單點(diǎn)漸進(jìn)數(shù)控成形機(jī)理分析

1、單點(diǎn)漸進(jìn)數(shù)控成形機(jī)理分析20世紀(jì)90年代初由著名口車(chē)學(xué)占性皿茂劃星沖企屬板料單點(diǎn)漸進(jìn)數(shù)揑成形的基D理.黑出快速原熨制適技術(shù)的“分肚制造”的思想將良企的化川mm氏化.分解成一輻列的二維斷面層.利用數(shù)控加丁設(shè)備在這些二雉斷面層上進(jìn)存連續(xù)的馬部塑ft誡妝辻匚二曲若現(xiàn)板料的塑件即E的霜忡加丁工藝U.單點(diǎn)漸進(jìn)磺闿時(shí).如何設(shè)計(jì)出較為會(huì)理的軌遜和成形路徑叢成功與否的礙即成形工具頭應(yīng)該按照什么樣的軌跡對(duì)原始械料進(jìn)行城形.這也是在救挖加工設(shè)待1加轂程序時(shí)所必須解決的問(wèn)J®,因此要根本解抉這個(gè)問(wèn)題.對(duì)單點(diǎn)漸進(jìn)成形機(jī)理進(jìn)存分析非常垂娶、為肚丈對(duì)'KA漸進(jìn)誡形II腥的數(shù)值模服打下堅(jiān)丈的呈礎(chǔ)°

2、;2.2金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)僉屬塑杵加工是對(duì)金屆施加外力、在不破壞其點(diǎn)謝充整件的條件下改變號(hào)狀.從血得到所麗成冊(cè)件的種無(wú)切削的金屬加工方法，塑性變形不儀會(huì)引起金屬形狀的改唆*也會(huì)引起金禍內(nèi)撫組織貉構(gòu)以瑕其件能的改變。塑件以授雯形抗力是金儒雄共合金的重要屬性，有效的控制金屬及其合金的鱉性和變形抗力，對(duì)干塑性成形的理論和實(shí)找fj軽甘戡重耍的意義止實(shí)際成產(chǎn)1'*選幵存適的成彫廳江及工藝參畝可収育熾的降低變尼拭力”提高材料的誠(chéng)唱極限.由金屆材料的幫性威形是-個(gè)非常貫雜的過(guò)程，而且受到數(shù)學(xué)上處理問(wèn)牆的限制.萩得塑性成形問(wèn)題的牯確分析還是有一宦的難度，為了得到對(duì)丈踐生產(chǎn)和工程設(shè)計(jì)的解析.住研究材

3、料減形力學(xué)行為時(shí).通常有一下五個(gè)假劇何；(1) 材料是齊向同件的旳勻*連續(xù)怵-也就崔說(shuō)變形休內(nèi)的各順旦組織蠟構(gòu)、化學(xué)成分相同.在各個(gè)方向上的力學(xué)性能弓物理性能相同，星不隨坐標(biāo)的改變而變化的.(2) 休積九為零.體積力是作用在物體內(nèi)W+Jfi點(diǎn)上的力，如重力、屯班力和慣性力等.対于型性加工而言.除了高速鍛造、爆炸慮形"電曲成形等少數(shù)情況、體積力一般忽略不計(jì).(3) 變形體花外力作用下處平衡狀態(tài).變陌怵處平衡狀態(tài)的蠢亞條竹乞作用f«個(gè)變形悴的整體以及從整個(gè)變形休中分離出來(lái)的每亍單元體上的外力気的矢A和必定為零，井H外力系對(duì)任一點(diǎn)的合力護(hù)也必定為零B(4) 初妬應(yīng)力為寧.也就是說(shuō)

4、物體在收到外力作用Z前壯處然平衝狀態(tài)+附加內(nèi)應(yīng)力為零.即初始應(yīng)亢為導(dǎo)n（5）體枳不變物體發(fā)生彈性變形時(shí)體枳變化必須加以考慮而在塑性變形時(shí).雖然體枳也有微屋變化.但與塑性形變雖相比還是很小的.可以忽略不計(jì).23單點(diǎn)漸進(jìn)成形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)特點(diǎn)古布金主應(yīng)力狀態(tài)圖應(yīng)力是如點(diǎn)某方位單位作用而匕所受的力而過(guò)點(diǎn)可以有無(wú)窮多個(gè)方位的面.力衣示內(nèi)力的強(qiáng)度，它作用r被假想截開(kāi)平而的物體質(zhì)點(diǎn)z間。一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)被確定即通過(guò)該點(diǎn)的所疔節(jié)II上的應(yīng)力分量均破確定.研究一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)r解決物體處于塑性階段的強(qiáng)度問(wèn)題來(lái)說(shuō)非常重要,是建芷在復(fù)朵應(yīng)力狀態(tài)卜強(qiáng)度準(zhǔn)則和屈服條件所必須的基礎(chǔ)知識(shí)3嘰圖2.1占布金主應(yīng)力狀態(tài)斟Fi

5、g.2.1ThemainstressstatediagramofGubkin古布金上應(yīng)力狀態(tài)圖是用來(lái)表示某點(diǎn)六面體各面上各左向力有無(wú)及其方向,用來(lái)定性分析塑性加工時(shí)工件受力狀況類(lèi)型的一種尸段，對(duì)研丸金屈塑性變形過(guò)程有著菲常亜要的意義。1:應(yīng)力圖具仃九種可能的組令.這九種組令也可以從應(yīng)力球張駅與偏張量來(lái)加以理解,其中三向應(yīng)力狀態(tài)有四種,兩向應(yīng)力狀態(tài)有三種.單向應(yīng)力狀態(tài)有兩種。如圖2.1所示,在兩向和三向主應(yīng)力圖中.各向主應(yīng)力符號(hào)相同時(shí),稱為同號(hào)主應(yīng)力圖，符號(hào)不同時(shí)，稱為異號(hào)主應(yīng)力古布金主應(yīng)變狀態(tài)圖物體變形時(shí)，內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)都產(chǎn)生了位移，如果孑庾點(diǎn)Z何的相對(duì)位且沒(méi)仃發(fā)生變化.則物體做了剛性位移，外形并

6、沒(méi)仃改變，物體也不產(chǎn)生應(yīng)力。只仃當(dāng)質(zhì)點(diǎn)間的相對(duì)位宜發(fā)生了變化即產(chǎn)生了相對(duì)位移時(shí)，才會(huì)引起物體形變.因此，在分析變形時(shí).通常把剛性位移排除應(yīng)變是由位移引起的，它與物體中的位移場(chǎng)仃密切的聯(lián)系.位移場(chǎng)一經(jīng)確定則物休變形也彼確定.因此冋變分析主要是兒何學(xué)問(wèn)題。古布金上應(yīng)變狀態(tài)圖銀主應(yīng)力狀態(tài)圖類(lèi)似用主應(yīng)變的個(gè)數(shù)和符號(hào)來(lái)表示應(yīng)變狀態(tài)的簡(jiǎn)圖.在塑性變形時(shí)，由干材料連續(xù)而且致密，體積變化很微小，與形狀變化相比可以忽略不計(jì).因此認(rèn)為塑性變形時(shí)休積不變，若用主應(yīng)變表示，則仃：$+巧+巧=0金屬塑性變形時(shí)三個(gè)線應(yīng)變分量不可能全部同號(hào).絕對(duì)值最大的臧變永遠(yuǎn)和另外兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相反，因此金屬的塑性變形只能fj三種類(lèi)型，其

7、應(yīng)變狀態(tài)如圖22所示.此外，舉性變形應(yīng)變莫爾圓的切變軸r必定在6與©組成的的大岡Z內(nèi)變化，塑性變形時(shí)三個(gè)線應(yīng)變分雖不可能全部同號(hào)，絕對(duì)值嚴(yán)大的應(yīng)變永遠(yuǎn)和列外兩個(gè)應(yīng)變的符號(hào)相反，此用大應(yīng)變稱為特征應(yīng)變，達(dá)三種類(lèi)型為如圖2.2所示問(wèn)I(1)壓縮類(lèi)變形，一向受壓兩向受拉|巧|=$+6持征應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，絕對(duì)值用大.(2)柯切類(lèi)變形，應(yīng)變狀態(tài)為-向受拉一向受壓，£,=£，兩個(gè)方向的絕對(duì)值相等.符號(hào)相反.拉伸類(lèi)變形.£、=|打+|£一向受拉,兩向受壓,特征應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變,絕對(duì)值最大叫5£3圖2.2古布金主應(yīng)變狀態(tài)圖Fig.2.2Themainstr

8、ainstatediagramofGubkin2.4單點(diǎn)漸進(jìn)成形的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析單點(diǎn)漸進(jìn)成形應(yīng)力狀態(tài)圖塑性成形是利用金屈的塑性，在外力作用下使金屬成形的-種加工方法，作用力是由塑性加工設(shè)備提供的，用以使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形,在不同的塑性加匸匚序中,作用力可以是壓力、拉力或阿切力，在多數(shù)情況下是用壓力來(lái)成形的，壓應(yīng)力在金屬成形的所表現(xiàn)的作用越大，金屬的塑性成形性能就越髙金屬的塑性加工又稱為樂(lè)力加工.單點(diǎn)漸進(jìn)應(yīng)力狀態(tài)圖如圖23所示圖中單點(diǎn)漸進(jìn)成形區(qū)中A點(diǎn)受到一向拉應(yīng)力兩向壓應(yīng)力.這種應(yīng)力狀態(tài)使得單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝具有良好的塑性金屬的塑性成形性能得到提高，徑向拉應(yīng)6力，周向拉應(yīng)力厚向樂(lè)應(yīng)力化7(b)

9、A點(diǎn)主應(yīng)力圖圖2.3單點(diǎn)漸一主應(yīng)力狀態(tài)圖單點(diǎn)漸進(jìn)成形應(yīng)變狀態(tài)圖單點(diǎn)漸進(jìn)成形的應(yīng)變狀態(tài)為一向受壓.兩向受拉.塑性變形時(shí).變形前物體的體稅等于變形后的體枳,主要體現(xiàn)在板料厚度的變化,金屬板料變薄,表面積増大,如國(guó)2.4(b)所示，収點(diǎn)漸進(jìn)成形的三個(gè)應(yīng)變分雖.徑向拉應(yīng)變6,周向拉應(yīng)變厚向壓應(yīng)變£變形區(qū)4點(diǎn)處受到兩向拉應(yīng)變£,和£以及一向壓應(yīng)變£(b)A點(diǎn)主應(yīng)變圖(b)A點(diǎn)主應(yīng)變圖圖2.4單點(diǎn)漸進(jìn)成形主應(yīng)變狀態(tài)圖Fig24Themainstrainstalediagramofsingle-pointincrementalformingsystem2.5單點(diǎn)漸進(jìn)成

10、形過(guò)程的數(shù)學(xué)分析金屬板料的單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程可以百作是準(zhǔn)二維變形問(wèn)題來(lái)進(jìn)行分析，可以用板料的面坐標(biāo)X和Y以及金屬板料的厚度I三個(gè)參數(shù)來(lái)描述，如圖2.5假設(shè)。5o（x.r）是單點(diǎn)漸進(jìn)成形肋金屬板料中平面物質(zhì)點(diǎn)的集合，成形前金屬板料厚度2成形后的平面物質(zhì)點(diǎn)的集合是$”（X"）板料序度為/”，由于瑕點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程中的變形量非常大耍詳細(xì)準(zhǔn)確的描敘其成形過(guò)程，須用到增雖成形理論，在進(jìn)行笫i步加載以后.金屬板料中的平面坐標(biāo)為:sm(r=0.L2./:)其中SX")=SdS,X")=S.(2)整個(gè)變形過(guò)程可以分解為系列的變形狀態(tài)移動(dòng)過(guò)程：sd）心）一>一二（“）上式中W&q

11、uot;)(/=1.2n)-般而育要對(duì)單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程給出準(zhǔn)確的分析是非常困難的，金屬的塑性變形過(guò)程是一個(gè)多重非線性的成形過(guò)程,包括物理非線性和幾何非線性兩種過(guò)程,另外,單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程的邊界條件也很難給出，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，主要采用一些定性的簡(jiǎn)化分析方式3%圖2.5板料中而示慝圖Fig.2.5Thesketchofiniddlesurfaceonsheetmetal圖2.5板料中而示慝圖Fig.2.5Thesketchofiniddlesurfaceonsheetmetal2.6單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程的控制原則板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形的基本特點(diǎn)是最終的變形由多次中何變形累枳的結(jié)果。所以,單點(diǎn)漸進(jìn)成形既仃

12、般板料成形的持點(diǎn)，乂存其持殊性.很據(jù)具持點(diǎn)，在設(shè)計(jì)成形軌跡時(shí)應(yīng)遵循二個(gè)原則即變形區(qū)均勻化原則:垂直下壓呈與水平偏移雖適屮原則。金屬仮料的矗點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝是種新興的持殊的板料加工工藝.經(jīng)過(guò)董次的累積成形得到最后的成形件.般抑;貳點(diǎn)漸進(jìn)成形的特殊性.本文提出了變形均勻化原則和板料而內(nèi)的壓應(yīng)力用小原則.變形均勻化原則金屬板料在單點(diǎn)漸進(jìn)成形Z后，應(yīng)該便扳料上的備點(diǎn)，最大桂度的均勻化，町以用數(shù)學(xué)表達(dá)式為：|inax,(X,Z)min,(X,Z)|>min|max,(X,Z)-min,(X,Z)>nun實(shí)際上，均勻化原則實(shí)用性很廣，對(duì)常規(guī)的金屈成形同樣巫要，但是在實(shí)際生產(chǎn)中,illF工藝條件的

13、限制，成形憲成后的均勻化程度差異性也很大,從理論上來(lái)說(shuō),每個(gè)點(diǎn)的誡形效果在廉點(diǎn)漸進(jìn)成形上都可以控制，因此.金屬仮料的肌點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程的均勻化程度相比傳統(tǒng)的模具成形來(lái)說(shuō)要好得董，傳統(tǒng)的対介模具成形是從整個(gè)外觀的形狀上進(jìn)行大體的控制，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板料的均勻化控制，在現(xiàn)實(shí)的工程實(shí)踐應(yīng)用中，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板料變形的預(yù)測(cè).受到乞種工藝參數(shù)的的影響.成形件的晟終均勻化程度也只能大體的在一定的范圍內(nèi).板料面內(nèi)壓應(yīng)力最小原則金屬板料4成形過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集屮的現(xiàn)象.在單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程半中應(yīng)當(dāng)盡雖避免應(yīng)力集屮現(xiàn)儀的產(chǎn)生.在金屬板料成形的過(guò)程屮，防止板料的失穩(wěn)非常重耍.這一原則主耍是從防止板料的失穩(wěn)角度考慮

14、的金單點(diǎn)漸進(jìn)成形的過(guò)程屮.在對(duì)成形軌跡的連續(xù)加載時(shí)容易失穩(wěn)現(xiàn)象，由于才開(kāi)始成形時(shí),F壓量比較大，會(huì)在后面的成形過(guò)程中產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致板料的失穩(wěn)和折疊。2.7單點(diǎn)漸進(jìn)成形厚度及減薄率計(jì)算厚度的計(jì)算從理論上來(lái)說(shuō).由于是逐點(diǎn)戚形.己經(jīng)變形的區(qū)域?qū)槌尚伟辶蠀^(qū)域呈木沒(méi)仃影響，如圖2.6所示為取點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程板料的理想變形圖.把金屬板料E坯假想為一卷同心環(huán)按次序套在一起.在成形時(shí)，成形工具頭依次的將每一層的圓環(huán)沿髙度方向壓到傾角為a的位置.成形結(jié)束變成形了方形斜壁件.金屬毛坯各層的矩形截而.在成形后因?yàn)槭艿郊羟械淖饔?而在周向匕不發(fā)生變形,矩形截面形成了平行四邊形,根據(jù)塑性變形后體積不

15、變的原則，板料毛坯的長(zhǎng)方形截而面與工件的平行四邊形截面的面積相等16叫B|l從式(2.4)可以看岀貳點(diǎn)漸進(jìn)成形后仮料耳度變化符合止眩變化規(guī)tQXdx=/X5(2.1)因?yàn)閐X=5xsiiar(2.2)將(2.2)式代入(2)式得:X5xs1Ik=/X5(2.3)即r=/oxsi«/(2.4)滅薄率計(jì)算單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)的減薄率4汁算為：©=LHxioo%(2,5)*0將(2.4)式代入(2.5)式，得0=(l-sina)xl(X)%(2.6)IIK2.6)式可知.成形后板料的減薄率隨著成形半惟角a的増大而減小.因此要控制成形半錐角不能低于極限半錐角.對(duì)F單點(diǎn)漸進(jìn)成形匸藝而吉，只要合理安排毎次乖頁(yè)和水平的進(jìn)給雖，就能右效的控制成形區(qū)域的板料厚度，使板料厚度分布均勻化，從而提高了板料的成形極限.2.8單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)的優(yōu)勢(shì)玳點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)的是-種新興的技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程，實(shí)現(xiàn)板料的動(dòng)化成形具有以下兒個(gè)特點(diǎn)：（1）可實(shí)現(xiàn)金屬板料的柔性成形.不需