以钢球作为工作介质的壳体拉深成型工艺

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以钢球作为工作介质的壳体拉深成型工艺


作者：Bernd Hager    来源：德国BLECH InForm杂志
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" x. j% m2 e4 ^& w0 p  |1 C在基于工作介质的拉深工艺中，采用液体介质的板材成型工艺是制造拉深件、并经受了使用考验的成熟技术。但是，这种工艺的缺点是需要附加液压设备和在拉深模中需要采取花费较高的密封措施。而这些不足可以通过采用无定形固体介质（Dynamic Particle Forming—动态粒子成形工艺）的钢球所进行的拉深成形工艺来避免。新的研究成果表明，通过单个并合介质的打包，可以达到拉深工艺的进一步优化。

; x' w* T) x) j# H1 O- \* [制造业所有领域里的企业都参与到了全球的竞争中。因此，德国的板材加工工业常常要被迫面对价格的挑战，在价格上的要求，在经济管理上是难于实现的。只有通过采用新的制造技术才能满足以经济的加工过程和以高的质量来制造构件的要求。按照这种观点，在汉诺威高等专科学校，采用无定形固体介质钢球的拉伸成形研究项目是一项很有应用前景的成形工艺项目。
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7 ~  I1 X9 J& d/ l* T0 t基于无定形固体介质的拉深成形工艺与传统工艺的比较
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! W& F0 k5 g: @作为拉深成形的特殊工艺，Dynamic Particle Forming ( DPF )（动态粒子成形工艺, 即采用无定形固体介质的拉深成形工艺）与采用刚性模具（凸模+凹模）相比，在模具要进行改装时，前者则具有较大的柔性；在制造模具时前者又可以节省费用，因为，只需要制造一个凹模就可以了。由于液压成形工艺需要较大的锁模力，所以需要采用附加的液压设备。但是，采用无定形固体介质的拉深成形工艺可以应用于传统的液压拉深压力机上，因此，不需要其他附加设备。新工艺另外的优点是，无定形固体介质有着类似液体的特性，因此，在拉深过程中出现的应力，在板材上是呈均匀分布的。
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为了对在拉深过程中所产生的应力进行分析，是利用有限元方法研究了介质的特性。对于这种介质的情况，作为有限元分析的设想安排是来代替各个钢球进行无间隙排列的仿真。

利用材料的物理特性（这里系指力（应力）与位移（变形）相联系的材料机械特性—译注），球体填料的特性赋予了工件变形的连续性，对此，在以必要的各种参数进行了工作介质的大量单个试验后,得到了现有的材料特性，并以有限元模型进行了分析。一个现有的模具当作模型来用，在这个模具上采用无定形固体介质成形工艺已进行了大量的板材拉深成形试验。在制造模型时，模具仅以30。的凹口作轴对称布置，由此缩短了计算时间。此外，通过采用硬材料铸型来制造所有的模具零件，因为，这里只是对工作介质以及板料和膜片进行试验。通过有限元分析所取得的成果表示在工作介质的三维应力分布上。在介质上面的范围里，在凹模上面的半径处产生最大的压应力。在这个部位，板料连同膜片在工作介质的作用下绕着第一个半径进行拉深。当进一步观察应力时，出现一种桥式类型的应力。就是说，它产生一种桥式的形状，靠在凹模锥形曲线上并相对于工作介质的对称轴线延伸。
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钢球迅速卸载 减小桥式应力

. y# p) a0 ]7 }6 v2 H+ T8 K; l7 h桥式应力由于楔的紧锁作用阻碍了材料的流动，由此增加了拉深时的力，这样，对模片就增加了较大的负荷。此外，在工作介质的中间可以看到正在减弱的应力，在拉深件的底部，这个应力又稍有增大。这再次表明，在介质上面部分材料被楔紧，而在下面的部分则减轻了压力。在实际的拉深过程中也出现了同样的情况。通过给钢球迅速卸载，而找到一种补救措施，以实现钢球的重新进行定位，减小了桥式应力。利用已得知的材料物理特性，迄今并没有成功使桥式应力减小。不过，已找到一种方案，大量的单个钢球自动地同刚性铸型模相匹配并利用现有的计算机能力进行计算。因此，在加载和卸载时也可以考虑钢球的重新定位。

采用并合工作介质的拉深成形工艺
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暂时取得的成果表明，在材料成形过程中出现钢球在排列方面的无规则以及出现空位或间隙，这导致阻碍了材料的流动。这种现象通过模具的X射线照片同样可得到证实。借助于一个玻璃制成的在结构上有一个单层成串排列球体的模型模具，在这里，有限元分析的成果可再次得到验证。
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在2007年3月出版的BLECH InForm杂志上已经介绍了采用无定形固体介质的板料成形技术。在这篇文章里，也列出了这种工艺需进行优化的几个方面：膜片的使用寿命、操作和不间断进行的成形。因此，在进行进一步的研究中，成形工艺是通过一个新的方案来进行改进，工作介质是以单个相互分开的并合体（Segmentel Action Media—并合工作介质）替代一种在压力腔中松散的球体填料。
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6 a7 |! [  ]2 H8 \" R2 c) ^在这里，工作介质（钢球）被封焊在多个聚合物兜里，这种聚合物兜放置在压边圈的压力腔里。这样，采用无定形固体介质的拉深，在结构上较为简单，并易于操作。因为工作介质已经被打包，在板料和工作介质之间就没有必要安置聚合物膜片。此外，对于采用无定形固体介质板料成形工艺，所采用的聚合物兜以及松散的工作介质填料也与工件的几何形状无关。并合工作介质，能使工作介质的容积定量较为简单，从而可便于适应工件的拉深深度。通过对单个聚合物兜进行添加或取出工作介质来实现容积的定量。由此，还可以同时明显缩短准备时间，同时，损坏的聚合物兜可以十分方便地进行更换。用并合工作介质板料成形工艺能够使难于成形的诸如铝合金材料不间断地实现成形。此外，即使在比无定形固体介质成形工艺还小的成形力情况下，仍可以达到较大的拉深深度。聚合物兜的形状是可以变化的,以致几乎可以实现工件所有的几何形状。由于聚合物兜可长期保持稳定，具有较高的生产效率和相当低的制造成本，采用并合工作介质成形工艺，可以看作是在基于工作介质的拉深工艺领域里在经济技术上的进一步创新和发展。(end)