板材成形加工的新技術(shù)與發(fā)展趨勢(編輯修改稿)
2025-08-05 12:47 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 擦系數(shù)的識別精度為3％。壓邊力是常規(guī)拉深工藝中唯一可變的工藝參數(shù)。目前對最佳壓邊力變化規(guī)律的預(yù)測仍然是采用塑性力學(xué)模型。用板材失穩(wěn)理論對典型軸對稱拉深件的極限承載能力進行了歸一化的定量分析，給出了該類工件破裂失穩(wěn)時的極限載荷的統(tǒng)一表達(dá)式，由此得到了拉深過程中工件側(cè)壁破裂失穩(wěn)時的臨界壓邊力，進而提出了臨界載荷控制原理，即按側(cè)壁破裂臨界條件所給出的定量關(guān)系來確定控制壓邊力規(guī)律，可以最大限度的提高極限拉深高度和成形過程的穩(wěn)定性?；谀芰吭?，給出了法蘭起皺臨界壓邊力和側(cè)壁起皺臨界壓邊力。以上述三個臨界條件為依據(jù)，給出了軸對稱曲面件拉深控制壓邊力的上下限，最佳壓邊力控制規(guī)律以及與其對應(yīng)的極限拉深高度。目前拉深成形智能化控制的研究仍處于探索階段，還很不成熟，許多問題需要進行深入的研究才能解決，例如尋求合適的識別方法以保證材料參數(shù)和摩擦系數(shù)的識別精度和速度；尋求對成形臨界條件的精確而簡潔的描述方法以保證最佳工藝參數(shù)的預(yù)測精度和速度等等。沖壓智能化控制技術(shù)的研究為板材成形領(lǐng)域提出了許多新的研究課題。板材成形智能化技術(shù)總的發(fā)展趨勢是：以簡單的彎曲成形的研究將智能化的概念和方法引入板材成形領(lǐng)域，探索研究途徑，再以軸對稱殼體零件的沖壓成形智能化研究為過渡，最終實現(xiàn)對大型復(fù)雜曲面形狀零件成形過程的智能化控制。成形過程的計算機仿真技術(shù)板材成形的數(shù)值模擬是國際上拉深領(lǐng)域研究的主要問題之一，然而多數(shù)的研究還集中在汽車工業(yè)。在其初始階段，數(shù)值模擬被看作一種理解金屬行為的幫助，而從更高的認(rèn)識水平上講，數(shù)值模擬被看作是影響經(jīng)濟效益的強大工具 1。數(shù)值模擬技術(shù)為研發(fā)開始階段提供支持，在產(chǎn)品生產(chǎn)出以前提供可行性分析，大大縮短產(chǎn)品的上市時間，溝通了材料與加工方法之間的關(guān)系。沖壓過程是一個十分復(fù)雜的力學(xué)過程，以汽車覆蓋件成形過程為例，零件的起皺、破裂和回彈對原材料的成形性、毛坯的幾何形狀及定位、沖壓方向、拉深筋的形式及布局、摩擦潤滑條件、壓邊力的大小等許多因素都極其敏感。這就使得這項工作十分依賴經(jīng)驗，從而大大制約了汽車工業(yè)的發(fā)展。到目前為止，CAD／CAM技術(shù)在減輕模具的設(shè)計工作強度、提高產(chǎn)品的制造精度方面已經(jīng)為工程師們提供了十分有效的幫助。但是，如何能在零件設(shè)計的初始階段就對其可成形性進行有效地把握，如何在模具制造之前就能對工藝及成形參數(shù)進行合理的優(yōu)化，不僅是確保產(chǎn)品質(zhì)量的需要，更是減少試模、修模工作，降低成本費用，提高生產(chǎn)效率和市場競爭能力的重要途徑。為此，國際上許多著名企業(yè)和組織，如美國的波音、GM、福特、Chrysler．德國的大眾、奔馳，日本的理化所、大阪大學(xué)、豐 三菱、日產(chǎn)、新日鐵、日新制鋼等都在板料沖壓成形有限元數(shù)值模擬方面投入了大量的人力、物力和財力，進行了長達(dá)10年以上的研究和開發(fā)工作，已經(jīng)形成了一些通用或?qū)Ｓ玫能浖⑾嗬^進入了商品化、實用化階段，如：PAM—STAMP MARC ANSYS ABAQUS DYNA一3D OPTRIS、FASTORM、DEFORM3D等。這些軟件絕大部分具有完整直觀的前、后置處理功能，可以直觀地在計算機屏幕上觀察到材料變形和流動的詳細(xì)過程，了解材料的應(yīng)變分布、料厚變化、破裂及皺曲的的形成經(jīng)過，獲得成形所需要載荷及零件成形后的回彈和殘余應(yīng)力分布。這種用可視化技術(shù)虛擬的現(xiàn)實制造環(huán)境不僅模擬了零件的成形過程，更重要的是形象地揭示了材料的變形理，因而可以使設(shè)計人員根據(jù)已有的經(jīng)驗實時調(diào)整模具參數(shù)及成形工藝、修改毛坯形狀和尺寸，大大縮短試模和修模時間，有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。PAM~TAMP是目前為國際上許多著名汽車、飛機制造企業(yè)和研究團體所選用的三維彈、塑性動態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)分析的代表性軟件。該系統(tǒng)可對各向異性或同性的金屬、非金屬薄壁和厚板零件在常溫下的成形過程和成形中的細(xì)頸、破裂、皺曲、修邊及回彈等現(xiàn)象和工序進行有效的數(shù)字模擬。沖壓過程數(shù)值模擬的精度在大部分情況下已被工程應(yīng)用所接受，以PAMSTAMP為例，成形載荷的計算誤差隨零件復(fù)雜程度而異，一般為5％ ～ 10％左右；材料料厚的變薄率以及材料流動量的預(yù)測誤差通常小于10％，而且大部分情況變薄量是過估，流動則欠估；材料增厚率的預(yù)報誤差一般與變薄率．預(yù)報誤差相當(dāng)，但材料增厚由于與起皺有密切聯(lián)系，受起皺判據(jù)的影響，有時也會高達(dá)30％。回彈是一個更為復(fù)雜的過程，到目前為止尚沒有哪套仿真軟件在回彈預(yù)報分析上有令人滿意的精度。PAMSTAMP在回彈的分析計算上有良好的定性參考價值，但是其回彈預(yù)估相對誤差往往超過30％。所以在板料有限元模擬成形方面，今后的主要研究方向?qū)⒓性谝韵?個方面：優(yōu)化接觸算法，進一步提高模擬的計算速度；建立更理想的破裂和起皺判據(jù)，提高模擬的預(yù)報精度和可靠性 實現(xiàn)毛坯形狀的快速預(yù)測；在目前常用的顯式和隱式算法之外尋求新的計算方法，以解決回彈的分析精度和有效補償問題。三、板材成形過程仿真分析的關(guān)鍵技術(shù)在運用仿真軟件的時候，了解和掌握沖壓成形仿真的技術(shù)難點是非常重要的。因為即使計算機仿真理論和方法完全正確，仿真程序完全可靠，也不能保證仿真計算一定能在沖壓成形和工藝中得到成功的應(yīng)用。所以使用仿真軟件的人員一定要具備足夠的背景知識，包括與沖壓成形過程有關(guān)的基礎(chǔ)力學(xué)知識、計算力學(xué)知識、材料和沖壓工藝知識、有限元方法知識及計算機應(yīng)用知識等。有限元求解方法板料成形一般為準(zhǔn)靜態(tài)過程，傳統(tǒng)的模擬計算方法采用靜力隱式算法進行求解。靜力隱式算法在理論上是嚴(yán)格的，但由于計算中存在迭代收斂性差和整體剛度矩陣帶寬大的缺點，不利于多重非線性和大規(guī)模工程問題的分析。因此，自20世紀(jì)90年代以來，越來越多的研究人員考慮利用動力學(xué)方程的中心差分顯式積分方法來進行三維板料成形問題的仿真，并取得了一定的成績。動力
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