金属板材单点渐进成形技术的研究进展
基于数值模拟的板材渐进成形回弹技术应用研究
基于数值模拟的板材渐进成形回弹技术应用研究一、引言板材成形是现代制造业中常见的金属加工方式之一。
在板材成形过程中，由于材料性质的差异和成形过程中的应力变化，常常会产生回弹现象，影响成形件的精度和质量。
研究渐进成形回弹技术是非常重要的。
数值模拟技术是一种有效的手段，可以帮助工程师预测和分析成形过程中的各种物理现象，对于渐进成形回弹技术的研究也起着至关重要的作用。
本文将围绕基于数值模拟的板材渐进成形回弹技术应用展开研究。
二、板材渐进成形回弹技术的基本原理1. 渐进成形渐进成形是一种经典的板材成形方法，它通过逐步改变板材形状，使得板材得到需要的几何形状。
在渐进成形过程中，板材会受到复杂的应力和应变作用，从而产生回弹现象。
2. 回弹机理回弹是板材成形过程中不可避免的现象，它主要是由于成形过程中材料的弹性变形和应力释放所引起的。
当板材在成形后释放外部应力时，材料会产生弹性恢复，使得成形后的形状发生变化，导致回弹。
渐进成形回弹技术旨在通过调整成形工艺参数和工序顺序，减少或控制板材成形后的回弹变形，从而获得满足要求的成品。
这种技术需要借助数值模拟来预测和分析成形过程中的各种物理现象，以便制定合理的成形工艺参数和工序。
1. 数值模拟方法数值模拟是一种通过计算机模拟真实物理现象的方法，可以用于预测和分析成形过程中的各种物理现象，包括应力分布、应变分布、热变形等。
常见的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法、边界元法等。
这些方法可以有效地模拟板材成形过程中的各种物理现象，为渐进成形回弹技术的研究提供必要的数据基础。
2. 渐进成形回弹数值模拟模型在板材渐进成形回弹技术的研究中，需要构建合适的数值模拟模型，用于预测和分析成形过程中的回弹变形。
这个模型需要考虑材料的本构关系、成形工艺参数、板材初形等因素，以准确地描述成形过程中的应力和应变分布，从而预测回弹变形。
3. 数值模拟与实验验证数值模拟技术的研究需要与实验验证相结合，以保证数值模拟的准确性和可靠性。
镁合金板材热渐进成形的实验研究
镁合金板材热渐进成形的实验研究
镁合金材料的热渐进成形是由江苏省机床制造所和中国科学院上海机械工程研究所共同开展的一项实验性研究，旨在研究镁合金材料热渐进成形工艺参数和过程条件对成形性能的影响规律。
实验采用差示扫描量热仪、差示温度记录仪和差示温度控制系统等专业仪器对镁合金板材热渐进成形过程中形变、温度变化规律进行实时监测，测绘出热渐进成形过程的温度曲线和形变曲线，记录各种爬升工艺参数的具体值，并对各类成形参数和结果进行定量分析和多参量耦合效应研究。
结果表明，当成形温度从400℃升到480℃时，镁合金板材的抗拉强度值自400MPa上升到460MPa；当热渐进成形时间从20秒变为30秒时，镁合金板材的抗弯强度值从95MPa 上升到110MPa；当曲折比从4:1增加到10:1时，板材的抗弯强度值从100MPa上升到120MPa；当辊筒转速从4rpm变为10rpm时，镁合金板材的抗弯强度值从100MPa上升到120MPa。
综上所述，可以确定的是：热渐进成形通过可控的参数调节可以显著提高镁合金板材的抗强度和机械性能，以实现用于高性能加工时采用镁合金板材的更多应用。
金属板材的数控单点渐进成形技术
金属板材的数控单点渐进成形技术
华中理工大学 莫健华
本次深圳培训班讲课的亮点在于金属板材的数控单点渐进成形技术。
该技术获得国家自然科学基金资助、科技部科技型中小企业创新基金的资助，并获得中国发明专利。
该技术是一种无模具成形方法。
其基本原理是引入快速成形制造技术“分层制造（Layered
Manufacturing ）”的思想，将复杂的三维数字模型沿高度方向分层，形成一系列断面二维数据，并根据这些断面轮廓数据，从顶层开始逐层对板材进行局部的塑性加工。
加工过程是：在计算机控制下，安装在三轴联动的数控成形机床上的成形压头，先走到模型的顶部设定位置，即加工轨迹的起点，对板材压下设定的压下量，然后按照第一层断面轮廓，以走等高线的方式，对板材施行渐进塑性加工。
在模型顶部板材加工面形成第一层轮廓曲面后，成形压头再压下一个设定高度，沿第二层断面轮廓运动，并形成第二层轮廓曲面。
如此重复直到整个工件成形完毕（图1）。
这种成形技术很适合汽车新车型开发时，用于快速制造概念车的覆盖件。
也适合航空业中飞行器的开发和制造；其他壳形件的快速制造。
图2、3、4是用该技术加工的工件。
成形压头 加工轨迹 成形部分 板料
图1 汽车覆盖件的渐进成形模拟图
图2 汽车门外覆盖件 图3 工艺品 图4 汽车翼子板覆盖件。
单点渐进成形薄板成型分析
word中文摘要单点渐进成形是在数控机床上通过计算机程序控制形状简单的成形工具，利用其沿着垂直方向的进给以与水平方向的运动轨迹逐层形成板类件的三维包络面，从而实现金属板料连续局部塑性成形的加工方法，在板类件成形领域有着广泛的应用前景。
这种成型方式是一种具有高潜能的经济收益，快速的原型应用以与小批量生产特点的新型薄板成型方式，并且为形状复杂的板类件成形开辟了一条新路。
本文讨论了单点渐进成形的原理，以与当今社会对单点成型的研究动态。
在此根底上学习了液压缸设计的一些内容。
通过利用液压传动达到夹紧工件的目的，从而实现单点渐进成形加工和生产的一体化。
在此过程中，通过学习和实践，掌握了液压缸的工作原理，并且对液压传动有了一个本质的认识，这在今后的学习中对作者将会有很大的帮助。
关键词：单点渐进成形薄板成型液压缸液压传动AbstractSingle point incremental forming is a processing method，which utilizes puter program to control the simple shape of forming tool in the numerical control machine，using the feed motion along the vertical direction as well as the trajectories of horizontal layers to form three-dimensional pieces of sheet metal，thereby achieving metal sheet the local continuous plastic forming，so it has a wide prospect of application in the field of sheet metal forming.This forming is a new sheet metal forming process with a high potential economic payoff for rapid prototyping applications and for small quantity production，which cuts a new road for plex shape of sheet.This article discusses the principle of Single point incremental forming，as well as the dynamic study for the single point forming in today's society.On this basis，the author studies the contents of hydraulic cylinder design.Through the using of fluid drive，this device achieves the intention of clamping the workpiece，thereby achieving the single point incremental forming process and the integration of production.In this process，through learning and practice，the author masters the working principle of hydraulic cylinder，and has a nature understanding to fluid drive，which will give author a great helpin the future.Keywords: Single point incrementalforming Sheet metal forming Hydraulic cylinder Fluid drive目录目录4绪论6第一节、本课题国内外研究动态6、单点渐进成形的特点61.2.单点渐进成形的国内外研究动态6第二节、研究的根本内容，拟解决的主要问题8、本文研究主要内容8第三节、液压转动的特点9、液压传动的优点9、液压传动的缺点9第一章液压缸设计10第一节、液压缸各局部零件的材料、公差以与热处理101.1 液压缸零件10、缸体10、活塞杆10、端盖10、轴套11、半圆环11、半圆环活塞11第二节、液压缸的密封装置11、密封装置的类型11、间隙密封11、接触密封12、密封元件的常用材料12、常用密封元件的结构和性能13、O形密封圈13、Y形密封圈14、V形密封圈14、鼓形和蕾形密封圈15、活塞环15、防尘密封圈16第三节、液压缸的主要参数与设计计算17、机构尺寸与形式17、实际工作时输出力17、单杆活塞式液压缸和柱塞式液压缸的推力F117、单杆活塞式液压缸拉力F218、液压缸的输出速度18、单杆活塞式液压缸活塞外伸时速度19单杆活塞式液压缸活塞缩进时的速度19、根本尺寸20、缸筒壁厚20、液压缸缸底厚度21、缸体中部与底部联结法兰的厚度21、端盖法兰的厚度22第四节、最小导向长度H23第二章强度校核25第一节、液压缸局部校核25、法兰与下压板接触面的挤压应力25、法兰过度局部25、缸底强度计算28、筒壁局部28第二节、普通螺纹预紧与其强度校核31、底板上内六角螺钉的强度校核与其预紧力确实定35、缸体底部法兰和缸盖螺纹连接强度校核与其预紧力确实定36 第三节、立柱预紧和计算37第四节、立柱螺母的设计与强度计算39第五节、上、下压板的刚度计算42、上压板刚度计算42、下压板刚度计算44结论47致谢48参考文献49绪论第一节、本课题国内外研究动态1.1、单点渐进成形的特点单点渐进成形是以计算机为主要手段实现板料成形，具有以下一些特点：1）实现板料柔性成形不需要传统的对合模具或仅采用简单凸模就可以通过数控设备加工出成形极限较大、形状复杂的板类件，可实现规X成形，大大提高成形质量。
金属板材智能渐进成形关键技术及其应用
金属板材智能渐进成形关键技术及其应用
本项目为了克服难成形金属板材（如，AZ系列镁合金、TC系列钛合金等）室温成形性能较差、成形效率较低、成形质量较差等问题，提出了一种油浴辅助加热渐进成形新技术，将难成形金属板材的优异机械性能和渐进成形技术的先进性有机结合在一起，并对油浴辅助加热渐进成形新技术的微观成形机制、成形零件缺陷形态及其形成原因和解决措施、渐进成形工艺及渐进成形设备改进等多个方面进行了理论分析和实验研究。
该项目采用机器视觉技术和模糊识别处理技术实时监测并记录渐进成形过程中已经成形表面的变形情况，识别金属板材数控渐进成形零件的表面质量、尺寸误差、壁厚误差、破裂和回弹等缺陷状况，建立缺陷形态预估模型，提高成形零件质量。
该项目采用人工智能技术建立工艺参数修正及优化模型，动态在线规划工艺参数及刀具路径，优化工艺过程，缩短成形时间，提高成形效率。
该项目很好的解决了航空航天、交通运输及医疗器件等产业中单件、小批量个性化定制及产品开发试制中的高费用问题，并增加高端制造装备的科技附加值。
推广应用该项技术，能够在不增加设备投入的情况下，极大地提高难成形金属板材的成形性能、成形质量和成形效率，对促进渐进成形技术的进步和成形零部件生产制造都具有十分重大的现实意义。
单点渐进成形
单点渐进成形
发展历史及现状
• 松原茂夫于20世纪90年代提出 • Lesz ak 在1967 年获得发明专利 • 2005 年以来, 单点渐进成形获得了极大 的发展 目前理论不完善，工艺不成熟，应用不广 泛，但是具有广阔的发展前景
定义
单点渐进成形是在数控机床上通过计算 机程序控制形状简单的成形工具，利用其沿 着垂直方向的进给以及水平方向的运动轨迹 逐层形成板类件的三维包络面，从而实现金 属板料连续局部塑性成形的加工方法。单点 渐进成形适用于新产品试制及小批量生产。
产品
图1 汽车门外覆盖件
图2 工艺品
图3 汽车翼子板覆盖件
制约因素
1) 单步加工难以达到较大成形角 ——温度控制 2) 出现回弹效应 ——温度控制、优化路径 3) 高应力集中在已加工区域出现自由变形 ——优化路径、工具形状
存在问题
( 1) 成形工艺方面: 目前对金属板材单点渐进成形机理 的研究还不够充分, 对成形过程中发生的拉裂、 起皱、 回弹等一些复杂缺陷还没有找到本质原因。 ( 2) 专用软件方面: 需要开发一些可适用于该技术的专 用软件, 使这些软件具有成形件 C A D 模型修正、 成形轨迹生成、 成形过程虚拟仿真、 工艺参数优化、 工艺参数数据库及专家系统等功能。 ( 3) 支撑方面: 需要研究更能符合成形工艺的支撑 C AD 模型生成方法和经济、 快速、 自动化程度高的支撑 制作方法。 ( 4) 成形运动方式: 目前的研究大多局限于基于等高线 运动的三轴数控成形方式, 今后有必要研究其他运动 方式和多轴成形加工, 如基于螺旋运动和五轴数控成
金属板材三点渐进成形技术基础研究
(5)实验研究了工艺参数对三点渐进成形质量的影响,归纳了工艺参数选取的一般原则。基于离散定义域内线性插值,实现了等高线加工轨迹规划。
利用实验研究了进给量、工具头等对几何轮廓和表面质量的影响。基于目标曲面的数学描述,利用法向渐变屈服的变形映射关系,建立了板厚计算的全新表达形式。
通过锥台件在几何精度主应变、板厚及表面质量等方面的理论研究、数值分析和实验结果的比较,验证了本文所做的理论分析及方法的正确性。最后,探讨了椭球面件、凹凸特征件等复杂零件的成形实验和方法。
(4)研究并建立了基于LS-DYNA的三点渐进成形数值分析方法,并以此为基础探讨了其变形机理和特点。基于增量理论和塑性势关联算法,实现了锥台件成形的有限元模拟。
锥台件的仿真结果验证了所提等效加工层模型、法向屈服变形算法和平面应变等力学特征的正确性,证实了三点渐进成形精度高、局部变形范围小、变形控制有效。探讨了其变形主要模式是弯曲、挤压和剪切的联合作用,分析了其根本原因在于对顶式辅助工具头和支撑工具头的引入。
(2)研究并探讨了三点渐进成形等效加工层的塑性变形力学特征。利用薄膜分析理论和平面应变条件,建立了描述变形规律的力学方程,求解了等效虚拟应力应变,分析了其变形状态和变形方式,为理解其变形机理本质和指导路径规划、工艺参数设计提供了理论依据。
(3)研究了基于法向渐变屈服的三点渐进成形变形基本算法。通过分析初始板材到目标形状映射的变形轨迹,求解了变形过程中的分层塑性位移,计算了任一节点的变形过程及历史位移等信息,为预测几何形状和板材减薄提供了基础依据。
单点渐进成形装置研制
单点渐进成形装置研制1. 引言- 介绍单点渐进成形技术的背景和发展现状- 阐述本文的研究目的和意义2. 单点渐进成形装置的设计与制造- 系统地介绍单点渐进成形装置的结构和各部件- 分析不同部件间的工作原理、协调性和相互制约关系- 总结制造过程中遇到的问题及解决方法3. 单点渐进成形装置的性能测试- 给出单点渐进成形装置的测试方法和测试结果- 对结果进行分析，并与其他同类装置进行比较- 探讨装置在使用中可能出现问题及相应解决方案4. 单点渐进成形技术在制造领域的应用- 介绍单点渐进成形技术在不同领域的应用情况- 分析单点渐进成形技术在制造领域的优缺点以及未来的发展趋势- 探讨如何进一步完善和提高单点渐进成形技术的应用5. 总结与展望- 系统总结本文的研究成果和主要发现- 对单点渐进成形装置的未来发展进行展望- 提供相关建议，为后续研究提供参考注：提纲仅供参考，具体内容需根据实际情况进行调整。
第1章节引言随着现代制造业的发展和人们对制造品质与效率的不断追求，新型的制造技术不断涌现出来。
单点渐进成形技术就是其中一种非常有潜力的技术，该技术可将薄板材料或线材直接化为具有高精度，复杂形状的零部件。
相较于其它传统的制造技术，该技术能够在更短的时间内生产出高质量的产品，降低生产成本，提升生产效率。
因此，在航空航天、汽车、电子、原子能等多个领域都具有广泛的应用前景。
单点渐进成形技术的核心部分是单点成形加工，其利用半导体激光灯作为能量源、通过数控技术将焊接头按照所需的一定的路径和方向逐渐熔化并凝固，形成具有高精度形状和结构的3D金属微观结构。
相比于传统的成形加工技术，单点渐进成形技术具有高精度、高效率、低成本等优点，并且可以制造出高质量的三维模型、特殊各向异性等特点，并且可以在特殊的材料和器件等方面发挥重要的作用。
本文通过研发单点渐进成形装置，来对该技术进行深入的研究和评估。
本研究所开发的单点渐进成形装置的特点是结构紧凑、加工调节灵活、维护便捷。
金属板材单点渐进成形过程数值分析
（３）该技术是对板材局部加压，变形连续积累而达到整体成形，具有变形工艺力小，设备小，投资少；近似于静压力、振动小、噪音低，可以成形其他技术无法成形的零件。
（４）易于实现自动化，三维造型，工艺规划，成形过程模拟、成形过程控制等过程全部采用计算机技术，实现ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ一体化生产，是一项很有发展前途的先进制造技术。
但到目前为止该技术还限于实验室研究阶段，而且大多数仅限于研究轴对称零件，零件形状简单，有关基础理论的研究还没有展开。
日本的ＡＭＩＮＯ公司制造出样机，但缺乏相应的成形基础研究，缺乏基于成形理论的控制软件。
除了同本（和我国华中科技大学）有少量报道［”】，国内外还没有作广泛研究。
图１．２日本ＡＭＩＮｏ公司所开发的一种样机圈１．３数字化无模渐进成形加工的薄壳类样件目前国内华中科技大学快速成形中心也已经开发出样机，如图１．４所示，１．４板材单点渐进成形样机图１．５成形的样梓ＡＮＳＹＳ／Ｌ￥＿ＤＹＮＡ是全缴界范围连最知名的有限元显式求解程序。
程序翼：发的最初稿的是为北约组级的武器结构设计、防护结构服务，是该组织的ＰｕｂｌｉｃＤｏｍａｉｎ程序，后来巍驶化后广泛传揆剔世爨各地的研究机构和大学。
从理论肇口算法蕊言，ＬＳＤＹＮＡ怒嗣前所有的显式求解程序的弊租和理论基础。
经过多年豹发展，ＬＳＤＹＮＡ已经成为功能最丰寓、应用领域最广、全球用户最多的有限元显式求勰程序。
ＡＮＳＹＳ／Ｌ￥ＤＹＮＡｔ２７１１２８］ｆ２９】的应用领域是：各种爆炸过程仿真、高速弹丸对板靶的穿翠模拟、离速碰潼模拟（如飞机、汽车、火车、船舶碰撞事故簪｝起的结构动力响应和破坏）、乘客的安全性分析（保护气囊与假人的相互作用，安全惜的可靠性分析）、零件制造（冲逶、锻压、铸造、挤压、礼制、越塑性成形等）、机械部件的运动分析、建筑物的地震设计、罐状容器的设计、生物医学工程等这些高度非线性复杂瞬态动力学闯题。
·高发非线性瞬态动力分析高速大整碰撞分辑·复杂运动学分析爨１。
金属板料数控渐进成形技术研究
引言 自社会进入工业化时代以来，传统的小规模生产技术已无 法满足现今社会大批量生产的要求。面对现今竞争激烈的工业 化社会，各行业为达到大批量高速率的生产要求，不得不从其 生产技术上加以改进。是以，金属板料数控渐进成形技术正是 在这样时间紧凑的时代中被诞生，且随着这几年的发展，这项 技术已被广泛应用于各行业产品生产工作中，并为各个领域提 供了极快的生产速率。 一、金属板料数控渐进成形技术的定义 由实际应用效果可见，金属板料数控渐进成形技术是一项 无模成形的新型生产技术。这项技术主要利用的是将零件的信 息转换生成代码后，再以生产核心机器发布指令给下层机器的 方式进行产品生产的，其整个生产过程无需用到产品生产的模 型用具，从很大程度上提高了工业生产的效率，全面符合大规 模生产的标准。且这项技术通过计算机技术控制成形工具头对 生产材料进行加工，其还有一大好处，便是利用这种技术生产 产品时，不会限制产品的结构与外形，是一种将生产技术与产 品设计融为一体的快速生产方式。 二、金属板料数控渐进成形技术的生产方式 从其系统结构分析，可以发现数控渐进成形系统主要由工 具头、向导装置、托板、夹具与主体这几个部分构成，且其生 产的方式包括正负两种形式。在利用数控渐进成形设备生产产 品时，可以根据产品的难易度对其进行划分，并选择不同的形 式生产该产品。针对所生产的产品结构较为简单时，则采取负 成形加工的方式生产产品，这种形式是利用生产工具头从板料 内层向外层进行形状塑造的，其首先将材料的外边线利用压脚 压住，再由生产工具头从其边线往里作业，最终塑造出所生产 的产品外形。而面对产品结构较为复杂时，该系统则采取正成 形加工的方式，这种方式塑造产品外形时的工作步骤与负成形 的方式有所不同，其是利用夹具将材料固定，再由工具头延上 下的方向进行成形工作的。如此一来，则可以打破以往外形过 难无法塑造的技术限制，并节省了产品磨具打造的时间，提高 了产品加工厂的生产效率，从而促进了我国工业生产经济利益 的提升。 三、金属板料数控渐进成形技术的优势 根据实际应用效果分析可以见得，这项技术与以往的生产 技术相比，其拥有以下几点优势：(1) 数控渐进成形技术具有自 动化生产的能力，与以往生产技术相比，该技术突破了以往需 要人力操作机器的生产方式，其利用计算机技术将产品外形设
金属板材单点渐进成形数值模拟及机理探讨
学术研讨127在现阶段的板材加工技术中，无模成形技术得到了广泛重视，应用也越来越普遍，这种加工成形技术是对于传统模具成形技术的升级，渐进成形技术更加适用于小批量、多品种的工件加工，对于一些行业的多样化零件需要能够提供个性化的服务。
目前金属板材的单点渐进成形技术应用中还有一些不足和问题，针对实际加工中的工艺参数的选择，对于成形加工中的破製问题的避免，这些都需要解决，在相关的物理实验中，一般很难直接获取成形加工中相应的压应力、应变力等数据，多是通过间接测量来掌握一些局部数据的，无法为渐进加工过程提供精准的数据参考和变形机理，对此尝试通过使用有限元数值模拟来实现，能够有效解决这一问题，将其应用到渐进成形机理的研究中，能够对于板材成形工艺效果进行有效提升。
金属板材单点渐进成形数值模拟及机理探讨◊池州职业技术学院孙亮罗佳1金属板材单点渐进成形原理金属板材的渐迸换主要是通过将分层制造以及快速原型制造技术结合起来，通过在三维立体模型中按照一定的高度以及方向离散成多个断面层，形成不同等高线层面的具体加工轨迹，在相关的翊工具辅助下，按照等高线层面上加工轨迹运动，确保板材能够沿着腳工具轨迹进行逐渐变形，也就是通过工具头的运动的包络面来替换传统模具的型面，实现对于金属板材的逐次局部变形，最后将板材冲压程序要的工件形态的过程。
这板材加工技术通过对于代加工金属板材进行固定，利用夹具来固定代加工板材的位置，也可以葩使用馳圈将板材上下部位压紧，相应的压边圈也可以按照实际的成形需要来对于板材进行上下移动，再将设备和代加工部件固定在三轴数控机床中，在 成形加工的过程中，机床按照设定好的编程进行成形轨迹生成和加工，工具头沿着等高线的行加逸动，根据首层截面轮廓的成形轨迹来设置相关指令，针对飯板材《^塑性加抄作，强成首层截面加工后，将工具头沿着轴的方向进行下压，继续进行下一层的截面轮廓成形轨迹加工，重复上述的操作过程，最终完成曲加工任务。
金属板料数字化渐进成形工艺研究
金属板料数字化渐进成形工艺研究摘要：本文围绕板材数控单点渐进成形技术的工艺规划的一般原则的建立和加工轨迹优化方法。
主要内容包括基于理论分析和实践经验的一般性工艺规划和针对解决实际问题的加工轨迹优化处理。
关键词：数字化成形快速成形加工轨迹1 引言金属板材数控单点渐进成形技术是一种数字化的柔性加工技术，与传统的塑性成形技术相比，具有不需要设计、制造模具，小批量多品种加工板材零件的优点。
其柔性的特点决定了该项技术尤其适合于新产品开发阶段的板料零件成形，如日用品、汽车覆盖件、航天航空产品的研制阶段的工作，利用该技术可以大大缩短产品开发周期，降低开发成本和新产品开发的风险。
本文根据在加工过程中的一些实例，在UG软件进行使用方法的介绍，供同行们参考。
2 金属板料塑性成形技术的概述2.1 传统板料塑性成形技术金属板料通过塑性成形方法可以加工成各种零件，它们被应用于国民经济和日常生活的各个领域中。
例如汽车行业、航天航空、电机电器、食品包装、建筑等工业用品、家庭用品及家居装饰品、工艺美术品、医疗器械、家用电器等日常用品都大量使用金属板料塑性成形件。
传统的板料塑性成形技术的加工过程通常包括两个阶段。
第一阶段是模具的设计与制造阶段；第二阶段是采用模具的生产阶段。
这种加工方式的优点是，一旦模具设计制造成功后，可以大批量的生产需要的零件。
但是，因为在模具的设计制造过程中，需要反复的对模具进行修改，这样就表现出模具的设计、制造费用高、周期长，使板材零件的应用范围受到限制。
2.2 板料塑性无模成形技术二十一世纪是以知识经济和信息社会为特征的新时代，制造业正面临着空前严峻的挑战。
如何快速、低成本和高质量地开发出新产品，以满足信息社会中瞬息万变的市场对小批量多品种产品的要求，是企业生存和发展的关键。
传统的板料塑性成形技术已经不能够满足这种要求，市场经济要求提高成形的柔性。
提高塑性加工柔性的方法有两种途径”，一是从机器的运动功能上着手，例如多向多动压力机，快速换模系统及数控系统。
上海交通大学科技成果——先进板料柔性渐进成型技术
上海交通大学科技成果——先进板料柔性渐进成型技术
技术背景
依靠逐次单点变形累积产生整体的变形，不需要专用模具即成形出预定形貌构件。
针对小批量多品种构件，可大幅降低成本提高加工效率。
开发了板料数控柔性渐进成形装备和加载轨迹生成软件，研制了铝、镁、钛合金板的典型钣金样件。
技术水平
开发了轻质高强金属板型材料渐进成形工艺，已形成航空航天小批量难成形部件制造能力及专用装备开发能力。
获发明专利10余项。
柔性渐进成型装备
加工材料：铝合金、镁合金、钛合金及其复合材料等
特点优势：无需模具、制造周期短、精度高、重复性好、成本低等
应用领域
航空航天小批量难成形部件
轻质高强金属板料柔性成形。
应用开放式CNC进行金属板材数控渐进成形加工的研究
ｍｏ ｉｉｇ ｔ ｅＮＣ ｐ ｏ ｒ ｍ ｎ ｅ ｕａ ｉｇｔ ｅｆ ｒ ｎ ｏ ｌ ｒｊｃｏ ｙ ｄｆ ｈ ｒｇ ａ ａ ｄ ｒｇ ｌｔ ｈ ｏ ｍｉｇ ｔｏ ｓｔａｅｔ ｒ ． ｎ ｎ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ： ｄ Ｓｈｅ ｔｍ ｅ ａ ， ＮＣ ｎｃ ｅ ｅ ａ ｏ ｍ ｉ ｅ ｔ ｌ Ｃ ｉ ｒ ｍ ｎｔ ｌｆ ｒ ｎｇ， ） ｅ （ ｐ ｎ ＣＮＣ
ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｍｅ ａ ａ ｔ ｃ ｕ ａ ｙ ｗｉ ｅ ｉ ｒ ｖ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｆｅ ｉ ｌ ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｒ ｐ ｅ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｃ ｐ ｂ ｌ ｉｓ ｈ ｓ ａ ｅ ， ｔ ｌｐ ｒｓ ａ ｃ ｒ ｃ ｌ ｂ ｍｐ ｏ ｅ ｈ ｏ ｇ ｈ ｌ ｘ ｂ ｅ ｐ ｌ ｔ ｆ ｗｏ ｋ ｉｃ ａ ｕ ｅ ｎ ａ ａ ｉ ｔｅ ， ｌ ｃ ｏ ｉ
加 工 方 式 的成 形 原 理 比 较 如 图 １所 示 ， 今 为 止 的 迄
布ｌ Ｊ 本研 究就 是 在 此 基 础 上 ， 原 有 使 用 固定 支 】 ， 将 撑模 型 的 下 移 动 加工 方 式 ， 利 用 开 放 式 Ｃ 并 ＮＣ技 术 实 现 对 成
支撑 模 型 的反 向 加 工 方 式 进 行 改 进 ， 用 开放 式 ＣＮＣ 技 术 ， 用 了 一 种 通 过 上 下 ２ 系统 ５轴 控 制 成 形 方 应 使
式 ， 建 了改进 型 的数控 渐 进成 形 系统 ， 通过 灵 活应 用工件 测 量 功 能 ， 改数 控 程 序 ， 节 成 形 工具 的 构 并 修 调 成形 轨 迹 ， 高成形 零件 的加 工精度 。 提 关键 词 ： 属 板材 ； 控 渐进 成 形 ； 放 式 Ｃ 金 数 开 ＮＣ 中 图分 类号 ： Ｇ ３ １ Ｔ ８ 文 献标 志码 ： Ａ
铝板数控单点渐进成形的成形极限曲线研究
第３１卷第８期中国机械工程V o l ．３１㊀N o ．８２０２０年４月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．９６０Ｇ９６７铝板数控单点渐进成形的成形极限曲线研究侯晓莉㊀李㊀言㊀杨明顺㊀柏㊀朗㊀石㊀珣㊀张成兴西安理工大学机械与精密仪器工程学院,西安,７１００４８摘要:对薄壁复杂构件进行数控单点渐进成形时,板料易发生破裂㊁起皱等缺陷,且材料变形机制演化复杂,对加载条件极为敏感,使得板料在数控单点渐进成形时的破裂预测和控制变得极难.为此,选取１０６０铝板作为研究材料,通过试验研究了数控单点渐进成形技术中板料的成形性能,以实现对破裂的预测和控制.利用拓印法将制件的空间变形问题转化为平面变形问题,采用数码显微镜对拓印的制件网格数据进行测量和提取,选用插值法和多项式拟合法对数据进行拟合处理,最终得到了１０６０铝板料在数控单点渐进成形技术下的成形极限曲线(F L C ).通过对F L C 进行分析研究,得到了制件破裂区和安全区域的应变分布,实现了制件破裂的预测和控制.为进一步提高１０６０铝板的成形极限,将超声振动引入到单点渐进成形中,通过试验对比研究了超声振动辅助渐进成形的F L C 和传统渐进成形的F L C ,试验结果表明:当振动功率为１２０W ㊁振动频率为２５k H z 时,１０６０铝板料的成形极限提高了１１％.关键词:破裂预测和控制;数控单点渐进成形;１０６０铝板;成形极限曲线;超声振动中图分类号:T G ３３６D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２０．０８．０１１开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):R e s e a r c h o nF L C i nC N CS i n g l e P o i n t I n c r e m e n t a l F o r m i n g ofA l u m i n u mS h e e t s HO U X i a o l i ㊀L IY a n ㊀Y A N G M i n g s h u n ㊀B A IL a n g ㊀S H IX u n ㊀Z H A N GC h e n g x i n gS c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dP r e c i s i o n I n s t r u m e n t E n g i n e e r i n g ,X i a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,X i a n ,７１００４８A b s t r a c t :W h e nC N Cs i n g l e p o i n t i n c r e m e n t a l f o r m i n g o f t h i n Ｇw a l l e dc o m p l e xc o m p o n e n t sw a s c a r r i e do u t ,s h e e tm e t a lw a s p r o n e t o c r a c k i n g ,w r i n k l i n g an d o t h e r d e f e c t s ,a n d t h e e v o l u t i o no fm a Ｇt e r i a l d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m w a s c o m p l e x ,w h i c hw a s v e r y s e n s i t i v e t o l o a d i n g co n d i t i o n s ．I tw a s d i f Ｇf i c u l t t o p r e d i c ta n dc o n t r o l t h ef r a c t u r eo fs h e e t m e t a l s i nC N Cs i n g l e p o i n t i n c r e m e n t a l f o r m i n g．T h e r e f o r e ,１０６０a l u m i n u ms h e e tw a s s e l e c t e d a s t h e r e s e a r c hm a t e r i a l ,a n d t h e f o r m i n gpe rf o r m a n c e o f t h e s h e e tm e t a l s i nC N Cs i ng l e p o i n t i n c r e m e n t a l f o r m i n g t e ch n o l o g y w a s s t u di e d e x p e r i m e n t a l l y t o r e a l i z e t h e p r e d i c t i o na n dc o n t r o l o f f r a c t u r e ．S p a t i a l d e f o r m a t i o no f p a r t sw a s t r a n s f o r m e d i n t o p l a n e d e f o r m a t i o nb y r u b b i n g m e t h o d ．T h e g r i dd a t a o f r u b b i n g p a r t sw e r em e a s u r e d a n d e x t r a c t e db y d i gi t Ｇa lm i c r o s c o p e ．T h e d a t aw e r e f i t t e db y i n t e r p o l a t i o n m e t h o da n d p o l y n o m i a l f i t t i n g m e t h o d ．F i n a l l y,t h eF L C i nC N Cs i n g l e p o i n t i n c r e m e n t a l f o r m i n g o f １０６０a l u m i n u ms h e e t sw a so b t a i n e d ．T h e s t r a i n d i s t r i b u t i o n s i n t h eb r e a ka r e a a n ds a f e a r e aw e r eo b t a i n e db y a n a l y z i n g t h eF L C ．T h e p r e d i c t i o na n d c o n t r o l o f t h e r u p t u r e f o r t h ew o r k p i e c e sw e r e r e a l i z e d ．I no r d e r t o f u r t h e r i m p r o v e t h e f o r m i n g li m i t o f １０６０a l u m i n u ms h e e t s ,u l t r a s o n i cv i b r a t i o nw a s i n t r o d u c e d i n t os i n g l e p o i n t i n c r e m e n t a l f o r m i n g．T h eF L Co f u l t r a s o n i c v i b r a t i o n a s s i s t e d i n c r e m e n t a l f o r m i n g a n d t r a d i t i o n a l i n c r e m e n t a l f o r m i n g w e r e c o m p a r e db y t e s t s ．T h e t e s t i n g r e s u l t s s h o wt h a t t h e f o r m i n g l i m i t o f １０６０a l u m i n u ms h e e t i n c r e a s e s b y １１％w h e n t h e v i b r a t i o n p o w e r i s a s １２０Wa n d t h e v i b r a t i o n f r e q u e n c yi s a s ２５k H z ．K e y wo r d s :f r a c t u r e p r e d i c t i o na n d c o n t r o l ;C N Cs i n g l e p o i n t i n c r e m e n t a l f o r m i n g ;１０６０a l u m i n u m s h e e t ;f o r m i n gl i m i t c u r v e (F L C );u l t r a s o u n dv i b r a t i o n 收稿日期:２０１９０１２５基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１４７５３６６,５１５７５４４３)０㊀引言金属板料单点渐进成形(s i n gl e p o i n t i n c r e Ｇm e n t a l f o r m i n g,S P I F )是利用分层制造的思想,通过局部变形累积实现零件整体成形的一种新型板料柔性快速成形技术,无需模具或只需简易模具,适用于单件小批量㊁多样化和复杂形状产品的生产需求.然而,在S P I F 技术中,过大的局部应力易引起过于集中的应变,致使板料易发生失稳㊁起皱㊁破裂等缺陷,尽管许多学者对S P I F 工艺进行了广泛的理论与试验研究,然而在成形极限㊁成形效率㊁成形精度及表面质量等方面的不足始终制约着此项技术的工业化大范围应用,如何提高S P I F 技术的成形极限㊁改善成形质量是该领域目前的研０６９ Copyright©博看网 . All Rights Reserved.究热点.成形极限指的是金属板料在成形过程中介于应变安全区和应变破裂区的一个界限,由成形极限曲线(f o r m i n g l i m i t c u r v e,F L C)进行表征,它位于主应变ε１㊁ε２所构建的平面坐标系内.为研究S P I F技术的成形极限,国内外学者进行了大量的工作,并取得了一定的成效[１Ｇ３].S O E I R O等[４]对S P I F过程中材料的应力应变进行了理论计算,他们认为板料在径向拉应力的作用下发生了破裂,且破裂会发生在与工具头接触的上边缘处.P A R K等[５]提出了基于应变历史的极限状态判断方法,并对三种不同类型试样的应变历史和等效塑性应变进行了测量,研究结果表明,基于有效塑性应变的断裂成形极限图适用于预测先进高强度板料在复杂成形过程中的突然断裂.S I MO N E T T I等[６]提出了改进的应变数据拟合方法.陈劫实等[７]从能量的角度出发,基于总塑性功的积分形式,考虑了成形过程中应变路径变化㊁材料的硬化指数等因素的影响,建立了板料的成形极限判断依据.王进等[８]提出了通过渐进成形圆弧沟槽㊁十字交叉圆弧沟槽直至板料端部破裂后,测量破裂位置最大和最小主应变以获得板料渐进成形极限图的方法.王华毕等[９]通过数控机床渐进成形锥形零件,试验测量了不同因素(原始板厚㊁垂直增量步长㊁润滑剂种类㊁零件形状)下的成形极限角,以此来比较渐进成形性能以及探究限制材料成形极限的原因.为提高板料在S P I F技术下的成形极限,部分学者尝试了双点渐进成形㊁双边渐进成形㊁电磁辅助渐进成形㊁激光辅助渐进成形㊁热渐进成形㊁增加支撑等复合工艺.S H A M S A R I等[１０]采用液压胀形和S P I F相结合的方式提高成形极限和成形效率.Z H A N G等[１１]尝试将S P I F工件卸载后通过退火处理,以降低工件的回弹变形和提高成形极限.J A W A L E等[１２]根据断裂力学的模式,通过试验确定了铜的断裂成形极限(F F L)和剪切裂缝成形极限(S F F L).龚航等[１３]对大型铝合金曲面件电磁渐进成形技术进行了研究.C U I等[１４]采用电磁辅助S P I F和拉伸相结合的方式进行了大尺度薄壁椭圆体零件变形.李小强等[１５]研究了整体加热和局部加热对成形极限的影响,试验发现随着温度的升高,材料的成形极限也会相应提高,局部加热的方式可使非加热区域的板料因处于相对低温而保持较好的刚性,从而提高了整体零件的精度.综上所述,为避免成形缺陷并提高成形质量,国内外的科研工作者在板料成形极限的影响机理㊁研究手段㊁改善措施等方面做了诸多工作,并取得了大量的成果.本文以制件破裂区域的应变分布为研究对象,利用拓印法和显微观测法获取破裂区域的应变分布数据,选用插值法和多项式拟合法处理并分析应变数据,最终得到关于１０６０铝板在S P I F技术作用下的成形极限,实现了制件破裂的预测和控制.在此基础上,鉴于超声振动在塑性加工工艺中表现出来的提高成形极限㊁减小成形力等积极作用[１６Ｇ１８],本文将超声振动引入S P I F过程中以改变材料流变状态和组织演化机制来提高成形极限,通过试验对比研究了超声振动辅助渐进成形的F L C和传统渐进成形的F L C,验证并量化了超声振动对成形极限的改善效果.１㊀数控单点渐进成形板料成形极限试验由于板料成形极限源于试验,试验中的一些具体因素和标准不同,而这些因素和标准却对试验结果又有着重要的影响(如采用颈缩失效和破裂失效时,两者的判断标准不一样,试验中得到的F L C也不同),因此,本文基于板料S P I F的工艺要求,从试验条件的可观测性角度出发确定成形中的极限状态,以期提高成形试验结果的实用性和可靠性.板料发生颈缩现象一般是材料细微组织的变化,实际生产中零件局部出现明显的颈缩痕迹即认为零件冲压失效,但由于板料在S P I F过程中的颈缩现象并不易观测[１９Ｇ２０],因此,１０６０铝板常温下的成形极限由板料的破裂极限来定义,当板料在成形过程中出现任何破损现象时即视为成形极限的判定标准.图１㊀成形轨迹简图及试验装置F i g．１㊀F o r m i n g t r a j e c t o r y d i a g r a ma n d t e s t d e v i c e １．１㊀试验原理和装置采用数控加工中心作为数控S P I F试验平台.通过预先编制好的数控程序控制成形工具头的运动轨迹,逐层成形出圆锥台成形工件.成形轨迹及装置如图１所示.试验系统由成形工具头㊁夹具和待成形板料组成,将１０６０铝板放在夹具底座上,板料四周用压板夹紧.成形工具采用圆柱形高速钢棒料球头状刀具,对刀具球头进行抛光处理.工具头直径为１０mm,原始板料厚度为１mm,板料尺寸为１４０mmˑ１４０mm,并在板料表面印制圆形网格,最终成形圆锥台的成形壁角α＝６４ʎ.成形过程中,层间距选择０．３mm,工具头转速为７５０r/m i n,进给速度为２００mm/１６９铝板数控单点渐进成形的成形极限曲线研究 侯晓莉㊀李㊀言㊀杨明顺等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.m i n,润滑油选用昆仑LＧHM４６抗磨液压油.试验用１０６０铝板力学性能属性如表１所示.表１㊀１０６０铝板的力学性能T a b．１㊀M e c h a n i c se rf o r m a n c e o f１０６０A l u m i n u m m a t e r i a l１．２㊀成形极限的测量网格测量是塑性变形实测中常用的一种测量方法,对板料极限应变的测量关键是确定极限状态,将破裂作为板料成形极限的判断依据.网格测量主要有三类方法:①直接测量法,将试件成形至破裂,测量破裂区域附近的网格,该方法操作简单但误差较大;②插值法,测量破裂失效变形网格附近的若干个网格,通过插值处理得出极限应变,该方法对初期网格数据测量要求较高,但插值结果比较准确;③与应变历程相关的测量方法[２１Ｇ２２],通过应变随时间的变化关系确定极限应变,该方法对设备精度要求较高,未能普遍使用.在研究过程中,本文利用拓印法将曲面变形问题转换成平面变形问题,结合现代数码显微技术进行精确测量,再采用插值和多项式拟合处理数据并绘制铝板的F L C.数控S P I F试验中,最终成形工件多为曲面形状,其形变在毫米级.在金属板表面印刷网格,采取常用圆形网格形式,原始网格大小控制在直径２．２mm.将胶带粘贴在被测曲面上,将成形曲面的网格形变拓印出来(即将制件空间曲面转换成平面),拓印出来的网格能够较为准确地反映出被测曲面网格的形变.采用I S MＧP M２００S数码显微镜配合U S B 数据传输采集测量系统来测量破裂区域的网格形变大小,如图２所示.图２㊀拓印网格及测量设备F i g．２㊀R u b b i n g g r i da n dm e a s u r i n g e q u i p m e n t１０６０铝板成形后圆形网格拉伸变形为椭圆形网格,分别测量每一个椭圆形网格的长短轴变化,将测量数据进行处理得到该板料的两个主应变.通过I S MＧP M２００S数码显微镜放大３０倍后,依次测量出拓印的５条网格形变带,局部显示如图３所示,其中L a为所测椭圆形网格的短轴, L b为所测椭圆形网格的长轴,D为圆形网格(即L a＝L b时的情况)直径.(a)第１㊁２㊁３条网格形变带(形变初段)(b)第１㊁２㊁３条网格形变带(形变中段)(c)第４㊁５条网格形变带(形变初段)(d)第４㊁５条网格形变带(形变中段)图３㊀放大３０倍后网格形变F i g．３㊀M e s hd e f o r m a t i o na f t e r３０Ｇf o l dm a g n i f i c a t i o n １．３㊀测量与计算结果每条网格形变带上分别有１１个网格,测得的５条网格形变带的形变情况如表２所示.板料受力后的应变情况主要有平面应变㊁胀形应变㊁拉伸应变,上述三种状态如图４所示,以S P I F圆锥件为研究对象,由表２中的数据可得,圆形网格成形后的形变为,椭圆形网格的长轴拉伸量较大,短轴伸长量较小.故此种成形应变状态可以看作平面应变状态.２６９中国机械工程第３１卷第８期２０２０年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.表２㊀沿路径提取网格形变T a b ．２㊀E x t r a c tm e s hd e f o r m a t i o na l o n gt h e pr e s c r ib e d p a thmm网格数L a１L b １L a ２L b ２L a ３L b ３L a ４L b ４L a ５L b ５１２．２０５２．２０５２．２７４２．２７４２．２２０２．２２０２．２９２２．２９２２．２８３２．２８３２２．３７８２．３７８２．３２２２．３２２２．３８３２．３８３２．２８８２．２８８２．２９１２．２９１３２．２９１３．１３１２．２９４３．１２３２．２９９３．１０８２．２６６２．９３０２．２３９２．９５７４２．３７７３．５０８２．４０５３．４２７２．４００３．４６２２．４１０３．３４５２．４０５３．３７５５２．４２４４．６０２２．４３２４．６４６２．４６２４．４２７２．５５０４．２６４２．４９８４．３１３６２．６４０６．９２３２．６９５７．０７０２．６３３７．１３５２．５５４７．３０７２．７０９７．２４３７２．４８２５．０５０２．５１０５．２６６２．５１８５．２０２２．５７３５．２５２２．５１６５．２２８８２．４５４３．５６０２．４５４３．５８６２．４１８３．５４７２．４３５３．４９２２．４０５３．５６６９２．３０２２．７７３２．４００２．７８２２．３６６２．７５６２．３７８２．６２７２．３７７２．７０９１０１．８１０２．１０５２．２１３２．３４９２．２０９２．２５０２．２８７２．３２６２．２９７２．３７１１１２．２２５２．２２５２．２２８２．２２８２．３４５２．３４５２．２７４２．２７４２．３０８２．３０８(a)平面应变㊀(b)胀形应变㊀(c)拉伸应变图４㊀三种应变状态F i g．４㊀T h r e e s t r a i n s t a t e s 对于平面应变状态,板料成形中的厚向应力可以忽略不计,但厚向应变却不能忽略,因此板料的应变可以用三个主应变ε１㊁ε２和ε３来表示.根据体积不变定律,三个主应变之和为零,则三个应变变量之中的任何一个变量均可以由另外两个表示(即两个应变变量可以表示板料的应变状态).由此,用面内的两个主应变ε１㊁ε２来表示铝板的应变状态,在成形后的板料上测量椭圆形网格的长短轴大小,就可计算得到板料的主次应变.主次应变的值可利用工程应变和真实应变两种计算方法,计算公式分别如下.工程应变计算方法:ε１＝L a －D ０D ０㊀㊀ε２＝L b －D ０D ０真实应变(对数应变)计算方法:ε１＝l n L a D ０㊀㊀ε２＝l n L bD ０式中,D ０为圆形网格变形前的原始直径,取D ０＝２．２m m .由于工程应变需计算无穷多个中间状态的工程应变,其总变形量为近似每个中间量之和,不能准确反映出材料的实际变形情况,而真实应变则反映了板料变形的实际情况,故在本试验研究中,采用真实应变进行计算.用ε１表示计算得到的轴向网格应变,ε２表示计算得到的切向网格应变;将成形后板料的轴向网格应变作为第一主应变,切向网格应变作为第二主应变.计算可得到５条网格形变带的应变,如表３所示.表３㊀成形后的板料沿路径提取网格应变T a b ．３㊀T h e g r i d s t r a i nd a t a a l o n gt h e p a t ha f t e r f o r m i n gt h e s h e e tm e t a l 网格数εa １１εb １２εa ２１εb ２２εa ３１εb ３２εa ４１εb ４２εa ５１εb ５２１００００００００００２０．０７６０．０７６０．０２１０．０２１０．０７１０．０７１－０．００２－０．００２０．００３０．００３３０．０３８０．３５１０．００９０．３１７０．０３５０．３３６－０．０１１０．２４６－０．０１９０．２５９４０．０７５０．４６４０．０５６０．４１００．０８００．４４４０．０５００．３７８０．０５２０．３９１５０．０９５０．０８６０．０６７０．７１４０．１０３０．６９００．１０７０．６２００．０８６０．６３６６０．１８０１．１４４０．１７０１．１３４０．１７１１．１６８０．１０８１．１５９０．１７１１．１５５７０．１１８０．９４１０．０９９０．８４００．１２６０．８５２０．１１６０．８２９０．０９７０．８２９８０．１０７０．４７９０．０７６０．４５５０．０８５０．４６９０．０６１０．４２１０．０５２０．４４６９０．０４３０．２２９０．０５４０．２０２０．０６４０．２１６０．０３７０．１３６０．０４００．１７１１０－０．１９７－０．０４６－０．０２７０．０３２－０．００５０．０１３－０．００２０．０１５０．００６０．０３８１１０．０２２０．０２２－０．０２０－０．０２００．０５５０．０５５－０．００８－０．００８０．０１１０．０１１２㊀１０６０铝板成形极限曲线的绘制测量数据具有离散性与跳跃性,测量过程中存在人为的误差,采用在区间上的数值插值能有效地减少数据之间的跳跃,可去除与插值曲线相差比较大的数据点.三次样条插值函数具有平滑可导性㊁准确性高的优点,因此本文采用数值分析中常用的三次样条插值.利用M A T L A B 对所测数据进行插值拟合,编写插值三次样条插值程序,采用三次样条插值函数s pl i n e (X ０,Y ,x ).初值X ０为成形后经过破裂区域的网格编号１~１１,Y １~Y ５分别为测量５条形变带长短轴的实际形变,插值步长x 为０．０５.将成形后椭圆形网格的短轴形变量L a 记为轴向网格形变量,长轴形变量L b 记为切向网格形变,得到的轴向和切向插值的曲线分别见图５㊁图６.图５㊀轴向网格形变插值曲线F i g ．５㊀I n t e r p o l a t i o n c u r v e f i t t i n g de f o r m a t i o no f a x i a lm e s h图６㊀切向网格形变插值曲线F i g ．６㊀I n t e r p o l a t i o n c u r v e f i t t i n g de f o r m a t i o no f t a n ge n t i a lm e s h３６９ 铝板数控单点渐进成形的成形极限曲线研究侯晓莉㊀李㊀言㊀杨明顺等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.从被测的５条形变带数据的插值曲线可以看出,轴向网格形变插值曲线较为分散,切向网格形变插值曲线重合度高.若要提取破裂区周围的最大形变量来绘制F L C ,则轴向形变插值曲线的数据分散㊁误差较大,而切向网格形变插值曲线在最大形变(破裂区)附近的数据重合度高,误差较小.由于５条轴向插值曲线重合度不高,若要采用其数据绘制F L C 则误差较大,故需要从数据整体变化趋势的角度,并结合数据分布的大致情况来确定应用的拟合模型,采用多项式曲线拟合形变以减小其误差.对所测数据进行多项式拟合,同样将成形后椭圆形网格的短轴形变量L a 记为轴向网格形变量,长轴形变量L b 记为切向网格形变量,其中以第２条网格形变带轴向㊁第３条网格形变带切向拟合的多项式曲线为例,分别见图７㊁图８.(a)多项式拟合曲线(b)残差图７㊀轴向网格多项式拟合曲线及其对应残差F i g ．７㊀C u r v i l i n e a r p o l y n o m i a l f i t t i n g ax i a lm e s ha n d i t s c o r r e s p o n d i n g re s i d u a ls (a)多项式拟合曲线(b)残差图８㊀切向网格多项式拟合曲线及其对应残差F i g ．８㊀C u r v i l i n e a r p o l y n o m i a l f i t t i n g t a n ge n t i a lm e s h a n d i t s c o r r e s p o n d i n g re s i d u a l s 图７a 中的离散数据点为实际测得的轴向网格形变量,分别用三次多项式和五次多项式曲线拟合实测的数据.图７b 为对应残差,其中三次多项式的残差模为０．１８８５８mm ,五次多项式的残差模为０．１７４４６mm .由表２可知,第２条网格形变带的轴向最大网格形变为２ ６９５mm ,则可计算出轴向最大网格形变的相对误差如下.三次多项式拟合相对误差为０．１８８５８２．６９５ˑ１００％＝６．９９７％五次多项式拟合相对误差为０．１７４４６２．６９５ˑ１００％＝６．４７３％图８a 中的离散数据点为实际测得的切向网格形变量,分别用三次多项式和七次多项式曲线拟合实测的数据.图８b 为对应残差,其中三次多项式的残差模为３．２１２７mm ,七次多项式的残差模为１．６３４２mm .由表２可知,第３条网格形变带的切向最大网格形变为７ １３５mm ,则可计算出切向最大网格形变的相对误差如下:三次多项式拟合相对误差为３．２１２７７．１３５ˑ１００％＝４５．０３％七次多项式拟合相对误差为１．６３４２７．１３５ˑ１００％＝２２．９０％由网格形变多项式拟合曲线可以发现,轴向多项式拟合曲线的最大相对误差为６．９９７％,误差较小,且三次拟合与五次拟合的相对误差变化不大.由此可知,轴向五次多项式拟合曲线就能很好地反映出实际测得的形变量曲线.由于在S P I F 过程中制件深度方向的形变要远大于侧面曲面的形变,出现的拉伸破损为切向拉伸破损,所以切向的应变变化大,且切向多项式拟合曲线的误差较大,最大相对误差为４５．０３％.三次多项式与七次多项式的相对误差变化也很大,故切向多项式拟合曲线并不能真实反映出实测数据的变化情况.其他各条网格形变带在轴向和切向拟合的多项式均符合上述类似的多项式拟合结果.经上述分析,最终提取轴向五次多项式拟合曲线数据和切向三次样条插值曲线数据来绘制１０６０铝板的F L C .在成形后的网格形变带上,被测量的网格在第５个网格上没有发生破损失效,而在第６个网格上发生了破损失效.若将第５个网格作为应变的极限,则有可能实际还没有达到最大应变;若将第６个网格作为应变的极限,但第６个网格已经发生了破损失效,且由于破裂区域实际测量中应变明显会增大,故也不能作为极限应变,如图９所示.由此,采取从轴向形变曲线拟合五次多项式中求取第５~６个网格的区间数据,作为成形极限应变来绘制F L C ;从切向三次样条插值曲线中提取从第５~６个网格的连续数据,作为成形极限应变来绘制F L C .４６９ 中国机械工程第３１卷第８期２０２０年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.(a)测量破裂区域(b)实际破裂区域图９㊀测量破裂区域与实际破裂区域的对比F i g ．９㊀C o m pa r i s o nb e t w e e n t h em e a s u r e dc r e v a s s e a nd t he a c t u a l c r e v a s s e将成形后椭圆形网格的短轴应变作为平面第一主应变ε１,长轴应变作为平面第二主应变ε２.得到的破裂区网格５㊁６的极限形变量所对应的应变如图１０所示.最终将第一主应变ε１作为横坐标,第二主应变ε２作为纵坐标,绘制得到１０６０铝板的F L C ,如图１１所示.可以看出,F L C 将整个区域分为安全区与破裂区,在F L C 以下时认为板料的变形是安全的,在F L C 以上时认为板料发生破裂或者失稳.(a)第一主应变(b)第二主应变图１０㊀主应变曲线F i g ．１０㊀P r i n c i pa l s t r a i n c u r ve 图１１㊀１０６０铝板成形极限曲线F i g ．１１㊀F o r m i n gl i m i t c u r v e o f １０６０a l u m i n u ms h e e t 如图１２所示,将直接测量的离散点与拟合曲线进行对比,离散的数据点为直接测量法所得成形破裂区网格的应变极限,曲线为数据拟合的应变极限曲线.由于直接测量法是通过测量破损区域附近有限数量个网格,且均为已出现了破裂的网格或是形变量还未达到破裂的网格,故存在不可避免的测量误差.已破裂网格的应变比极限网格的应变要大,而未破裂的网格则很难判断刚好达到应变极限.所以直接测量得到的应变极限较为分散,安全区和破裂区的界限不易区分出来,从实际的成形结果分析,若要得到最大形变的成形件,则并不能作为良好的依据.拟合得到的曲线连续而光滑,应变数据点比破裂点低,同时比未破裂点高,更符合实际情况.在安全系数要求较高的板料成形中,应用拟合得到的F L C 更为安全可靠.图１２㊀直接测量法与拟合的对比F i g ．１２㊀C o m pa r i s o no f d i r e c tm e a s u r e m e n t a n d i n t e r po l a t i o n ３㊀超声振动对成形极限曲线的改善在前述的常温静态试验研究的基础上,本文进一步针对不同功率和频率超声振动下的１０６０铝板的S P I F 性能进行了对比试验研究,采用表４中的５种功率和频率数据,以成形力为监测指标,分析了超声振动功率和频率对铝板成形性能的影响.表４㊀超声波振动参数数据T a b ．４㊀D a t a o f u l t r a s o u n d v i b r a t i o n p a r a m e t e r s序号频率(k H z )功率(W )序号频率(k H z )功率(W )１１５８０４３０１４０２２０１００５３５１６０３２５１２０５６９ 铝板数控单点渐进成形的成形极限曲线研究侯晓莉㊀李㊀言㊀杨明顺等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.㊀㊀依据本课题组前期的研究成果[２３],当频率一定时,随着功率从８０~１２０W 的增大,成形力呈减小趋势,之后随着功率从１２０~１６０W 的继续增大,成形力又呈现增大的趋势,当功率为１２０W时,成形力最小;而当功率一定时,随着超声振动频率从１５~２５k H z 的提高,板料的成形力逐渐减小,当频率从２５~３５k H z 继续提高,其成形力又逐渐增大,当频率为２５k H z 时,成形力最小.由此可知,当频率为２５k H z ㊁功率为１２０W 时,１０６０铝板的成形效果最好.利用静态S P I F 技术成形一圆锥台件直至发生破损,同时利用超声波参数为频率２５k H z ㊁功率１２０W 的数控S P I F 技术使同一圆锥台件发生破损,并将两者破裂时的应变极限曲线进行了对比,以说明超声振动对S P I F 极限的影响.试验和分析所得静态以及外加超声振动后的板料成形极限应变的对比如图１３所示.图１３㊀静态与超声极限应变对比F i g ．１３㊀C o m pa r i s o no f s t a t i c a n du l t r a s o u n d l i m i t s t r a i n 从图１３中可以看出,在理想振型参数的作用下,１０６０铝板超声数控S P I F 的塑性应变极限较静态条件下有所提高,提高幅度在１１％左右.在该振动功率下,由于超声能量的输入,促进了铝板位错运动,对铝薄板滑移系开动有影响,使塑性变形更易进行,因此,铝板的屈服强度有所降低.当超声振动的能量刚好能对滑移系有促进作用时,薄铝板的应变极限就会有一定程度的提高.４㊀结论(１)１０６０铝板在单点渐进成形(S P I F )技术作用下的形变量处于毫米级,且成形制件为空间曲面件,因此采用拓印法能够将空间变形问题转化成可测的平面变形问题,并利用I S M ＧP M ２００S 数码显微镜测量破裂区域的拓印带以获取制件的成形极限.经实践证实,该方法具有一定的可行性和实用性.(２)因直接测量的离散数据存在不可避免的测量误差,故本文提出了基于插值曲线和多项式拟合的数据优化处理方法.对拟合优化后的１０６０铝板成形极限曲线(F L C )进行了分析,得到了该材料制件在S P I F 技术下的破裂区和安全区以及制件破裂区域的应变分布,实现了制件破裂的预测和控制.(３)为进一步提高１０６０铝板的成形极限,将超声波振动赋予到成形工具头上,以改善材料的流变机理和组织演化机制.通过试验对比研究了超声振动辅助下与传统渐进成形下的F L C ,试验结果表明,当频率为２５k H z ㊁功率为１２０W 时,１０６０铝板料制件的成形极限得到了明显的提高.参考文献:[１]㊀曹宇,高锦张,贾俐俐．渐进成形圆孔翻边变形区厚度减薄现象的模拟研究[J ]．锻压技术,２０１５,４０(２):５２Ｇ５９．C A O Y u ,G A OJ i n z h a n g,J I AL i l i ．N u m e r i c a l S i m Ｇu l a t i o n f o rT h i c k n e s sT h i n n i n g ofD e f o r m a t i o nZ o n e o nH o l e Ｇf l a n g i n g b y I n c r e m e n t a l F o r m i n g [J ]．F o r gＧi n g &S t a m p i n g T e c h n o l o g y,２０１５,４０(２):５２Ｇ５９．[２]㊀A N D R A D E R ,S K U R T Y SO ,O S O R I O F ．D e v e l Ｇo pm e n t o f aN e w M e t h o dt oP r e d i c t t h e M a x i m u m S p r e a dF a c t o r f o r S h e a rT h i n n i n g D r o ps [J ]．J o u r n a l o fF o o dE n g i n e e r i n g,２０１５,１５７:７０Ｇ７６．[３]㊀M O R A L E S ＧP A L M AD ,V A L L E L L A N O C ,G A R C ÍA ＧL O M A SF J ．A s s e s s m e n t o f t h eE f f e c t o f t h eT h r o u gh Ｇt h i c k n e s s S t r a i n /S t r e s sG r a d i e n t o n t h eF o r m a b i l i t y o f S t r e t c h Ｇb e n d M e t a lS h e e t s [J ]．M a t e r i a l s &D e s i gn ,２０１３,５０(１７):７９８Ｇ８０９．[４]㊀S O E I R OJM C ,S I L V A C M A ,S I L V A M B ,e ta l ．R e v i s i t i n g t h eF o r m ab i l i t y L i m i t sb y F r ac t u r e i n S h e e tM e t a l F o r m i n g[J ]．J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o Ｇc e s s i n g T e c h n o l o g y,２０１５,２１７:１８４Ｇ１９２．[５]㊀P A R K N ,HUH H ,L I M SJ ,e t a l ．F a c t u r e Ｇb a s e dF o r m i n g L i m i tC r i t e r i a f o rA n i s o t r o pi c M a t e r i a l s i n S h e e t M e t a lF o r m i n g [J ]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f P l a s t i c i t y,２０１７,９６:１Ｇ３５．[６]㊀S I MO N E T T IOP ,R AMA NSV．S t r a i n i n g to J u s Ｇt i f y S t r a i nM e a s u r e m e n t [J ]．J a c c Ｇc a r d i o v a s c u l a r I m Ｇa g i n g ,２０１０,３(２):１５２Ｇ１５４．[７]㊀陈劫实,周贤宾．板料成形极限预测新判据[J ]．机械工程学报,２００９,４５(４):６４Ｇ６９．C H E NJ i e s h i ,Z HO U X i a n b i n ．N e wF o r m i n g L i m i t P r e d i c t i o nC r i t e r i o nf o rS h e e tM e t a l s [J ]．J o u r n a l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,２００９,４５(４):６４Ｇ６９．[８]㊀王进,姜虎森,陶龙,等．板料渐进成形极限图测试方法研究[J ]．锻压技术,２０１３,３８(２):３４Ｇ３６．WA N G J i n ,J I A N G H u s e n ,T A O L o n g,e ta l ．S t u d y o nE x p e r i m e n t a lM e t h o d o fM e a s u r i n g Fo r m Ｇi n g L i m i t D i a g r a m i nI n c r e m e n t a lS h e e t F o r m i n g６６９ 中国机械工程第３１卷第８期２０２０年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.[J]．F o r g i n g&S t a m p i n g T e c h n o l o g y,２０１３,３８(２):３４Ｇ３６．[９]㊀王华毕,桑文刚,魏目青．金属板料单点渐进成形性能的研究[J]．机械设计与制造,２０１７(１):１０８Ｇ１１１．WA N G H u a b i,S A N G W e n g a n g,W E IM u q i n g．R eＧs e a r c ho fS h e e t M e t a lB a s e do nS i n g l eP o i n t I n c r eＧm e n t a l F o r m a b i l i t y[J]．M a c h i n e r y D e s i g n&M a n uＧf a c t u r e,２０１７(１):１０８Ｇ１１１．[１０]㊀S HAM S A R I M,M I R N I A M J,E L Y A S I M,e ta l．F o r m ab i l i t y I m p r o v e m e n t i nS i n g l eP o i n t I nc r eＧm e n t a l F o r m i n g o fT r u n c a t e dC o n eU s i n g aT w oＧs t a g eH y b r i dD e f o r m a t i o nS t r a t e g y[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o f A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y,２０１７,９:１Ｇ１２．[１１]㊀Z HA N GZ,Z HA N G H,S H IY,e t a l．S p r i n g b a c k R e d u c t i o n b y A n n e a l i n g f o r I n c r e m e n t a l S h e e tF o r m i n g[J]．P r o c e d i a M a n u f a c t u r i n g,２０１６,５:６９６Ｇ７０６．[１２]㊀J AWA L EK,D U A R T EJ F,R E I SA,e t a l．C h a rＧa c t e r i z i n g F r a c t u r eF o r m i n g L i m i t a n dS h e a rF r a cＧt u r eR o r m i n g L i m i t f o rS h e e t M e t a l s[J]．J o u r n a lo f M a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,２０１８,２５５:８８６Ｇ８９７．[１３]㊀龚航,黄亮,李建军,等．大型铝合金曲面件在电磁渐进成形首次放电条件下的起皱行为研究[J]．中国材料进展,２０１６,３５(４):２８４Ｇ２９１．G O N G H a n g,HU A N G L i a n g,L I J i a n j u n,e t a l．R e s e a r c ho n W r i n k l i n g B e h a v i o r o fL a r g eA l u m i nＧi u m A l l o y C u r v e d P a r t s u n d e rt h e C o n d i t i o n o fF i r s t D i s c h a r g e o f E l e c t r o m a g n e t i c P r o g r e s s i v eF o r m i n g[J]．C h i n e s e M a t e r i a lP r o g r e s s,２０１６,３５(４):２８４Ｇ２９１．[１４]㊀C U IX i a o h u i,MO J i a n h u a,L I J i a n j u n,e t a l．L a r g eＧs c a l eS h e e tD e f o r m a t i o nP r o c e s sb y E l e c t r oＧm a g n e t i c I n c r e m e n t a l F o r m i n g C o m b i n e d w i t hS t r e t c hF o r m i n g[J]．J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o c e s sＧi n g T e c h n o l o g y,２０１６,２３７:１３９Ｇ１５４．[１５]㊀李小强,董红瑞,张永生,等．板材数控热渐进成形工艺研究进展[J]．塑性工程学报,２０１８,２５(５):８７Ｇ９８．L IX i a o q i a n g,D O N G H o n g r u i,Z HA N G Y o n g s hＧe n g,e t a l．R e v i e wo fH o t I n c r e m e n t a l S h e e t F o r mＧi n g P r o c e s s[J]．J o u r n a l o fP l a s t i c i t y E n g i n e e r i n g,２０１８,２５(５):８７Ｇ９８．[１６]㊀赵升吨,李泳峄,范淑琴．超声振动塑性加工技术的现状分析[J]．中国机械工程,２０１３,２４(６):８３５Ｇ８４０．Z HA OS h e n g d u n,L IY o n g y i,F A NS h u q i n．A n a lＧy s i so fP r e s e n tS i t u a t i o no f U l t r a s o n i c V i b r a t i o nP l a s t i c i t y M a c h i n i n g T e c h n o l o g y[J]．C h i n a M eＧc h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２０１３,２４(６):８３５Ｇ８４０．[１７]㊀柏朗,李言,杨明顺,等．超声振动Ｇ单点增量复合成形过程中成形力的分析与建模[J]．机械工程学报,２０１９,５５(２):４２Ｇ５０．B A IL a n g,L IY a n,Y A N G M i n g s h u n,e t a l．A n aＧl y t i c a lM o d e l o fU l t r a s o n i cV i b r a t i o nS i n g l eP o i n tI n c r e m e n t a l F o r m i n g F o r c e[J]．J o u r n a l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,２０１９,５５(２):４２Ｇ５０．[１８]㊀L A N G E N E C K E RB．E f f e c t s o fU l t r a s o u n do nD eＧf o r m a t i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f M e t a l s[J]．I E E ET r a n s a c t i o n so n S o n i c s&U l t r a s o n i c s,１９６６,１３(１):１Ｇ８．[１９]㊀A N D R A D ER,S K U R T Y SO,O S O R I OF．D e v e lＧo p m e n t o f aN e w M e t h o d t oP r e d i c t t h eM a x i m u mS p r e a dF a c t o r f o rS h e a rT h i n n i n g D r o p s[J]．J o u rＧn a l o fF o o dE n g i n e e r i n g,２０１５,１５７:７０Ｇ７６．[２０]㊀祁爽,蔡力勋,包陈,等．基于应力三轴度的材料颈缩和破断行为分析[J]．机械强度,２０１５,３７(６):１１５２Ｇ１１５８．Q I S h u a n g,C A IL i x u n,B A O C h e n,e ta l．S t u d yo nN e c k i n g a n dF r a c t u r e o f D u c t i l eM a t e r i a l s B a s e do nS t r e s s T r i a x i a l i t y[J]．J o u r n a lo f M e c h a n i c a lS t r e n g t h,２０１５,３７(６):１１５２Ｇ１１５８．[２１]㊀S O T O G,F O N T B O N AJ,C O R T E ZR,e t a l．A n O n l i n eT w oＧs t a g e A d a p t i v e A l g o r i t h m f o rS t r a i nP r o f i l eE s t i m a t i o n f r o m N o i s y a n dA b r u p t l y C h a nＧg i n g B O T D R D a t aa n d A p p l i c a t i o nt o U n d e r g r o u n dM i n e s[J]．M e a s u r e m e n t,２０１６,９２:３４０Ｇ３５１．[２２]㊀G U A N W S,H U A N G H X．A P r o p o s e dT e c h n i q u e t o A c q u i r e C a v i t y P r e s s u r e U s i n g a S u r f a c eS t r a i nS e n s o r d u r i n g I n j e c t i o nＧc o m p r e s s i o n M o l d i n g[J]．J o u r n a lo f M a n u f a c t u r i n g S c i e n c e&E n g i n e e r i n g,２０１３,１３５(２):０２１００３．[２３]㊀柏朗,李言,杨明顺,等．超声振动单点增量成形力研究[J]．机械科学与技术,２０１８,３７(２):２７０Ｇ２７５．B A IL a n g,L IY a n,Y A N G M i n g s h u n,e t a l．R eＧs e a r c ho nF o r m i n g F o r c e i nS i n g l eP o i n t I n c r e m e nＧt a l F o r m i n g w i t hU l t r a s o n i cV i b r a t i o n[J]．M e c h a nＧi c a lS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y f o r A e r o s p a c e E n g iＧn e e r i n g,２０１８,３７(２):２７０Ｇ２７５．(编辑㊀胡佳慧)作者简介:侯晓莉,女,１９７９年生,博士研究生.研究方向先进制造与现代加工技术及试验方法.发表论文１０余篇.EＧm a i l:x i aＧo l i h o u＠x a u t．e d u．c n.李㊀言(通信作者),男,１９６０年生,教授㊁博士研究生导师.研究方向为深孔加工㊁新型加工原理及成形技术.出版专著１部,发表论文３０余篇.EＧm a i l:j y x yＧl y＠x a u t．e d u．c n.７６９铝板数控单点渐进成形的成形极限曲线研究 侯晓莉㊀李㊀言㊀杨明顺等Copyright©博看网 . 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金属板料数控渐进成形技术成形极限与回弹控制研究的开题报告
金属板料数控渐进成形技术成形极限与回弹控制研究的开题报告题目：金属板料数控渐进成形技术成形极限与回弹控制研究一、研究背景和意义数控渐进成形技术是一种先进的金属板料成形方法，它可以实现高精度、高效率的生产，并且可以减少对环境的影响。
然而，在实际应用中，金属板料在成形过程中会出现很多问题，其中两个重要问题是成形极限及其控制和回弹问题。
成形极限是指金属板料在渐进成形过程中能够达到的最大成形深度，过度的变形会导致金属的断裂。
回弹是指成形后的金属板料在脱模后出现的回弹变形，这会极大地影响制品的精度和准确性，因此必须加以控制。
因此，深入研究金属板料数控渐进成形技术的成形极限及其控制和回弹问题，对于推动该技术的发展具有重要的实际意义。
二、研究内容和方法1. 分析金属板料数控渐进成形技术的成形极限及其控制问题。
2. 研究金属板料在渐进成形中的回弹机制及控制方法。
3. 分析金属板料的物理力学性质和变形规律。
4. 结合数值模拟和实验测试方法，对金属板料数控渐进成形技术进行研究和探讨，以实现其高效、高精度和高质量的成形。
三、预期成果和意义1. 深入研究金属板料数控渐进成形技术的成形极限及其控制和回弹问题，为实现该技术的高效、高精度和高质量的成形提供理论支持。
2. 实现对金属板料在渐进成形中回弹问题的有效控制，提高制品的精度和准确性。
3. 推动金属板料数控渐进成形技术的发展，促进制造业的升级和进步，推动经济的快速发展。
四、研究计划和进度安排1. 第一年：开展文献调查和理论分析，了解金属板料数控渐进成形技术的前沿发展情况。
2. 第二年：针对成形极限问题和回弹问题，结合数值模拟和实验测试，开展基础研究，探讨金属板料数控渐进成形技术的相关机理及其控制方法。
3. 第三年：开展系统化的试验验证工作，对研究所得的相关理论进行验证，实现金属板料数控渐进成形技术的高效、高精度和高质量的成形。
五、论文结构第一章：绪论第二章：金属板料数控渐进成形技术的基础理论和性能分析第三章：金属板料数控渐进成形技术的成形极限及其控制第四章：金属板料数控渐进成形技术的回弹问题及其控制方法第五章：数值模拟和实验测试第六章：结果分析和讨论第七章：结论与展望六、参考文献[1] Chen Y, et al. Influence of process parameters on metal forming limit curves and formability of AA1050-O aluminum alloy sheet[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2013, 213(3): 529-540.[2] Sun Z, et al. Determination of metal forming limit curves usinga finite element model[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 221: 139-146.[3] Zhu J, et al. Research progress of springback in sheet metal forming[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2016, 29(5): 845-856.[4] Gao Y, et al. Numerical analysis of the effect of tool path on springback in incremental sheet forming[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 235: 124-132.[5] Han L, et al. Investigation of the thickness effect on springback in micro sheet metal forming by finite element simulation and experiment[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2014,214(2): 265-275.。
单点渐进成形
产品
图1 汽车门外覆盖件
图2 工艺品
图3 汽车翼子板覆盖件
制约因素
1) 单步加工难以达到较大成形角 ——温度控制 2) 出现回弹效应 ——温度控制、优化路径 3) 高应力集中在已加工区域出现自由变形 ——优化路径、工具形状
存在问题
( 1) 成形工艺方面: 目前对金属板材单点渐进成形机理 的研究还不够充分, 对成形过程中发生的拉裂、 起皱、 回弹等一些复杂缺陷还没有找到本质原因。 ( 2) 专用软件方面: 需要开发一些可适用于该技术的专 用软件, 使这些软件具有成形件 C A D 模型修正、 成形轨迹生成、 成形过程虚拟仿真、 工艺参数优化、 工艺参数数据库及专家系统等功能。 ( 3) 支撑方面: 需要研究更能符合成形工艺的支撑 C AD 模型生成方法和经济、 快速、 自动化程度高的支撑 制作方法。 ( 4) 成形运动方式: 目前的研究大多局限于基于等高线 运动的三轴数控成形方式, 今后有必要研究其他运动 方式和多轴成形加工, 如基于螺旋运动和五轴数控成
单点渐进成形发展历史及现状松原茂夫于20世纪90年代提出leszak在1967年获得发明专利2005年以来单点渐进成形获得了极大的发展目前理论不完善工艺不成熟应用不广泛但是具有广阔的发展前景定义单点渐进成形是在数控机床上通过计算机程序控制形状简单的成形工具利用其沿着垂直方向的进给以及水平方向的运动轨迹逐层形成板类件的三维包络面从而实现金属板料连续局部塑性成形的加工方法
• • • • 1.对南充市最长天桥（长度200米）作简单评价。 2.重庆大学男女比例6：1，为什么厕所数量不是6：1？ 3.钟表为什么时针最短，分针次之，秒针最长？ 4.思考实验室和传感器的关系。
成形能力表征量：成形极限角
影响因素：加工步长程
基于数值模拟的板材渐进成形回弹技术应用研究
基于数值模拟的板材渐进成形回弹技术应用研究一、板材渐进成形回弹技术概述板材渐进成形是一种通过搅拌滚柱不断加深对金属板材进行加工的方法，通过逐步进行成形，可以得到精度更高的金属构件。
然而在成形过程中，板材会受到应力的作用而发生一定的变形，其主要原因为材料的弹性变形，也称为回弹变形。
回弹变形会对成品的尺寸和形状产生影响，直接影响构件的精度和质量。
针对板材渐进成形回弹技术问题，传统的解决方法是通过试验来不断调整成形工艺参数，以减小回弹变形。
然而这种方法存在成本高、时间长、效果不稳定等问题。
相比之下，基于数值模拟的方法则能够快速、准确地进行模拟分析，并提供合理的成形参数，使得成形工艺得以优化。
1. 数值模拟方法数值模拟是利用计算机对工程问题进行虚拟实验和仿真的方法。
在板材渐进成形回弹技术研究中，可以采用有限元方法对板材进行数值模拟。
有限元方法将物体分割成有限数目的基本单元（如三角形、四边形等），通过求解基本单元的位移、应力等参数，再将其组合在一起，最终得到整体板材的变形情况。
2. 模拟参数的确定在进行数值模拟时，需要确定一系列成形工艺参数，如滚柱的深度、板材的性能参数等。
这些参数直接影响到模拟结果的准确性和可靠性。
需要通过试验数据和理论分析相结合的方式，来确定合理的成形工艺参数。
3. 模拟结果的分析数值模拟的最终目的是得到回弹变形的分布规律和变形量，从而找到减小回弹变形的有效方法。
模拟结果分析需要考虑不同参数对回弹变形的影响程度，找到影响较大的因素，并提出相应的优化措施。
1. 减少试验时间和成本传统的试验方法需要进行多次成形试验，并对不同参数进行调整，以找到合适的成形工艺参数。
这些试验需要花费大量的时间和成本。
而数值模拟方法可以通过计算机模拟，快速得到各种参数下的成形变形情况，减少了试验的时间和成本。
2. 提高成形精度数值模拟可以快速准确地得到板材的回弹变形情况，通过分析模拟结果，可以优化成形工艺参数，提高成形精度和产品质量。
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万方数据
２００９年第４３卷№５
器手越来越多的被应用到数控渐进成形技术中，更好地实现了制造的柔性化与自动化【５】（如图２所示）。
图２工业机器手在数控渐进成形中的应用
２．１金属板材单点渐进成形工艺及精度的研究
成形工件尺寸精度不高是金属板材单点渐进成形技术难以得到广泛应用的主要原因【６，７｜，也是目前该技术国内外研究的热点，现行的大部分的成形工艺研究也正是围绕如何提高成形精度而展开。
由于成形力越小越有利于提高工件的成形精度，而成形力又随着步长、成形角、工具头半径和板材厚度的减少而减小，因此可以通过控制工艺参数达到提高成形精度的目的。
为得到确切的工艺参数与工件成形精度的关系，意大利的Ａｍｂｒｏｇｉｏ【８Ｊ通过调整工艺参数对工件进行多次试验成形，然后利用统计分析方法对试验数据进行分析总结，从而得到了工艺参数与工件尺寸精度的关系表达式。
但该方法适用范围有限，一般只适合于简单的零件，对于复杂零件很难找到工艺参数与工件尺寸精度的确切关系表达式。
另外，工艺参数中板材厚度的选定并不能只根据成形力的需要而随意更改，而其它工艺参数对成形力的影响并不显著，而且还会降低成形效率【７．９１。
工具头与板材接触区域附近不必要的塑性变形和回弹是成形件几何尺寸精度不高的主要原因№Ｊ。
为了获得良好的成形精度，一般希望在成形区（即板材与工具头接触的区域）内的金属板材具有较低的屈服强度和较好的延伸性，这样有益于板材在较小的成形力下加工成形，并且还能防止板材卸载后的回弹；但与此同时又希望在成形区域外的金属板材具有较高的屈服强度，这样有助于避免成形区外板材产生不必要的塑性变形，从而达到板材的准确成形。
对金属板材的上述两个要求看起来有些冲突，因为同一金属板材很难同时具备相互矛盾冲突的两
９
种属性。
通过改变装置可以达到提高成形区外材料刚度、并由此提高成形精度的目的，但该方法会降低工艺的柔性［１０］。
比利时的Ｄｕｆｌｏｕ［６，７］利用激光对板材成形区域进行局部动态加热，从时间和空间上改变材料性质，达到了减小成形区材料屈服强度的目的。
试验结果表明，这种方法不但可以改善尺寸精度和增加板材的可成形性，而且还可以减少残余应力和提高材料的成形极限，但采用该方法会增加设备（激光源、机械手及其它辅助设备）成本。
为此，Ｆ锄【１１Ｊ提出了电热渐进成形技术，该技术所需设备简单（直流电源、电缆、绝缘垫圈），只需将工具头与金属板材通上直流电，根据焦耳定律，当直流电从工具头流人金属板材时电流产生热量，从而达到提高成形区附近金属板材延展性的目的。
在渐进成形中，板材厚度变化和工艺也会导致工件的尺寸偏差。
为得到准确的加工轨迹，需要对原始模型进行偏置处理，传统的方法只是通过一些ＣＡＤ工具对模型的表面进行统一的偏置处理。
由于板材成形时，变形后的板材厚度ｔ．跟板材初始厚度ｔ。
以及板材变形面与成形工具轴线方向的夹角的关系符合正弦定律，即ｔｌ－ｔｏｓｉｎ０，可知对模型进行统一的偏置处理这种方法显然不合适，会使得工具头与支撑间的间隙不合理，导致成形尺寸的不准确甚至失败。
为此，德国的Ｔｅｋｋａｙａ［１２Ｊ提出了根据板材厚度正弦变化规律来重构模型，对模型进行偏置处理，使工具头与支撑的间隙合理，从而达到改进成形精度的目的。
对于因装置、工具和板材回弹等工艺因素所导致的偏差（ｐｒｏｃｅｓｓ．ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｄｅｖｉａｔｉｏｎ，ＰＤＤ），ＨｉｒｔｄＬｌ３Ｊ提出了对具有简单几何外形工件进行基本ＰＤＤ的修正方法：通过加工得到的模型与参考模型进行对比，然后对参考模型进行处理来得到修改模型；为了扩大ＰＤＤ修改方法的适用范围，德国的Ｔｅｋｋａｙａ【１２ｊ还使用有限元分析和实验方法获得相关补偿因素的信息，然后通过局部修正（１０ｃａｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓ）与整体修正（ｇｌｏｂａｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓ）的方式对工件进行ＰＤＤ补偿修正。
金属板材单点渐进成形技术还可以与其他技术结合起来加工工件。
比如，首先采用多点渐进成形进行预成形，形成大致形状之后，再采用单点渐进成形进行后续的精加工再次成形。
这样既可避免直接采用单点渐进成形效率低的问题，也避免了多点成形在一些复杂的局部位置成形精度不高的问题。
还
有把单点渐进成形技术与水射流技术结合的金属板万方数据
材水射流渐进成形技术ｍＪ。
它用高压水射流代替成形工具头作用于板材，并使板材产生局部塑性变形。
该技术既具有数控渐进成形高柔性的特点，又兼有水射流无污染、成本低的优点。
２．２金属板材单点渐进成形轨迹生成的研究
金属板材单点渐进成形中的一个很重要的内容是需要生成成形加工轨迹。
目前普遍采用等高线轨迹，这种成形加工轨迹可用两种方式生成：一种方法是直接利用通用ＣＡＤ／ＣＡＭ软件（如ＵＧ、Ｐｒｏ／Ｅ和ＣＡＴＩＡ等）来生成。
如吴春明［１５，１６］研究了利用通用ＣＡＤ／ＣＡＭ软件生成等高线成形加工轨迹的方法。
但由于这些通用软件不是针对单点渐进成形的专用软件，因而并不能完全满足单点渐进成形的工艺要求１１６］。
莫建华【１７Ｊ研究了成形加工轨迹优化和成形压头压人点沿工件轮廓均布处理的方法，从而解决了工件局部的凹陷和破裂问题。
另一种方法是直接对三维数字模型进行切片并生成加工轨迹。
Ｌｉｕ［１８Ｊ研究了基于ＳＴＬ数据模型的金属板材单点渐进成形等高线加工轨迹的生成方法。
ＳＴＬ数据模型最早是作为快速成形技术领域的数据格式，现已广泛应用于反求工程、数控加工等领域，大部分商用三维ＣＡＤ／ＣＡＭ软件都支持ＳＴＬ文件的输入输出文件格式，具有格式简单、跨平台性好的特点。
但是其缺点也十分明显：如缺少三角面片之间的拓扑信息，可修改性差，如果用户提供的ＳＴＬ文件不符合工艺要求则很难对其修改。
方景春【１９Ｊ研究了一种基于ＮＵＲＢＳ的加工轨迹人机交互修改和优化的方法，实现了用户可以在屏幕上通过手工拖动修改加工轨迹，解决了工件尖角处和直壁部分易发生破裂和塌陷的问题。
２．３金属板材单点渐进成形支撑制造的研究
在正向成形方式中，需要在板材下方放置支撑来保证工件的顺利成形和一定的成形精度…。
由单点渐进成形的性质所决定，支撑表面承受着相当大的局部作用力，而且其作用点沿进给方向变化，同时金属板材变形时沿支撑模接触面流动产生很大摩擦。
因此，要求支撑具有足够的强度、刚度、硬度、精度和良好的耐磨性。
华中科技大学啪］采用了利用实体分层制造技术（ＬｏＭ）制作的纸基支撑模型。
这种纸基模型制作快速、修改方便、操作简单，既缩短了工作周期又降低了加工成本，然而需要实体分层制造设备。
毛峰旧１Ｊ提出了用顶杆在关键部位支撑板材的点支撑工艺。
点支撑的形式更为简单，无需单独为
工具技术
成形零件制作相应的复杂模型，从而可代替模型支撑实现真正意义上的无模成形，并且允许成形加工工具头有一定的偏移，使工具头的校准更为容易。
这种方法对加工曲率和尺寸较小的工件更具优势，但其缺点是容易出现形状失稳现象，且导致失稳的因素较多，影响了零件尺寸精度和表面质量；另外在加工较大零件时，顶杆之间的距离（点距）不易确定，若点距过大易出现塌陷无法成形，点距过小则会大大增加顶杆的数量，降低了工件成形的效率。
朱虎【２Ｊ提出了以化学木材为原材料，利用分层叠加与数控铣削结合的快速原型制造方法制作支撑。
这种化学木材不仅具有足够的强度和硬度而且具有良好的切削性能，适合高速切削。
支撑的制作方法不需要特殊的设备和辅助的夹具，依靠现有数控机床就可快速地实现，操作简单易于修改，可降低制作成本并能缩短制作周期，同时具有较高的精度和表面质量，能够很好地保证复杂工件的成形质量。
Ｍｉｃ撕［２２］为提高成形精度提出了弹性支撑的方法。
该方法是在板材底部放置弹性支撑（一般为橡胶材料），从而减小了回弹和破裂的危险，且一种弹性支撑可用于不同工件的成形，但与简单的数控渐进成形工艺相比也增加了工件的制造成本。
在局部支撑方面，Ｆ黜ｎ【２３Ｊ通过利用机器手，采用了动态支撑，使支撑和工具头保持同步运动，从而进行动态渐进成形加工（如图３所示）。
图３局部动态支撑示意图
３金属板材单点渐进成形的应用研究
金属板材单点渐进成形技术为小批量、形状复杂的板材件成形开辟了一条新路，可用于航空航天、汽车、船舶等行业以及民用产品制造。
华中科技大学的赵忠［２４］成功地将该技术应用于汽车座椅的无模成形；韩国庆南大学［２５］制作了汽车防尘罩等零件；日本的本田汽车公司已经尝试采用这种技术进行汽车覆盖件的设计与制造；ＡＩｎｉｉｌｏ公司利用该技术成形加工了６ｍ长的新干线火车头覆盖件【２６Ｊｏ
意大利的ＡｍｂｒｏｇｉｏＥ
２７ｊ首先将数控渐进成形技
万方数据
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