金属板料冲击变形力学机理与冲击成形关键技术的研究

国家自然科学基金 2011版 申请代码 E050802 受理部门 收件日期 受理编号 国家自然科学基金 申 请 书 (2011版) 资助类别：面上项目 亚类说明： 附注说明： 项目名称：金属板料冲击变形力学机理与冲击成形关键技术的研究 申 请 人：宋爱平 电话： 0514-87978311 依托单位：扬州大学 通讯地址：江苏省扬州市华扬西路196号扬州大学机械学院 邮政编码：225127 单位电话：0514-87971865 电子邮箱：apsong@sina.com 申报日期： 2011年3月3日 国家自然科学基金委员会 基本信息yoqW22ZY 申 请 人 信 息 姓名 性别 男 出生 年月 1965年11月 民族 汉族 学位 博士 职称 副教授 每年工作时间（月） 10 电话 0514-87978311 电子邮箱 apsong@sina.com 传真 0514-87859737 国别或地区 中国 个人通讯地址 江苏省扬州市华扬西路196号扬州大学机械学院 工作单位 扬州大学 /机械工程学院 主要研究领域 塑形成形技术、先进制造技术 依托单位信息 名称 联系人 张俊桂 电子邮箱 jgzhang@yzu.edu.cn 电话 0514-87971865 网站地址 http://www.yzu.edu.cn 合作研究单位信息 单 位 名 称 项 目 基 本 信 息 项目名称 资助类别 面上项目 亚类说明 附注说明 申请代码 E050802:塑性加工工艺、模具与装备 E051002:数字化制造与智能制造 基地类别 研究期限 2012年1月 — 2015年12月 研究属性 应用基础研究 申请经费 61.0000万元 摘 要 (限400字)：较小的冲击动能就会引起板料的局部塑性变形，采用高频、高速的冲击杆有序的作用于金属板料可以实现板料的可控成形。板料冲击变形是一种局部双向拉伸高应变率变形，这种变形形式可以提升板料成形能力；研究金属板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型，分析冲击速度、冲击动能与板料的变形形态及变形量的关系，不仅为板料渐进冲击成形奠定理论基础，也为高韧性板料的冲击成形以及飞行器、车辆等器械的板料防护与破损研究提供一种途径。 近百年来金属曲面板件主要使用模具冲压成形，随着相关学科快速发展与相互融合，将最传统的板料人工锤击成形工艺融合数控技术、计算机图形学与工程力学理论，探索金属板料渐进冲击成形，实现曲面板件的快捷与精确成形。板料渐进冲击成形效率与精度不仅与冲击动能与速度有关，也与板料的渐近冲击成形路径、冲击成形工艺参数也密切相关，对这些关键技术的研究将为板料渐进冲击成形技术的应用打下理论与技术基础。 关 键 词(用分号分开，最多5个) 板料；成形；冲击；高应变率；样条曲线 项目组主要参与者（注: 项目组主要参与者不包括项目申请人） 编号 姓 名 出生年月 性别 职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮箱 项目分工 每年工作时间（月） 1 1949-7-25 男 教授 硕士 扬州大学 0514-87978311 cims@yzu.edu.cn 论证与规划 8 2 1957-3-12 男 教授 博士 扬州大学 0514-87978418 lizengcf@163.com 材料冲击试验系统 10 3 1954-4-27 男 高级工程师 硕士 扬州大学 0514-87978311 chytang@yzu.edu.cn 试验装置的设计与制造 10 4 1976-3-9 男 讲师 硕士 扬州大学 0514-87978418 chenfei@yzu.edu.cn 力学分析与仿真 10 5 1971-9-23 男 工程师 硕士 扬州大学 0514-87978418 jzhli@yzu.edu.cn 板料冲击变形试验 10 6 1987-8-21 男 硕士生 学士 扬州大学 0514-87978377 489646730@qq.com 冲击成形路径规划 10 7 1988-8-23 男 硕士生 学士 扬州大学 0514-87978377 ydhuangjian@sina.com 自动数控编程软件开发 10 8 9 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 8 FORMTEXT 8 4 2          2 说明: 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请人负责填报（含申请人），总人数由各分项自动加和产生。 经费申请表 （金额单位：万元） 科目 申请经费 备注（计算依据与说明） 一.研究经费 52 FORMTEXT 52.0000       1.科研业务费 22 FORMTEXT 22.0000       （1）测试/计算/分析费 8.0000 板料冲击变形试验测试、数值模拟分析计算 （2）能源/动力费 4.0000 FORMTEXT 1 电力、机油等消耗 （3）会议费/差旅费 4.0000 会务费、调研费 （4）出版物/文献/信息传播费 4.0000 论文版面费、文献、纸张、打印费 （5）其他 2.0000 资料费 等 2.实验材料费 13 FORMTEXT 13.0000       （1）原材料/试剂/药品购置费 8.0000 试验用材料与材料预加工费 （2）其他 5.0000 试验用各种易损传感器、电器耗材、冲击构件费用 3.仪器设备费 10 FORMTEXT 10.0000       （1）购置 4.0000 试验专用测试仪器的购置 （2）试制 6.0000 试验装置部分工装的加工 4.实验室改装费 4.0000 实验室环境与试验条件的改善 5.协作费 3.0000 个别测试仪器的外协与使用费 二.国际合作与交流费 3 FORMTEXT 3.0000       1.项目组成员出国合作交流 3.0000 出国参加国际学术交流费用 2.境外专家来华合作交流             三.劳务费 3.0000 研究生劳务补助 四.管理费 3.0000 科研项目管理费 合 计 61 FORMTEXT 61.0000       与本项目相关的 其他经费来源 国家其他计划资助经费       其他经费资助（含部门匹配） 22.0000 其他经费来源合计 22 FORMTEXT 22.0000 申请者在撰写报告正文时，请遵照以下要求： 1、    请先选定"项目基本信息"中的"资助类别"，再填写报告正文； 2、    在撰写过程中，不得删除系统已生成的撰写提纲（如误删可点击“查看报告正文撰写提纲”按钮，通过"复制/粘贴"恢复）； 3、    请将每部分内容填写在提纲下留出的空白区域处； 4、    本要求将作为申请书正文撰写是否规范的评判依据，请遵照要求填写。 报告正文 面上项目申请书撰写提纲 （一）立项依据与研究内容（4000-8000字）： 1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录） 曲面板料成形件具有薄壳的结构特点,并且重量轻、材料省、受力状态好、几何造型流畅。随着现代工业的飞速发展，曲面板料成形件的需求量越来越大。特别是在航空航天、轮船舰艇、车辆、风力发电装置等行业，曲面板料成形件占有举足轻重的地位。目前曲面板件传统的成形方法主要是使用模具冲压成形[1]；而模具的设计制造周期比较长，需要长时间的反复试模，且模具材料和加工成本都比较高，因此传统的模具冲压成形方法很难满足此类要求[2]。 特别对于中小批量的曲面板件，如采用传统的整体模具冲压成形，更显得其制造成本高、周期长；一些复杂形状板件，在使用整体模具冲压成形过程中，常常发生板料的起皱或破裂等现象，这样也限制了板料的冲压成形能力；另外，对于一些难以加工的材料，采用传统的冲压工艺不易成形。因此，需要探索新型的板料成形方式，以提升板料的成形效率与成形质量，拓展板料成形能力。 国内外许多学者一直致力于板料塑性成形新技术的研究，努力实现金属板料快速高效的柔性冲压和无模成形，以适应现代制造业产品快速更新的市场竞争需要[3]。板料柔性成形技术和可重构模具技术得到广泛的重视与发展，这为板料塑性成形新技术的研究与应用提供了新的空间。近年来出现了多种板料柔性加工方式，以适应这种多变的市场需求。 1.1典型的板料柔性加工方式 现有的板料柔性成形和无模成形技术主要有旋压成形、电磁力成形、激光热效应成形、激光冲击成形、多点成形法、喷丸成形法、高压水喷射成形法、无模液压胀形法、压杆式数控渐进成形法等技术。 （1）压杆式数控渐进成形技术 20世纪90年代初，日本学者松原茂夫提出了一种新型的金属板料成形工艺——金属板料渐进成形技术，为板料的柔性成形开辟了一条新路。板料渐进成形工艺的思路是将复杂的三维形状分解成一系列等高线层，并以工具头沿等高线运动的方式，在二维层面上进行塑性加工，实现了金属板料的数字化制造[4]。 板料数控渐进成形的加工过程如图1所示。板料成形时，首先将被加工板料置于一个通用芯模上，在托板四周用压板夹紧板料，该托板可沿导柱上下滑动。然后将该装置固定在三轴联动的数控成形机上，成形工具头走到指定位置，分层渐进下压板料，使板料成形[4~5]。数控渐进成形技术的特点： （a）是一种无模成形技术，用工具压头迫使板料成形； （b）只需变更程序就可改变板料成形形状； （c）少批量生产可以降低模具费用； （d）三轴CNC控制操作性好； （e）低噪音、高安全性； （f）成形板件的尺寸精度很难控制，加工效率有待提升； （g）在成形不规则曲面板件时，需要定制专用的支撑模型。 （2）激光冲击成形 激光冲击成形是利用激光诱导的冲击波压力作为板料塑性成形的变形力，从而实现金属板料的塑性变形。图2为实验装置示意图，在激光作用下，能量吸收层的快速气化对板料产生冲击力，迫使板料产生塑性变形[6]。金属板料激光冲击技术是一种无模成形技术[7]。其主要特点是： （a）加工柔性大，既可成形单曲率外形板料，又可成形双曲率外形板料； （b）可对难加工的板料进行成形； （c）无需模具，加工柔性高，成形后材料性能好； （d）在较大面积板料成形时，由于冲击力的大小以及力的作用方向很难控制，因此板料成形精度很难预先控制； （e）由于一次激光冲击板料变形量很小，板料需要多次成形，每次成形需要重新涂覆能量吸收层，板料变形后，透明的约束层目前很难实施。 （3）无模多点成形技术 20世纪70年代，日本造船界开始研究多点成形压力机，并成功应用于船体外板的曲面成形。此后许多学者为开发多点成形技术进行了大量的探讨与研究，制作了不同的样机。在国内吉林工业大学李明哲等人对无模多点成形技术进行了较为系统的研究，已自主设计并制造了具有国际领先水平的无模多点成形设备[2]。 其基本原理是利用一系列规则排列的、高度可调的基本体，通过对各个基本体的控制，构造出所需形状的成形面，取代传统的模具来实现板料三维的快速无模成形[2]。其原理见图3与图4。根据基本体群之间在成形过程中有无相对运动，又可分为多点模具成形法和多点压机成形法。 (a)多点模具成形。在成形前, 通过计算机控制调节各基本体的高度形成所需的成形曲面。上下基本体群在板料成形过程中分别成为一体, 相邻基本体之间无相对移动, 其与传统模具成形相似。图3所示为多点模具成形过程。 (b)多点压机成形。这种方法充分地利用了多点成形方法的柔性特点, 在板料成形过程中分别控制各基本体的位移,可以给予板料任意的变形路径。成形过程中全部基本体始终和板料保持接触,对板料保持最大程度的约束[8]。图4所示为多点压机成形过程。 与传统的模具成形技术相比，多点成形技术有其自身特点： （a）实现模具的快速重构。通过对基本体的调节来构造出各种不同的成形曲面，可以取代传统的整体模具； （b）优化成形路径。通过调整基本体实时控制变形曲面，改变板料的变形路径和受力状态。也可采用反复成形新技术，保证工件的成形精度。 特别是多点压机成形技术有其明显的优点，成形过程中全部基本体始终和板料保持接触,对板料保持最大程度的约束，有效地抑制起皱，提高板料变形能力。但是多点压机成形技术是对众多基本体进行实时调整控制，且基本体调整的驱动力大，目前在技术上难以实施。 （4）多点压板成形方式 借鉴多点压机成形技术的优点，又要降低技术上的实施难度，扬州大学宋爱平提出了“多点压板成形技术”。多点压板成形方式就是在板料成形过程中对板面施加弹性压板力，提高板料的失稳临界应力，从而减少板料的受压屈曲与起皱，提高板料变形能力[9]。 多点压板成形过程如图5所示。每个柔性杆伸出长度可以预先调整，柔性杆内部有压簧，每个柔性杆设置有确定的退缩量。板料在成形过程中，板料的上、下面一直受柔性杆冲压头的约束，冲压头对板面施加板面弹性压板力。在若干离散的单元柔性杆作用下，板料经过“放料”“压边”“压板”“压板与成形”“定型”五个过程[9]。 A. 放料 B.压边 C.压板 D. 压板与成形 E.定型 1、柔性杆 2、板料 3、压边杆 4、变形冲压头 图5 多点压板成形工艺 多点压板成形模具由若干个柔性杆构成，在板料冲压成形加工时，“压板”与“成形”同时进行，实现“多点压板”与“多点成形”冲压工艺，这种过程可以有效地减少板料在成形过程中的受压屈曲与起皱，提升板料的冲压成形能力。柔性杆的冲压头可以是的球面，也可以是定制形体，不同形状的冲压头使用快速原型系统快速定制[10]。 不管是无模多点成形技术，还是多点压板成形技术，都是一种可重构模具，模具的重构与调整需要一定的时间与成本；另外，板料是由有限个压点冲压成形的，由于压点的有限性与模具体的尺寸限制，成形的板件尺寸与精度也有一定的局限性。 为了探索一种更高柔性、更高效率的板料成形技术，更好地提升板料的成形能力，仍需要研究新型的板料成形方式，板料渐进冲击成形方式就是为了实现这个目的而提出。 1.2板料渐进冲击成形技术的构思 以上分析了几种国内外板料柔性成形及可重构模具技术的特点，特别是板料柔性成形技术由于其在理念上的创新性和其诱人的应用前景，已成为当前的研究热点[11-13]。上述的各种板料成形方法各有其特点，为了更好的满足板料的快速与柔性成形，本课题首次提出一种新型的板料柔性成形技术​​——板料渐进冲击成形，以探索一种高效率、低成本、高柔性的板料塑性成形技术。即使用刚性冲击头对板料实施快速、有序的冲击，将冲击动能转化为板料的变形能，实现板料的可控变形。 渐进成形的思路是将复杂的三维形状分解成一系列二维层，并在二维层上进行塑性加工，实现设计与制造一体化的柔性快速制造[3]。板料渐进冲击成形的基本原理如图6所示，将被加工板料四周用压板夹紧，板料下面放置可压缩弹性物体，板料安装平台实现平移运动（数控X、Y轴运动）。加工时，将冲击器固定在多轴联动数控设备的Z向移动平台上，根据工件几何形状信息，通过数控程序控制冲击杆以走等高线的方式（或等变形梯度方式）运动，冲击杆高速冲击板料，使板料逐步变形为所需形状。 初步设想是利用高频冲击气缸驱动冲击杆产生高频、高速运动，冲击板料，使冲击动能转化为板料变形能，其产生的瞬间冲击应力远大于材料的动态屈服强度，从而使板料产生塑性变形。通过调节气缸的压力与气体流量就可以改变冲击杆的冲击速度和冲击动能，控制板料的变形量，适应不同厚度与不同力学性能的板料。 高速冲击杆迫使板料产生局部快速变形，冲击接触区域变形明显，而在接触区域周围变形量很小，冲击速度越快板料变形的局部性越明显，这样就可以有效的保证板料的成形精度；另外，板料的冲击变形是一种局部高应变率的双向拉伸板料变形，高应变率拉伸变形不仅可以提升板料的成形能力，同时可以确保板料不发生起皱现象，这样既有利于成形复杂形状的板件，也有益于加工一些难以成形的材料。 板料冲击成形方法是一种渐进成形方式，板料每次冲击变形量大约在0.1～5mm之间，大变形曲面板件需要实施多遍的冲击成形，板料渐进成形可以提升板料的成形能力。初步的研究与试验表明：板料数控渐进冲击成形具有成形速度快，灵活性好，适应性强，并且不需要定制专用的器具，就可以直接成形复杂的曲面板件。 1.3 板料渐进冲击成形方式的思路与特点 板料渐进冲击成形的思想主要来源于“针式打印机”的原理，其也是对“多点成形技术” 与“压杆式数控渐进成形技术”的拓展。 渐进冲击成形的思想来源于针式打印机的原理。回顾上千年印刷技术发展史，主要有四个阶段：一是手工抄写法，二是雕版印刷法，三是活字印刷法，四是目前的针式打印（点阵式打印）技术。如果将板料曲面成形技术的发展过程与其类比，其主要有三个阶段：一是板料手工锤击成形，二是整体模具冲压成形，三是可重构模具技术，这三个发展过程与印刷技术发展过程的前三个阶段从形式上有明显的相似之处。针式打印的思想是通过若干点构建二维图形与符号；而数控渐近冲击成形的思想是通过高频冲击成形，每秒可以冲击上百次，若干个密集的冲击变形点构成板料三维成形面。现在将针式打印技术的思想移植到板料曲面成形技术方面，将是对板料塑性成形技术的重大推进。 渐进冲击成形也是对多点成形技术的拓展。多点成形中压杆对板料的压点数是有限的，压点位置也是受限制的，压点之间有一定尺寸的间距，非压点处的板料成形位置不够精确，特别对于薄板成形误差更明显；另外，该模具必须先根据板件形状重新构造后，再实施板料冲压成形，板料冲压成形的灵活性不强。在数控渐进冲击成形中，冲击杆的冲击位置由计算机控制，冲击点变形区域是重叠的，对板料的冲击成形点可以认为是无限的，对于不同形状的板件冲击成形，只要改变数控程序，就可以实现不同曲面板件的冲击成形加工。渐进冲击成形是使用较小的冲击动能实现板料的局部塑性变形，这样就不需要配置大型的、高耗能的压力设备，同时成形板件的尺寸与形状可以快速变换，使其具有更好的加工柔性与快捷性。 渐进冲击成形也是对压杆式数控渐进成形技术的拓展。压杆式数控渐进成形是通过压杆的压力迫使板料变形，这样成形力较大，也难以实现较厚板料的成形；另外其压杆与板料始终接触，压杆进给时会有进给阻力，该进给阻力可能会引起板料的扭曲，影响成形精度与成形效率。渐进冲击成形就是将压杆式数控渐进成形的刚性压杆换为冲击杆，冲击杆对板料实施高频、高速的冲击成形，冲击动能可以调节，这样既可以实现对薄板与中等厚度板料的成形，也不会产生进给阻力；另外高应变率的板料局部变形不会产生板料起皱，板料的成形能力也得到相应提升。 数控渐进冲击成形方式是一种曲面板件的无模成形技术，板料冲击成形时不需要定制或支撑机构，使用三维造型系统得到板件的三维模型，分析三维模型数据就可以自动生成数控程序，控制冲击杆与板料安装平台的运动，实现真正的板料的无模成形。数控渐进冲击成形技术具有明显的创新性，其具有成形速度快，柔性好，板料成形质量高等特点。当然要实施板料渐进冲击成形技术首先要研究板料冲击变形的力学机理，分析冲击速度、冲击能与板料的变形形态及变形量的关系；同时要结合冲击变形的特点，优化板料的渐进成形路径。 1.4板料渐进冲击成形对提升板料的成形能力的作用 由于板料数控渐进冲击成形具有其独特性，其是通过冲击动能引起板料的局部高应变率变形，因此，高应变率下的板料变形特征需要进一步研究，同时板料冲击变形形态与冲头形状、冲击速度、冲击动能有密切的关系，其也需要深入探索；另外，板料的渐进冲击成形过程、成形路径与板料的成形能力与成形精度也有密切的关系。 (1)板料的高应变率变形 目前人们对板料冲击变形的研究不多，相关的研究主要集中于板料的冲击破裂与金属材料高应变率压缩变形方面。文献[14][15]分析了冲击荷载作用下金属方板的变形与起裂，提出荷载作用面积和边界条件对方板的起裂冲量有影响；单向支承方板与固支方板相比，由于产生了面内位移, 抗裂能力提高，抗起裂冲量明显提高。文献[16][17]分析了高速冲击下材料的增塑效应、变形形态及性能，提出金属在高速冲击下的塑性变形形态分为二种，即热塑性失稳和均匀塑性变形，并认为在高速冲击下材料中的均匀塑性变形在一定的条件下对提高其动态性能是有利的。文献[18-20]对铁、铝金属块进行高速压缩变形实验，提出：随着应变率的增大，应变硬化率降低，而且应变值较大时会出现应变软化现象，接近于理想弹塑性模型；与准静态条件下的应力应变曲线比较，高应变率条件下的动态应力应变曲线的初始段斜率增大，并提前进入塑性变形阶段，随着应变率的增加，屈服应力及整条曲线趋于上升。文献[21][22]提出在高速拉伸状态下，可以提升钢板的延展性，有效地减少板料的开裂。文献[23]提出，TA2钛板具有明显的各向异性和双向强化效应，其双向比例极限和屈服强度比其单向比例极限和屈服强度高40％。文献[24][25]提出高应变率压缩可以提升金属板料的延展能力。文献[7][26]分析了板料在激光冲击下的受力变形，推导出板料激光冲击变形量与冲击能、冲击方向的关系。文献[27]指出了惯性是影响高速率成形性的主要因素，它有助于分散变形，抑制变形集中化，抑制缩颈集中化；应变速率的增加可能引起材料本构关系的改变，从而增加材料成形性。 虽然目前对金属板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型没有明确的研究结果，但是根据以上文献可以初步的推论：对于绝大多数金属材质板料，高应变率的变形可以提升板料的成形能力，同时板料局部高应变率变形不会产生起皱现象，特别对于一些难以成形的材料也可以实施高速冲击成形。 （2）板料渐进成形与渐变曲面几何描述方法 板料的渐进变形也可以提升板料的成形能力[5]。为了描述板料变形过程中的曲面形状，也为了规划板料渐进成形路径，结合冲击变形的特点，需要研究一种新型的曲面几何描述方式，要能将曲面描述特征点与板料渐进成形路径的控制点融合，这样便于分析曲面数据，有利于优化板料渐进成形路径，简化数控程序的编制过程。文献[28]应用离散傅里叶变换描述能够体现板材多点成形时各基本体之间的相互耦合关系,提高了多点成形工件的精度。文献[29]提出针对复杂曲面物体在虚拟环境中的再现问题，依据复杂曲面上提取的已知数据点，快速反算曲面的控制顶点；由控制顶点、节点矢量确定B样条曲面。文献[30]提出用若干双三次Bezier小曲面片拼接来拟合大曲面，在解决曲面片反算问题的基础上，提出曲面片的一种光滑拼接方案，该方法用于头骨修补钛曲面板的分析。文献[31]基于给定权构造的重心有理插值来计算导数的近似值, 再通过两族参数作为形状调节参数来构造3/1型有理插值样条，使得插值函数保单调、保凸。 根据板料渐进冲击变形的特点，板料变形过程曲面几何描述方式必须具有灵活的曲面构造能力，具备良好的局部可控性，并能将局部描述小曲面光顺的拼接为整体描述曲面，也可以将整体描述曲面分解为若干个小曲面描述，并能将曲面描述特征点与板料渐进成形路径的控制点融合。现有文献中提出的曲面描述方法还不能完全满足这些需求，仍需要探索一种新型的曲面板料的几何表达方法。 本课题首次提出板料渐进冲击成形方式，具有明显的创新性，将冲击动能转化为板料变形能，采用较小的驱动能就可以使金属板料实现渐进成形，其具有板料成形速度快、可控性强、灵活性好、板料成形能力强等特点。本课题对高速冲击变形时板料的应力应变本构模型以及板料冲击变形状态的研究，不仅将对板料冲击成形技术的开发与应用奠定理论基础，而且该研究结果对车辆、船舶、飞机、卫星等器械的板料防护安全与板料破损的研究也具有一定的参考作用，同时对提升板料成形能力、改善材料力学性能也有一定的帮助。 本课题依托板料塑性成形理论、冲击动力学、冲压技术、CAD/CAM技术与数控技术，探索曲面板件的敏捷加工方法，其对多品种、小批量曲面板件的快速加工更具有明显优势，对一些复杂板件与难加工材料的成形具有明显的作用。目前，国内正在进行大飞机、高速轨道机车、新型的航天航空飞行器等高科技项目的研究，这些高科技项目都涉及到曲面板件的快速成形加工。本课题的研究内容为曲面板件的快速成形加工提出了一种新思路，同时也将为汽车覆盖件、军工产品的板件、飞行器的蒙皮、风力发电机组的外罩等各种板件的快速加工提供一种新型的加工方法。 参考文献： [1]李硕本 编著.冲压工艺理论与新技术[M]，机械工业出版社，2002年10月 [2]李明哲,蔡中义,崔相吉. 多点成形——金属板材柔性成形的新技术[J].金属成形工艺,2002 , Vo1.20 (6):5-9 [3]宋爱平,易红,汤文成,倪中华.杆系柔性成形模具及其板成形加工关键技术[J].中国机械工程 ,2005,Vol.16(21) [4]莫健华,陈正迪 等. 金属板料数控渐进成形技术[J]. 航空制造技术,2002(12):25-27 [5]李珑果,高霖,韦红余.金属板料渐进成形有限元仿真过程中复杂成形路径的构建方法[J].机械工程学报,Vol.42(6),2006，227-230 [6]周建忠,张永康,周明 等.单次激光冲击下板料变形的理论分析[J].中国激光，Vol.32(1)，2005，135-138 [7]殷苏民,张雷洪,杨兴华 等.板料激光斜冲击下受力变形数学分析[J].农业机械学报，Vol.37(12), 2006,185-188 [8]裴永生，彭加耕，李明哲.多点成形过程中基本体群调形技术[J].机械工程学报，Vol.44 (1)，2008，150-154 [9]宋爱平，王隆太，李吉中 等，板面弹性压板力对提升板料失稳临界应力的作用及其应用[J].中国工程科学，2009，Vol.11(2)，53-59 [10]宋爱平,王隆太,李鹭扬,多点压板成形技术及其板料冲压成形工艺[J].塑性工程学报, 2008，vol.15(5)， 108-114 [11]K. 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冲击速度、冲击能的变化会改变板料的变形状态。初步的分析表明：冲击速度越高，板料的变形局部性越明显，冲击力对冲击接触区域外围的板料变形影响越小。已有的实际经验表明：自由飞行的高速弹丸撞击金属板料时，只在板料上留下与弹丸直径相当的孔，孔周围的板料变形量很小；而使用同等动能大弹丸低速撞击金属板料时，会在板料撞击接触处产生较大的变形量，同时其撞击接触处周围也会产生明显的变形。同理，采用较小直径的冲击杆高速撞击板料，同时控制冲击杆的行程，这样只会在板料撞击接触处产生一定的变形量，冲击接触区域外围的板料变形量很小。这种冲击变形状态正是板料冲击成形所需要的变形形式，板料冲击成形时，板料的变形越是局部化，越能够精确的控制板料的变形量，从而实现板料的精确成形。 为了实现板料冲击变形的局部化，精确的控制板料的变形，就要研究在不同冲击速度与冲击动能状态下的板料变形形态。这样就可以根据不同的材料力学性能与板料厚度选择合适的冲击速度与冲击动能，实现板料的精确成形。 （3）冲击动能与板料冲击变形量的关系 为了实现板料的精确成形，不仅要考虑板料冲击变形的形态，更要精确的分析冲击变形量。冲击动能越大，板料的变形量越大，这是很明了的原理。但是板料的变形量与冲击动能的关系是如何量化表达正是本课题的研究关键点。课题将通过理论分析建立板料的变形量与冲击速度、冲击能的关系模型，并通过有限元模拟分析与实际试验结果对其加以验证。这种关系模型对板料冲击成形技术的开发具有明确的指导价值，也为其它板料的撞击变形分析提供一种分析方法。 （4）板料渐进冲击成形路径的规划与新型的曲面板料的几何表达方法 板料冲击成形是一种渐进成形过程，曲面板件是由板料多次变形而成，这样需要的冲击力与冲击能就不是很大，同时多次冲击成形也可以提升板料的成形能力，减少板料在成形过程中的起皱与破裂。当然针对不同形状的板件其渐进冲击成形的路径有所不同，其中要考虑成形精度的控制、加工效率与板料的变形能力。规划渐进成形路径的目的是使板料受力均衡，变形均匀，成形质量好，加工效率高。 曲面板件是由板料多次冲击变形而成，为了描述板料在渐变过程中的中间曲面板料的几何形状，分析板料局部冲击变形与整体变形的关系，优化渐进成形路径，也为了给数控自动编程系统提供板料形体数据，必须建立一种灵活、高效的三维曲面几何描述方式。根据板料渐进冲击变形的特点，该三维曲面几何描述方式必须具有灵活的曲面构造能力，具备良好的局部可控性，能将局部描述小曲面光顺地拼接为整体描述曲面，并能将曲面描述特征点与板料渐进成形路径的控制点融合。结合现有文献与板料渐进冲击成形的特点，拟建立一种新型的三次过点B样条曲线，描述板料成形曲面。 （5）板料渐进冲压成形的试验性研究 关于板料冲击成形的文献很少，可以借鉴的理论知识与试验数据不多，正是如此，板料冲击成形的试验研究就显得极其重要，通过试验可以感知板料冲击变形的基本特征，获得一些有效的数据，再将试验结果与理论分析相结合，方可以得到板料冲击变形的基本规律。 （a）渐进冲击成形试验装置的构建 渐进冲击成形试验装置的研制主要考虑三个问题：①冲击成形试验装置的整体构架；②冲击器结构与冲击能的施加方式；③板料背面可压缩弹性材料及其布置形式。 冲击成形试验装置必须包括板料安装工作平台、冲击器及其固定机构、冲击动能发生装置、多轴联动的数控平台及其控制系统。 冲击器结构与冲击能的施加方式，可以使用气缸式驱动方式，也可以使用线圈磁力驱动方式或机械往复运动机构方式；鉴于目前的技术条件，为了保证冲击杆的高频、高速运动，暂考虑气缸式驱动方式。将高频运动气缸与数字高频率采样传感器结合构建冲击成形试验装置。 板料冲击成形时，为了减少板料的冲击振动、提高板料成形精度，板料背面需要放置可压缩弹性材料，可压缩弹性材料可以是泡沫塑料板或充气橡胶小球体等，该弹性体的材料力学特性对板料的变形状态与变形量有一定的影响，这需要在理论分析的基础上根据实际试验结果确定板料背面可压缩弹性材料与布置形式。 （b）测试 冲击速度、冲击能与板料变形的关系 试验主要是通过设定不同的冲击速度、冲击能，实施金属板料单次冲击变形，测量板料变形量与变形形态。通过试验分析单次冲击时冲击速度、冲击能与板料变形的关系，分析材料的应力应变特征与材料的应力应变本构模型，建立板料冲击变形量计算式。 （c）板料冲击成形的试验 通过板料冲击成形试验，将计算机三维造型技术、数控编程技术与冲击成形技术融合，对板料实施不同的冲击变形路径与不同的冲击成形工艺参数（如：冲击杆直径的选择、进给速度、分层数、冲击频率等），根据试验结果优化各种工艺参数，规划板料渐进冲击变形的变形路径。 项目的研究目标：本课题的研究目的是探索金属板料的冲击变形力学机理，研究金属板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型，分析高速冲击下的板料变形形态，确定冲击动能与板料冲击变形量的关系，优化板料渐进成形路径，构建板料渐进冲击成形试验平台，实施板料渐进冲击成形试验，提升板料的成形能力，探索高韧性板料的冲击成形方法，为板料渐进冲击成形技术的开发与应用奠定理论基础，开发一种新型的、高效的板料柔性成形方法，也为高韧性板料的精确成形提供一种途径。课题的研究结果也为军工产品、车辆、船舶、飞行器等装备的板料防护与破损研究提供一种分析方法。 拟解决的关键科学问题： (1) 板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型 板料高速冲击变形是一种高应变率变形，变形区域板料通常受双向拉伸作用，在这种状态下材料的应力应变关系与低应变率下的应力应变关系会有所不同，金属材料的变形主要体现为材料晶格的滑移，由于材料晶格的滑移也是有时间域的，这样会产生材料变形的迟滞性，这种迟滞性会改变材料的本构模型；不同的应变率会影响材料的本构模型。课题重点是探索板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型，分析在高应变率下的板料冲击变形特征与变形能力。 (2) 高速冲击下的板料变形形态 初步的分析表明：冲击速度越高，板料的变形越是局部化，冲击力对冲击接触区域外围的板料变形影响越小；另外，高应变率变形可以提升板料的成形能力，高速变形时材料惯性的影响将会增大，材料受力变形更加均衡，不易产生缩颈，材料的变形能力会有所提升。不同的冲击速度与冲击动能可以产生不同的板料变形形态。 研究冲击作用下板料的变形形态、受力状态及冲击变形量，将为渐进冲击成形技术的研发打下理论基础。特别是在高速冲击作用下，研究板料的变形特性，为进一步提升板料的成形能力提供一种有效的途径，同时也为部分难加工材料的高速冲击成形提供一种成形方法。 (3) 基于空间离散点的渐变曲面表达方式 根据板料渐进冲击变形的特点，渐进冲击成形是局部冲击变形与整体冲击变形相结合， 该板料的三维曲面几何描述方式必须具有灵活的曲面造型能力，具备良好的局部可控性。板料是渐进冲击成形的，板料中间冲击成形面与最终的成形面之间也存在一种几何关系，为了便于分析中间渐变成形面与最终的成形面的关系，以及局部冲击小曲面与中间成形面的关系，必须寻找一种相应的曲面几何表达方式。 课题拟将冲击成形渐变曲面离散为若干个空间关联点，基于双三次过点B样条曲面表达方式连接关联点，通过控制各个空间点的位置变化，来规划板料的渐进冲击成形路径，并能将曲面描述特征点与板料渐进成形路径的控制点融合，同时实现局部冲击曲面与整体曲面的光滑拼接，实现对不断变化曲面的实时描述。 3. 拟采取的研究方案及可行性分析 板料渐进冲击成形技术具有明显的创新性，其是将冲击动能转化为板料变形能，通过分层渐进冲击变形形成板料成形大曲面，其具有板料成形速度快、可控性强、板料成形质量好等特点。 图7 板料渐进冲击成形力学机理及其关键技术研究的技术路线 板料渐进冲击成形力学机理及其关键技术研究的技术路线如图7所示。本课题的研究思路是首先研究板料在双向拉伸高应变率下的应力应变本构模型，同时分析冲击速度、冲击能与板料变形量的关系，在此基础上，分析冲击时的板料受力状态与板料变形特征，规划板料渐进冲击成形路径，研制渐进冲击成形试验装置，并实施试验性研究，测试并分析冲击速度、冲击能与板料变形的关系，测试并分析不同的冲击成形路径对板料成形能力与成形效率与精度的关系。 课题重点是围绕板料渐进冲击成形力学机理进行研究，探索金属板料冲击变形的受力与变形状态。研究方法是理论分析与试验研究相结合，同时结合数字模拟技术与有限元分析方法，揭示板料冲击变形的力学机理与板料渐进冲击成形的规律。 （1）冲击荷载作用下金属板料应力应变本构模型研究方法 金属板料在高应变率作用下，一方面由于材料晶格的滑移是有时间域的，这样带来材料变形的迟滞性，这种迟滞性对于绝大多数材料会提升其屈服应力；同时由于高速变形时材料惯性的影响增大，板料受力更加均衡，不易产生缩颈，材料的变形能力会有所提升。当然这种分析结果需要通过试验与深入的理论分析加以验证。 课题拟以Johnson-Cook本构模型为基础，在理论分析的基础上进行试验研究。在Johnson-Cook本构模型的基础上，考虑到板料冲击变形是双向拉伸变形，绝大多数金属板料具有双向拉伸强化效应，初步的本构模型为： --待定参数，由实验确定； --流动应力； --等效塑性应变； --无量纲的相对等效塑性应变率（考虑到双向应变率的比值）； --无量纲的双向应变比， --是与材料相关的双向拉伸强化效应系数。 这种本构模型不仅可以反映单向高应变率拉伸时的板料应力应变关系，同时可以反映板料双向高应变率拉伸时的材料应力应变关系。该本构模型只是初步设想，要得到理想的板料应力应变本构模型还需要进行深入的理论分析与广泛的试验性研究。 试验板料拟使用常见的冲压板料奥氏体不锈钢板（0Cr18Ni9）、冷轧钢板（ST14）为实验对象，分析板料双向高应变率拉伸时的材料应力应变关系。已有的文献对奥氏体不锈钢与冷轧钢材的双向高应变率拉伸的研究很少，但是这两类板材是工程中常用冲压件，在汽车覆盖件、飞行器的蒙皮、风力发电机组的外罩等有广泛的应用。在对不锈钢板、冷轧钢板冲击成形分析的基础上再进行钛合金板的冲击成形试验，探索难成形材料的冲击成形方法。 拟构建的板料冲击变形应力应变测试装置如图8所示，高压气缸驱动冲击杆对板料实施冲击，使板料产生变形。改变气缸气源压力与冲击行程可以调节冲击杆的冲击速度与冲击动能，使板料应变率发生变化，冲击速度在30~200m/s 的亚弹速范围；改变冲击杆杆端直径（大约在Φ6~Φ20）与杆端球面半径可以调节冲击杆球面与板面的接触面积，使板料受力状态产生变化。 在冲击过程中设置于冲击杆内部的高频压力传感器（扩散硅型）测量压力，同时位置与速度传感器获取冲击头的冲击速度与位置，板料下方的应变片在板料变形时测量板料动态应变值。各种传感器信号经过处理实现数字化采集，可以获得板料在不同应变率下双向拉伸的应力应变本构模型。分析这些数据也可以获得不同冲击速度、冲击能作用下，板料的变形量与变形状态，同时分析板料变形区域的动力学特性。 （2）板料冲击变形形态与冲击变形量的分析方法 初步的分析表明：冲击速度越高，板料的变形越是局部化，冲击力对冲击接触区域外围的板料变形影响越小。这种冲击变形状态正是板料冲击成形所需要的变形形式，板料的变形越是局部化，越能够精确地控制板料的变形量，从而实现板料的精确成形。如图9(a)所示，冲击速度不足时，杆头接触区域外围板料会产生少量拉深变形；如图9(b)所示，冲击速度足够高时，杆头接触区域大，冲击变形以胀形为主。冲击速度越高，板料的变形形状越接近杆头形状，高速冲击时的板料局部变形特征更近似于板料的胀形特征。 可以根据能量法理论分析板料冲击变形形态与变形量，同时结合板料的冲击试验结果分析冲击区域的板料受力状态与变形形态及变形量。 另外可以利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟分析冲击荷载作用下金属板料的变形过程，分析板料的动力响应过程与最终变形量。同时通过冲击测试装置，测量板料的变形量与应变值，结合能量法理论分析方法，确定冲击速度、冲击能、弹性支承参数与板料变形的关系。 （3）板料渐进成形路径规划与渐变曲面几何描述方法 结合冲击变形的特点拟采用等高几何分层或等变形梯度几何分层方式规划中间成形面。冲击成形路径最简单的设计是等高分层路径，也可以采用等变形梯度分层路径，其各有特点。如图10(a)所示，等高分层几何路径，易于设计与编程，可以直接借用现有的数控编程系统设计加工程序，但是板料变形精度不易控制，为了保证板料成形精度需要将冲击过程分为粗冲击成形与精冲击成形两个过程。如图10(b)所示的等变形梯度分层几何路径，板料整体成形过程逐渐接近最终成型面，板料成形精度易于控制，但数控自动编程系统需要自行研发。 (a)等高分层 (b)等变形梯度分层 图10 板