bd半岛官网钣金成形毛坯展开方法分析进展PAGE 1 PAGE 1 钣金成形毛坯展开方法分析进展  本文介绍了钣金成形中毛坯外形的确定是一个重要的工艺环节。该文对各种传统的毛坯确定方法进行了分析综述；对近年发展的确定毛坯的各种方法进行了分析对比。通过分析认为，有限元法将成为确定毛坯绽开外形的主要方法，物理逆向法可能成为一种行之有效的方法，而传统方法将渐渐被淘汰。  引言  钣金件毛坯外形和尺寸的求解是钣金冲压成形中的一个难题，是分析钣金件变形程度、设计工艺及拟订工艺规程的前提。假如毛坯外形设计的合适，钣金成形过程中材料的流淌性将更好，从而明显地削减起皱、拉裂等现象的发生，成形极限也可有所提高，并能降低突耳高度，削减切边余量，节省钣金材料。此外，采用合理的毛坯外形，往往能够使某些需要二次拉深才能成形的制件，一次拉深便可达到制件要求的高度。对于外形不规则的复杂钣金件，还无法依据经验或采用解析法来求得其毛坯外形，至今未能得到满足的结果。因此，求解钣金成形毛坯绽开外形和尺寸，已成为冲压工艺设计中的一个重要而亟待解决的问题。  1传统板料成形毛坯绽开方法  传统的板料冲压成形毛坯绽开方法一般是基于试验和简洁的理论，而且只适合于一些规则外形的零件。传统的毛坯绽开方法各有优缺点。  1.1经验法  经验法是依据面积不变原则进行钣金毛坯绽开计算的一种近似方法，在实际生产中被广泛应用。由于成形过程力学分析复杂，人们经常采用近似的几何估算和试模修正相结合的方法得到毛坯绽开的近似外形。提出了一种分区域计算的方法，在原来的基础上有较大的改进，但精确度有待提高。  1.2逐次靠近法  该方法最早由Finch提出，主要用于盒形件的毛坯绽开。步骤为，首先取印有坐标网格的一定外形的板料作初始毛坯，将其压延成适当高度的零件，观看凸缘外边缘处材料，分析推断出多余材料的位置，在下一次毛坯上将该部分切除；接着用经过第一次切除的毛坯形状作为本次毛坯的初始外形，重新压延，观看并切除余料，如此循环往复进行，直到得出满足的结果。从其步骤可知，该方法在人力和物力两方面都消耗较大，而且应当切除的余料部分难于定量把握，该方法效率较低。  1.3拼合法  拼合法于1947年由B.H.JIopoho提出，最初主要是为确定方矩形件的毛坯形状，依据压延件相应部分面积相等的条件确定毛坯各部分的面积。其绽开原则为，直边部分按弯曲变形绽开的长度进行计算，圆角部分按1/4圆杯压延变形绽开计算毛坯半径，然后用圆角光滑棱角连接过渡区，即可得到毛坯外形。拼合法对压延过程中凸缘材料流淌进行的非连续性组合假设和整体转移假设，使得此方法要想获取较高的精确度半岛·体育中国官方网站平台登陆，就必需使假设对应的零件尺寸尽可能地缩小，而这种假设与实际并不相符，因此精度较低。  1.4抱负成形法(IF)  抱负成形(IdealForming)是由K.Chung和O.Richmond提出。抱负成形的基本假设是，变形沿着最小塑性功方向进行，材料为刚塑性，且满意希尔准则(1979年)。塑性功可表达为  等效应力，等效应变可由等效应变率沿着最小塑性功方向积分得到，，通过式(1)对初始位置矢量X求导，即可得到优化的初始毛坯外形。  抱负成形法没有考虑实际成形条件，如压边力、摩擦力、模具几何尺寸的影响，因而得到的毛坯精度较差。  本文介绍了钣金成形中毛坯外形的确定是一个重要的工艺环节。该文对各种传统的毛坯确定方法进行了分析综述；对近年发展的确定毛坯的各种方法进行了分析对比。通过分析认为，有限元法将成为确定毛坯绽开外形的主要方法，物理逆向法可能成为一种行之有效的方法，而传统方法将渐渐被淘汰。  引言  钣金件毛坯外形和尺寸的求解是钣金冲压成形中的一个难题，是分析钣金件变形程度、设计工艺及拟订工艺规程的前提。假如毛坯外形设计的合适，钣金成形过程中材料的流淌性将更好，从而明显地削减起皱、拉裂等现象的发生，成形极限也可有所提高，并能降低突耳高度，削减切边余量，节省钣金材料。此外，采用合理的毛坯外形，往往能够使某些需要二次拉深才能成形的制件，一次拉深便可达到制件要求的高度。对于外形不规则的复杂钣金件，还无法依据经验或采用解析法来求得其毛坯外形，至今未能得到满足的结果。因此，求解钣金成形毛坯绽开外形和尺寸，已成为冲压工艺设计中的一个重要而亟待解决的问题。  1传统板料成形毛坯绽开方法  传统的板料冲压成形毛坯绽开方法一般是基于试验和简洁的理论，而且只适合于一些规则外形的零件。传统的毛坯绽开方法各有优缺点。  1.1经验法  经验法是依据面积不变原则进行钣金毛坯绽开计算的一种近似方法，在实际生产中被广泛应用。由于成形过程力学分析复杂，人们经常采用近似的几何估算和试模修正相结合的方法得到毛坯绽开的近似外形。提出了一种分区域计算的方法，在原来的基础上有较大的改进，但精确度有待提高。  1.2逐次靠近法  该方法最早由Finch提出，主要用于盒形件的毛坯绽开。步骤为，首先取印有坐标网格的一定外形的板料作初始毛坯，将其压延成适当高度的零件，观看凸缘外边缘处材料，分析推断出多余材料的位置，在下一次毛坯上将该部分切除；接着用经过第一次切除的毛坯形状作为本次毛坯的初始外形，重新压延，观看并切除余料，如此循环往复进行，直到得出满足的结果。从其步骤可知，该方法在人力和物力两方面都消耗较大，而且应当切除的余料部分难于定量把握，该方法效率较低。  1.3拼合法  拼合法于1947年由B.H.JIopoho提出，最初主要是为确定方矩形件的毛坯形状，依据压延件相应部分面积相等的条件确定毛坯各部分的面积。其绽开原则为，直边部分按弯曲变形绽开的长度进行计算，圆角部分按1/4圆杯压延变形绽开计算毛坯半径，然后用圆角光滑棱角连接过渡区，即可得到毛坯外形。拼合法对压延过程中凸缘材料流淌进行的非连续性组合假设和整体转移假设，使得此方法要想获取较高的精确度，就必需使假设对应的零件尺寸尽可能地缩小，而这种假设与实际并不相符，因此精度较低。  1.4抱负成形法(IF)  抱负成形(IdealForming)是由K.Chung和O.Richmond提出。抱负成形的基本假设是，变形沿着最小塑性功方向进行，材料为刚塑性，且满意希尔准则(1979年)。塑性功可表达为  等效应力，等效应变可由等效应变率沿着最小塑性功方向积分得到，，通过式(1)对初始位置矢量X求导，即可得到优化的初始毛坯外形。  抱负成形法没有考虑实际成形条件，如压边力、摩擦力、模具几何尺寸的影响，因而得到的毛坯精度较差。  本文介绍了钣金成形中毛坯外形的确定是一个重要的工艺环节。该文对各种传统的毛坯确定方法进行了分析综述；对近年发展的确定毛坯的各种方法进行了分析对比。通过分析认为，有限元法将成为确定毛坯绽开外形的主要方法，物理逆向法可能成为一种行之有效的方法，而传统方法将渐渐被淘汰。  1.5滑移线法(SLFM)  滑移线法(SlipLineFieldMethod)是上世纪50年月前苏联楚达列夫提出来的，它的提出第一次为钣金毛坯的求算找到了理论依据。滑移线法的基本假设为，板料法兰厚度不变，且处于平面应变状态；材料各向同性；无硬化；不考虑摩擦力对塑性流淌的影响。在这样的假设下，可导出拉深过程中模具轮廓与板料周界是主应力迹线，因此滑移线°，绘出每点的两个最大剪应力方向并作包络线，得到两组相互正交的，表示最大剪应力方向的迹线网，即滑移线。当板料处于屈服时，各点的最大剪应力达到K值，塑性变形就沿着这些迹线进行滑移。应用滑移线理论，研究和制作冲压毛坯的合理外形和尺寸，是一种比较直观和合理的方法。滑移线场建立的方法，概括起来有两种，即数学解析法和分析推理法。但是，滑移线场的建立是一件繁杂的工作，用手工方法比较困难，用计算机建立滑移线场只能处理平底、直壁、平压料面压延件，因此滑移线场仍旧具有一定的局限性，很难推广。  1.6流线法(SLM)  由于滑移线法只适用于非硬化材料及平面应变问题，对于不满意这些条件的冲压过程，该方法将失效。为了改进滑移线法，Yuung-hwaLu提出了流线法(StreamlineMethod)，SLM是对任意外形的冲压件在材料各向异性状况的影响下，预估初始板料的最优外形及尺寸。其主要依据是，在冲压过程中，由等势线(EquipotentialContour)以及材料流淌线(Streamline)所围区域内的质量应处于平衡状态。从而计算出初始板料的外形及尺寸。此方法虽然比滑移线法有所改善，但还是存在与滑移线法相似的缺点，即建立等势线场和描绘材料流线较困难，既费时又费劲。  1.7势场模拟法  势场模拟法假设冲压件板料为不可压缩的平面各向同性的刚塑性体，在冲压中，介于工件边缘和精确坯料边缘之间的凸缘部分，处于塑性状态，并在内边缘应力的作用下向凹模型腔内流淌。依据物理模型数学描述的相似性，从理论上可以证明，冲压工件凸缘处金属的这种流淌与相似区域、相似边界条件的纯粘性流体的流淌、电流的流淌或热传导具有相似性，因而可由势场模拟求出不规则冲压件的绽开坯料形状。一般对于形状相似的冲压件，只需求出某一尺寸模型的等位线，其他尺寸模型的等位线均可以通过放大或缩小得到。势场模拟法主要有电模拟法、热模拟法和势流场模拟法等。  1.8几何映射法  R.Sowerby等最早提出几何映射法，认为应变由变形前后板料的几何差别定义，而通常变形后的板料外形已知，因此，从理论上讲有可能将变形后的板料点对点地映射回初始平板，并且不需要知道载荷就能够计算应力的分布。RSowerby在1986年进一步发展的几何映射法是依据投影原理，遵从面积不变原则，将置于零件表面的空间曲面三角形绽开在平面上，近似地确定坯料形状及尺寸。后来J.C.Gerdeen和P.Chen对其进行了更深入的研究，将有限元思想引入几何映射，对每个单元实现映射，并开发了两套程序AXIFORMH和FEPFORM分别用来处理轴对称和非对称状况。几何映射法使用有限单元法，实现在每个单元中进行几何映射，从而实现整体映射，在整体壁板绽开等方面得到了应用。但由于只考虑面积不变，没有考虑到材料性能和工艺条件，计算精度较差，误差较大。  2近年发展的毛坯绽开方法  随着计算机技术的发展，有限元方法得到了大力发展，有限元在钣金成形毛坯绽开方面发展出一些方法，并渐渐被熟悉和应用。另外还有物理逆向法也得到了发展。  2.1有限元逆算法(一步法)  有限元逆算法的一个主要特点是将板料成形过程简化为一个或若干个简洁加载的变形过程，采用全量理论进行分析。因此计算可以只考虑初始构形和最终构形，忽视中间构型的变化。法国Batoz等受到几何映射法的启发，首先提出了所谓逆算法。这是一种预估板料成形中大变形的高效算法。该方法考虑了三角形CST膜单元、大弹塑性对数应变、厚向异性及塑性全量理论、静态隐式算法、模具运动引起的垂直或法向节点力。压边圈的摩擦和压边力以及冲头的摩擦和正压力用简化的外力矢量表示。而后Batoz对其算法进行了不断的改进，并且用一些经典的标准测试件进行检测，取得了满足的结果。  通过对各种算法的比较，Batoz认为逆算法都能得到满足的结果。其中静态隐式算法最精确，动态显式算法速度最快，而动力松弛算法所需内存最少。Lee继承了Batoz逆算法的基本思想半岛·体育中国官方网站平台登陆，但在应变矢量的表示和虚功方程的建立上有其独到之处。首先，Lee将最终构形外形近似为离散的三角形膜单元系统，最终构形中的应变分布表示为节点的初始构形坐标和位移的函数，然后计算塑性功，计算中假定塑性功遵循Henchy变形理论和Hill各向异性屈服准则。最终，由塑性功和外力功导出塑性势能，以塑性势能为目标函数，采用共轭梯度法和Newton-Raphson法，求出其在满意给定的约束条件下最小化时的未知量，从而得到板料的外形及尺寸，进而求得板料变形后的应力和应变分布状况。  一步法中将成形过程简化为简洁加载的变形过程，而且假定变形后板料厚度和面积都不变，基于全量理论，这些与实际状况存在差异，所以计算结果比较粗糙。在一些商用软件上已经包括一步法模块。  本文介绍了钣金成形中毛坯外形的确定是一个重要的工艺环节。该文对各种传统的毛坯确定方法进行了分析综述；对近年发展的确定毛坯的各种方法进行了分析对比。通过分析认为，有限元法将成为确定毛坯绽开外形的主要方法，物理逆向法可能成为一种行之有效的方法，而传统方法将渐渐被淘汰。  2.2结构进化优化方法(ESOM)  Y.M.Xie，G.P.Steven提出了一种结构进化优化方法(EvolutionaryStructuralOptimizationMethod)，用于结构及机械部件的拓扑结构优化。该方法主要是以一个面积较大且外形简洁的板料开始计算，再逐步去除构件中多余的材料，直至获得抱负零件所需要的板料，即为最佳板料外形及尺寸。与其他优化方法相比，该方法最大的优点在于简洁且有效。ESOM有两大优点：  其一，无需计算梯度，只要一些网格数据(节点坐标、连续性)以及一些单元输出信息，如应变、应力和塑性势能功密度；  其二，这个软件独立于成形仿真求解器，它可以与任何工程上的仿真软件相兼容。  近几年来，ESOM被证明，用于解决如对于静态、动态及翘曲的截面设计、板料外形及拓扑结构优化等类型的问题特别有效。然而不足之处是，迭代速度太慢，由于采用三角单元，使得最终板料轮廓不够光顺。  2.3有限元增量法  有限元增量法的基本思想是利用计算机反复模拟，分析给定模具和工艺方案所冲压零件变形的全过程，能较精确地把握材料流淌的状况而计算出零件板料的形状轮廓线，将轮廓线以外的单元去掉，就可以得出板料形状，经过多次反复计算和优化计算就能得出较合理的板料形状，以保证拉深顺当进行。  钣金成形过程中金属的塑性流淌受模具外形、润滑条件和毛坯外形等因素的影响，而上述方法没有考虑模具外形和润滑条件的影响。有限元增量法正是全面考虑了各种因素的影响，因此也是最精确的方法。但是有限元增量法需要很长的计算时间，由于接触边界条件处理的困难，计算模型非常复杂，计算的收敛性受到很大的影响。同时，有限元增量法必需先假定一个毛坯外形才能开始计算，然后依据计算结果对毛坯外形进行修正，每一次计算就相当于一次试模。其设计过程为：取较大的矩形板料→数值模拟→与抱负拉深件比较→修正原始板料→重新模拟，重复该过程直至得到抱负零件外形，这更加延长了设计周期。另外，有限元增量法对使用者要求较高，也限制了该方法的推广使用。但随着计算机技术和有限元技术的发展，软件使用进一步‘傻瓜’化，对使用者的要求进一步降低，有限元增量法将会得到广泛应用。  2.4反馈补偿算法(Roll-backMethod)  2000年，韩国的J.Y.Kim等提出了反馈补偿算法，其基本原理是，先取冲压件的外轮廓曲线作为目标轮廓线；再以一简洁外形的板料作为初始板料，通过有限元软件计算出冲压后的零件外形；然后比较计算后轮廓线与目标轮廓线的差值，将两者的差值映射到初始板料上，通过转变初始板料，进行差值补偿。这样不断的循环计算，直至计算后的轮廓曲线与目标曲线的差值落在允许范围内，结束循环，从而获得优化后的板料外形和尺寸。从其原理和过程可以看出，此方法数学模型复杂，计算时间长，不易推广应用于实际的生产。  2.5比例因子法  比例因子法是对轮廓线进行优化的一种算法，既可对冲压件的板料外形和尺寸进行优化，也可对需要翻边冲压件的修边线进行优化。其基本思想为：  首先，给定必要的初始条件，包括拉延成形后的有限元模型、初始轮廓线、目标轮廓线、板料性质和厚度、冲压条件、摩擦因数等。通过调用有限元分析软件进行冲压模拟，获得终了轮廓线。  然后，将终了轮廓线与目标轮廓线进行比较，假如外形误差在公差允许范围之内，则结束运算，输出该初始轮廓线。反之，则对该初始轮廓线进行特定的偏置，再调用有限元软件对偏置后的轮廓线进行冲压模拟，获得偏置后的终了轮廓线。  最终，计算出零件变形的比例因子。通过比例因子对初始轮廓线进行修正，再将修正后的轮廓线作为下一次迭代的初始轮廓线。这样不断循环，直至外形误差均在公差允许范围之内，结束迭代，将最终一次迭代的轮廓线作为最优轮廓线输出。与有限元增量法相比，虽然此方法计算精度更精确，但此方法的初始轮廓线和目标轮廓线的确定有赖于经验的积累，而且外形误差的计算和初始轮廓线的偏置及调整工作量较大，所以应用也很有限。  本文介绍了钣金成形中毛坯外形的确定是一个重要的工艺环节。该文对各种传统的毛坯确定方法进行了分析综述；对近年发展的确定毛坯的各种方法进行了分析对比。通过分析认为，有限元法将成为确定毛坯绽开外形的主要方法，物理逆向法可能成为一种行之有效的方法，而传统方法将渐渐被淘汰。  2.6物理逆向法  物理逆向法是一种确定毛坯外形的方法，利用具有外形可恢复性的高分子聚合物进行模拟试验，同时要求使用的高分子材料与成形件材料具有相似性。使用实际的成形模具，由模拟材料制备出零件，然后对其进行修边，利用材料的外形可恢复特性对修边后的成形件进行高温退火绽开，得到一个平面高分子聚合物平板，将这个平板的外缘外形作为钣金成形件的毛坯外形。  2.6.1模拟试验的相似性原理  用模拟材料进行物理试验时模拟材料和原型材料必需符合相似理论，钣金成形中要求的力学相似条件有以下几点：  1)应力应变相似性的判别，当模拟材料与原型材料的σ/σs-Eε/σs曲线重合时，两者的σ-ε曲线完全相似(其中：σ为应力，σs为屈服强度，E为弹性模量，ε为应变)。  2)屈服准则的相似判据，即模拟材料与原型材料应听从相同的屈服准则。  3)泊松比的相似判据，即模拟材料与原型材料的泊松比变化规律应全都。  2.6.2模拟材料的选择原则  高分子聚合物是一种双相材料，即存在可熔和不可熔两组分子键网格。室温时，这两组网格都是固态，载荷由它们共同担当；加热后，可熔网格化为液体，载荷主要由不可熔网格担当；当温度达到冻结温度时，载荷全部由不可熔网格担当，若此时开始降温，则可熔网格开始固化变硬，将不可熔网格因担当载荷所发生的变形固定下来；温度降至室温，卸去载荷，这一变形态仍被保存下来。依据力的相似条件，这一变形过程与金属的弹塑性变形具有相似性。因此选择这种具有外形可恢复性的高分子材料为模拟材料，如聚碳酸酯(PC)、有机玻璃(PMMA)等。  2.6.3物理逆向法的机理  选择与成形材料具有力学相似条件的模拟材料，用模拟材料进行物理成形试验。在成形中其他工艺条件应与原形材料具有相似性。通过物理成形试验，得到一个模拟材料的成形件，对其进行修边处理，得到和实际零件几何外形相同的成形件。  利用外形记忆性，将物理模拟试验中得到的经过修边的成形件进行加热，高温退火，使成形件恢复成板料。可以用恢复后的板料的外形作为钣金成形件毛坯的绽开外形，进行试压。假如不能满足，可将其作为第2次物理模拟试验的毛坯确定依据，重复上述过程。以便得到合理满足的毛坯绽开外形。详细确定毛坯的过程参见图1。物理逆向法还处于进一步研究阶段，假如解决了工艺的实用化问题，有可能得到较好的应用。 图1物理逆向法确定毛坯的过程 3结论  本文归纳和比较了传统的和现代的计算板料冲压成形毛坯的几种方法，它们反映了人们对毛坯计算方法研究的不断深入过程。传统的方法一般误差大，已经不能满意精密钣金成形的要求，将渐渐被其他方法取代，但经验法和拼合法等仍在生产中广泛应用。有限元逆算法、结构进化优化方法、有限元增量法、反馈补偿算法、比例因子法均属于有限元方法。随着有限元算法和软件的不断完善，有限元方法将成为钣金成形中毛坯绽开的主要方法，也将成为数字化钣金精密成形的主要工艺手段。另外随着物理逆向法实用化研究的进行，物理逆向法可能成为一种行之有效的方法。

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