板材成形加工的新技术与发展趋势

基于板材成形加工技术的新技术与发展趋势[摘要]：本文主要介绍了板材成形技术的发展的有代表性的新技术，板材成形过程仿真分析的关键技术，以及金属板材成形新设备三个方面；并阐述了板材成形技术目前存在的问题，及新技术、板材成形过程仿真及板材成形设备各自的发展趋势。[关键词]：板材成形新技术；仿真；新设备一、引言所谓板材成型是指用板材、薄壁管、薄型材等作为原材料进行塑性加工的成形方法。历史悠久的板材成形技术发展到今天，已经成为国民经济发展的主要支柱产业汽车工业及高新技术领域及航空航天工业的强大技术支撑，成为先进制造技术的重要组成部分。板材成形技术的发展与汽车、航空、航天工业的发展紧密相联。1992年我国汽车年产量为100万辆；2004年达到444万辆，世界排名第四位，销售量排名第三位；2005年突破500万辆。美国预测：2025年中国汽车产量将达到1800万辆，成为世界第一汽车大国。而汽车零件中75％以上为冲压件，飞机零件中50％以上为冲压件。可见，汽车、宇航等工业的快速发展是在强有力的板材成形技术的支撑下实现的，并仍将依赖于板材成形技术的发展。板材成形技术的发展与产品需求息息相关，正是面临着汽车产量的迅猛增长和宇航飞行器性能不断提升的挑战，才促使板材成形技术取得长足进步。汽车更新换代的频繁化强烈要求缩短研发周期，这就加速了CAD／CAM／CAE／CAPP等计算机辅助技术在工艺分析和模具制造中的应用，并加速了汽车制造业的科学化、数字化和信息化进程。强烈的市场需求和学科交叉催生了板材成形新工艺、新技术，使板材成形这一传统学科焕发了新的活力。板材成形过程的计算机仿真实质上就是利用数字模拟技术分析给定模具和工艺方案所冲压的零件变形的全过程，从而判断模具和工艺方案的合理性。每一次仿真就相当于一次试模的过程。因此成熟的仿真技术不仅可以减少试模次数，在一定条件下还可使模具和工艺设计一次合格从而避免修模。仿真技术的应用可大大缩短新产品开发周期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞争力。目前板材有限元仿真技术广泛应用于汽车和钢铁工业等诸多领域，许多大型汽车制造公司在新车型的设计和开发阶段就开展冲压成形过程的有限元仿真研究极大地推动了生产的快速化和设计的智能化。随着汽车工业的成长，金属板材成形设备在20世纪得到了多面的发展．形成了较完备的体系并达到了较高的技术水平。进入新世纪后，不仅汽车工业持续发展，电子信息、家用电器和医疗器械等行业也如雨后春笋，蓬勃发展。它们对制造技术提出了更新、更高的要求。推动了包括金属扳材设备在内的制造装备的持续向前发展。金属板材成形设备(如各种压力机、剪板帆、折弯机等)是汽车电子信息、家用电器和仪表等行业最主要的工艺装备之一，在制造业发挥着重要的作用，其技术水平很大程度上决定了制件的质量和成本。目前我国板材成形领域面临很多问题。如：新技术应用不多，仿真研发投入少；设备机械化、自动化低；板材的自给率低等等。下面将分别介绍板材成形技术、板材成形过程仿真分析的关键技术和金属板材成形设备新发展。二、板材成形新技术板材成形技术领域出现的大批新工艺、新技术，下面介绍几种具有代表性的板材成形新技术。1多点成形技术多点成形其核心原理是将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体，通过对各基本体运动的实时控制，自由地构造出成形面，从而实现板材三维曲面成形，如图1所示。在整体模具成形中，板材由模具曲面来成形。而多点成形中则由基本体冲头的包络面(或称成形曲面)来完成J。各基本体的轴向位置可独立地调节，改变各基本体的位置就改变了成形曲面，也就相当于重新构造了成形模具。与传统的模具成形相比，多点成形具有其自身的特点。(1)实现无模成形。通过对各基本体运动的控制来构造出各种不同的成形曲面，可以取代传统的整体模具，节省模具设计、制造、调试和保存等所需的人力、物力和财力，显著地缩短产品生产周期，降低生产成本，提高产品的竞争力。与模具成形法相比，不但节省加工制造模具的费用，而且节省大量的修模与调模时间；与手工成形方法相比，成形的产品精度高、质量好，并且显著提高了生产效率。(2)优化变形路径。通过基本体调整，实时控制变形曲面，随意改变板材的变形路径和受力状态，提高材料成形极限，实现难加工材料的塑性变形，扩大加工范围。(3)实现无回弹成形。可采用反复成形新技术，消除材料内部的残余应力，并实现少无回弹成形，保证工件的成形精度。(4)小设备成形大型件。采用分段成形新技术，可以连续、逐次成形超过设备工作台尺寸数倍的大型工件。(5)易于实现自动化。曲面造型、工艺计算、压力机控制、工件测试等整个过程全部采用计算机辅助，实现CAD／CAM／CAE一体化生产，工作效率高，劳动强度小，极大地改善了劳动者作业环境。多点成形技术是国际上新兴起的一项先进的板材成形技术，可以实现无模成形，节省模具制造费用与时间；可以改善被成形件的变形条件，实现无回弹成形，并实现在小设备上成形大型件。多点成技术特别适合于三维曲面板制品的多品种小批量生产及新产品的试制，所加工的零件尺寸越大，其优越性越突出。多点成形技术在飞机和航天器的蒙皮、轮船和舰艇的外板、车辆、大型容器和城市雕塑等三维曲面板制品加工中，有着广阔的应用前景。2、激光成形技术金属薄板的激光成形技术是一种利用激光扫描金属薄板形成的非均匀温度场来实现塑性变形的工艺。激光成形的机理是：用激光照射板料的上表面某处，该处被瞬间加热至高温，同时加热区域被其它部分所包围。由于加热区域的热膨胀，使板料产生与激光源相反方向的小弯曲(反向弯曲，其角度为a)。由于被加热区域的高温降低了该区域材料的屈服应力和弹性模量，同时冷板断面模数较大，这种反向弯曲被部分抑制，使加热区域受压，出现材料堆积。如图2a所示，冷却时，热量流向邻区，上表面材料开始收缩，下表面则继续膨胀。同时，由于上表面温度降低，屈服应力增加，压缩时产生的材料堆积不能复原；而下表面则屈服应力降低，材料易于变形，故而板料产生面向激光源的变形(正向弯曲，角度为卢，如图2b所示。显然(．a)便为一次加热(激光扫描)与冷却循环的总变形量。重复这种加热和冷却循环，使每次变形累积，便得到材料的总成形量。激光扫描若在同一直线上反复进行，则造成沿直线的弯曲成形，如扫描轨迹为曲线，亦可制成盘形、球形等工件。激光成形的技术要点主要是在理论和实践上掌握激光加热和冷却过程对材料的影响，以及用计算机实时控制快速变化的温度场。激光成形的具体影响因素大致如下。(1)能量因素。包括激光入射功率、与材料的热耦合系数、激光扫描速度、激光束能量分布、光斑形状和大小等。一般来讲，大的入射功率和高的扫描速度易于造成板厚方向的温度梯度，也易于板料成形。(2)材料的热物性。包括热胀系数、比热、导热系数、材料密度、弹性模量、屈服极限、硬化系数等。如果导热系数、比热、弹性模量、屈服应力较低，则易于获得较大变形量。(3)材料几何参数。实验证明，板面积大而厚度小的板料易于激光成形。作为成形能量源，激光在3个方面具有优势：工件和成形工具之间不必再有机械的接触；在成形量的精确性和可控性方面潜力巨大；材料可以远距离成形。作为一种传统加工过程，几何精度方面的可行性辅助激光成形已经出现在现代工业中。通过把特性日益增多的激光成形和传统的成形方式，例如只是通过一系列单一的连续的工具运动的冲压成形混合运用，可以获得精确的弯曲角和曲率半径，混合的加工过程使得高精度板料成形以一种经济的方式实现，而且校正弯曲角度可以被控制，此外激光成形技术可用于受结构限制工具无法靠近或无工作空间的工件的加工，也可用于大型钣金件表面的校平。激光成形技术是激光加工一个崭新的应用领域，尚有许多问题亟待解决。随着研究的深入进行，激光成形技术必将与切割、焊接、表面处理等激光加工一样平常。3、冲压智能化技术近年来，一些技术先进国家已将智能化的研究引入了金属塑性加工的研究领域。板材冲压成形的智能化控制技术、旋压成形的智能化控制技术等方面的研究先后兴起并正在迅速发展。板材冲压成形的智能化，是控制科学、计算机科学与板材成形理论有机结合的综合性技术。其突出特点是，根据被加工对象的特征，利用易于监测的物理量，在线识别材料的性能参数，预测最优的工艺参数，并自动以最优的工艺参数完成板材成形过程。因此，板材成形的智能化是冲压成形过程自动化及柔性加工系统等新技术的更高级阶段，不但可以改变冲压生产工艺的面貌，而且还将促进冲压设备的变革，同时也会引起板材成形理论的进步与分析精度的提高。在降低板材级别，消除模具与设备调整的技术难度，缩短调模试模时间，以最佳的成形参数完成加工过程，提高成品率和生产率等方面都具有十分明显的意义。典型的板材成形智能化控制系统如图3所示，由以下4个基本要素构成。(1)监测。采用有效的测试手段，实时监测能够反映被加工对象特征的宏观力学参数和几何参数；(2)识别。控制系统的识别软件对在线监测所获得的被加工对象的特征信息进行分析处理，结合知识库和数据库的已有信息，在线或实时识别被加工对象的材料性能参数和工况参数(如摩擦系数等)；(3)预测。根据识别所获得的材料性能参数和工况参数，以板材成形理论和经验为依据，通过计算或者通过与知识库和数据库中已知的信息比较来预测当前的被加工对象能否顺利成形，并给出最佳的可变工艺参数；(4)控制。根据识别和所测得的结果，按系统给出的最佳工艺参数自动完成板材成形过程。冲压成形智能化技术的研究首先以弯曲加工为对象。用压力机进行板材的弯曲加工时，为了获得高精度的弯曲角，必须精确地确定冲头的最终行程。日本学者杨明、岛进等人以塑性力学模型为控制原理，以载荷．位移曲线反推(识别)材料性能参数，再根据回弹理论预测最终行程，实现了V型弯曲的智能化控制。用这种方法对低碳钢板进行90弯曲，弯曲角度的误差与校正V型弯曲相当，可控制在0.5%以内。最新的动态显示，应用技术的发展方向是利用神经网络理论来提高加工精度。拉深成形过程中的变形是不均匀的，忽略摩擦的影响非常困难，所以，有关智能化的研究比弯曲成形要复杂得多，进展也较缓慢。日本学者真锅健一等人曾经发表文章，报道了变压边力技术对筒形件拉深过程进行适应控制的研究成果，采用塑性力学模型，在拉深的初始阶段对工件的材料参数和工件与模具之间的摩擦系数进行反推，然后随着行程变化对压边力进行可变控制，从而实现最佳的成形条件。如图4所示，材料性能参数和摩擦系数的识别经历了解析识别模型和神经网络识别模型两个阶段。首先，从塑性力学能量原理出发，给出了更为精确的拉深过程解析定量描述，进而采用非线性参数曲线拟合的方法实现了材料性能参数和摩擦系数的在线识别。当材料性能参数已知时，经技术处理，可实现摩擦系数的实时识别。材料参数中反映成形力参数的强度系数和抗拉强度的识别误差较小，最大误差为6％左右；反映变形参数的厚向异性参数识别误差较大，其最大误差为20％左右。为了提高识别精度和实现实时识别，先后探索了BP网络识别模型和遗传算法与BP网络相结合的识别模型。采用神经网络模型虽然实现了实时识别，但BP网络模型的参数识别精度与解析识别相当；基于遗传算法的BP网络模型提高了优化效率，但仍然精度不高。最新研究表明，基于梯度下降法和高嘶牛顿法的LM网络模型可以有效地改善网络收敛性能，而且精度大大提高。材料性能参数的识别精度在1％o以内，摩擦系数的识别精度为3％。压边力是常规拉深工艺中唯一可变的工艺参数。目前对最佳压边力变化规律的预测仍然是采用塑性力学模型。用板材失稳理论对典型轴对称拉深件的极限承载能力进行了归一化的定量分析，给出了该类工件破裂失稳时的极限载荷的统一表达式，由此得到了拉深过程中工件侧壁破裂失稳时的临界压边力，进而提出了临界载荷控制原理，即按侧壁破裂临界条件所给出的定量关系来确定控制压边力规律，可以最大限度的提高极限拉深高度和成形过程的稳定性。基于能量原理，给出了法兰起皱临界压边力和侧壁起皱临界压边力。以上述三个临界条件为依据，给出了轴对称曲面件拉深控制压边力的上下限，最佳压边力控制规律以及与其对应的极限拉深高度。目前拉深成形智能化控制的研究仍处于探索阶段，