塑性成形技术的若干发展趋势 - 文章

塑性成形技术的若干发展趋势

作者：董湘怀教授

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引言

随着科学技术的发展，塑性成形技术越来越呈现出技术融合的趋势。一方面，塑性成形技术的进步需要从相关学科的发展中吸取自身发展的动力，如在塑性变形机理的研究中要利用材料科学和力学的进步来深化对于塑性成形中材料组织性能演化规律的认识，以便更好地解释和预测热成形过程中回复、再结晶以及流动应力的变化，塑性成形中的织构演化和塑性各向异性、损伤的演化和破裂准则；在塑性成形工艺优化中，需要利用计算数学和计算力学中的新方法等等。另一方面，科学技术的发展也为塑性成形技术不断开辟新的应用领域，如微制造中用塑性成形工艺部分地取代起源于集成电路制造工艺的光刻、腐蚀等技术，可以降低成本、减少环境污染。这种技术融合的趋势对于从事塑性成形理论研究和技术开发的科技人员提出了新的要求和挑战。下面就我个人所关心的某些相关问题作一些探讨，希望与各位专家共同切磋，并有机会开展合作。

1. 数值模拟：从变形到组织性能
经过几十年的发展，塑性成形模拟技术已经进入普及应用的阶段。利用模拟技术已经能够解决十分复杂的工程问题，为企业带来了巨大的经济效益。国外一些大公司已经将成形模拟作为模具设计、制造流程中必经的一个环节。模拟技术在我国也逐步得到推广，国外开发的冲压成形模拟软件Dynaform、AutoForm，体积成形模拟软件DEFORM等在我国已拥有大量用户，我国自行研发的模拟软件、如FASTAMP等也已得到推广应用。以前，模具调试和锻压生产中出现缺陷时，只能采用工艺试验和试凑法摸索解决方案；而现在，人们首先会借助于数值模拟技术探索改进方案，然后再通过实验进行验证，这就大大地节省了人力、物力和时间的消耗。

然而，现有的塑性成形模拟技术还远远不能满足研究和生产所提出的实际要求。现有的商业软件对一般成形过程中的应变和应力分布已经能给出比较精确的结果，但是对于预测工件在成形过程中的组织性能变化则无能为力。这直接影响到模拟技术的应用效果。塑性成形中材料的组织性能变化涉及晶粒度、织构和损伤等的演化。在宏观模型中，这些组织性能参数一般是采用材料本构方程中的内变量来描述的，其规律十分复杂。而现有的演化模型一般都是针对具体材料和/或具体成形工艺的，缺乏普适性。

在织构演化模拟中，原来普遍采用完全的Taylor模型，即令多晶体中各晶粒的变形梯

度等于宏观变形梯度，约束过强，影响了模拟的准确性。为了克服这一缺点，Van Houtte等[1]针对轧制过程的变形特点提出了LAMEL和ALAMEL模型。他们在各晶粒中引入独立于宏观变形梯度、而且在相邻晶粒中能够互相抵消的局部的横向剪切变形，同时还引入了与之相应的应力平衡条件，在模型中考虑了原始织构和晶粒形状的影响，以较小的代价使轧制过程织构演化的模拟精度得到明显的改善。当然，如果要将以上思想应用于其他成形工艺的分析，就需要根据变形特点引入另外的假设。

塑性成形中金属一般发生延性断裂。延性断裂的过程一般经过如下阶段：首先由于塑性变形在晶界、第二相颗粒与基体的界面等位置产生微孔洞的形核，微孔洞在应力和/或塑性应变的驱动下长大，最后发生微孔洞的聚合而形成宏观裂纹。由于对这个过程的认识还不够深入和全面，因此在采用计算模拟方法预测塑性成形中的破裂现象时，一般是采用基于塑性变形能量密度、最大拉伸应力和主应变等计算结果的经验性准则。这类准则没有考虑实际的断裂发展过程，因此准确性不高，而且一个准则仅适合于某一种特定的变形方式，没有普适性。通过计算机模拟和工艺试验相对照的方法，A. Venugopal Rao等[2]对10种体积成形问题工程分析中常用的破裂准则进了比较，对它们的准确性和敏感性（即对不同变形方式计算误差的离散度）进行了评价，他们的结果表明，其中没有一种准则是足够准确和普遍适用的。因此，一般而言目前对于塑性成形中工件破裂的预测还只能用于比较不同的加工条件，从中找出较有利的工况，而不能对具体工艺条件下工件是否发生破裂给出判别性的结论。这成为用虚拟塑性成形取代耗费极大的工艺试验所面临的极大障碍。

与回复和再结晶演化过程模拟有关的模型也存在类似的现象。考虑到材料的塑性行为对其微观、细观结构的敏感性，以及实际材料通常具有的非均匀性，建立针对各种特定材料和成形工艺的以及具有普适性的塑性成形中材料组织性能演化规律，仍然是一项需要多学科协作进行的长期的研究课题，也是当前的一个研究热点。实际上，许多锻压产品不仅有尺寸精度的要求，也有严格的组织性能要求。因此这方面的研究对于成形模拟技术的工程应用将具有十分深刻的影响。

此外，为了提高模拟计算的效率和应用范围，发展了一些特别的模拟方法。Y. Q. Guo等[3]对板料成形的逆算法进行改进，将一步法改进为多步法，在保持逆算法的高效率的同时，能求出成形过程的若干中间状态，以便考虑工件中各质点的应变路径，使得与应变路径有关的损伤演化规律通过积分后能用于近似的逆算法有限元模拟中，预测工件的破裂。为了克服有限元模拟中由于网格畸变造成的困难，无网格法受到越来越多的重视。分析计算表明：无网格法能有效地用于求解挤压、锻造等大塑性变形问题，得到与有限元法一致的结果，而无需重分网格。对于精冲等涉及裂纹扩展的问题，无网格由于法能够方便地实现节点的局部加密，也有很大的应用潜力。

2. 塑性成形工艺优化
目前，塑性成形模拟技术主要用于校核成形工艺和模具设计的可行性。如果设计存在缺陷，需要设计人员提出改进方案，然后再对新方案进行模拟和评价。由于影响塑性成形过程的因素众多且关系复杂，同时模拟计算的工作量很大，所以，除了较为简单的问题，还难以利用软件自动地实现优化计算。

由于逆算法的应用，冲压工艺参数优化方面取得了较大的进展。冲压成形过程中各时刻工件的几何形状基本上由模具的几何形状和相对位置所决定，所以成形过程的边界条件具有很大程度的确定性。同时工件在拓扑上是二维的，其几何形状可以用曲面来表示，而且毛坯的初始形状为一平面。冲压过程的这些特点使得采用基于塑性形变理论的“近似的”有限元逆算法进行冲压过程模拟十分简便有效，而且计算结果十分接近于基于塑性增量理论的“严格的”有限元增量法的相应结果，而计算时间则大大减少。有限元逆算方法的特点是从产品的外形出发进行有限元离散化，采用简单加载假设，将平面毛坯变形为空间曲面形状工件的整个过程在一步或数步计算中完成。这种方法避开了接触和摩擦的处理，建模简单，而且计算速度很快，可以在短时间内比较多个工艺方案，进行工艺优化。同时由于其逆算求解的特点，特别适宜于求得合适的毛坯形状。虽然其分析精度比增量有限元法低，但由于上述优点，可以与增量有限元法互为补充。冲压过程的逆算法模拟以及基于逆算法的冲压工艺参数（如压边力、拉延筋布置、毛坯形状等）的优化近年来取得了长足的进展，国外和国内都开发出了相应的商品化软件。

在优化思想方面，逆算优化方法近年来得到了广泛应用。该方法实质上是微分方程的反演问题，即已知问题的最终状态，要求问题的初始状态、边界条件和模型参数。在工程应用中，逆算优化方法主要用于解决如下三类问题：① 针对给定的产品性能，如泊松比等，通过对一类力学模型的求解和优化，确定产品的结构形式和参数；② 在给定产品几何形状的条件下优化成形工艺，确定合理的毛坯或中间坯料（如预锻件）的形状；③ 选定一种表征加工过程物理规律（如应力－应变关系）的数学表达形式后，通过对实验结果（如单向拉伸曲线）的拟合确定模型中各个参数的最优取值，使得所选取的模型能最准确地描述材料的力学行为。在逆算优化计算中，除了应用传统的数学规划方法以外，也越来越多地应用各种智能化的优化方法，如模拟退火法、遗传算法、神经网络方法等等。

为了提高模拟和优化结果的可靠性，要考虑各种工艺参数的随机变化及其对塑性成形最终结果的影响。在设计中不仅要使产品质量达到预定的指标，而且要使产品质量指标的波动尽可能小。如果产品质量指标的波动符合正态分布，其平均值为μ，标准差为σ，则可以用σ为单位来表示质量指标的正、负公差范围，并由此计算出产品的理论合格率，如下表所示。

表1 σ水平与合格率以及每百万件的废品率之间的关系

σ水平	合格率（％）	废品数/百万件（短期）	废品数/百万件（长期）
±1σ	68.26	317,400	697,700
±2σ	95.46	45,400	308,733
±3σ	99.73	2,700	66,803
±4σ	99.9937	63	6,200
±5σ	99.999943	0.57	233
±6σ	99.9999998	0.002	3.4

根据Motolola公司的统计，按公式计算的废品率仅在短期内与实际情况相符。在长期生产中，由于模具磨损等原因，误差还将扩大约1.5σ水平，如表中第4列所示。为了确保产品质量，他们提出要达到μ±6σ的设计可靠性要求，这被称为6σ稳健设计。优化设计软件iSIGHT可用于6σ稳健设计。在优化计算中，它可以通过接口调用ANSYS、Nastran等有限元分析软件来完成有关的分析计算。

3. 微细塑性成形[4]
随着微/纳米技术的兴起，以形状尺寸微小或操作尺寸极小为特点的微细加工技术已经成为人们认识和把握微观世界的一种高新技术。近年来，随着产品微型化的不断发展，尺度在500nm至500微米之间的金属成形研究正受到工业需求的驱动，特别是在电子工业中，微型化趋势的日益明显，目前已开发出了一系列微型电子产品，如微型电机、微助听器、微硬盘、微型数码照相机等。同时，微机电系统（MEMS）技术的逐渐兴起，也给微细加工技术提供了一个大力发展的机遇。传统的微加工技术主要以光刻、化学刻蚀以及LIGA技术为主，这些技术操作难度大、效率低、成本高，而且环境污染比较严重。微细塑性加工技术可以克服以上这些技术的缺点，因此具有巨大的市场潜力和应用前景。虽然到目前为止，微细塑性成形技术还处于探索和实验研究阶段，但是世界上一些工业发达国家，如日本、德国，已经进行了大量研究，在技术探索的同时，也为该领域将来必然发生的激烈竞争抢占了一些技术制高点。

微细加工的特点不仅在于工件几何尺寸的减小，也涉及材料性能的变化。在微尺度下材料的一些力学特征表现出与传统尺度下的不同的特点，某些在常规加工中与尺度无关的力学量在微尺度小却不再是与尺度无关的，而是表现出对尺寸的依赖性，这就是所谓尺度效应。上世纪九十年代初Fleck等在微扭转实验中发现当铜丝直径由170μm减小到12μm时，其无量纲扭转硬化率增加到原来的3倍。此后，对于材料屈服性能与尺度的关系进行了大量的实验研究和理论分析。尺度效应可以分为两类，分别称之为第类和第类尺度效应。一般把那些能够用传统的理论进行解释的尺度效应称为第类尺度效应，不能够用传统理论来解释的尺度效应称为第类尺度效应。如在单向拉伸和自由弯曲实验中,随着试件尺寸的减小,通常观测到的材料的流动应力和最大相对弯曲力会随之减小。这就是第类尺度效应。对于这种现象，Engel和Geiger等提出了一种“表面层模型”进行描述。当材料的特征尺寸减小到与材料内禀尺寸同一数量级时，材料表现出第类尺度效应，即应变梯度强化效应。对这种尺度效应的研究促进了应变梯度塑性理论的发展和应用。应变梯度理论中引入了材料的特征尺寸，从而可以从现象学的角度来刻画出尺度效应的影响。除了材料屈服应力的变化以外，在微成形中摩擦系数会随着试件尺寸的减小而增加。对于这种现象， Engel提出了一种“开放和封闭润滑坑”模型、也称做“动态和静态润滑坑”模型进行解释。

进行微成形研究，首先要解决毛坯制备、实验设备、实验模具和检测手段等基本问题。

实验结果表明，随着材料特征尺寸（如板材的厚度）的减小，材料的塑性一般会降低，例如金属箔材的延伸率一般远低于板材。这可能是由于特征尺寸范围内晶粒数量减少，使得塑性变形的不均匀性增强，同时材料几何和性能缺陷的影响相对增大而引起的。

由于微成形目前还没有得到广泛的工业应用，所以没有现成的专用设备。人们通常采用如下两种方法：① 自行研制专用的试验设备，如Joo等人为微冲孔研究开发的系统，他们采用高精度的导向装置来保证凸模的运动精度，通过一套带有CCD摄像头的监测装置，保证凸凹模的对中和间隙均匀。② 利用现有的一些高精度检测仪器，并配以自行研制的执行部件。如Saotome等研制的置于电镜操作室中使用的一种数控无模微成形系统。

微成形模具的加工难度很大，必须采用精度极高的电加工、腐蚀加工等方式。如在微冲孔中可用电加工方法制造刃口直径仅为几十μm的冲孔模，Saotome利用各向异性刻蚀的方法在单晶硅上加工出四面体形状的凹模。另外，Kurimoto采用直径为14μm的SiC陶瓷纤维作为冲头，也成功地进行了冲孔实验。

目前已经进行了多种微成形工艺实验，包括微弯曲、微拉延、微压印、微挤压、微锻造、无模微成形等等。通过这些实验研究了各种工艺参数对成形质量的影响，也探索了各种微成形工艺措施。为了增加材料的拉深性能， Erhardt采用加热工具的方法，在加工过程中用激光加热局部坯料，从而使材料的成形性提高了10％。Saotome改变凸模直径和板料厚度的比值D/t进行拉深实验，发现D/t值在10～100范围内，极限拉深比随着D/t的增加而减小。Kals在研究微冲裁加工发现，剪应力不是随着产品的微型化而减小，当板料厚度减小到一定的时候，材料的临界减切强度又会略为增加，这种现象不会随晶粒尺寸的改变而改变。Doege和Jimma研究了弯曲和压印过程中冲头的震动特性对冲压产品精度的影响，由于凸模的运动引起压边圈震动，随着冲压速度的加大，产品精度会随之降低。在加工中可以提高压边力来减小震动的影响，提高冲头压力，也可以明显地提高产品的精度。

由于微细塑性加工零件尺寸非常小，零件相对变形梯度比较大，工件与模具之间的摩擦系数增加，因此对模具的强度要求较高。Jeong发现薄膜金属玻璃材料在非晶态下具有较高强度和弹性极限，而且在微尺度下，不会发生尺度效应，是一种理想的微细塑性成形材料。当对这种材料进行低温加热时，在一定温度范围内，材料逐渐软化，而且表现出黏性流动性，在较低的作用力下，很容易对其进行微细三维成形加工。利用非晶态金属进行超塑性微成形十分有利。Saotome在超低温液体状态下，利用超塑性材料Al－78Zn和非晶态材料LaAlNa挤压加工出模数为50μm和20μm的微型齿轮。

微成形中还有一些需要考虑的问题。一个难题就是如何在高速度的情况下获得较高的尺寸精度和表面质量。在微成形中要以几个微米的误差将坯料在凹模上定位。当零件尺寸减小时，材料的表面积与体积之比迅速增大，零件与工具的粘着力和零件表面的张力的作用也会增强，为了把零件从工具上迅速地分离就必须考虑的其影响。对于普通冲压成形，冲头和传动装置之间的间隙通常可以忽略，但是在成形微零件时，整个冲头行程可能仅为100μm，这时冲头和传动装置之间的间隙就必须加以考虑。为了确保产品的质量和对加工过程进行控制，合适的测量和检测工具也是非常必要的。

4. 结束语

多学科交叉和技术融合是当今科学技术发展的普遍趋势，塑性成形技术也不例外。在这种形势下，塑性成形领域的学者和工程技术人员应该更多地关注材料科学、力学、先进制造技术等相关领的研究进展，推动塑性成形理论的发展；各大学和研究机构应该大力构筑促进学科交叉和资源共享的跨学科研究平台，其中包括各种实验和计算设施，通过联合攻关，占领科学技术的若干制高点，提高我国的科技创新能力；大学、科研机构和企业应该加强交流与合作，使得研究工作切合我国经济和社会发展的实际需要，企业能依托大学和研究机构解决技术难题、获得技术储备、提高竞争力。

参考文献
[1] Paul Van Houtte, Saiyi Li, Marc Seefeldt, et al. Deformation texture prediction: from the Taylor model to the advanced Lamel model. International Journal of Plasticity 21(2005) 589-624
[2] A. Venugopal Rao, N. Ramakrishnan, R. Krishna kumar. A comparative evaluation of the theoretical failure criteria for workability in cold forging. Journal of Materials Processing Technology, 142 (1): 29-42
[3] Y.Q. Guo∗, Y.M. Li, F. Bogard, K. Debray. An efficient pseudo-inverse approach for damage modeling in the sheet forming process. Journal of Materials Processing Technology 151 (2004): 88–97
[4] 李经天，董湘怀.微细塑性成形中第I类尺度效应的研究.中国机械工程. 2005年第16卷第2期：168-171(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/28/2006)


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