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一种确定钣金成形件毛坯的新方法
韩志仁 陶华 朱莉
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摘要:针对钣金成形工艺设计中的毛坯展开问题，利用高分子聚合物在冻结温度时力学特性和金属的相似性及其形状记忆特性，提出了一种确定钣金成形件毛坯形状的新方法——物理逆向法。给出了此方法的理论依据，并进行了相应的试验验证。结果表明此方法是可行的。此方法对于复杂的拉深成形件和复杂的覆盖件的进一步研究更有实际意义，有利于提高产品质量和降低成本。
钣金成形工艺的设计涉及很多因素，如模具尺寸、毛坯形状、板料厚度、压边力、拉延筋抗力、摩擦、润滑等等。毛坯形状的确定是钣金成形工艺设计中的一个重要问题。如果毛坯形状合理，变形沿毛坯分布不均匀的现象就能够得到明显改善，成形极限也可有所提高，并能降低突耳高度，减少切边余量，节约材料，而且能减少甚至能免去后续的修边工艺，大大降低了生产成本；另一方面，合理的毛坯外形能改善成形过程中材料的应变分布，减少缺陷的产生，提高产品的质量。
在生产实际中，有各种复杂形状的直、斜壁拉深件和复杂形状的覆盖件。当用冲压方法制造这类零件时，为确保制件质量和降低原材料消耗，使用合理尺寸和形状的板料毛坯十分必要。确定合理的毛坯形状并不容易，它是国内外学者长期努力探索研究的课题。尽管有很多学者一直在这方面进行探索，但因钣金成形是一个非常复杂的过程，影响成形的因素太多，因而至今未能得到满意的结果。
目前已经提出了很多确定合理毛坯的方法。其中包括经验法、几何映射法、滑移线法、反向法、理想成形法、电模拟法、有限元法[1~6]。这些方法都是针对某一类钣金件在一定假设的基础上提出的。各有自己的优点和不足。本文提出了一种物理模拟确定钣金成形件毛坯形状的新方法，定义为物理逆向法。
1、物理逆向法的理论基础
物理逆向法是利用具有形状可恢复性的高分子聚合物进行模拟试验。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，利用材料的形状可恢复特性对修边后的成形件进行高温退火展开，得到一个平面高分子聚合物平板，将这个平板的外缘形状作为钣金成形件的毛坯形状。此方法主要是利用模拟材料的形状可恢复性和模拟试验的相似性原理。
(1) 相似性原理
使用模拟材料进行物理试验时模拟材料和原型材料必须符合相似理论，钣金成形中要求的力学相似条件[7，8]有：
① 应力应变相似性的判别，当模拟材料与原型材料的gma,西格玛' target=_blank>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服从相同的屈服准则。
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一致。
(2) 模拟材料的选择
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，载荷由它们共同承担，加热后，可熔网格化为液体，载荷主要由不可熔网格承担。当温度达到冻结温度时，载荷全部由不可熔网格承担若此时开始降温，则可熔网格开始固化变硬，将不可熔网格因承担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。根据力的相似条件，这一变形过程与金属的弹塑性变形具有相似性。因此选择这种具有形状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)，它们具有如下特点：
① 聚碳酸酯的σ/σε-Eε/σε关系曲线与许多具有硬化性能的金属材料一致，服从Misses屈服准则。
② 聚碳酸酯与铝材在相应应变范围内的泊松比变化规律也基本一致。
③ 当应变较大时(5%~8%)，聚碳酸酯处于一种特殊的高弹性状态，类似金属的塑性状态一般利用这一状态来研究金属的弹塑性特性。
(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。在成形中其它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形状相同的成形件。
选用的模拟材料具有形状记忆性和应力、应变冻结性两个特性。利用形状记忆性，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形状作为钣金成形件毛坯的展开形状，进行试压。如果不能满意，可将它作为第2次物理模拟试验的毛坯确定依据，重复上述过程。以便得到合理满意的毛坯展开形状。
2、试验装置及试验
(1) 试验装置
为了实现物理逆向法确定钣金成形件展开毛坯的全过程，需要在冻结温度下完成模拟材成形，而后高温退火将经过修边的成形件恢来的板料形状。根据此要求设计了如图1所模拟实验装置。该装置可控制加热时温升能保持恒温。模具置于炉膛内，可提前预热模配有导向板，以保证凸模和凹模之间的均匀。

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图1 试验装置简图

(2) 试验方法及试验结果
为了验证此方法，采用聚碳酸酯(PC)作拟材料，以一种拉深模具作为试验模具，进行验性研究。其具体的步骤和结果如下：
首先根据工件的形状估计展开毛坯的试验中确定的毛坯如图2所示。将模具和毛于炉膛内(如图1)，然后将炉膛加热，具体的规律按照图3所示的曲线控制，当炉膛内温到PC的冻结温度时，将凸模的外端施加以的力，使毛坯在凸模自重和外力的作用下缓发生变形，成形后按照控制曲线的要求保持时间，而后停止加热使之逐渐冷却下来。冷室温时取出成形件(如图4)。将成形件按照零件的要求进行修边处理，得到处理后的成(如图5)。将模具从炉膛中取出，修边后得成形件放于炉膛内，按照图6所示的规律进行加热，以便使成形件恢复原来的板料形状，试验结果如图7所示。

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图2 初始估计毛坯

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图3 模具和毛坯加热成形曲线

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图4 修边前的成形件

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图5 修边后的成形件

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图6 形状恢复加热工艺曲线

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图7 高温退火后得到的毛坯

采用高温退火后得到的毛坯形状作为钣金成形件的毛坯形状，在2×105kg的压力机上进行了拉深试验。其结果如图8所示。

（图片）

图8 铝合金件

(3) 结果分析
用物理逆向法确定的毛坯形状，应用于实际金属下料并成形，一次性确定的毛坯能满足基本要求，说明此方法是可行的。但成形件可能仍需要少量的修边。其原因很多，有毛坯确定中的一些假设和工艺条件与实际不符的情况，也有金属毛坯拉深时毛坯的位置不合理的因素。具体原因如下：
① 由于所选择模拟材料与原形材料有相似性，但它们之间的差别会使模拟材料和金属材料的拉深过程存在一些差异。
② 模拟材料初始的毛坯是根据零件的形状估计制备的，毛坯的形状不同会导致成形时边界条件存在差异，因而对模拟材料的成形产生微小的影响。它也会对毛坯的确定有影响。
③ 根据物理逆向法确定的毛坯形状，制备金属毛坯，然后进行拉深。其中成形件的质量与毛坯在模具中的位置、压边力的大小、成形速度均有关系。这些也是造成金属成形件误差的原因。
④ 材料本身的各向异性没有考虑。
3、结 论
定义了一种确定钣金成形件毛坯形状的新方法)))物理逆向法；通过分析和试验验证，认为此方法是可行的，有一定的工程应用前景。由于试验条件的限制。对于复杂的拉深件和覆盖件等更为复杂的成形件毛坯确定的试验性研究还有待于进一步进行。
参考文献
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[6] Lee C H,Hu h H.Three dimension almulti-step inverseanalysis for the optimum blank design in sheet metal forming processes[J].Journal of Materials Processing Technology,1998,80281:76-82.
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[8] 陈明,傅仕伟,左敦稳,等.冷挤压孔的光塑性力学分析[J].南京理工大学学报,2000,24(2):121-125. 12/14/2010

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