鈑金成形工藝的設(shè)計(jì)涉及很多因素，如模具尺寸、毛坯形狀、板料厚度、壓邊力、拉延筋抗力、摩擦、潤(rùn)滑等等。毛坯形狀的確定是鈑金成形工藝設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。如果毛坯形狀合理，變形沿毛坯分布不均勻的現(xiàn)象就能夠得到明顯改善，成形極限也可有所提高，并能降低突耳高度，減少切邊余量，節(jié)約材料，而且能減少甚至能免去后續(xù)的修邊工藝，大大降低了生產(chǎn)成本；另一方面，合理的毛坯外形能改善成形過程中材料的應(yīng)變分布，減少缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

        在生產(chǎn)實(shí)際中，有各種復(fù)雜形狀的直、斜壁拉深件和復(fù)雜形狀的覆蓋件。當(dāng)用沖壓方法制造這類零件時(shí)，為確保制件質(zhì)量和降低原材料消耗，使用合理尺寸和形狀的板料毛坯十分必要。確定合理的毛坯形狀并不容易，它是國(guó)內(nèi)外學(xué)者長(zhǎng)期努力探索研究的課題。盡管有很多學(xué)者一直在這方面進(jìn)行探索，但因鈑金成形是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，影響成形的因素太多，因而至今未能得到滿意的結(jié)果。

       目前已經(jīng)提出了很多確定合理毛坯的方法。其中包括經(jīng)驗(yàn)法、幾何映射法、滑移線法、反向法、理想成形法、電模擬法、有限元法[1~6]。這些方法都是針對(duì)某一類鈑金件在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上提出的。各有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。本文提出了一種物理模擬確定鈑金成形件毛坯形狀的新方法，定義為物理逆向法。

    1、物理逆向法的理論基礎(chǔ)

    物理逆向法是利用具有形狀可恢復(fù)性的高分子聚合物進(jìn)行模擬試驗(yàn)。使用實(shí)際的成形模具，由模擬材料制備出零件，然后對(duì)其進(jìn)行修邊，利用材料的形狀可恢復(fù)特性對(duì)修邊后的成形件進(jìn)行高溫退火展開，得到一個(gè)平面高分子聚合物平板，將這個(gè)平板的外緣形狀作為鈑金成形件的毛坯形狀。此方法主要是利用模擬材料的形狀可恢復(fù)性和模擬試驗(yàn)的相似性原理。

    (1) 相似性原理

    使用模擬材料進(jìn)行物理試驗(yàn)時(shí)模擬材料和原型材料必須符合相似理論，鈑金成形中要求的力學(xué)相似條件有：

    ① 應(yīng)力應(yīng)變相似性的判別，當(dāng)模擬材料與原型材料的σ/σS-Eε/σS曲線重合時(shí)，兩者的σ-ε曲線完全相似，其中：σ為應(yīng)力，σS為屈服強(qiáng)度，E為彈性模量，ε為應(yīng)變。

    ② 屈服準(zhǔn)則的相似判據(jù)，即模擬材料與原型材料應(yīng)服從相同的屈服準(zhǔn)則。

    ③ 泊松比的相似判據(jù)，即模擬材料與原型材料的泊松比變化規(guī)律應(yīng)一致。

    (2) 模擬材料的選擇

    高分子聚合物是一種雙相材料，即存在可熔和不可熔兩組分子鍵網(wǎng)格。室溫時(shí)，這兩組網(wǎng)格都是固態(tài)，載荷由它們共同承擔(dān)，加熱后，可熔網(wǎng)格化為液體，載荷主要由不可熔網(wǎng)格承擔(dān)。當(dāng)溫度達(dá)到凍結(jié)溫度時(shí)，載荷全部由不可熔網(wǎng)格承擔(dān)若此時(shí)開始降溫，則可熔網(wǎng)格開始固化變硬，將不可熔網(wǎng)格因承擔(dān)載荷所發(fā)生的變形固定下來。溫度降至室溫，卸去載荷，這一變形態(tài)仍被保存下來。根據(jù)力的相似條件，這一變形過程與金屬的彈塑性變形具有相似性。因此選擇這種具有形狀可恢復(fù)性的高分子材料為模擬材料，如聚碳酸酯(PC)、有機(jī)玻璃(PMMA)，它們具有如下特點(diǎn)：

    ① 聚碳酸酯的σ/σε-Eε/σε關(guān)系曲線與許多具有硬化性能的金屬材料一致，服從Misses屈服準(zhǔn)則。

    ② 聚碳酸酯與鋁材在相應(yīng)應(yīng)變范圍內(nèi)的泊松比變化規(guī)律也基本一致。

    ③ 當(dāng)應(yīng)變較大時(shí)(5%~8%)，聚碳酸酯處于一種特殊的高彈性狀態(tài)，類似金屬的塑性狀態(tài)一般利用這一狀態(tài)來研究金屬的彈塑性特性。

    (3) 物理逆向法的機(jī)理

    選擇與成形材料具有力學(xué)相似條件的模擬材料，用模擬材料進(jìn)行物理成形試驗(yàn)。在成形中其它工藝條件應(yīng)與原形材料具有相似性。通過物理成形試驗(yàn)，得到一個(gè)模擬材料的成形件，對(duì)其進(jìn)行修邊處理，得到和實(shí)際零件幾何形狀相同的成形件。

    選用的模擬材料具有形狀記憶性和應(yīng)力、應(yīng)變凍結(jié)性兩個(gè)特性。利用形狀記憶性，將物理模擬試驗(yàn)中得到的經(jīng)過修邊的成形件進(jìn)行加熱，高溫退火，使成形件恢復(fù)成板料。可以用恢復(fù)后的板料的形狀作為鈑金成形件毛坯的展開形狀，進(jìn)行試壓。如果不能滿意，可將它作為第2次物理模擬試驗(yàn)的毛坯確定依據(jù)，重復(fù)上述過程。以便得到合理滿意的毛坯展開形狀。

　　2、試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)

　　(1) 試驗(yàn)裝置

　　為了實(shí)現(xiàn)物理逆向法確定鈑金成形件展開毛坯的全過程，需要在凍結(jié)溫度下完成模擬材成形，而后高溫退火將經(jīng)過修邊的成形件恢來的板料形狀。根據(jù)此要求設(shè)計(jì)了如圖1所模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置可控制加熱時(shí)溫升能保持恒溫。模具置于爐膛內(nèi)，可提前預(yù)熱模配有導(dǎo)向板，以保證凸模和凹模之間的均勻。

　　圖1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

　　(2) 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

　　為了驗(yàn)證此方法，采用聚碳酸酯(PC)作擬材料，以一種拉深模具作為試驗(yàn)?zāi)＞撸M(jìn)行驗(yàn)性研究。其具體的步驟和結(jié)果如下：

　　首先根據(jù)工件的形狀估計(jì)展開毛坯的試驗(yàn)中確定的毛坯如圖2所示。將模具和毛于爐膛內(nèi)(如圖1)，然后將爐膛加熱，具體的規(guī)律按照?qǐng)D3所示的曲線控制，當(dāng)爐膛內(nèi)溫到PC的凍結(jié)溫度時(shí)，將凸模的外端施加以的力，使毛坯在凸模自重和外力的作用下緩發(fā)生變形，成形后按照控制曲線的要求保持時(shí)間，而后停止加熱使之逐漸冷卻下來。冷室溫時(shí)取出成形件(如圖4)。將成形件按照零件的要求進(jìn)行修邊處理，得到處理后的成(如圖5)。將模具從爐膛中取出，修邊后得成形件放于爐膛內(nèi)，按照?qǐng)D6所示的規(guī)律進(jìn)行加熱，以便使成形件恢復(fù)原來的板料形狀，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

　　圖2 初始估計(jì)毛坯

　　圖3 模具和毛坯加熱成形曲線　

　　圖4 修邊前的成形件　　

　　圖5 修邊后的成形件　　

　　圖6 形狀恢復(fù)加熱工藝曲線

　　圖7 高溫退火后得到的毛坯

　　采用高溫退火后得到的毛坯形狀作為鈑金成形件的毛坯形狀，在2×105kg的壓力機(jī)上進(jìn)行了拉深試驗(yàn)。其結(jié)果如圖8所示。

　　圖8 鋁合金件

　　(3) 結(jié)果分析

　　用物理逆向法確定的毛坯形狀，應(yīng)用于實(shí)際金屬下料并成形，一次性確定的毛坯能滿足基本要求，說明此方法是可行的。但成形件可能仍需要少量的修邊。其原因很多，有毛坯確定中的一些假設(shè)和工藝條件與實(shí)際不符的情況，也有金屬毛坯拉深時(shí)毛坯的位置不合理的因素。具體原因如下：

　　① 由于所選擇模擬材料與原形材料有相似性，但它們之間的差別會(huì)使模擬材料和金屬材料的拉深過程存在一些差異。

　　② 模擬材料初始的毛坯是根據(jù)零件的形狀估計(jì)制備的，毛坯的形狀不同會(huì)導(dǎo)致成形時(shí)邊界條件存在差異，因而對(duì)模擬材料的成形產(chǎn)生微小的影響。它也會(huì)對(duì)毛坯的確定有影響。

　　③ 根據(jù)物理逆向法確定的毛坯形狀，制備金屬毛坯，然后進(jìn)行拉深。其中成形件的質(zhì)量與毛坯在模具中的位置、壓邊力的大小、成形速度均有關(guān)系。這些也是造成金屬成形件誤差的原因。

　　④ 材料本身的各向異性沒有考慮。

　　3、結(jié) 論

　　使用模擬材料進(jìn)行物理試驗(yàn)時(shí)模擬材料和原型材料必須符合相似理論，方法是可行的，有一定的工程應(yīng)用前景。由于試驗(yàn)條件的限制。對(duì)于復(fù)雜的拉深件和覆蓋件等更為復(fù)雜的成形件毛坯確定的試驗(yàn)性研究還有待于進(jìn)一步進(jìn)行。