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物理逆向法在优化钣金成形毛坯中的应用 |
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作者：韩志仁 刘跃专 张凌云 |
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由于钣金成形效率高，适合大批量生产，在机械零件生产中起着决定性的作用。钣金成形包括拉伸、弯曲，或这些基础变形的组合。由于大变形，成形过程中容易出现形状误差、破裂、起皱等缺陷。工艺控制和工艺设计方法是两个关键因素。工艺包括不同的因素，如材料属性、毛坯形状、摩擦条件、模具几何形状等。这些因素中，毛坯是最重要的因素之一。目前，一个新的钣金件模具的设计和制造仍然依赖于过去的经验和分析方法，经常采用工艺试验中的‘试错法’确定工艺参数、调整工具等。
钣金成形需要合理的毛坯。即，合理的毛坯可以减小凸耳切边量，或无切边，节省材料。同时也能改善变形不均匀和成形极限，减少变形缺陷，提高产品质量。已经有一些关于毛坯优化方面的研究，但还存在许多待解决的问题。几何映射法、几何法、理想成形法、滑移线法等方法均基于一些假设，而且只适用于特定钣金件。提出了用于确定钣金件毛坯的物理逆向法，在前期工作的基础上，并考虑生产应用，本文研究了物理逆向法的加热方法和装置，完成了进一步的试验和与其他方法进行对比分析的工作。
1 物理逆向法
利用具有形状记忆性和形状恢复性的模拟材料完成由工件到毛坯的逆过程。此方法定义为物理逆向法PIM(Physical Inverse Method)。图1给出了物理逆向法的详细过程。采用钣金成形模具对模拟材料进行成形，得到模拟材料工件。然后，对其进行切边处理，切边后的模拟材料工件在高温环境下放置一段时间，模拟材料工件将恢复成平板毛坯。
图1 物理逆向法的详细过程
2 物理逆向法应用中加热方法的改进
为完成物理逆向法试验，需要在冻结温度下完成模拟材料成形，然后对其进行切边和高温恢复。设计并制造的模拟试验装置(如图2)在实验室可以完成物理逆向法原理性试验，但该装置中加热方法在生产中难以应用于实际。关键问题是如何在生产现场加热模拟材料。本文发展了一种适合生产现场的加热方法。模拟材料通过热辐射方式进行加热，具体加热如图3所示。加热装置为平板状，模拟试验中被放在模拟材料附近，通过热辐射进行加热，当模拟材料达到冻结温度时，加热装置容易被移开。在模拟试验中使用袖珍红外测温仪对模拟材料进行测温。
图2 模拟材料加热示意图
图3 模拟材料加热示意图
3 物理逆向法的应用
本文试验中采用新改进的加热装置，采用有机玻璃(PMMA)作为模拟材料，研究中采用了二套新模具，如图4、图5。做模拟试验时，首先将上模和下模分开，将估计的初始毛坯放在下模合适的位置上(见图4)。加热板位于有机玻璃毛坯上方。打开加热开关，并用袖珍红外测温仪对毛坯进行测量。当有机玻璃毛坯温度达到125°以上时，快速移开加热装置。在短时间内完成成形，并保持合模状态到有机玻璃冷却至室温。有机玻璃成形件由模具取出(见图6)，为得到毛坯形状，需要根据实际零件对有机玻璃成形件进行切边，图7为切边后的有机玻璃件。将切边后的有机玻璃成形件放入恒温箱内加热到125°，有机玻璃成形件重新恢复成平板状，得到展开的毛坯(见图8)。根据逆向法得到的毛坯进行铝合金金属成形，图9为铝合会成形件。 
针对盒形件进行物理逆向法毛坯的确定，图10为切边后的模拟材料成形件，图11为展开的毛坯，图12为应用物理逆向法确定毛坯形状下料的铝合金成形件。
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，结果进一步证明了此方法的可行性。但钣金成形件可能存在小的形状误差。具体原因有如下几点：
1)模拟材料成形中，由于模拟材料强度低，成形速度过快会造成成形件局部变薄，导致毛坯展开误差。
2)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。
3)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，同时也会影响对毛坯的确定。
4)毛坯在模具中的位置非常重要，模拟材料和铝合金进行成形时，其在模具中放置位置若存在微小差别，也会造成金属成形件误差。
5)物理逆向法没有考虑材料本身的各向异性。
4 物理逆向法与其他方法的对比
以一个盒形件为例，对钣金件毛坯展开的几何法、有限元法、物理逆向法进行了对比分析。通过3种方法得到的毛坯绘制在一起(见图13)，可以看出3种方法得到的毛坯，主要区别基本集中在4个圆角处。根据3种毛坯分别进行了有限元成形模拟(见图14，采用一步法得到毛坯的有限元成形模拟的结果)和成形试验，对有限元成形模拟和成形试验结果进行了对比分析，根据几何法、有限元一步法、物理逆向法得到的毛坯进行铝合金成形有限元模拟，对模拟结果中盒形件4个角处凸耳高度进行测量，并将测量结果绘制成曲线(如图15)，由图15可以看出，几何法确定的毛坯成形件凸耳明显高于有限元一步法和物理逆向法确定毛坯成形件的凸耳。图16、图17分别为用3种毛坯进行模拟的结果中盒形件4个圆角处的最小壁厚和最大壁厚。由图16可以看出，几何法最小壁厚明显小于其他两种方法，图17中几何法最大壁厚明显大于其他两种方法。用3种毛坯得到的有限元模拟结果中，最大壁厚和最小壁厚及凸耳高度的大小，均反映了毛坯形状对材料流动和成形件质量的影响。
表1为3种毛坯铝合金件成形试验数据，同样测量了成形件的凸耳高度，圆角处壁厚，其结果及反映的规律与有限元模拟结果吻合。
5 结论
本文进一步对物理逆向法确定钣金成形件毛坯进行研究工作，提出了适合物理逆向法应用的加热装置和加热方法。同时通过新的模拟试验，又一次验证物理逆向法的可行性。通过对几何法、有限元一步法和物理逆向法确定毛坯的成形进行对比分析认为，物理逆向法适合毛坯优化，对于盒形件该方法与有限元一步法效果接近，明显优于几何法。(end)
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(4/1/2012) |
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