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以鋼球作為工作介質(zhì)的殼體拉深成型工藝

在基于工作介質(zhì)的拉深工藝中，采用液體介質(zhì)的板材成型工藝是制造拉深件、并經(jīng)受了使用考驗(yàn)的成熟技術(shù)。但是，這種工藝的缺點(diǎn)是需要附加液壓設(shè)備和在拉深模中需要采取花費(fèi)較高的密封措施。而這些不足可以通過采用無(wú)定形固體介質(zhì)（Dynamic Particle Forming—?jiǎng)討B(tài)粒子成形工藝）的鋼球所進(jìn)行的拉深成形工藝來(lái)避免。新的研究成果表明，通過單個(gè)并合介質(zhì)的打包，可以達(dá)到拉深工藝的進(jìn)一步優(yōu)化。

制造業(yè)所有領(lǐng)域里的企業(yè)都參與到了全球的競(jìng)爭(zhēng)中。因此，德國(guó)的板材加工工業(yè)常常要被迫面對(duì)價(jià)格的挑戰(zhàn)，在價(jià)格上的要求，在經(jīng)濟(jì)管理上是難于實(shí)現(xiàn)的。只有通過采用新的制造技術(shù)才能滿足以經(jīng)濟(jì)的加工過程和以高的質(zhì)量來(lái)制造構(gòu)件的要求。按照這種觀點(diǎn)，在漢諾威高等專科學(xué)校（www.fh-hannover.de），采用無(wú)定形固體介質(zhì)鋼球的拉伸成形研究項(xiàng)目是一項(xiàng)很有應(yīng)用前景的成形工藝項(xiàng)目。

基于無(wú)定形固體介質(zhì)的拉深成形工藝與傳統(tǒng)工藝的比較

作為拉深成形的特殊工藝，Dynamic Particle Forming ( DPF )（動(dòng)態(tài)粒子成形工藝, 即采用無(wú)定形固體介質(zhì)的拉深成形工藝）與采用剛性模具（凸模+凹模）相比，在模具要進(jìn)行改裝時(shí)，前者則具有較大的柔性；在制造模具時(shí)前者又可以節(jié)省費(fèi)用，因?yàn)�，只需要制造一個(gè)凹模就可以了。由于液壓成形工藝需要較大的鎖模力，所以需要采用附加的液壓設(shè)備。但是，采用無(wú)定形固體介質(zhì)的拉深成形工藝可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的液壓拉深壓力機(jī)上，因此，不需要其他附加設(shè)備。新工藝另外的優(yōu)點(diǎn)是，無(wú)定形固體介質(zhì)有著類似液體的特性，因此，在拉深過程中出現(xiàn)的應(yīng)力，在板材上是呈均勻分布的。

為了對(duì)在拉深過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行分析，是利用有限元方法研究了介質(zhì)的特性。對(duì)于這種介質(zhì)的情況，作為有限元分析的設(shè)想安排是來(lái)代替各個(gè)鋼球進(jìn)行無(wú)間隙排列的仿真。

利用材料的物理特性（這里系指力（應(yīng)力）與位移（變形）相聯(lián)系的材料機(jī)械特性—譯注），球體填料的特性賦予了工件變形的連續(xù)性，對(duì)此，在以必要的各種參數(shù)進(jìn)行了工作介質(zhì)的大量單個(gè)試驗(yàn)后,得到了現(xiàn)有的材料特性，并以有限元模型進(jìn)行了分析。一個(gè)現(xiàn)有的模具當(dāng)作模型來(lái)用，在這個(gè)模具上采用無(wú)定形固體介質(zhì)成形工藝已進(jìn)行了大量的板材拉深成形試驗(yàn)。在制造模型時(shí)，模具僅以30。的凹口作軸對(duì)稱布置，由此縮短了計(jì)算時(shí)間。此外，通過采用硬材料鑄型來(lái)制造所有的模具零件，因?yàn)�，這里只是對(duì)工作介質(zhì)以及板料和膜片進(jìn)行試驗(yàn)。通過有限元分析所取得的成果表示在工作介質(zhì)的三維應(yīng)力分布上。在介質(zhì)上面的范圍里，在凹模上面的半徑處產(chǎn)生最大的壓應(yīng)力。在這個(gè)部位，板料連同膜片在工作介質(zhì)的作用下繞著第一個(gè)半徑進(jìn)行拉深。當(dāng)進(jìn)一步觀察應(yīng)力時(shí)，出現(xiàn)一種橋式類型的應(yīng)力。就是說，它產(chǎn)生一種橋式的形狀，靠在凹模錐形曲線上并相對(duì)于工作介質(zhì)的對(duì)稱軸線延伸。

鋼球迅速卸載 減小橋式應(yīng)力

橋式應(yīng)力由于楔的緊鎖作用阻礙了材料的流動(dòng)，由此增加了拉深時(shí)的力，這樣，對(duì)模片就增加了較大的負(fù)荷。此外，在工作介質(zhì)的中間可以看到正在減弱的應(yīng)力，在拉深件的底部，這個(gè)應(yīng)力又稍有增大。這再次表明，在介質(zhì)上面部分材料被楔緊，而在下面的部分則減輕了壓力。在實(shí)際的拉深過程中也出現(xiàn)了同樣的情況。通過給鋼球迅速卸載，而找到一種補(bǔ)救措施，以實(shí)現(xiàn)鋼球的重新進(jìn)行定位，減小了橋式應(yīng)力。利用已得知的材料物理特性，迄今并沒有成功使橋式應(yīng)力減小。不過，已找到一種方案，大量的單個(gè)鋼球自動(dòng)地同剛性鑄型模相匹配并利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)能力進(jìn)行計(jì)算。因此，在加載和卸載時(shí)也可以考慮鋼球的重新定位。

采用并合工作介質(zhì)的拉深成形工藝

暫時(shí)取得的成果表明，在材料成形過程中出現(xiàn)鋼球在排列方面的無(wú)規(guī)則以及出現(xiàn)空位或間隙，這導(dǎo)致阻礙了材料的流動(dòng)。這種現(xiàn)象通過模具的X射線照片同樣可得到證實(shí)。借助于一個(gè)玻璃制成的在結(jié)構(gòu)上有一個(gè)單層成串排列球體的模型模具，在這里，有限元分析的成果可再次得到驗(yàn)證。

在2007年3月出版的BLECH InForm雜志上已經(jīng)介紹了采用無(wú)定形固體介質(zhì)的板料成形技術(shù)。在這篇文章里，也列出了這種工藝需進(jìn)行優(yōu)化的幾個(gè)方面：膜片的使用壽命、操作和不間斷進(jìn)行的成形。因此，在進(jìn)行進(jìn)一步的研究中，成形工藝是通過一個(gè)新的方案來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，工作介質(zhì)是以單個(gè)相互分開的并合體（Segmentel Action Media—并合工作介質(zhì)）替代一種在壓力腔中松散的球體填料。

在這里，工作介質(zhì)（鋼球）被封焊在多個(gè)聚合物兜里，這種聚合物兜放置在壓邊圈的壓力腔里。這樣，采用無(wú)定形固體介質(zhì)的拉深，在結(jié)構(gòu)上較為簡(jiǎn)單，并易于操作。因?yàn)楣ぷ鹘橘|(zhì)已經(jīng)被打包，在板料和工作介質(zhì)之間就沒有必要安置聚合物膜片。此外，對(duì)于采用無(wú)定形固體介質(zhì)板料成形工藝，所采用的聚合物兜以及松散的工作介質(zhì)填料也與工件的幾何形狀無(wú)關(guān)。并合工作介質(zhì)，能使工作介質(zhì)的容積定量較為簡(jiǎn)單，從而可便于適應(yīng)工件的拉深深度。通過對(duì)單個(gè)聚合物兜進(jìn)行添加或取出工作介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)容積的定量。由此，還可以同時(shí)明顯縮短準(zhǔn)備時(shí)間，同時(shí)，損壞的聚合物兜可以十分方便地進(jìn)行更換。用并合工作介質(zhì)板料成形工藝能夠使難于成形的諸如鋁合金材料不間斷地實(shí)現(xiàn)成形。此外，即使在比無(wú)定形固體介質(zhì)成形工藝還小的成形力情況下，仍可以達(dá)到較大的拉深深度。聚合物兜的形狀是可以變化的,以致幾乎可以實(shí)現(xiàn)工件所有的幾何形狀。由于聚合物兜可長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，具有較高的生產(chǎn)效率和相當(dāng)?shù)偷闹圃斐杀�，采用并合工作介質(zhì)成形工藝，可以看作是在基于工作介質(zhì)的拉深工藝領(lǐng)域里在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上的進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展。