金属材料塑性精确成形工艺及理论.ppt

1、金属材料塑性精确成形工艺金属材料塑性精确成形工艺及理论及理论 王从军联系电话：13808683479Email:3.1 金属塑性成形种类与概述 3.1.1金属塑性成形在国民经济中的地位3.1.2金属塑性成形方法的分类3.1.3金属塑性成形方法的现状3.1.4金属塑性成形方法的最新进展3.1.5金属塑性成形方法的发展方向3.1.1金属塑性成形在国民经济中的地位金属塑性成形在国民经济中的地位金属塑性加工是金属加工方法之一。它是利用金属的金属塑性加工是金属加工方法之一。它是利用金属的塑性，通过外力使金属发生塑性变形，成为具有所要求的形塑性，通过外力使金属发生塑性变形，成为具有所要求的形状、尺寸和性能

2、的制品的加工方法。因此，这种加工方法也状、尺寸和性能的制品的加工方法。因此，这种加工方法也称为金属压力加工或金属塑性加工。称为金属压力加工或金属塑性加工。由于金属塑性加工是通过塑性变形得到要求制件的，由于金属塑性加工是通过塑性变形得到要求制件的，因而是一种少因而是一种少(无无)切屑加工方法。切屑加工方法。金属塑性加工时，一个零金属塑性加工时，一个零件一般是在设备的一个行程或几个行程内完成的，因而生产件一般是在设备的一个行程或几个行程内完成的，因而生产率很高。率很高。对于一定重量的零件，从力学性能、冶金质量和使对于一定重量的零件，从力学性能、冶金质量和使用可靠性看，一般说来，金属塑性加工比铸造或

3、机械加工方用可靠性看，一般说来，金属塑性加工比铸造或机械加工方法优越。由于上述情况，金用塑性加工在汽车、拖拉机、宇法优越。由于上述情况，金用塑性加工在汽车、拖拉机、宇航、船舶、兵工、电器和日用品等工业部门获得广泛应用。航、船舶、兵工、电器和日用品等工业部门获得广泛应用。仅就航空工业而百，机身各分离面间的对接接头、机翼大梁，仅就航空工业而百，机身各分离面间的对接接头、机翼大梁，发动机的压气机盘和涡轮盘、整流罩和火焰筒等重要零件或发动机的压气机盘和涡轮盘、整流罩和火焰筒等重要零件或其毛坯都是用金属塑性加工方法制成的。其毛坯都是用金属塑性加工方法制成的。3.1.2金属塑性加工方法的分类（）体积成形

4、体积成形所用的坯料一般为棒材或扁坯。当体积成形时，坯料经受很大的塑性变形，使坯料的形状或横截面以及表面积与体积之出发生显著的变化。由于体积成形过程中工件上绝大部分经受较大的塑性变形因而成形后基本上不发生弹性恢复现象。属于体积成形的典型塑性加工方法有挤压、锻造、轧制、和拉拔等。金属塑性加工方法的分类体积成形典型的体积成形塑性加工方法有挤压、锻造、轧制、和拉拔等。金属塑性加工方法的分类（）板料成形（）板料成形 板料成形所用坯料是各种板材或用板材预先加工板料成形所用坯料是各种板材或用板材预先加工成的中间坯科。在板料成形过程中，板坯的形状成的中间坯科。在板料成形过程中，板坯的形状发生显著变化，但其横截

5、面形状基本上不变。当发生显著变化，但其横截面形状基本上不变。当板料成形时，弹性变形在总变形中所占比例是比板料成形时，弹性变形在总变形中所占比例是比较大的，因此，成形后会发生弹性回复或回弹现较大的，因此，成形后会发生弹性回复或回弹现象。象。3.1.3金属塑性成形方法的现状 纵观纵观20世纪，塑性成形技术取得了长足的进展。主世纪，塑性成形技术取得了长足的进展。主要体现在要体现在:(1)塑性成形的基础理论已基本形成，包括位错理论、塑性成形的基础理论已基本形成，包括位错理论、Tresca、Mises屈服准则、滑移线理论、主应力法、上屈服准则、滑移线理论、主应力法、上限元法以及大变形弹塑性和刚塑性有限元

6、理论等；限元法以及大变形弹塑性和刚塑性有限元理论等；(2)以有限元为核心的塑性成形数值仿真技术日趋成熟，为以有限元为核心的塑性成形数值仿真技术日趋成熟，为人们认识金属塑性成形过程的本质规律提供了新途径，为人们认识金属塑性成形过程的本质规律提供了新途径，为实现塑性成形领域的虚拟制造提供了强有力的技术支持；实现塑性成形领域的虚拟制造提供了强有力的技术支持；(3)计算机辅助技术计算机辅助技术(CAD CAE CAM)在塑性成形领域的应在塑性成形领域的应用不断深入，使制件质量提高，制造周期下降；用不断深入，使制件质量提高，制造周期下降；(4)新的成形方法不断出现并得到成功应用，如超塑性成形、新的成形方

7、法不断出现并得到成功应用，如超塑性成形、爆炸成形等。爆炸成形等。3.1.4金属塑性成形方法的最新进展（）微成形（）内高压成形（）可变轮廓模具成形（）粘性介质压力成形(VPF)（）微成形 产品的最小化的要求不仅是来自用户希望随身用的多功能电子器件小型化，而且还来自技术的需要，例如医疗器械、传感器及电子器械的发展需要制造出微小的零件。目前对微零件的需求越来越多。由于塑性加工的方法最适于大批量低成本的生产微零件，所以近来得到很大发展。所谓微零件通常的界定是至少有某一方向的尺寸小于100m。冷镦成形的微零件（2）内高压成形 内高压成形是近10多年来迅速发展起来的一种成形方法，它是结构轻量化的一种成形方

8、法。液体以往多是用于设备的传动，如液压机用油或水传动，成形还是靠刚性模具进行。近年来由于液体压力提高到400MPa，甚至1000MPa，液体已经可以直接对工件进行成形。将管坯1放在下模2上，用上模3夹紧，左冲头4与右冲头5同时进给，在进给的同时，由冲头内孔向管坯中注入高压液体，从内部将管材胀形直至与模腔贴合。（2）内高压成形 不锈钢接头 铝合金变径管件 复杂空心变截面构件（2）内高压成形 内高压成形的汽车发动机支架 用内高压成形法生产的Volvo车用铝合金下梁（3）可变轮廓模具成形 对于小批量多品种板料件成形，例如舰艇侧面的弧形 板、航空风洞收缩体板、飞机的蒙皮都是三维曲面，但批量很小甚至是单

9、件生产，由于工件尺寸大，这样模具成本很高，何况即使模具加工完成，也有一个需要修模与调节的过程，因此用可变轮廓模具成形一直是塑性加工界及模具界 的研究方向之一。从本质上讲，任何一个曲面都可以写成z=f(x，y)的形式，因此可变轮廓模具的基本构成为很多个轴向(z向)分布在(x，y)平面内的小冲头组成，是将整体模离散化。至于冲头的调节可以是手拧螺旋，也可以是靠伺服电机驱动螺旋机构完成。（3）可变轮廓模具成形 多点模具多点模具（3）可变轮廓模具成形 可调节型腔可调节型腔（3）可变轮廓模具成形 在可调节模腔形状的模具上成形钢板在可调节模腔形状的模具上成形钢板（3）可变轮廓模具成形 在可调节模腔形状的模具

10、上压制铝合金球瓣在可调节模腔形状的模具上压制铝合金球瓣（4）粘性介质压力成形(VPF)粘性介质压力成形粘性介质压力成形(Viscous Pressure Forming)是近是近10年在年在美国刚开始出现的成形方法，顾名思美国刚开始出现的成形方法，顾名思义，成形时传力介质既不是液体，也义，成形时传力介质既不是液体，也不是固体，而是一种粘性介质，它适不是固体，而是一种粘性介质，它适用于难成形材料的成形。用于难成形材料的成形。（4）粘性介质压力成形(VPF)原理VPF工作原理 1.介质注入缸2.上模3.板坯4.粘性介质 5.下模6.介质流出缸7.压边缸 成形前先将板料两侧充填粘性介质，然后注入缸向

11、型腔注成形前先将板料两侧充填粘性介质，然后注入缸向型腔注入介质，下模膛中的介质向右下方流出，这时可以实现背压外入介质，下模膛中的介质向右下方流出，这时可以实现背压外流使板料两侧都有压应力，避免开裂。此时左下方的油缸仍注流使板料两侧都有压应力，避免开裂。此时左下方的油缸仍注入介质，目的是使板料尽可能流向右下方的深膛，减少该处的入介质，目的是使板料尽可能流向右下方的深膛，减少该处的高度，最后两个溢流缸都向外排介质，直至贴模为止。高度，最后两个溢流缸都向外排介质，直至贴模为止。（4）粘性介质压力成形(VPF)内壁板内壁板（4）粘性介质压力成形(VPF)铝合金件的主要尺寸及试样铝合金件的主要尺寸及试样

12、3.1.5金属塑性成形方法的发展方向 数字化塑性成形技术体系和关键技术 数字化塑性成形技术是一项在塑性成形全过程(塑性成形产品设计、分析和制造过程)中融合数字化技术，且以系统工程为理论基础的技术体系，实现优质、高效、低耗、清洁的生产。数字化塑性成形技术体系和关键技术塑性成形产品数字化产品设计KBE工程反向工程数字化的产品分析数字化建模虚拟现实数字化的产品制造高速切削技术快速原型技术塑性成形技术系统集成技术：基于网络的协同设计环境，PDM,MRPII计算机网络及工程数据库（）设计数字化技术 设计虽然只占产品生命周期成本的设计虽然只占产品生命周期成本的5%15%，但决定了但决定了70%75%以上的

13、产品成本和以上的产品成本和80%左右的左右的产品质量和性能，而且上游的设计失误将以产品质量和性能，而且上游的设计失误将以1 10的比的比例向下游逐级放大，可见设计、尤其是早期概念设计是例向下游逐级放大，可见设计、尤其是早期概念设计是产品开发过程中最为重要的一环。产品开发过程中最为重要的一环。为了提高设计质量，降低成本，缩短产品开发周期，为了提高设计质量，降低成本，缩短产品开发周期，近年来，学术界提出了并行设计、协同设计大批量定制近年来，学术界提出了并行设计、协同设计大批量定制设计等新的设计理论与方法，其核心思想是设计等新的设计理论与方法，其核心思想是:借助专家借助专家知识，采用并行工程方法和产

14、品族的设计思想进行产品知识，采用并行工程方法和产品族的设计思想进行产品设计，以便能够有效地满足客户需求。实施这些设计理设计，以便能够有效地满足客户需求。实施这些设计理论与方法的基础是数字化技术，其中基于知识的工程技论与方法的基础是数字化技术，其中基于知识的工程技术术(KBE)和反求工程技术是两项重要支撑技术。和反求工程技术是两项重要支撑技术。反求工程以实物模型为依据来生成数字化几何模型的以实物模型为依据来生成数字化几何模型的设计方法即为反求工程。反求工程并不是一种设计方法即为反求工程。反求工程并不是一种创造性的设计思路，但是通过对多种方案的筛创造性的设计思路，但是通过对多种方案的筛选和评估，有

15、可能使其设计方案优于现有方案，选和评估，有可能使其设计方案优于现有方案，并且缩短方案的设计时间，提高设计方案的可并且缩短方案的设计时间，提高设计方案的可靠性反求工程是产品数字化的重要手段之一，靠性反求工程是产品数字化的重要手段之一，作为作为21世纪数字化塑性成形技术的重要环节，世纪数字化塑性成形技术的重要环节，反求工程这种思想对于消化吸收国外模具设计反求工程这种思想对于消化吸收国外模具设计的先进技术，提高我国的模具设计水平具有重的先进技术，提高我国的模具设计水平具有重要的意义。要的意义。反求工程的研究重点 (1)数据采集设备和思路。数据采集设备与方法是数据获取的保证，数据采集设备和思路。数据采

16、集设备与方法是数据获取的保证，研制快速、精确和能够测量具有复杂内外形状的新设备是发展方向。研制快速、精确和能够测量具有复杂内外形状的新设备是发展方向。(2)数据前处理。包括对测量所得数据点进行测头半径补偿、数据噪数据前处理。包括对测量所得数据点进行测头半径补偿、数据噪声点的有效滤除以及测量数据的合理分布，此外还包括建立统一的声点的有效滤除以及测量数据的合理分布，此外还包括建立统一的数据格式转化标准，减少数据丢失和失真等。数据格式转化标准，减少数据丢失和失真等。(3)数据优化。测量所得的数据文件通常非常庞大，往往被形象地称数据优化。测量所得的数据文件通常非常庞大，往往被形象地称为数据云或者海量数据需要对测量数据进行优化处理，主要问题有为数据云或者海量数据需要对测量数据进行优化处理，主要问题有:如何合理的分布数据点，在尽量保有各种特征信息的基础上合理简如何合理的分布数据点，在尽量保有各种特征信息的基础上合理简化数据；如何使数据真实反映形面的保凸特性；如何减少人工交互，化数据；如何使数据真实反映形面的保凸特性；如何减少人工交互，提高数据区域划分中的自动化与效果。提高数据区域划分中的自动化与效