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金属材料塑性精确成形工艺及理论王从军联系电话：13808683479Email:walden@263.net3.1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。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(无)切屑加工方法。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，因而生产率很高。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，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。3.1.2金属塑性加工方法的分类（１）体积成形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（２）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较大的，因此，成形后会发生弹性回复或回弹现象。3.1.3金属塑性成形方法的现状纵观20世纪，塑性成形技术取得了长足的进展。主要体现在:(1)塑性成形的基础理论已基本形成，包括位错理论、Tresca、Mises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；(3)计算机辅助技术(CADCAECAM)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；(4)新的成形方法不断出现并得到成功应用，如超塑性成形、爆炸成形等。3.1.4金属塑性成形方法的最新进展（１）微成形（２）内高压成形（３）可变轮廓模具成形（４）粘性介质压力成形(VPF)（１）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100μm。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（3）可变轮廓模具成形可调节型腔（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（3）可变轮廓模具成形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(ViscousPressureForming)是近10年在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，也不是固体，而是一种粘性介质，它适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（4）粘性介质压力成形(VPF)铝合金件的主要尺寸及试样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（１）设计数字化技术设计虽然只占产品生命周期成本的5%～15%，但决定了70%～75%以上的产品成本和80%左右的产品质量和性能，而且上游的设计失误将以1∶10的比例向下游逐级放大，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。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设计等新的设计理论与方法，其核心思想是:借助专家知识，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。实施这些设计理论与方法的基础是数字化技术，其中基于知识的工程技术(KBE)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，提高设计方案的可靠性反求工程是产品数字化的重要手段之一，作为21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的先进技术，提高我国的模具设计水平具有重要的意义。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，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。(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。(4)曲面重构研究。在反算控制点时仍然存在反算标准及精度的问题；对于起伏剧烈的数据点群，使用单块曲面描述会有较大差异；如何解决有关曲面重构算法的有效性、效率以及误差问题曲面在三角离散和层切时的不确定性问题等。基于知识的工程设计(KnowledgeBasedEngineering，KBE)KBE(KnowledgeBasedEngineering，KBE)是面向工程开发，以提高市场竞争力为目标，通过知识的继承、繁衍、集成和管理，建立各领域异构知识系统和多种描述形式知识集成的分布式开放设计环境，并获得创新能力的工程设计方法。KBE的特点(1)KBE是一个知识的处理过程，包含了知识的继承、繁衍、集成和管理，它不仅处理显性知识，更关注Knowhow等隐性知识的显性化，因而是创新设计的重要使能技术。(2)KBE处理多领域知识和多种描述形式的知识，是集成化的大规模知识处理环境。(3)KBE是面向整个设计过程，甚至是产品全生命周期的各异构系统的集成，是一种开放的体系结构。(4)KBE系统涉及多领域、多学科知识范畴是模拟和协助人类专家群体的推理决策活动，往往具有分布、分层、并行的特点。KBE技术在塑性成形领域的意义(1)KBE技术的研究与实施，将有助于提高传统塑性成形技术的创新能力和竞争力，通过有效地组织和管理公共知识库体系，使之成为推动塑性成形技术发展的强大动力。(2)系统地对KBE技术在塑性成形领域进行研究与工程实施，在有效地提升塑性成形开发技术的同时，有利于提高在其它相关领域影响。(3)基于以信息化带动塑性成形技术发展的战略，实施KBE技术，将建立相关企业、研究机构有效整理、继承、运用和形成知识资产的方法。KBE技术在塑性成形领域的意义(4)KBE技术提供了多种获取知识和产生新知识的途径，为相关企业和部门的知识积累和原创新能力的提高提供了有效的技术保证。(5)KBE技术是人工智能技术与其它计算机辅助技术的有效集成，从而使计算机辅助技术充分集成了知识，充分模拟专家解决问题的思路，使复杂工程问题的求解方法更有效。KBE研究的重点(1)基于知识的产品建模:将专家的设计经验和设计过程的有关知识，表示在产品信息模型中，为实现产品设计智能化、自动化提供有力的信息。(2)工程知识的融合和繁衍技术:用数据库管理系统来存储数据、用机器学习的方法来分析数据，挖掘大量数据背后的知识，即KDD(KnowledgeDiscoveringDatabase)。从数据库中发现出来的知识可以应用于信息管理、过程控制、决策支持和工程设计等领域；由于KDD模式选取的好坏将直接影响到所发现知识的好坏，目前大多数的研究都集中在数据挖掘算法和模式的选取上。KBE研究的重点(3)工程知识的表示和推理技术:从追求效果和不追求知识统一表示的目的出发，存在多种知识表示方法，如经验公式、规则、神经网络和事例等。单一的知识表示形式是无法描述复杂的模具设计和塑性加工过程的，KBE摒弃了在传统专家系统中常用的单一产生式表示模式，代之以集成多种模式的知识表示方法，从而最大限度地提高知识利用的质量与知识创新的层次；同时，多种推理方式(如RBR、CBR、MBR)的集成应用将使工程知识能真正应用于模具创新设计的实践。(2)分析数字化技术--数字化模拟金属塑性成形过程的机理非常复杂，传统的模具设计也是基于经验的多反复性过程，从而导致了模具的开发周期长，开发成本高。面对激烈的市场竞争压力，模具行业迫切需要新技术来改造传统的产业，缩短模具的开发时间，从而更有效地支持相关产品的开发。塑性加工过程的数值模拟技术正是在这一背景下产生和发展的。(2)分析数字化技术--数字化模拟金属体积成形过程的数值模拟目前研究的热点主要有应力应变场、温度场和组织结构场的多物理场耦合技术、可以避开三维网格再划分这一瓶颈问题的基于任意的拉格朗日—欧拉描述的有限元法和无网格分析法。(2)分析数字化技术--数字化模拟板料成形过程的数值模拟目前研究的热点侧重于采用更为准确的材料性能模型和单元类型，提高数值模