塑性成形技術的若干發(fā)展趨勢

2016-11-16 by:CAE仿真在線來源:互聯網

隨著科學技術的發(fā)展,塑性成形技術越來越呈現出技術融合的趨勢。一方面,塑性成形技術的進步需要從相關學科的發(fā)展中吸取自身發(fā)展的動力,如在塑性變形機理的研究中要利用材料科學和力學的進步來深化對于塑性成形中材料組織性能演化規(guī)律的認識,以便更好地解釋和預測熱成形過程中回復、再結晶以及流動應力的變化,塑性成形中的織構演化和塑性各向異性、損傷的演化和破裂準則;在塑性成形工藝優(yōu)化中,需要利用計算數學和計算力學中的新方法等等。另一方面,科學技術的發(fā)展也為塑性成形技術不斷開辟新的應用領域,如微制造中用塑性成形工藝部分地取代起源于集成電路制造工藝的光刻、腐蝕等技術,可以降低成本、減少環(huán)境污染。這種技術融合的趨勢對于從事塑性成形理論研究和技術開發(fā)的科技人員提出了新的要求和挑戰(zhàn)。下面就我個人所關心的某些相關問題作一些探討,希望與各位專家共同切磋,并有機會開展合作。

1. 數值模擬:從變形到組織性能
經過幾十年的發(fā)展,塑性成形模擬技術已經進入普及應用的階段。利用模擬技術已經能夠解決十分復雜的工程問題,為企業(yè)帶來了巨大的經濟效益。國外一些大公司已經將成形模擬作為模具設計、制造流程中必經的一個環(huán)節(jié)。模擬技術在我國也逐步得到推廣,國外開發(fā)的沖壓成形模擬軟件Dynaform、AutoForm,體積成形模擬軟件DEFORM等在我國已擁有大量用戶,我國自行研發(fā)的模擬軟件、如FASTAMP等也已得到推廣應用。以前,模具調試和鍛壓生產中出現缺陷時,只能采用工藝試驗和試湊法摸索解決方案;而現在,人們首先會借助于數值模擬技術探索改進方案,然后再通過實驗進行驗證,這就大大地節(jié)省了人力、物力和時間的消耗。

然而,現有的塑性成形模擬技術還遠遠不能滿足研究和生產所提出的實際要求?，F有的商業(yè)軟件對一般成形過程中的應變和應力分布已經能給出比較精確的結果,但是對于預測工件在成形過程中的組織性能變化則無能為力。這直接影響到模擬技術的應用效果。塑性成形中材料的組織性能變化涉及晶粒度、織構和損傷等的演化。在宏觀模型中,這些組織性能參數一般是采用材料本構方程中的內變量來描述的,其規(guī)律十分復雜。而現有的演化模型一般都是針對具體材料和/或具體成形工藝的,缺乏普適性。

在織構演化模擬中,原來普遍采用完全的Taylor模型,即令多晶體中各晶粒的變形梯

度等于宏觀變形梯度,約束過強,影響了模擬的準確性。為了克服這一缺點,Van Houtte等[1]針對軋制過程的變形特點提出了LAMEL和ALAMEL模型。他們在各晶粒中引入獨立于宏觀變形梯度、而且在相鄰晶粒中能夠互相抵消的局部的橫向剪切變形,同時還引入了與之相應的應力平衡條件,在模型中考慮了原始織構和晶粒形狀的影響,以較小的代價使軋制過程織構演化的模擬精度得到明顯的改善。當然,如果要將以上思想應用于其他成形工藝的分析,就需要根據變形特點引入另外的假設。

塑性成形中金屬一般發(fā)生延性斷裂。延性斷裂的過程一般經過如下階段:首先由于塑性變形在晶界、第二相顆粒與基體的界面等位置產生微孔洞的形核,微孔洞在應力和/或塑性應變的驅動下長大,最后發(fā)生微孔洞的聚合而形成宏觀裂紋。由于對這個過程的認識還不夠深入和全面,因此在采用計算模擬方法預測塑性成形中的破裂現象時,一般是采用基于塑性變形能量密度、最大拉伸應力和主應變等計算結果的經驗性準則。這類準則沒有考慮實際的斷裂發(fā)展過程,因此準確性不高,而且一個準則僅適合于某一種特定的變形方式,沒有普適性。通過計算機模擬和工藝試驗相對照的方法,A. Venugopal Rao等[2]對10種體積成形問題工程分析中常用的破裂準則進了比較,對它們的準確性和敏感性(即對不同變形方式計算誤差的離散度)進行了評價,他們的結果表明,其中沒有一種準則是足夠準確和普遍適用的。因此,一般而言目前對于塑性成形中工件破裂的預測還只能用于比較不同的加工條件,從中找出較有利的工況,而不能對具體工藝條件下工件是否發(fā)生破裂給出判別性的結論。這成為用虛擬塑性成形取代耗費極大的工藝試驗所面臨的極大障礙。

與回復和再結晶演化過程模擬有關的模型也存在類似的現象。考慮到材料的塑性行為對其微觀、細觀結構的敏感性,以及實際材料通常具有的非均勻性,建立針對各種特定材料和成形工藝的以及具有普適性的塑性成形中材料組織性能演化規(guī)律,仍然是一項需要多學科協作進行的長期的研究課題,也是當前的一個研究熱點。實際上,許多鍛壓產品不僅有尺寸精度的要求,也有嚴格的組織性能要求。因此這方面的研究對于成形模擬技術的工程應用將具有十分深刻的影響。

此外,為了提高模擬計算的效率和應用范圍,發(fā)展了一些特別的模擬方法。Y. Q. Guo等[3]對板料成形的逆算法進行改進,將一步法改進為多步法,在保持逆算法的高效率的同時,能求出成形過程的若干中間狀態(tài),以便考慮工件中各質點的應變路徑,使得與應變路徑有關的損傷演化規(guī)律通過積分后能用于近似的逆算法有限元模擬中,預測工件的破裂。為了克服有限元模擬中由于網格畸變造成的困難,無網格法受到越來越多的重視。分析計算表明:無網格法能有效地用于求解擠壓、鍛造等大塑性變形問題,得到與有限元法一致的結果,而無需重分網格。對于精沖等涉及裂紋擴展的問題,無網格由于法能夠方便地實現節(jié)點的局部加密,也有很大的應用潛力。

2. 塑性成形工藝優(yōu)化
目前,塑性成形模擬技術主要用于校核成形工藝和模具設計的可行性。如果設計存在缺陷,需要設計人員提出改進方案,然后再對新方案進行模擬和評價。由于影響塑性成形過程的因素眾多且關系復雜,同時模擬計算的工作量很大,所以,除了較為簡單的問題,還難以利用軟件自動地實現優(yōu)化計算。

由于逆算法的應用,沖壓工藝參數優(yōu)化方面取得了較大的進展。沖壓成形過程中各時刻工件的幾何形狀基本上由模具的幾何形狀和相對位置所決定,所以成形過程的邊界條件具有很大程度的確定性。同時工件在拓撲上是二維的,其幾何形狀可以用曲面來表示,而且毛坯的初始形狀為一平面。沖壓過程的這些特點使得采用基于塑性形變理論的“近似的”有限元逆算法進行沖壓過程模擬十分簡便有效,而且計算結果十分接近于基于塑性增量理論的“嚴格的”有限元增量法的相應結果,而計算時間則大大減少。有限元逆算方法的特點是從產品的外形出發(fā)進行有限元離散化,采用簡單加載假設,將平面毛坯變形為空間曲面形狀工件的整個過程在一步或數步計算中完成。這種方法避開了接觸和摩擦的處理,建模簡單,而且計算速度很快,可以在短時間內比較多個工藝方案,進行工藝優(yōu)化。同時由于其逆算求解的特點,特別適宜于求得合適的毛坯形狀。雖然其分析精度比增量有限元法低,但由于上述優(yōu)點,可以與增量有限元法互為補充。沖壓過程的逆算法模擬以及基于逆算法的沖壓工藝參數(如壓邊力、拉延筋布置、毛坯形狀等)的優(yōu)化近年來取得了長足的進展,國外和國內都開發(fā)出了相應的商品化軟件。

在優(yōu)化思想方面,逆算優(yōu)化方法近年來得到了廣泛應用。該方法實質上是微分方程的反演問題,即已知問題的最終狀態(tài),要求問題的初始狀態(tài)、邊界條件和模型參數。在工程應用中,逆算優(yōu)化方法主要用于解決如下三類問題:① 針對給定的產品性能,如泊松比等,通過對一類力學模型的求解和優(yōu)化,確定產品的結構形式和參數;② 在給定產品幾何形狀的條件下優(yōu)化成形工藝,確定合理的毛坯或中間坯料(如預鍛件)的形狀;③ 選定一種表征加工過程物理規(guī)律(如應力-應變關系)的數學表達形式后,通過對實驗結果(如單向拉伸曲線)的擬合確定模型中各個參數的最優(yōu)取值,使得所選取的模型能最準確地描述材料的力學行為。在逆算優(yōu)化計算中,除了應用傳統的數學規(guī)劃方法以外,也越來越多地應用各種智能化的優(yōu)化方法,如模擬退火法、遺傳算法、神經網絡方法等等。

為了提高模擬和優(yōu)化結果的可靠性,要考慮各種工藝參數的隨機變化及其對塑性成形最終結果的影響。在設計中不僅要使產品質量達到預定的指標,而且要使產品質量指標的波動盡可能小。如果產品質量指標的波動符合正態(tài)分布,其平均值為μ,標準差為σ,則可以用σ為單位來表示質量指標的正、負公差范圍,并由此計算出產品的理論合格率,如下表所示。

表1 σ水平與合格率以及每百萬件的廢品率之間的關系

σ水平	合格率(%)	廢品數/百萬件(短期)	廢品數/百萬件(長期)
±1σ	68.26	317,400	697,700
±2σ	95.46	45,400	308,733
±3σ	99.73	2,700	66,803
±4σ	99.9937	63	6,200
±5σ	99.999943	0.57	233
±6σ	99.9999998	0.002	3.4

根據Motolola公司的統計,按公式計算的廢品率僅在短期內與實際情況相符。在長期生產中,由于模具磨損等原因,誤差還將擴大約1.5σ水平,如表中第4列所示。為了確保產品質量,他們提出要達到μ±6σ的設計可靠性要求,這被稱為6σ穩(wěn)健設計。優(yōu)化設計軟件iSIGHT可用于6σ穩(wěn)健設計。在優(yōu)化計算中,它可以通過接口調用ANSYS、Nastran等有限元分析軟件來完成有關的分析計算。

3. 微細塑性成形[4]
隨著微/納米技術的興起,以形狀尺寸微小或操作尺寸極小為特點的微細加工技術已經成為人們認識和把握微觀世界的一種高新技術。近年來,隨著產品微型化的不斷發(fā)展,尺度在500nm至500微米之間的金屬成形研究正受到工業(yè)需求的驅動,特別是在電子工業(yè)中,微型化趨勢的日益明顯,目前已開發(fā)出了一系列微型電子產品,如微型電機、微助聽器、微硬盤、微型數碼照相機等。同時,微機電系統(MEMS)技術的逐漸興起,也給微細加工技術提供了一個大力發(fā)展的機遇。傳統的微加工技術主要以光刻、化學刻蝕以及LIGA技術為主,這些技術操作難度大、效率低、成本高,而且環(huán)境污染比較嚴重。微細塑性加工技術可以克服以上這些技術的缺點,因此具有巨大的市場潛力和應用前景。雖然到目前為止,微細塑性成形技術還處于探索和實驗研究階段,但是世界上一些工業(yè)發(fā)達國家,如日本、德國,已經進行了大量研究,在技術探索的同時,也為該領域將來必然發(fā)生的激烈競爭搶占了一些技術制高點。

微細加工的特點不僅在于工件幾何尺寸的減小,也涉及材料性能的變化。在微尺度下材料的一些力學特征表現出與傳統尺度下的不同的特點,某些在常規(guī)加工中與尺度無關的力學量在微尺度小卻不再是與尺度無關的,而是表現出對尺寸的依賴性,這就是所謂尺度效應。上世紀九十年代初Fleck等在微扭轉實驗中發(fā)現當銅絲直徑由170μm減小到12μm時,其無量綱扭轉硬化率增加到原來的3倍。此后,對于材料屈服性能與尺度的關系進行了大量的實驗研究和理論分析。尺度效應可以分為兩類,分別稱之為第類和第類尺度效應。一般把那些能夠用傳統的理論進行解釋的尺度效應稱為第類尺度效應,不能夠用傳統理論來解釋的尺度效應稱為第類尺度效應。如在單向拉伸和自由彎曲實驗中,隨著試件尺寸的減小,通常觀測到的材料的流動應力和最大相對彎曲力會隨之減小。這就是第類尺度效應。對于這種現象,Engel和Geiger等提出了一種“表面層模型”進行描述。當材料的特征尺寸減小到與材料內稟尺寸同一數量級時,材料表現出第類尺度效應,即應變梯度強化效應。對這種尺度效應的研究促進了應變梯度塑性理論的發(fā)展和應用。應變梯度理論中引入了材料的特征尺寸,從而可以從現象學的角度來刻畫出尺度效應的影響。除了材料屈服應力的變化以外,在微成形中摩擦系數會隨著試件尺寸的減小而增加。對于這種現象, Engel提出了一種“開放和封閉潤滑坑”模型、也稱做“動態(tài)和靜態(tài)潤滑坑”模型進行解釋。

進行微成形研究,首先要解決毛坯制備、實驗設備、實驗模具和檢測手段等基本問題。

實驗結果表明,隨著材料特征尺寸(如板材的厚度)的減小,材料的塑性一般會降低,例如金屬箔材的延伸率一般遠低于板材。這可能是由于特征尺寸范圍內晶粒數量減少,使得塑性變形的不均勻性增強,同時材料幾何和性能缺陷的影響相對增大而引起的。

由于微成形目前還沒有得到廣泛的工業(yè)應用,所以沒有現成的專用設備。人們通常采用如下兩種方法:① 自行研制專用的試驗設備,如Joo等人為微沖孔研究開發(fā)的系統,他們采用高精度的導向裝置來保證凸模的運動精度,通過一套帶有CCD攝像頭的監(jiān)測裝置,保證凸凹模的對中和間隙均勻。② 利用現有的一些高精度檢測儀器,并配以自行研制的執(zhí)行部件。如Saotome等研制的置于電鏡操作室中使用的一種數控無模微成形系統。

微成形模具的加工難度很大,必須采用精度極高的電加工、腐蝕加工等方式。如在微沖孔中可用電加工方法制造刃口直徑僅為幾十μm的沖孔模,Saotome利用各向異性刻蝕的方法在單晶硅上加工出四面體形狀的凹模。另外,Kurimoto采用直徑為14μm的SiC陶瓷纖維作為沖頭,也成功地進行了沖孔實驗。

目前已經進行了多種微成形工藝實驗,包括微彎曲、微拉延、微壓印、微擠壓、微鍛造、無模微成形等等。通過這些實驗研究了各種工藝參數對成形質量的影響,也探索了各種微成形工藝措施。為了增加材料的拉深性能, Erhardt采用加熱工具的方法,在加工過程中用激光加熱局部坯料,從而使材料的成形性提高了10%。Saotome改變凸模直徑和板料厚度的比值D/t進行拉深實驗,發(fā)現D/t值在10~100范圍內,極限拉深比隨著D/t的增加而減小。Kals在研究微沖裁加工發(fā)現,剪應力不是隨著產品的微型化而減小,當板料厚度減小到一定的時候,材料的臨界減切強度又會略為增加,這種現象不會隨晶粒尺寸的改變而改變。Doege和Jimma研究了彎曲和壓印過程中沖頭的震動特性對沖壓產品精度的影響,由于凸模的運動引起壓邊圈震動,隨著沖壓速度的加大,產品精度會隨之降低。在加工中可以提高壓邊力來減小震動的影響,提高沖頭壓力,也可以明顯地提高產品的精度。

由于微細塑性加工零件尺寸非常小,零件相對變形梯度比較大,工件與模具之間的摩擦系數增加,因此對模具的強度要求較高。Jeong發(fā)現薄膜金屬玻璃材料在非晶態(tài)下具有較高強度和彈性極限,而且在微尺度下,不會發(fā)生尺度效應,是一種理想的微細塑性成形材料。當對這種材料進行低溫加熱時,在一定溫度范圍內,材料逐漸軟化,而且表現出黏性流動性,在較低的作用力下,很容易對其進行微細三維成形加工。利用非晶態(tài)金屬進行超塑性微成形十分有利。Saotome在超低溫液體狀態(tài)下,利用超塑性材料Al-78Zn和非晶態(tài)材料LaAlNa擠壓加工出模數為50μm和20μm的微型齒輪。

微成形中還有一些需要考慮的問題。一個難題就是如何在高速度的情況下獲得較高的尺寸精度和表面質量。在微成形中要以幾個微米的誤差將坯料在凹模上定位。當零件尺寸減小時,材料的表面積與體積之比迅速增大,零件與工具的粘著力和零件表面的張力的作用也會增強,為了把零件從工具上迅速地分離就必須考慮的其影響。對于普通沖壓成形,沖頭和傳動裝置之間的間隙通?？梢院雎?但是在成形微零件時,整個沖頭行程可能僅為100μm,這時沖頭和傳動裝置之間的間隙就必須加以考慮。為了確保產品的質量和對加工過程進行控制,合適的測量和檢測工具也是非常必要的。

4. 結束語

多學科交叉和技術融合是當今科學技術發(fā)展的普遍趨勢,塑性成形技術也不例外。在這種形勢下,塑性成形領域的學者和工程技術人員應該更多地關注材料科學、力學、先進制造技術等相關領的研究進展,推動塑性成形理論的發(fā)展;各大學和研究機構應該大力構筑促進學科交叉和資源共享的跨學科研究平臺,其中包括各種實驗和計算設施,通過聯合攻關,占領科學技術的若干制高點,提高我國的科技創(chuàng)新能力;大學、科研機構和企業(yè)應該加強交流與合作,使得研究工作切合我國經濟和社會發(fā)展的實際需要,企業(yè)能依托大學和研究機構解決技術難題、獲得技術儲備、提高競爭力。[/