撼体邀作，禚栩邻基本体宅间无相对避渤。多点压机成形则热在濑过成形 过程孛分搿撩裂鑫基本钵懿健移蹩、穆麓露章蘑霸逑嶷等，绘予辗穗茌蠢懿变黟蹲经。 镰蔹零袭蔻专每臻囊塞嚣簿教授串褪皴巷了帮雾磷究，凌嚣凑，吉蒋王热大学缝多 点戏形法方魏取褥了攫大避展，成功磷剃蹬多点戚黪样机，并戚宓吉林工她太学d 滗模 戚形中心专门鼠繁多点斌膨的研究和开发。 多蠡蕊澎洼掇爨癸冷慕褰下穰熬澎凌麓数爨鸯瓣运转装蕊镤爨，吾最麓头帮下搂 不能骰祷穰夺，函雨不熬黼工形状鬟潦瓣工侔。辫卷鸯霸王，j 、神慕辩下模、蜜装、谪试 同样花费大徽时间。多燃成形法述猫产嫩压痕，越嫩等缺陷，健加工精度难以保证。 褥显用该搜拳只熬鸯g 工浮擞，辩予薄缀娥磐不逶鼹。 华中科技大学硕出学位论文 菠匿箴髟嘲瞪是一耱葶l 雳夔压王蒸怼旋转坯糕整热压力，傻之产生连续懿萄嫠塑 性变形而成为所需空心阐转零件的塑性加工方法。它是制造薄熬圃转伟零件常用的一 种工艺方法，可以完成拉深、翻边、收口等不同成形工序。在航空、航天、兵器等金 属精密加工技术领域占巍重要地位。聚用旋压技本进行板料热王可实现无横成形。但 是，旋嚣互艺也存在藩瓣限洼，鲡它廷适矮予麓工薄壁空心圈转体工传，不艉麴工厚 度太大的坯料，旋压工蕊的生产率低，影响产品质最的工艺因素复杂，要求较高操作 技能。近年来，随着微型计算机的普及，许多旋压机已实现数控化。 电磁残黪f s 】【1 1 】鼓零蹩2 0 整纪6 0 年最毂重蠹乡 兴起豹袈熬金藩塑牲撼王方法。 它的原理怒，当线圈通嘏对，产生向下或向外或瀚内的电磁力，便板材向下蹒向内运 动，当板材通过模具或工件受到限位，使其产生预期变形。1 9 5 8 年，美国通用电力公 司研制出世界第一台电磁成形机。1 9 6 2 年，美国的布劳尔和哈噍经过改进和究善发盟 了哥矮予工篷生产瓣邀磁残形橇，檬悫着毫磁藏澎搜零寞歪开始走囱实蘑能鞠工堑 化，从此电磁成形引起器国的广泛关注，美国、前苏联、日本、西德、英国、加拿大、 法国等国家纷纷开展了这方面的理论、工艺及应用的研究。6 0 年代中期至7 0 年代中 麓，成形搬储能增至4 0 0 k j ，使用毅工艺和颤设器魄工厂超过1 5 0 个，且多数设冬餍 予大懿重生产。8 0 年代中期，电磁戏彤已在美莺、蔼苏联、嚣零麴工建生产中得至广 泛的应用，荚国和前苏联生产的设备均已系列化、标准化。如燕国m a x w e l l 公司生产 的各种m a g e f o r m 设备穗遍布美国，阳本的十几家大公司的1 5 0 多个生产厂家。 国内壤磁残形磅究壹箨整在实验室玲段。酌年戏耪蘩，审蓬秘学院惫王磷究蘑 曾组织力黧系统遗研巍过电磁成形忑范及设备，激剐1 9 8 7 年，哈尔滨工、煦大学研制 成功了7 2 k j 的电磁成形机，9 0 年代中期，哈尔滨工业大学分别给上海航天周、北京 机电所毒4 造一台3 0 k j 的电磁成形设镊。电磁成形工艺生产效攀赢，成形范豳较广， 适于管褥瓣强形、壤经、弹魏、熬逡、饶精、簿绥；叛耪酶挣孔、压霄或毯花藏形； 组装件的装配，粉末的愿实和成形等，广泛应用于汽车、电子、仪器仪表、军工业等 工业领域，但其存在着比较明显的问题。例如，设备能量不够大，目前，国外设备最 大髓能为5 0 0 k j ，雪内矮不足4 0 k j ，远运不戆潢是热工难变形或大型实体金燧王锌夔 需要。能源利用率低，浪费严重，设餐储能利用率一般1 0 - - 2 0 ，最高也不过4 0 。 结构有待改进，成本偏商，国外进口一般需6 2 0 万美元台，国产设备也至少需要 1 0 2 0 万人民币台。所以成本有待进一步降低。 龟磁藏影菝拳熬交影薰隧翔工线蕤中毫滚增大薅增大，夔王静静惫遥数臻大程强 度的提高黼减少，所以电磁成形技术适用于加工锎威铝等强度低，导电性好的材料。 若加工钢铁材料不但簧求钢板薄，而版由于材料电阻较大，要求加工线圈中电流很大， 才能在工件中产生足够的感生电流，从丽在线裂鞠工传之闯产生是够鲍力谈工馋变 2 华中科技大学硕士学位论文 形。 c n c 高压水喷射成形【i 2 1 是设水通过高压鞭，经过喷嘴小孔将水喷射副成形板 材上，水的动能转换为作用于板材的压力能，压力达到一定程艨使板材产生周部塑性 变形，在计算机的控制下工作台沿既定的路径运动，随后z 轴下降成形下一朦金属， 妇筵锤臻窳至最终或形。蠹予是隶耱滚戍形，可全方瑟鑫壶戢彩，适爝残形澎狡复杂 的工件，舆有很大的成形力，可以成膨厚板或难以成形的金属，如钛等。但熄受目前 技术水平所限，该技术述存在一些问题，如成形时的进给速度慢，喷嘴磨损比较大， 露喷嘴俊橼较责，一次烧投资较大，瓷压求藏影瓣怼人瞧寿痿豢，劳豆鸯掇强缒嗓音。 1 2 松原茂夫的研究简况 金属援糙数控擎点灏进残形法，是一释基于诗算极接术、数控技术帮塑瞧藏形技 术的先邀制造技术，英特点是采用快速戒黧制造技术“分层制造( l a y e r e d m a n u f a e t t w i n g ) ”的思想，将复杂的三维模型沿高度方向离散化，分解成一系列二维 层，并在二维层上对板树进行局部的耀性加工【1 6 】“i m 。加工是强三轴联动的数控成形 撬上送行戆，工终嚣，农诗冀疑控铡下残黪王翼头宠走嚣指定簸嚣，劳霹扳枣孝压下设 定的压下激，然后根据控制系统的指令，按照第一层截面轮廓的要求，以走镣高线的 方式对板材施行渐进塑性加工，并形成所需第一层轮廓后，成形工具头再压下设定高 度，按第二层截面轮廓黉求运动，并形成募二层轮摩。如此重复壹至4 整个工彳夸成形完 毕。如甏1 1 掰示。 ( a ) 扳料戚j 嚣前 ( b ) 板科成形渔中 圈i - i 金蔗辍糕数控单煮濒遴袋蓐蒙理髫 日本a m n i o 公司研制出样机，并用此方法生产出薄壳样件( 如图1 2 所示) 。 华中科技大学硕士学饭论文 圈i - 2a m n l o 公司生产的榉捷及薄壳样律 从艨联上看，金耩投料数控荜点渐进成形技术研加工任意形状复杂的工件( 如图 1 - 3 所示) ，它可对板材成形技术产生薄命性的影响。 图1 - 3 成形工件( 日本a m n i o 公司) 例如，将其用于汽举凝车型样车试制，则可大穴麓化样车设计、试制过稳。首先， 设计天员羧据矮户要求，寝空气动力学原理，在诗舞祝上廷c a d 较俘谩诗掰嚣囊车 几何形状，然后进行结构设计，将车身分解为内、外覆盖件，檄据覆盖件几何信息制 定成形工装，再由c a m 软件产生控制指令，驱动三轴数控设备，将板材加工成汽车 覆盖锌，光嚣设计、铡造模吴，真正实凌柔牲燕工，基兹已毒懿快速藩型铡逡方法疆 难造出能煮接作为零伟使用的薄壳类工件。 该技术商以下几个特点； ( 1 ) 史现柔性成形 该盛形援本无矮专鬻模其，黠予复杂零 孛覆纹嚣瑟季睾一个簿鼙豹苍模，与侮囊豹整 体的模具成形相比，节省融颧加工、制造模具的费用，对于飞机、卫星等多品种小批量 的产品以及用于汽车新型样车试制、掾用电器等新产品的开发。具有巨大的经济价值。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 将快速原婆 镧造技术与塑散成形技术有机结合 目前融有的快速原烈制造方法很滩造出直接作为零件使用的薄壳类工件，该项技 术能够填枣 传统快速原型囊造方法的塑自，既是快速成型技零粒鼷律，也是一种全毅戆 塑毪或黟技术。哥瑟鼹投耪成形工慧产生革禽程鹩影确，氇将弓| 起叛壳粪零传设诗藏 念的更新。 ( 3 ) 对板材局部加压变形最终累积成形为兰维壳体工件，其变形工装力小、设 备夺、授燮少；运馥予静愿力，震动小、螓音低；可戳或形其它按求无法藏形懿零箨。 ( 4 ) 实瑶数字纯涮淹 三维谶泌、工艺规划、成形过程模拟、成形过糨控制等过程全部采用计算机技术， 实现c a d ，c a m c a e 一体忧生产，楚一项很有发袋蘸途黪先进嚣遮技术。 缝上辑述，金霪投秘数控摹煮灏逡藏形蓑寒涉及力学、簿攘学、望瞧畿黟凌泰、 数控技术、c a d c a m 锋多个学科，浚技术的发展可推动相关学科尤其是快瀵成型技 术和塑性加工理论的发展，既有重要的理论意义又肖广阔的应用前景。 二卡墩鳃丸年代禳翳，基本开始涟行逐次戚澎4y ，童穸弦考一 7 少) 技术的磺究工终。扶臻诧顼工捧豁学者香井髑国癌男、穗泽君义、鸯避、松原茂 夫等。他们在近十年的时间中使逐次成形技术得到发展和完善。松原茂夫提出“逐次 逆眼出l 成形”法，也即本文采用的金属板料数控攀点激进成形。谴的研究遴程丈俸 可努荛三个除蓑。第一狳段秀差菰研究阑勰。1 9 9 4 年戆裙步褥避了数控逐次戏形法， 对其概念、原 理、特征进行 阐述，势遗遗 帮蹙统翡丽模 罄 具加工的技术 相比较，指嫩 了该矮技术鲍 先进毪。第二 阶段是将诚技 术具体化为 “逐浚遵蘩溅 l 成形”法， 运用于各种情 固定工其 成形工具 嘲定工具 国或碧翦瀚或影途中或藏孝舞 豳l 珥在斜筒上加工锥体成蟛 况试蹲静锻造中鞋搽讨该技求魏鏖耀空矮。首先，羧原蓑夫蒋复杂三维影凌分勰成薹 华中科技大学硕士学位论文 本薅素单元【瑚魏柱镕、镶体等，用“逐次遂蓑出。藏黟”法热王露造这些基零钵素单 元的铡件，分析它们的成形界限，路径规划。其次，他用该法制造了鞍形形状、类似 于三维c a d 造型中“溉成”的形状及开曲线的波纹状的复杂制件【2 5 】。而且还尝试了 在斜面上加工锥体的方法f 2 “，如图i - 4 所示。 舅癸，狯覆茂夫逶开发鑫将两张投榜辑叠莛泉辍工稷薄黪巍获裁鑫麓方法【2 霹，在 论文中，他采用的上层材料为工业用纯铜和黄铜，下层材料为工业用纯铝，其中，上 层材料的厚度最小的仪为0 1 衄，下朦材料厚度也只有1 衄，分别成形了半锥角e 为 2 5 度，3 8 疫，3 5 度，姻度，4 5 度，对应静赢度笼6 0 盟，5 0 黼，4 0 圈，3 5 耀，3 0 舰的圆锥纛状制品，实骏后可得到静制品成形部分的厚度最小为4 0 p m 。德在文中还 讨论了成彤品的形状精度，厚度分布及破裂极限。图1 5 简要袭示了该种方法的成形 原理。 嚣定 图1 - 5 重热两层材料成形暇理图 在2 0 0 2 年，松漾蕊夫又提密了游逐次或影技零丽数控旋蕊技术相结合锘l 逢底部 平坦的球巍状制品的技术【2 8 】。第三阶段，松原茂夫在总结了大爨的研究成果的基础上 开发了路径规划的数控穰序 2 9 1 【3 ”。 1 3 日本攀者在壹爨律方面所作的研究篙述 松原葳夫、北泽君义、吉川胜幸对金属薄板盥蹙件数字化渐进成形均宥所研究， 检原茂夫畿文献f 2 4 】中，着重讨论了藏形辘对舔形状、正多迭形黪状匏蠢壁传靛戏影 中，翔工潞径，工具头设计，成形蠢疆厚分橱等工艺方面的情况。 北泽君义学者在真麟件成形方面作了较多研究 3 2 】【4 2 。北涕嚣义采用的魁数控渐 进张出成形法( c n c _ y ，- y 夕j b 碾出。成形) ，成形时板料被固定在工作台上， 华中科技大学硕士学位论文 并竣一定速度( 3 0 0 翠m ) 在隶平嚣海旋转，袋形工兵在垂直露爽鼓一定翁速度 ( o 7 m m s ) 沿设定的加工路径运动。如图1 - 6 所幂。 i r 、 日 去 工作台 。v 授料 溺 缢 _ _ 少 物 _ * ( 强i 巧j 泽君曳数控漆速张窭裁形法示意塑 北泽糟义于1 9 9 4 年提出了变形分配法则f 3 9 】，制用该法则，他进行了以网简状为 主鲍童壁僻域形方面的研究，主要研究了直壁传戏形躲路径艇划，讨论了壁岸堙匈变 讫，变形鹭键浸金霾滚淤方嚣翦瓣爨。2 0 0 1 年 塞舞出了毒甭蚜一瞧黪废弃金满懿多建 板及溶接税的逐次咸形娜】，从环境保护的角度伸鼹了逐次成形的触角。 吉川胜宰主要研究畿形直壁件的戚形i 删h 6 】。- a 川胜幸用的魑逐次张出法。成形 醚，教辩被禚定在工佟台上，叁下颈辫港一定空惩，液爱工具塔定静觐逡澄一定戆 互终路径运渤。絮瑟i 掰示。 l 镯l ，7 吉捌鼗霉逐次张毽法勰形示意瑟 吉川胜率主要研究的仍是成形方法及成形工装。他在文献【4 4 】中讨论了糖坯成形 时和多遭次戚黪途中出现瓣工艺现象，豢壁部分的缝厚，棱线处金属流动状况，鼹在 灿岫_一 7 华中科技大学硕士学位论文 文献1 4 鼋中讨论了棱聱嚣热半径为2 m r a ，4 m m ，7 m m 嚣重试 粤矮表零星嚣懿瓷况，窝 棱部圆角半径对直壁件凝性成形时塑性应变的影响。 1 4 课题小组研究成果简介 华中科技大学快速制造中心从1 9 9 9 年开始磷究金属板料数控单点渐遴威形技术， 图1 8 为快速制造中心开发的样机和成形的样件。 ( a ) 板料数控渐进成形机 ( b ) 成形的样件 图t - g 开发舱样枫和成形的样件 经过嚣年多赘磅究，金属援辩数警毽激进或形课题夺缝雀辩该硬技术懿蒸磁醭变 方面取得一j 托成果。在拥工轨迹方西，丁勇硕士主溪露绕板材数控单点渐进成形技术 工艺规划的一般原则的建立和加工轨迹优化方法及其软件实现展开研究【4 他对采用 现有的u g 软件生成的针对切削的加工软迹在板料加工中的不适用性即进退点集中所 遮藏豹热王王俘压疫与羧聚翊蘧迸学分辑，撵窭邋 遘较终楚瑾篌遂退点均奄纯笼理， 从而解决了其影响工件加工精度的问题。在此基础上设计了本颂技术的工艺规划软件 系统，实现了对加工轨遗进退点进行均布化的优化处理，试走轨迹生成并提出和实现 了交进给爨戆自适应掇王鞔迹原型。 袁军硪士主要实魂了一种靛傥纯下刃点表面溪辍的路径娥划的程序，并猩工艺实 验中完成了盒形直壁件的成形 4 8 】。例如，他用开发路径规划软件模块对最终模型的g 代码文件分屡提取加工环，然后对备朕力工环依次进行适当的偏移，处理生成所需要 黪各中阔邀次嘉羹工辕述，遥逮攘掇羧验屠壹接生戏瘸子数控热王豹g 佼羁文彳拳。 在直熬件成形方面，他通过大量工艺实验完溅了边长为 4 4 棚，棱部圆角半径为 7 吼，成形半锥角为3 5 腹，直壁高度为4 0 血i l ，成形材料为0 8 a l 钢，工业纯铝薄板 的盒形壹壁l 牛，对直壁成形中的工艺现象进彳亍了讨论。缝的磺炎成暴是本文磺究的实 华中科技大学硕士学位论文 跤基础。如翦囊述，丁爨蒋袁军在投料数控擎点渐逑藏形弱基础硬究方嚣终了太量工 作，为这琰技术在望淫成形理论上的研究提供了实验依据。另方萄，吴腿带硕士利 用有限元软件a n s y s 对盒属板料数控单点渐进成形进行了一热微观状态下初步的数 值模拟( 搬图i - 9 所示) 。 瘸 母用露鞭元较箨分褥鹣藏力云蛰 例如，他利用a n s y s 软件的盥武求解器分丰斤了压头压下时，不同压头半径条件 下r 压头与掇 卡喜接触区域的应力分布。分析了压头运动时，不瞄蹑头半径条l 牛下，压 头与较撵接触区域魏_ | 萋力分毒殴及不霹整要歪头球心楚戆应力变纯规律。弱黠，裁露 a n s y s 软释的隐式求解器分析了间蹦和层距大小对压头的影响。 1 5 课避概述 1 5 1 豫艨来源 华中科技大学快速制造中心从1 9 9 9 年开始研究金属板料数字化渐进成澎技术， 先螽褥弱科接登中枣企戴技术裁薪蒸鑫( 2 0 0 2 年) 、嚣家鲁然秘攀资金( 2 0 0 1 年) 、 教育都凿灏人员启动基愈( 2 0 0 0 年) 、湖北省自然琴 学基金( 2 0 0 0 年) 、华中科技大 学人才引进撼金( 2 0 0 0 荦) 、华中科拽大学科研基套( 2 0 0 0 年) 的资助。 1 5 2 磺炎器痿 金满檄科数字讫渐避成形课题小组围绕着板辩数控单点渐进成形这课题进行 了大量的研究。总结前人所作的工作，主要是在工拨，路径规划方面。例如， 丁勇硕士在其论文中探讨了金属薄板意壁 牛静黪径援划问题，一言蔽之，是解决 i一 华中科技大学硕出学位论文 了“成形侍么，燕侮残影”懿运霆。滋金霾薄援蠢爨磐秀倒，从磅究实验孛笈魂是有 通过多个邋次的加工才熊成形出直壁件，饲如，黛验表明，月l m m 厚的0 8 a l 钢板 直接成形叔璧的高度只能达到1 2 r a m ，而通过每邋次只成形一小段直壁，分多道次加 工舱方法弼迭蓟4 0 m m 的商度。为傍一道次无法成彤较高直壁，丽多道次可以办到? 要簿决这令溺蘧菰必须磺究扳辩数控肇煮渐避袋澎法静成影辊疆。 目前，对于成形机蠼的研究还不多见，已知的工艺规律是溅弦法则即由单点数控 渐进成形法成形的试件戚形部分壁厚满足正弦规律。这是松原茂夫在实验中发现的， 终为一顶缀猃公式，冬定夔工艺条传下逶曩。德蹙仅凭厚度簿合正弦囊臻燹法渍嚷 透彻缝解释戍形梳理。 由于这项技术既是一种新型的快速成形技术，也是一种新粼的塑性成形技术。本 文拟从塑憾戚形理论入手来研究其机理。金属薄板盥壁件的成彤是板料数控单蕊渐进 成形菝本静熬点秘难蠡滴遂，在毳誊瑟煞醣究中积鬃了丰富静实簸经验，本文继承了兹 人所作的工作，以直壁件成形为研究对象，结合实验进行成形机理的研究。在研究过 程中，本文借鉴了浞田警夫等 5 0 1 ，慕原利彦等【5 1 ”【5 2 l 的研究思路。分别分析了赢壁件 毛坯成形枧莲也即扳秘数控单点激遂成形极理和纛整l 孚或形极壤，荠遘过竣诗一静瑟 的工艺路径来了解直壁件成形串金裁流动蕊露。 对于本课题的研究不仅有助于煮替直壁件的研究工作，而版有助于深化对该项技 术的认识，对于总结工撼理论，灵激运用该技术开发新工艺也将有很大帮助。 1 6 谭黻的主要研究内容和论文的主要王作 金属薄板直壁件的成形是板料数控单点渐进成形的热点和滩点问题。回顾前人的 工终，主要勰决了爱该援零麓不能袋形窭壹壁箨静瘸瑟。荚了深入翊霪懿磁究，逐要 解决用该技术为什么能成形出直壁件的问题。这就涉及到对该颈技术的成形机理的阐 释。本课鼷的主要研究内容和论文的主要工作是在前人研究的熬础上，对金属薄板直 壁件的变形襁制进行探讨，解决直夔传成形中为什么无法壹接成形直壁，而鼹多遭次 残形可美戒彩壹壁静趱爨。受了清灏逡赘缝簿祈惫建件静变影税铡，本文献扳籽塑性 成形理论入手，首先分析了板料数控牌点渐进成形的变形机理。建立了第一滕加工的 变形模型和第二层加工的变形模型，肟续层加工的变形遵循第二层加工的变形模式。 随震，本文从诗算金属成澎力学角度邋遵数篷方法裙步分援了黧蠖变形穰蓬戆三个关 键除段酾弹性预拉传除缴，弯益阶段酾反向弯整阶段。给出了变形杌理分辑的数学模 型。其次，分析了直接戚形直壁的变形机制，解决了为什么不能麒接成形直壁的问题。 紧接着，本文详细分析丁多道次成形赢壁的变形过鼹，对多道次成形为何2 成形较高 肇申科技火擎硕士学位论文 囊壁懿爨嚣避嚣了攘透。 。 在煮摹瓣了壹戆箨戚黼辍理嚣，零吏叉避行了爨激磐黪芏蓉燮凝勰究。零交罄凳挺 出了一种优化的路径蒯划，用此路径黼划可使金属流动状态改替，并使变形平穗。随 器，本文褥鼹太遴萼亍妻壁 枣实验爨裰爨媳零彀工熬攥棒及本文蜜骚书发瑰靛夔王艺 簸律遗嚣慧麓，搽嚣了寨满蠹饕菰嚣翻互荛参鼗瓣赢壁纛鼯翦鬻蹶。奉文惩簿试簿主 的网掊进行测量，并缀合磁形机璩对数攒进行分擀。 本文熬分魏6 章； 篓l 攀黠垒文迸嚣糕逐，练连了溪搀终鬟糕熬掌煲灏避娥渗瓣疆巍蕊潍。洋囊 弁缮了裣漂蕊夫荚子盘灏授耩鼗羧鼙意添透戒影靛舔究获糯，英官舞本学者褒嫩楚侮 方面所作的研究，小结了举中科技大学淼属板料数燃单点渐进成凇课题小组的研究成 暴，夔嚣夯缀了谦题戆妻灏磅究内容翡埝突戆主娶王终。 蔫2 颦阐述了鼗夔攀瘫滚滚藏鼯瓣囊蘸襄藩靛漤萋互嚣；裳要毂遂了获囊魏藏 形蔗理方鬻磷蘩残鼯壤臻瀚预备纛论蘩醚，圭瘦力滚在投辩鳖戆畿形橇纛势耩中瓣应 用，塑性材料力学法在擞j l l i 塑性成形机耀分析中的脚用。 第3 霉瓣金蕊薄投蕊辇搴 数控攀癜渗逮痰黪鹣嵇璎邈嚣矜麟。善瓷分瓣了袋器 薷麓受力状糯，藏建了数羧攀熹鬻避戚黟第一层蕊互静交黟摸蕤，秘象- - q 攘工黪变 形模型，鹾缕屡搬工懿畿黪遵援象二黼舷工豹变形骥藏。綮接蛰从疆蛙成澎趱漉建发 对成形概璇遴昔亍数值分擀。随后叉分毒噻了慝接成形爨攘的变形枫聪帮多遂次成弼蠢壁 黥变器援臻。 第4 黎蓿重研究7 濑属薄掇嵩熬平爷附船工忑誉。本文阐述了研究的窭瓣慕件， 数控程序擞撩生成g 代粥舶路径规划搬疯验中的成照，恩u g 擞犊造型的路襁爆划工 慧，舞出了瓣黠u g 意羧逡墼臻经鬟麓瓣我琵方法。本文叉霹试侮斡嚣黪避簿灏量， 雅台蘩述熬簸黟瓿灌辩数糖送行熬溪，努蘩箕庭变势梅矮律。鼹嚣零文系凌慧戆了垒 麟流动状黼帮工麓参数辩畿鹫成形瓣黼桷。 第5 逝阐述了论文成果在工程殿躁嶷践中蛉愤掇。燕要分豁了汽翠麈将薄瓷律 瑟菱遵鬟串瓣赣蠢麓臻瀑懿搀囊麓塞夔释磅变串取褥麓爨验蘩羧搂鍪。瓷交赋祭窿工 释溪箴中鼬敷霜价值。 第6 鹫激孬了全文豹想鳝与避一辫磷究静震燮。 r 一 华中科技大学硕士学位论文 2 与板材渐进成形有关的理论基础 2 1 研究成形机理的预备理论基础 2 i 1 古帮会主应力状悫圈与板科成澎时的应力状态特点 吉布焱主应力获悉鬻i s 3 1 是点瓣藏力状态静一秘形象静圈群方法，它对金藕变形过 程的研究很有意义。 主应力图只需在微体备面素上标明主应力的有凭与方向。它掇然只有定性分析的 传矮，然露礤究工传必须拔瑟西始。滋礴楚绘翻妻疲力凌态圈，狳了壤据努力瓣终蘑 外，还必须分析变形过程中材料的流动情况。 总起来说，变形物体的主应力状态图有以下九种类型，如图2 1 所示。 白白 昏睁睁 白白白寺 阁2 - 1 古布金九种主应力状态图 线性威力状态两种：平面应力状态三种；立体应力状态四种。 扳辩成澎工 | 事，大爨疆l 三l 议为是农一静乎嚣癍努状态下进行戆，沿着潭凌方自应 力为零，或者数值较小，可班忽略不计渊。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 板凝聚楚魏应力浚态霹戮禳括麓羧一控、拉一藤、压一控、嚣一压霆静类鍪，懿 图2 - 2 所示。单向拉、聪或纯剪，则可视为以上类溅中的特殊情况。 睁睁睁睁 口m 口m i 蚕2 - 2 援瓣的应力状态 2 1 2 吉擂金主应变状焱图与板科成膨时的应变状态特点 砉毒鑫主瘟交状态鬻瑟5 1 邀胃蕊照童疫力凌态羹群，魏浚鬻掰。 塑性变形时，体积不变，三个燕斑变的代数和为零： 8 l + 82 + 83 = 0 此式袋暖：三令主嫩变孛，嚣个褥芍相露，其绝对僮之秘等予贯一个主廒交的缝 对值。丽绝对值最大鹣一个主应交称为最大主应黛，以s 。袭承之。所以熏应交状 态图与应力偏斜张量的状态图一样，熙可能有以下三种类型： ( 1 ) 拙伸；一拉两压，s l = i 8 2 + i 8 3i ，拉应交的绝对值最大，如图2 3 戆酗酝示。 ( 2 ) 翦切：一拉一服的平面应变状态，s1 一 s3 ，拉聪_ 陂变绝对值相等，如 图2 - 3 的b ) 所示。 ( 3 ) 聪缝；一压鼹控，l 。3l s l + s2 ，题鹰交的绝对傻为最大，鲤黧2 - 3 蛇 e ) 所示。 主应力状态图与主威变状态图放猩一起，统称为力学简图。因为单向应力状态， 只可能有一种相应的主成变状态图，所以变形物体的力学简图只有2 3 种。 每压卜每 a )b ) 蓬2 - 3 吉蠢焱u 囊应变姨态嚣 1 3 华中科技大学硕士学位论文 叛瓣戏形嚣孛应交默态靛特点嘲籀下簧示。 板料成澎对，材料的变形特点集中表现为税簿的变化。因为辍性变形体积不变， 利用板面内两个主应变的比例关系即w 对板料的炎澎性质作出判断。 铡魏激s 。、8 珥i 分别表示投瑶内绝对篷较大与较小熬一个圭盛变，粥# l 德量； f m i 口一一 f m 且 可鞋麓寒表示援料皮变凌态熬特意。显然叠蘸交纯范匿舞； 一1 舞1 按照f 。与cr m 的研髓取值，板料的应变状态谢以划分为挝一拉型( 图2 w 4 的a ) ) 、 控一压型( 罄2 - 4 懿b ) ) 、压一挝型( 圈2 - - 4 靛c ) ) 与歪一压墼( 露2 - 4 戆d ) ) 题静， 箕孛摹怒披蒋、单疯嚣缩、楚募、平蒋度交鞠可褪为圈2 翦妨静特臻清猛。 神 动 c )m 蕊2 4 板辩的应变状态 2 , 1 3 嘲格法 网格法口7 l 是种成肘最广泛的，大概也是种鼹古老的研究塑性形变过襁运动学 戆方法。佟楚一耱器究戚澎懿理嚣等驳，蠢必要了解其原蓬，嚣鼗，在奉枣节孛俸隽 预备知识掇一提。 网格法盼使用看起来完全象是种自然的研究手段，因为脊限变形理论的所有理 论解板，就其实质说是以髑形斡彷射交换法为基础酶，在磷究不蠕键交场孵，是以傣 射交换熬鼹郄毪嚣爨为蕊旗魏。在蜃一释篱嚣下，爨物薅劳裁成肇元嬲罄，每一攀元 网格都代袋装个点的周边，其形变所滞服从的仿射变换规律与榭限尺寸物体均匀变形 时的相同。 秘捂攒念豫了其壹接含义癸，述叛括有耱绫系、点系弱憨体殴及多屡缝织结校 1 4 一一 6。 立 酋 i 酋 冉 华中科技大学硕士学位论文 等，它们有的是刻在研究物体的表面上，有的是作为交形介质的特殊性质自然地表现 出来：例如，某些材料的纤维状宏观缎织能形成流线图，只要沿组织纤维初始方向切 开变形试榉，就能将这秘流线圈显承掇来。 一般掰说静霭捂( 分度两格) 霄糯溢下几释方法麴黉试群畿磊上：蕉凿檄印捌鹃 z p , 帚u 油墨滚压、腐蚀法、喷镀法、照相法、压印刻痕法、刨削法，冲眼法。 在塑性变形过程中，妇于单元网日陡所代表的质点在不均匀威力场中移动。因此， 萋对坯粒濂热一次毪懿大影交，襄霞热装戆蚤令除毅，萃元嚣将漆运凌鞔逮方淘变成 椭圆，- 借助该椭圆就就怒出各中间状态的应变主方向。但是，这时各阶段的激应变方 向将同不同的材料纤维黛合，因而无法估算单元网眼的真实积累虚变及积累的应变强 度。 若分酚段实现翔载，羹| j 费矮在输蔽是够，j 、懿澎褒情嚣下，箕单元两疆澎力狡态翡 形式可以认为没有改变，且同一材料纤维将总和童应变方向重含。 因此，在小的变形阶段上可以确定主应变增擞si 及主威变强度增量。但是， 在下一个嬲鼗除段，弱移一令摹元霹凝帮楚予勇一耱形式瓣疫力濒中；与该形式耀应 的是，已变形了的网眼受到附加的形变，且主应交方向同另一材料纤维重含。因此， 在两个相邻阶段上，主威发方向是不熬合的。由于所得的单元网眼变形图象含有上一 阶段变形的信息，不可熊评价应变增爨，所以需由( 珏+ 1 ) 阶段波变僮( e1 ) 。l 计算 上一酚毅斑交僮( oi ) 。麸蔼氇蓑礴意了奉狳段秘黩变疆薰寒带秘痤交强度爝譬。应 当在每一新的阶段刻印新的网格，或糟把已变形了的网格当作原始网格，并撒据更加 一般的形状仿射变换情况，由平行四边形变成平行四边形以确定主应变的方向和大 l 、。 2 1 4 量小飘力定律 最小黻力定律口8 l 是众属在发生塑性流动时遵循的规律，对本文的研究缀奄帮助。 在燕迄佟梵预备理论之一提窭亲。 在塑谶变形中破坏了金属豹整体平衡而强制金属流动，当愈属质点有向几个方向 移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。换句话说，在板料加工中，板料谯变形过 程中总是淞潜阻力最小的方向发展，遮就是塑性变形中的最小黻力定律。 。 戮渖蕊生产串金藩投拳季流动豹状况为镄，羼簸小阻力定律哥戮谎臻英滚劝趋势。 在冲压生产中，控制金属流动就可以控制变形的越向性。影响盒属流动的因繁主要是 材料本身的特性和应力状态，而应力状态与冲压工j 葶的性质和工岂参数有关。控制金 属滚动黪溅剡是牙滚帮羧浚。开滚藏楚在霉要金羼滚动静遮方猿少阻力，傻冀壤剩滚 动，达篝成澎哥静。当蘩簸需要金属流入丽不能流入时该局部就会发生交薄，甚至板 华中科技大学硕士学位论文 瓣断裂。羧浚就是在不霉要金属滚动麴蘧方增大瓢力，隈裁金貘滚天e 当繁矬不嚣要 金属流入而金属流入时多余的金属就会使该处产煞三起皱。 例如，矩形件拉深。若直边与四角的间隙值糊同时，不是四角拉破就是赢壁部分 起皱。若对四受部分采取开流面对妻边部分采取黻流措麓，则w 消除上述闻题。方法 是壹透采愆小润豫，嚣臻采薅大闻藩，或使鹜模溷楚豹霾角半强夫子壹逮露分豹函角 半径。 当变形区或传力区存在两种以上的变形方式时，首先发生变形的方式一定是所需 瓣交形力激夺。 当作黼于坯料交形隧的拉应力的绝对值最大时，在这个方 甸上的变形一定是伸长 变形，故称这种冲压变澎为伸长类变形，如胀形、扩口、内孔翻边等。当作用于坯料 变形区的艨应力的绝对馕最大时，在这个方向上憋变形一定是鼹缱变形，故称这种冲 压变形为蘧缩类交缮，磐拉深、缭爨。 搴长类交形静极疆交形系数主要决定予糖精豹 塑性，压缩旋变形的极限变形系数通常是受坯料传力区的承载熊力的限制，有时受变 形区或传力区的失稳起缴的限制。 2 。1 5 失穗壤论 板料的失稳理论f 删对研究板料塑饿变形的稳定性，分析板料破裂的原因及某些工 艺缺陷很肖用。下面着蘸介绍一下对本文研究有很大关系的拉仲失稳。 在驻羧灸主静变形方式孛，扳黼绞 堇过渡交薄蒺至鼗裂，逡穆凌蒙实震上程起皱 一样，也怒变形不能稳定进行的结粜。不同的是，拙伸失稳只可能发生在材料的塑性 变形阶段。 板料在拉应力作用下，一方匿承载蟊积缩减，是一方面材料的应变刚效成增热。 当瘟交潮效斑懿增薰避班车 谣承载嚣襁的缡藏射，搬镩变形可戮稳定遗遂纾下去。当 两者恰好棚等时，拉伸变形处于临界状态，失稳点酋先发生在琢裁能力最为薄弱的环 节，产生颁缩。 一般霹骞，扳料懿皴 幸失稳其蠢甄个不霹懿发震除段，帮掰谡分数淫失稳秘集中 性失稳：程拉力作用下，板料经过稳定的均匀变形精，在一个较宽的区域肉缴生亚稳 定流动，邪即板料承载能力的薄弱环节，在一个较宽的变形区域内交替转移，形成区 域性颈缩。此后，不稳定流动的发展局限在变形迸的某一狭窄黎带内，板辩承栽能力 翡薄弱环节，集孛在麓帮砉l 蚕痰无法转移窭去，形簸集孛瞧臻缭。两集中毪焱维兹极 限状态则题材料的分离一拉断。 由此糟来，如果单从板料拉伸变形的稳定性着限，可以用分散性失稳作为判断标 准，但从援瓣破裂兹极隧变形程度携髂诗善眼裁波戬集孛性失稳捧为标准了。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 分数瞧失稳又嘲热竣失稳。双交澎往矮来看，蔽辩弱分数瞧失稳稼恚罄投糨臻匀 塑性变形阶段的结束，继续变形的潜力已经不大。从承载能力来看，这时板料已经作 出了最大擞献，外载不可能再有所增加。 以下辩分散性失稳产生鲍象件圣譬一分析。 在摹翔拉傍实验中我髓已经熬翔，当舞热控力户达至l 最大稳霆誊，窭现送域淫颈缩， 产生分散腱失稳。 从外加拉力以及由此拉力引起试件的变形来褥，失稳时舻= o ，假定在此瞬间试 馋舂df 懿疲变增量，试荡蘩瑟上黪暾力藏要产象超应夔灌量da ，因为 口= p a ，d = 一删膳，而d p o c l a + 0 d 口一o 。所以 口。兰+卫生dpdd a ：d d # 归了+ 号扣 式中4 试件的瞬时剖两面积。设a 袭示偏导数 放奉孝瓣内在的交影4 陡震来看，骰定耱拳毒瓣应交溅篷线药： 栌= “ 当应燮有万。的增缴时，材料变彤抵抗力的增缀占。为： 艿。- - 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