板材成形中的技术革命

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1987.s2.019 北京钢铁学院学报 1987年2月 Journal of Beijing University Special issu. 专辑1 of Iron and Steel Technology No.1,1987.2 板材成形中的技术革命 吕雪山 王先进 (压力加工系) 摘 要 提出板材成型技术中存在技术革命。第一次技术革命以板材成形从工场走向工厂为标志，第二次技术革命以实 验成形性评定和实验变形分析为标志，第三次技术革命以理论成型性评定及成型CAD/FMS的出现为标志，它是原 材料工业迎按材料科学技术革命的一条有效途径。 板材成型成为一个科学领城必然要与板材生产密切结合，这就提出了发展板材系统工程的需要。板材系统工程 的基本内容是：()板材生产，(b)板材成型，(c)板材治金过程与板材成形过程的协同。 回顾计算机辅助成型性分析和工艺优化的发展，提出了计算机辅助成形性分析体系、计算机辅助戒形工艺优化 体系及板材成型学科体系并给出了这三种体系的椎图。 关键词，板材成形、成形性、学科体系、系统工程、技术革命 Revolutionary Developments in Sheet Metal Forming Technology Lu Xueshan Wang Xianjin Abstract The research and development of sheet metal forming is thought as a good way through which metallurgical industry will be developed to meet the needs of the revolution in material science and technology.Three stages of revoluti- onary developments in sheet metal forming industry have been differenciated. The mark of the first revolution is that.sheet metal forming was operated with machines and dies in a factory instead of manual operation in a workshop, the second revolution is indicated by the assessment of process and formability derived from experiment,the study of theoritical formability and the foundation of CAE/FMS are the indications of the third revolutionary development in sheet metal forming.Since sheet metal forming,as a engineeing science,has got to marry sheet metal processing,a concept of SYSTEM ENGINEERING in sheet 45

年 丁 专辑 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 ， 板材成形 中的技术革命 吕雪 山 王 先进 压 力加工 系 摘 要 卜 提 出板材成 型技术 中存在 技术 革命 。 第一 次技术革命以板 材成形从工 场走向工 厂 为标志， 第二次技术革 命以 实 验成形性评定和 实验 变形 分析为标志 ， 第三 次技 术 节命 以禅论成 型性评定及成型 的 出现为标志 ， 它 是原 材料工 业 迎 接材料科学技术革命的一 条有效 途径 。 板材成型成 为一 个科学领域必 然要与饭 材生 产 密切结合 ， 这 就提 出了发展 板 材系统工 程的需要 。 板 材系统 工 程 的基本内容是 板 材生产 ， 板 材成型 ， 板 材冶 金过程与板 材成 形过程的协同 。 回顾 计算祝辅助成型性分 析和 工 艺优化的发展 ， 提 出了 计算 机辅助成 形性分护体 系 、 计算帆辅助成 形工 艺 优 化 体 系及 板 材成型学科体 系并给出了这 三 种体 系的框图 。 关键 词 板 村成形 、 成形 性 、 学科体 系 、 系统 工 程 、 技 术革命 ， 无 万 ， ” 刀 璐 华 孙 认 住 妙 ， 丫 以讨 址吮‘ 玄 。 忱 比 。 。 。， 每 杜 。 ” 讯礴 ， 五 妞 农 。 。 仁 气 丫 解 枕 。 ， ， 军 ， “ ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．s2．019

Metal (SESM)has been put forward,which covers (a)sheet metal processing (b)sheet metal forming:(c)coupling between metallugical processing(e.g.make- ing process,rollng process etc.)and forming process of metal. Computer-aided analysis of formability and computer-aided optimization and modelling of forming process are reviewed,and their schedules are illust- rated.Furthermore,the comprehensive structure of sheet metal forming as a independent subject is presented. Key words:sheet metal forming;formability,discipline structure;system engineering,technological revolution 引 言 钢铁板材在制罐等工业中已被铝合金板材夺走了许多市场，美国钢铁界企业家们最 近在美国钢铁公司研究所内投资近200万美元建设了一套制罐设备，用以研究无锡制罐 钢板的深加工性能以便和制铝行业竞争。这是在通过研究深度加工夺回其钢铁原料市 场。材料工业的发展，使金属材料可能一部分被合成材料及高分子材料所代替，材料科 学技术面临着一场技术革命。我们认为，金属材料工业迎接这场技术革命的有效途径是 在向新型功能材料发展的同时大力开展传统材料深度加工的开发研究工作。传统钢材的 使用主要是利用强度、刚度和韧性，如铁路、机器、仪器等。消费品工业的发展，改变 了认识，作为现代社会的主要材料，没有任何材料能象钢板那样，不仅可以提供强度、 刚度和韧性，并且除了它的轻型薄壁特征外还具有生产效率高、成本低、易成形、易连 接、装配安全、易自动化生产、表面质量好等一系列工业生产的优点。因而薄板化、轻 型化乃是材料应用高效化与合理化的客观趋势。 薄板成型作为金属材料深度加工的一个主要组成部分，是占金属材料总量约50%的 薄板投入直接消费前的主要加工方法，以相当高的生产率和材料利用率把板材成型为具 有合理结构的零件，因而受到了各国政府及企业家们的高度重视。成型性研究已被作为 板材成型中的一个核心提出，以计算机辅助成型性评定为标致之一的板材成型中的第三 次技术革命已经到来。 1板材成型中的技术革命 最早的板材成型产品，如钥壶（图1）在公元前2500年以前就已出现，那是板金工匠 的产品，他们依靠手工敲出了金属器皿、手饰等各种板材成型用品和工艺品。1850年第 一台曲柄压力机的制造成功导致了板材成型中的第一次技术革命：Parkes于1857年发 明了压延工艺，Adamson于1879年研究了中碳钢及铁的机械性能，并提出了扩孔实验 及单拉实验，随后，各种成型工艺及模拟实验相继出现，板材成型从手工作坊走向了工 46

， ， ， ， 一 一 ， ， 夕 ， ， ， 日口 ‘当二翻 钢铁板材在 制罐等工业 中已被 铝合金板材 夺走 了许 多市场 ， 美国钢铁界企业 家们最 近在 美国钢铁公 司研究所内投资近 万 美元建设 了一套制罐 设备 ， 用以研究无锡 制 罐 钢板 的深加 工性能以便和制铝行业竟争 。 这 是在通 过研究深度加 工夺回其钢 铁 原 料 市 场 。 材料 工业 的发展 ， 使金属材料可能一部分被合 成材料 及高分 子材料所代 替 ， 材料科 学 技术面 临着一场 技术革命 。 我们认 为 ， 金属材料工业迎 接这场 技术革命 的有效途径 是 在 向新型功 能材料发展 的 同时大 力 开展传统 材料深度加 工 的开发研究工 作 。 传统钢材的 使用主 要 是利用强度 、 刚 度和韧性 ， 如铁路 、 机器 、 仪 器等 。 消费品工业 的发展 ， 改 变 了认识 ， 作 为现代 社会 的主 要材料 ， 没有任何材料能象钢板那 样 ， 不仅可 以提供强度 、 刚 度 和韧性 ， 并且除 了它的 轻型薄壁特征 外还 具有生 产效率 高 、 成木 低 、 易成形 、 易连 接 、 装 配安全 、 易 自动化生 产 、 表面质 量好 等一 系列工业生 产的优 点 。 因而薄板化 、 轻 型化乃是材料应 用 高效化与合理化的客观趋势 。 薄板成型作为金属材料深度加工的一个主要组成部分 ， 是 占金属材料总量约 的 薄板投入直接消费前的主要加工方法 ， 以相 当高的生 产率和材料利用率把板材 成型为具 有合理结构的零件 ， 因而受到 了各国政府及企业 家们的高度重视 。 成型性研究 已被作为 板材成型 中的一个核心提 出 ， 以计算机辅助 成型性评定为标致 之一的板材成型 中的第三 次技术革命已经到来 。 板材成型中的技术革命 最早的板材成型产品 ， 如铜壶 图 在公 元前 年以前就已 出现 ， 那是板 金工匠 的产品 ， 他们依靠手工敲 出了金属器皿 、 手饰等各种板材成型用 品和工艺 品 。 年第 一台 曲柄压 力机的制造 成功导致 了板材成型 中的 第一次 技术革命 于 年 发 明 了压 延工艺 ， 于 年研究 了中碳钢及铁 的机械性能 ， 并提 出了 扩 孔 实验 及 单拉实 验 ， 随后 ， 各种成型工艺及模拟实验相继 出现 ， 板材成型从手 工作坊走 向 了工

厂，大多数手工工具被模具及机器所取代，劳动生产率得到 了空前的提高，板材成型由一种手工工艺变成了一门工程技 术。 1949年Lonkford等r1提出并测定材料的硬化指数n值 及塑性应变比r值，指出胀形成形能力由n值反映，压延成 形能力由r值反映，使得成形前可顶测板材的成型性，Gen- Samer在1945年提出的用最大最小应变值e,~e,表达成形极 A 9 限的概念于1965年由Keeler2.变成了现实，Swift31、Hill 0 09 ·及Machiniak s)等人相继提出了预测成形极限应变的理 图1公元前2500年前的铜壶 论。板材成形因此部分地走向了由实验与数学力学、金属学 Fig.1 Riveted copper相结合的科学领域。这是板材成型中的第二次技术革命。 bucket,before 2500B.(. 计算机科学的发展，特别是计算机仿真技术的出现已引 起了板材成型的第三次技术革命。这次技术革命开始于70年 代实验成型性分析和实验变形力学分析难以在复杂成型件或新材料上实现的时期，它将 把板材成型推向成为一个材料综合、技术综合和过程综合的科学领域。板材成型迎接这 次技术革命的内容是板材成型计算机辅助工程(CAE)和板材成型柔性制造系统(FMS)。 其核心研究内容是计算机辅助成型性分析和计算机辅助成型工艺优化。 2 计算机辅助成型性分析 2.1本构方程 本构方程包括屈服方程和流动方程，用于为极限应变预测模型和变形过程力学模型 输人必要的材料性能参数。 2.1.1屈服方程 根据H1各向异性塑性理论，板面内各向同性的板材屈服方程为： (1+2r)（0:-02)2+(0,+02)2=2(1+r)0,2 (1) 实验结果证明，当11和r<1时，都与实验结果一致。 2,1.2流动方程 对于LY:2之类的板材，仅考虑应变硬化指数n值彩响的Swift方程3： 0=K(e。+e)n (3) 即可准确地反映材料的流动特性。为了同时考虑应变及应变率的影响，使川过关系式： o=K(e+e)n(i）m (4) 描述材料的流动特性，但这仍不足以描述应变速敏感指数m的影响，Hart的关系式： 47

图 公 元 前 年 前的 铜壶 ， 。 二 。 厂 ， 大 多数手 工 工具被模具及 机器所 取代 ， 劳 动生产率得到 了空前的提 高 ， 板材 成型 由一种手工 工艺变成 了一门工程 技 术 。 年 等 『 ‘ ，提 出并测 定材料 的硬 化 指数 值 及 塑性 应 变 比 值 ， 指 出胀 形 成形 能力 由 值 反映 ， 压 延 成 形 能 力 由 值 反映 ， 使得 成 形 前可预 测板材的 成型性 ， 在 年提出的用最大 最小 应变值 表达成形 极 限的概念 于 年 由 “ 一 变成 现 实 ， ” 、 ’ 及 〔 ‘ 等人相继 提 出了预测成形 极限 应 变的理 论 。 板材成形 因此部分地走 向 了由实验 与数学 力学 、 金属学 相结合的科学领 域 。 这 是板材 成型 中的第二 次技术革命 。 计算机科学的发 展 ， 特别是计算机仿真 技术的 出现 已 引 起 了板材成型 的第三次技术革命 。 这 次 技术革命 开始 于 年 代 实 验 成 型性分 析和实 验 变形 力学分 析难以 在复杂成 型件或 新材料 上实 现 的时期 ， 它将 、 把板材成 型推 向成 为一个材料综 合 、 技术综 合和 过程综 合 的科学领域 。 板材成 型迎 接 这 次技术革命 的 内容是板材成型计算机辅助 工程 和 板材成型柔性 制造 系统 。 其核心研究 内容是计算机辅助成型性分 析和计算机辅助 成型 工艺 优化 。 计算机辅助成型性分析 本构 方程 本构 方程 包括 屈 服方程和 流 动方程 ， 川 于 为极 限应 变预测模 型和 变形 过程 力学模型 输人 必要 的 材料 性能参数 。 屈 服方程 根 据 各 向异 性塑性 理论 ， 板 面 内各 向同性 的板材屈 服方程 为 一 二 十 “ 实验结果证 明 ， 当 时 ， 此 方程 满足 ， 而 当 时 ， 则与实验结 果不 符 。 为 弥 补 这一 不 足 ， 又 于 年提 出了一 个新 的屈 服 方程 一 ， “ 后来的实验 证 明 ， 该 方程 在 和 时 ， 都 与实 验结果 一致 。 。 流 动 方程 对 于 之类 的板材 ， 仅 考虑 应 变 硬化指 数 值 影响 的 方程 “ ￡ 。 “ 即可准确 地 反映 材料 的流动 特性 。 为 了同时考虑 应变及 应变率的 影响 ， 使川 过 关 系式 。 。 。 。 ， 。 描述材料 的流动特性 ， 但 这仍不足以描述应变速率 敏感指数 的 影响 ， 的关 系式

T= olno olne E olno (5) V= olne dlno=rde vde 能更准确地反映值的影响。该式可简化成(4)式。 2,2极限应变预涮 极限应变预测旨在建立成形极限图FLD。用以预测极限应变的基本失稳准则主要有 Swift分散性失稳条件Hi11集中性失稳条件和用得较为普遍的是M-K凹槽理论，M-K理论 结果与平板面拉伸实验FLD较为接近，与凸模拉胀实测FLD相比，M-K 理论值偏小。这是M-K平板凹槽理论假设本身决定的。Hi1理论预测的FLD左半部同样 小于凸模拉胀实测FLD。用断裂极限修正的M-KFLD线C6'左半部与凸模拉胀实测FLD A-K钢>达到了一致。根据H1集中失稳条件由能量理论推出极限应变计算式预测的 FLD7J右半部较M-K结果、Swift结果都更为接近凸模拉胀实测FLD<A-K钢)。最近文 献〔8给出了断裂极限应变值的一般式，统一了一维和二维的断裂应变表达，但从文中 计算结果与引用的实验结果比较看不出预测的FLD在准确性上的进步。到目前为止，可 以说，还没有一条理论FLD能令人满意地与凸模拉胀实测FLD达到一致。但我们注意到 Sowerty'9)预测双线性变形路径FLD线比起一次性比例加载<单线性变形路径)来，更 接近了实测结果。然而，按照作者的观点，最大的突破将会发生在金属学成形性的研究 中，这包括：()材料成份、夹杂形态及其数量控制、相结构、取向等与材料成形性的 关系一如各向异性的金相起源等，(b)材料机械性能0~￡，m、n等与成形的行为的形 状的关系，()材料生产工艺过程对材料成形性的影响如cAL等。文献1o11)报导的失 稳准则及FLD预测研究成果就是以这种方式进行研究的两个较好的范例。 图2是作者建立的计算机辅助成型性分析体系，我们看到，建立理论FLD后，还需 从理论上预测应变分布，才能进行理论成形性分析。这是本文第四部分的内容。 ()'cometiical eatoree; (D).Checking Prediction of ‘3:.I ccming L可 sheet oualiy; Meterist conditions. limit strain (2).Asexs:.g Col.Ip.:isom 二02边 Constitutive Simulation cf test sheets; eCINtions Strain (3).Sciceion stamping 1, Geometricall dintributicn of materinis; processes features; (4).Determining (2).Forming Computer-aided severity of conditions. simulating techniques. stampings. 图2计算机辅助成型性分析体系 Fig.2 Schedule for computer-aided analysis of formability. 48

。 。 。 。 咨 一 … 。 ， 二 能更准确地 反映 值 的影响 。 该 式可简化成 式 。 。 极限 应变预测 极限应变预测 旨在建立成形极限图 。 用以 预测极限应变 的基本 失稳准 则主 要 有 分散性失稳条件 集 中性失 稳条件和用得 较 为普遍的 是 一 凹槽理论 。 一 理论 结果与平板 面拉伸实 验 一 钢 较为接近 ， 与凸模拉胀实测 一 钢 相比 ， 一 理论 值偏小 。 这 是 一 平板凹 槽理论假设 本 身决 定的 。 理论预 测 的 左半 部同样 小 干凸模拉胀 实测 。 用断裂极限修正 的 一 线 叮“ ’ 左半部 与凸模拉胀实测 一 钢 达 到 了一致 。 根据 集 中失稳条件 由能量理论推 出极限 应变计 算 式 预 测 的 〕 右 半部较 一 结果 、 结果 都更 为接近 凸模拉 胀实测 一 钢 。 最近 文 献 亡句 给 出了断裂极 限应变值的一般式 ， 统一 了一维和二 维的断裂 应变表达 ， 但 从 文 中 计算结果 与引用 的实 验结果 比较看不 出预 测 的 在准确性上的 进 步 。 到 目前 为止 ， 可 以 说 ， 还 没 有一 条理论 能令人满意地 与凸模拉胀实 测 达 到一致 。 但我 们注意 到 犷 ” 〕 预测 双线性 变形路径 线 比起一次性 比例加载 单 线性 变形 路 径 来 ， 更 接近 了实测结果 。 然 而 ， 按照 作 者的观 点 ， 最大 的突破将会发 生在 金属学成形性 的研究 中 ， 这 包括 材料成份 、 夹杂 形态及其数量控制 、 相结构 、 取 向等 与 材料成形性 的 关 系－如 各 向异性 的金相起源 等， 材料机械性能口 一 ， 、 等与成形 的行 为的形 状 的关 系， 。 材料 生 产工艺过程 对材料成形性的影响如 等 。 文献 ’ 。 ” ‘ 〕 报导 的失 稳准 则及 预 测研究 成果就是以这种 方式进 行 研究 的两个较好 的范例 。 图 是作者建立的计算机辅助成型性分析体系 ， 我们看 到 ， 建立理 论 后 ， 还需 从理论上预测应 变分布 ， 才能进行理论成形性分 析 。 这 是本文 第四 部分 的 内容 。 二岁 立肠‘ 、 ’ ‘ ，， 布西两 犷‘ ’尸 ，于 ， 把 乙 二 乏恕 只 识 · 一 八 图 计算机辅助成 型性分析休 系 一 ， 尽

3计算机辅助成型工艺优化 3.1成形过程变形描述 对简单的板材弯曲、杯形件压延、强力旋压及翻边等工艺过程已能成功地进行变形 描述，而对于拉胀成形、以及复合冲压成形来说，情况就大不一样了。拉胀成形是同时 进行弯曲与拉伸的复合成形工艺，由于凸模与板料接触区域在变化，其变形分析是很复 杂的，并且凸模引起的摩擦又进一步增加了变形的复杂程度，到目前为止，变形描述仅 限于轴对称拉胀成形。复杂零件深压延的变形情况及复合冲压成形的变形情况就更为复 杂了。其变形描述的主要障碍是： (1)摩擦特性难以描述。由于接触区随成形的情况而变化，凸模与板料的接触情 况甚为复杂，摩擦条件难以用数学方法表达，摩擦对变形的影响尚无法定量地描述。 (2)边界条件难以确定。复杂压延件、冲压件的毛料外形优化确定尚在研究中， 最新的研究成果（将在下一节中讨论）尚未被有效地采用，这意味着变形的边界条件难 以给定。 已经完成和正在进行的工作表明〔12-1)，对接触及摩擦的处理是：(a)全区域接触 均匀摩擦特性假设，()绝对光滑面假设。不规则压延件和冲压件毛料外形的确定与其 成形过程变形描述模型的提出是相关联的。国际现状表明，谁解决了或学会了毛料外形 的确定，谁就有可能首先提出变形描述模型。文献1？借助计算机以塑性理论的滑移线 场为基础确定出了复杂压延件的毛料外形，随后就根据滑移线场提出变形描述模型解出 压延凸缘的速度场及主应力分布，文献〔18借助计算机以拓朴学为基础提出毛料外形的 确定方法，同时发展了冲压过程变形描述摸型预测冲压件上的应变分布，吕雪山等〔1) 1。借助其在模拟法的基础上提出的汇场法确定出复杂压延件的毛料外形后，就发展了 压延过程变形描述模型求出后延件的应变分布。需要指出的是，所有这些对变形过程的 描述都还很不成熟，相对来说，毛料外形确定方法的发展要成熟些。 3,2冲压件毛料外形展开 展开复杂冲压件的困难在于，(a)复杂冲压件表面是数学上的不可展开面，(b)变形 过程描述难以帮助毛料展开。这两大困难使得复杂冲压件的毛料展开成为难题。研究冲 压件毛料展开的一切工作也就在于克服这两大困难，排除了一个，毛料展开就成为可 能。表一是对计算机辅助冲压毛坯展开方法121·的分析结果，它表明：滑移线场是 借助塑性理论的滑移线场来描述压延凸缘的变形特性，以克服变形描述的困难，布网法 借助拓扑学展开不可展曲面，以克服复杂冲压件表面不可展的困难，汇场法借助流体模 拟构造一个虚汇场来描述压延时材料的流动，以克服变形描述的困难。困难克服了，毛 坯也就展开了。 3.3专家系统 预测成形件应变分布有时需处理不明确的成形条件，理论上判定了成形件的成形难 度后如何根据成形性预测结果调整模具或调整工艺条件参数使得成型件峰值应变不超过 49

计算机辅助成型工艺优化 成形过程变 形描述 对简单 的板材弯 曲 、 杯 形件压 延 、 强 力旋压及翻边 等工艺过程 已能成功地进 行 变形 描述 ， 而对于 拉胀成形 、 以 及 复合 冲压 成形来说 ， 情况就大 不一样 了 。 拉胀成形是 同时 进行弯 曲与拉伸 的复合 成形工艺， 由于 凸模 与板料接触 区域在变化 ， 其变形分 析是很复 杂 的 ， 并且凸模 引起的摩 擦又进一步 增加 了变形 的复杂程度 ， 到 目前为止 ， 变形描述仅 限于轴 对称拉胀成形 。 复杂 零件深压延 的变形情况及 复合 冲压 成形 的变形情况就 更 为复 杂 了 。 其变形描 述 的主 要障碍 是 摩 擦 特性难 以描述 。 由于接触 区随成 形 的情 况 而变化 ， 凸模与板料 的接触情 况甚为复杂 ， 摩擦条件难 以 用 数学 方 法表 达 ， 摩 擦 对变形 的影响 尚无法 定量地描 述 。 边 界 条 件难 以 确定 。 复杂压 延 件 、 冲压 件 的毛料 外形优 化确 定 尚在研究 中 ， 最 新 的研究 成果 将在 下一 节 一 卜讨 论 尚未被有效地采 用 ， 这 意味着变形 的边 界条件难 以 给定 。 已 经完 成 和 正在进行 的工 作 表 明 〔 ’ 一 ’ 名〕 ， 对接触及摩擦的处理 是 全 区域 接触 均匀摩擦特性假设 ， 绝对光滑 面假设 。 不规 则压 延 件 和冲压 件毛料外形 的确 定 与其 成形过程 变形描 述模型 的提 出是相关联 的 。 国际现状 表 明 ， 谁解决 了或学会 了毛料 外形 的确定 ， 谁就 有 可能首先提 出变形描 述 模型 。 文献 ‘ 借助 计算机以 塑性理论 的滑移线 场 为基础确 定 出了复杂压延 件 的毛料 外形 ， 随后就根据滑移线场 提 出变形 描述模型解 出 压延凸缘的 速度 场及主 应 力分布， 文 献 〔 ‘ 借助计算机以 拓朴学 为基础提 出毛料外形 的 确 定方法 ， 同 时发展 了冲压 过程 变形描述模型预 测 冲压件上 的应变分布， 吕雪 山等 〔 ’ ‘ 〕 ， ‘ · 借助其在 模拟法 的基础 上提 出的汇场 法确 定 出复杂 压 延 件的毛料外形后 ， 就 发 展 了 压延 过程变形描 述模 型求 出后延 件 的 应变分 布 。 需要指 出的是 ， 所有这些对变形 过程 的 描述都还 很不成 熟 ， 相 对 来说 ， 毛料 外形 确定方法 的发 展 要成熟些 。 。 冲压 件 毛料 外形展开 展 开复杂 冲压 件 的 困难 在 于 复杂 冲压 件表面是数学上 的不 可展 开 面 ， 变形 过程描述难以 帮助毛料 展开 。 这 两大 困难 使得复杂 冲压 件 的毛料展 开 成 为难题 。 研究 冲 压 件毛料 展 开 的一 切工作也就在 于克 服这 两大 困难 ， 排除 了一个 ， 毛料 展 开 就 成 为 可 能 。 表一 是对计算机辅助 冲压毛坯展开 方法 ’ 一 “ 的分 析结果 ， 它表明 滑移 线 场是 借助 塑性理论 的滑移线场来描述压延 凸缘的变形 特性 ， 以 克服变形描述 的困难， 布网法 借助 拓 扑学展 开不 可展 曲面 ， 以 克服复杂 冲压 件表 面不 可展 的困难， 汇场 法借助 流体模 拟构造一个虚汇 场来描 述压 延 时材料 的流动 ， 以克服变 形描述 的 困难 。 困难 克服 了 ， 毛 坯 也就展 开 了 。 。 专家 系 统 预 测 成形 件 应变分 布有 时需处理不 明确 的成 形 条件 ， 理论上判 定 了成 形件 的成形难 度后如何根据成形性预 测结果调整模具或调整 工艺条件 参数使得成型件峰值 应变不超 过

表1计算辅助毛坯展开方法分析 TadIe I Analysis of computer-aided blank development Difficulty Basis Conditions procedures Limits!Modification overcome (s).The velocity of metal flow is constant along Li Slip Slip-line (b).Tangential Auto- ver- line field in Discription tracking tical field plasticity of stresses are at drawn method deformations zero along Li (c).Slip-lines 45°angle parts cut across the blank contours at angle45° Develop- .Decreasing ment、 the density Development Materials are Elimiting stam- Mapping of patches of undevelo-continum in the pings method Topology overlaps .Modifica- ping surfacesplane of sheet and gaps tion by Remapping expertise (a).The velocity Sink Sink field of metalflow Auto- Ver- Changing theory Discription is constant tracking tical sink field of along Li equi-idrawn distidu- method metal flow (d).The deforma- potential parts tions tlon energy lines is minimum 极限应变，都需要人工智能(AI)特别是专家系统(S)。专家系统是一个关于获取 专业知识的系统，这些专业知识包括理论和实践，也包括专家个人的经验。 专家系统可用来明确问题、事实、相互关系等应用准则；要求计算机对给定问题作 出符合逻辑的回答并要求程序给出计算机回答问题的逻辑推理过程。 专家系统的发展仍然处于摇篮时期，板料成形领域的专家系统还没有建立起来。以 作者的观点，建立冲压专家系统的条件基本成熟，近几年内，冲压专家系统应该有一个 50

表 计算辅助毛坯 展开 方法分析 一 … 。 二。一 · … 。 “ “一 一 … 万 、 缨黑 一 ’ 灭 ’ ‘ ‘分 ” ， ，‘ 只 · ，。 ‘ ， 丫 世 伙 ， ‘ ” ” ‘ “ ‘ ， ‘ ’ 气 ‘ ， 、 二 贵 二 … ‘ ” ” ， 一 ，‘ ’ ‘班哗 臀 一 “ 一 。 一 。 一 、 · ，‘ ‘ ‘ 。 亡 。 一 口 一 极限应变 ， 都需 要 人工智能 特别 是专家 系统 。 专家 系统 是一个 关 于 获 取 专业 知 识 的系统 ， 这 些 专业知 识 包括理论和实践 ， 也包括专家个 人的经 验 。 专家系统 可用来明确 问题 、 事实 、 相互关 系等应用 准 则， 要 求 计算机对给 定问题 作 出符合逻辑 的回答并要求程 序给出计算机回答 问题 的 逻辑 推理 过程 。 专家系统 的发展仍然处于摇篮时期 ， 板料 成形领域 的专家 系统还 没有 建立起来 。 以 作 者的观点 ， 建立 冲压专 家 系统 的 条件基本成熟 ， 近 几年内 ， 冲压 专家系统应该 有一 个 尽

较大的发展。 图3是作者在以上分析基础上提出的计算机辅助成型过程优化体系。 Knowledges experiences on processes toolling and machines (1).Optimization of Expert systems 】”,“:「i.:4t已T5 Forming conditions Blank Models of blank development contours and toolling: Material Geometrical properties Constitutive (3).Modification of equations features Geometrical models die and toolling. Forming conditionsModels of process simulation Computer simulating techniques 图8计算机辅助成型过程优化体系 Fig.3 Schedule for computer-aided optimization of processes. 4 材料综合、技术综合和过程综合 计算机辅助评定板材成形性和零件成形难度是板材成形从工艺走向科学的标志。市 场的需求要求板成型件结构最优化、品种多样化，市场要求的日益变化，需要成形加工生 产的快速适应16。这一切就使得板成形的发展走向CAE和FMS,其科学体系如图4 所示，它涉及技术科学和知识三个方面，利用各方面的有关分支并将其科学地结合起来 以解决板材成形工程中的各种问题。这些问题的解决逐步使用(AE和FMS,最后通过 对生产的优化和柔化达到产品质量，使用和经济三方面的要求17。 Measurement of formability Technologies Software of CAD; Computer-aided control and so on. ..PROJECTS.. Moterial sei; Process modeling; CAE Mathematics; Formability assessing; Sheet Metal Sciences Computer sei; Formability predicting; Products阳 Forming Geometry; Blank development; Quality: and so on. Condition controlingFMS Service; Process opetimizing; Economics and so on. Procedures of forming; Conditions of forming; Knowledges Failure phenomenona; Parameters affecting forming; .and so on. 图4【材成型学科体系 Fig.4 Comprehensive structure of sheet metal forming as a subject. 板材加工可创造很高的附加价值，要求板材加工技术与材料治金技术相结合，这是 。一个材料综合、技术综合和过程综合的过程，也是板材发展走向板材系统工程的过程。 51

较大 的发展 。 图 是作者在以 上分析基础 提 出的计算机辅助成型过程优 化体系 。 ‘乡 卜 ’ ‘ 了 ’ 】 、 ” 一 勺 · 、 · 。 · · 一 祀 ’ 眼 · 图 计算机辅助成 型过 程优 化体 系 一 材料综合 、 技术综合和过程综合 计算机辅助 评 定板 材成 形性 和零件成形难度 是板 材成形从 工艺走 向科学 的标志 。 市 场的需求要求板 成 型件结构最优化 、 品种 多样化 ， 市 场 要 求的 日益 变化 ， 需 要 成形加 工生 产的快速适 应 ‘ “ 。 这一 切就使 得板 成形 的发 展走 向 和 ， 其科学 体 系 如 图 所示 ， 它涉及 技术科学 和知识三个方 面 ， 利用各方面 的有关分 支并将其科学地 结合起来 以解决板材成形 工程 中的各种 问题 。 这 些 问题的解决逐 步使用。 和 ， 最 后 通 过 对生 产的优 化 和柔 化 达到产品质 量 ， 使 用 和经 济三 方面的要 求 ‘ 。 … 眼 ， 一 卜 。 入 奢 了 ‘了 · 。 。 · 之 。 图 材成型学科体 系 板材加 工可创 造很 高的附加价 值 ， 要 求板材加 工技术 与材料 冶金 技术相结合 ， 这 是 一个材料综合 、 技术综合 和过程综 合的过程 ， 也 是板材发展走向板材 系统 工程 的过程

板材系统工程的内容至少应包括：(a)板材生产，(b)板材成形，(c)板材冶金过程与成 形过程的协同。一个典型的例子是板材成形性系统工程的形成。最佳的板材成形性开发 工作是在研究板材成形性的有效评定和利用的同时，研究影响各种成形性指标的微观组 织结构，并在治炼工艺过程、轧制工艺过程及热处理工艺过程中综合考虑，通过控制板 材的生产过程，有效地提高成形性，同时达到板材的对路供应。这样形成的一个板材成 形性系统工程包括：(a)板材成形性，(b)金属学成形性，（©）宏观变形力学与微观变形 金属学相结合，()成形工艺与轧制工艺、热处理工艺及治炼工艺相协同。 5结 论 (1)研究板材成形性是改善板材质量的必经之路，是原材料工业迎接技术革命的 有效途径之一。 (2)板材成形研究开发的重点是：成形极限图的建立，计算机辅助优化设计冲压 件毛料外形及计算机辅助变形分析。 (3)板材成形中的第三次技术革命以计算机辅助评定成形性及优化工艺为标志， 最终把板材成形推向一个材料综合、技术综合和过程综合的科学领域。 参考文献 C1]Lankford.W.T.,Snyder,S.C.,Bauscher,J.A.S.:Trans.American Soc.for Metals,2(1950),1197 C2]Keeler,S,P.Paper No.650535,Society of Automative Engineers,1965 C8]Swift,H.W.:J.Mech.Physi.Solids 1(1952),1 [4]Hill,R.:J,Mech,Physi,Solids 1(1952),19 [5J Machiniak,Z.,Kuczynski,K.:Int.J.Mech.Sci.,15(1973),789 [6]Thomas,J.F.,Dadras,P.:Proc.of Conf.on Experimental Verification of Process=Modelling,Ohio,1983,207 〔7)周亮，陈鹤峥：北京航空学院硕士论文，1985 〔8)连建设：机械工程学报3(1986) [9]Donatell,Vi.,Sowerby,R.McMaster Metal Working Research Repo- rt83-108,1983 Cl0)Dumcan,J.L.,chu,M.S.,Wang,X,J.王先进：Mechanical Bechav- iour of Material-IV Proc.4-I M),2(1983),631 C11]Bate,P.Int.J.Mech Sci.26(1984),373 [12]Glockl,H.Bricht Nr.68.aus dem Institut fur Umformtechnik der Universitat Stuttgart,Springer-Verlag,1983 52

板材 系统工程 的 内容至 少应 包括 板材生 产 ， 板材成形 ， 板材冶 金过 程 与成 形过程 的协同 。 一个典 型的例子 是板材成形性 系统工程 的形 成 。 最 佳的板材 成形性开 发 工 作是在研究 板材成形性的有效评 定和利用 的同 时 ， 研究影响各种 成形性指标的微观组 织结构 ， 并在冶炼工艺过程 、 轧制工艺 过程及热处理 工艺过程 中综 合考虑 ， 通 过控制板 材的 生产过程 ， 有效地 提高成形性 ， 同时达 到板材的对路 供应 。 这 样形 成的一 个板材成 形 性 系统 工程 包括 板材成形 性 ， 金属学 成形性 ， 宏观变形 力学 与微 观 变形 金属 学 相结 合 ， 成形 工艺 与轧制工艺 、 热处理 工艺及冶炼工艺相协同 。 结 论 研究板材成形 性 是改 善板材质 量的必经 之路 ， 是原材料 工业迎 接技术革命的 有效途径 之一 。 板材成形研究 开发的 重 点是 成形极限图的建立 ， 计算机辅助优 化设计 冲压 件毛料 外形 及计算机辅助变形分 析 。 板材成形 中的第三次技术革命以计算机辅助评定成形性及优化工 艺为标志 ， 最终把板材 成形 推向一个材料综 合 、 技术综 合和过程综 合的科学领 域 。 参 考 文 献 〔 〕 ， ，丁 ， ， 。 ， ， 〔 〕 ， ， ， 〔 〕 ， 。 ， 〔 〕 ， ， 〔 〕 ， ， ， ， ， 〔 〕 ， ， ， 二 ， ， ， 〔 〕 周亮 ， 陈 鹤峥 北京航空学院硕士 论文 ， 〔 〕 连 建设 机械 工程学报 〔 〕 ， ， ， 一 。 〔 〕 ， 。 ， 五 ， 。 ， ， 。 。 王先进 一 。 一 ， ， 〔 〕 ， 。 。 。 。 ， 〔 幻 ， 。 、 ， 一

C13]Sowerby,R.et al.Int.J.Mech.Sci.,28(1986),415 Cl4)Lu Xueshan(吕雪山)，Liang Bingwen(梁炳文)：Int.J.Mech.Sci. 4(1986) 〔15)吕雪山、王先进、卢于速：北京钢铁学院博士论文.1987 〔16)细木繁郎：塑性上加工，25(1984)，1129 C17)吕雪山、王先进：钢铁6(1987) 小 53

〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 ， ， ， 吕雪 山 ， 梁炳文 ‘ 吕雪 山 、 王先进 、 卢于逮 北京钢 铁学院博士论文 细木繁郎 塑性 七加工 ， ， 吕雪 山 、 王先进 钢铁 卜