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2.4.2.压花/压印
2.4.3.挤压
2.4.4.落料冲孔
2.4.5.弯曲
2.4.6.深冲
2.5.机床,工具和处理
2.6.结论
3.轻量级组件制造成形
3.1.轻质成型材料
3.2.轻质结构成形技术
3.2.1.框架结构
3.2.2.壳结构
3.3.通过成型技术连接
3.4.结论
4.板料的单点渐进成型
4.1.单点渐进成型的说明
4.2.最新进展
4.2.1.在陡峭角度的成型
4.2.2.在SPIF的回弹
4.3.结论
5.高温下板料成型
5.1.机械加工操作
5.2.基于介质成型的作用
5.3.激光辅助成型操作
5.4.结论
6.测试和模拟大块金属成型中材料对变形的响应
6.1.背景
6.2.选择目前的研究
6.2.1.建模过程链
6.2.2.材料的响应和损伤演化之间的连接
6.3。
7.结论
参考文献
1简介
随着社会的发展,金属成型已经起到了一个核心作用。
Groche等[1]论述金属体积成形在制造业的发展中起到了显著作用。
随着工业革命的来临,很多改变也随之发生[2]了:
•“重大革命”,欧洲农业进步的产物,养活了更多人;
•继而有一个戏剧性的人口增长;
•工业化的普及,造成城市化。
工业革命以前,制造都是在一个车间作业水平,但是由于新能源的发现,制造业有能力发展到一个更大的水平。
伴随着产品复杂性的增加,创新和自动化水平稳步提高。
这些趋势如图1所示,表明自工业革命[3]以来不断提高的产品复杂性。
从图1中可以看出产品增长包括金属成型的速度。
从下工坊的例子就是一个产品增长速度的典型,这是工业革命以前的工艺结合的山寨产业[4]。
在1848年,虽然需求高得多,但是针枪、后装步枪的发明者,约翰Nickolas冯Dreyse只能够每年生产10,000步枪。
当步枪最终在1866年投入使用,这需要26年生产300000支[5]。
就像O’Connell[4]声明的,“清楚了要做什么才会快速生产。
”
从1820年到1850,年,金属成型、机械和标准化呗提高到一个尺度,SamuelColt声明1851年他的左轮手枪的互换性[6][7]并且,到1870年高生产率的制造能力由于订单数量而增加。
上述结论是制造和金属成型的改变的结果。
1.1CIRP金属成型专题报告
金属成型方面有了很多重大进步,这些进步就是每年CIRP的例会上专题报告的主题。
STCF专题论文是在金属成型方面重要发展的强有力的指导,并且作为全球性的指导。
从2001年开始,随着每年专题报告主题领域的新信息的变化,本文是在科学技术委员会——成型选定的专题报告。
对于被选的每一个专题报告,自从写了这些报告其中新信息又有了发展所以这些作者中写了关于新信息的更新。
2001年Geige等人[8]在微成型方面的专题报告是合适的开始。
在2000年由于对像图1中零件图的复杂性和数量追求微成型几乎被取代。
作为大规模地预测微成型的能力,在未来将有可能导致在复杂部分有所增加。
2微成型
2.1简介
自从2001年的CIRP专题论文“微成型”[8]发表过后,对进一步小型化的趋势一直有增无减,作为小型化的产品所需要的金属小零件大批量生产的需求。
继这篇专题之后一些旨在研究微成型的综述性文章陆续出版[9]-[14]。
作为2001年专题报告的结束语,创造性的工具制造和新概念,一般由作者定义为微成型技术产业化的关键因素。
许多活动的启动强调了这一结论的相关性。
这些国家级(如优先计划“制程微缩”2002-2008[15,16]和2007年设立的合作研究中心SFB747“微冷成型”[17],均是是由德国研究基金会支持),欧洲的水平(如卓越4M[18],综合项目MASMICRO[19],和尤里微金属[20]),并在国际一级(如美WTEC的研究[21]),都与微成型有直接或间接地关系。
这一章中主要讨论自该主题发表以来,与2001年相比微成型域的最新进展。
2.2在微观世界中存在的问题
为了更好地理解发生小型化的影响,分别考虑微成型系统的四个主要因素[8]:
材料,流程,工具,机床和设备。
这种系统的方法是进行调查,查明所谓的尺寸效应的基础,以某种方式直接或间接在这四个因素中呈现,并普遍被接受为传统的(宏观)成型技术知识不能简单地转移到微观的应用程序的原因。
尺寸效应的来源已细分[16]到物理(如表面体积的比例)和结构(如表面结构的可扩展性)方面。
这两种方法,包括使用规模实验,大多使用的相似理论,但仍代表所有正在进行的旨在更好地了解这个特定的“微观世界”的研究框架—现象,以及如何获得控制之下一个可靠的工艺设计和实现有效的微成型过程。
2.3.基础研究—小型化的影响
2.3.1.材料
材料方面,已取得实质性进展,特别是在模拟基于成型行为影响尺寸的描述领域。
2001年,流动应力与小型化的减少可能是由于表面层模型,微观模型在表层模型的基础上开发并用几个步骤[12,22-24]细化并将个体属性分配到试样的晶粒中。
通过将细观模型应用到有限元仿真中,可以预测必要的微成型中的现象,即分散过程和物质结构对过程结果的影响。
与之相当的另一种方法,从一个基于晶体塑性分析开始见参考[25]。
2001年提出,一旦板材厚度与晶粒尺寸的比值达到1或更小的范围内,增加弯曲力与减少试样尺寸(按照与预期相反的表面层)就是研究的主要方面,并旨在解释这一发现。
这种现象的一种解释就是根据应变梯度塑性[26]理论。
已经有人指出[27,28]从根本上考虑应变梯度和密度位错,从而联系到材料的强度之间的直接关系。
然而只用几个实验,应变梯度对成型行为的影响就已经得到验证,例如:
扭转和硬度测量,也包括在薄板材中依赖箔厚度的弹回分析[29]。
在数量上应变梯度对材料加强的影响实验测定方法见参考[30]。
板料微成形的过程已经取得了巨大的进步,特别是在机械材料特性领域。
由于断裂伸长率小,拉伸试验的机械特性是在有限的薄金属板的情况下。
前往较大的菌株,液压[31]航空[32]隆起测试已成功应用于的大小取决于物质流曲线的决心和应变硬化指数的最低薄金属箔等派生的数量为25和10厚度微米,分别形成大宗金属领域的进一步调查处理的应变率和高应变率的大小取决于物质的行为[33]和在不同温度下的钨/铜[34]。
2.3.2.摩擦
由于已在基础研究确定了一个显著的规模效应,在过去几年的几次调查中摩擦学条件已得到解决。
在显微摩擦学文献中给出了一个详细的讨论[35]。
开放式和封闭式的润滑剂口袋模型(机械流变模型)已被引入文献。
仍是做为基本模型用于描述摩擦学条件和对显微过程的影响。
由于实际的接触面积主要是摩擦学在以显微为主的进化过程中形成的亚微米地形的最高利益和目前的研究课题[36]。
进一步的工作专注于调查过程中的具体摩擦条件。
而在文献中[37][38],对微挤压过程中摩擦条件的规模效应进行了研究[39],开发带状绘图方法,使深微拉允许有摩擦参数。
我们的目标是开发一个一体化的大小取决于摩擦成有限元模拟[40]功能。
使用滚动和平面应变压缩试验[41]对连轧微摩擦的大小的影响进行了研究参考。
正如文献[42]所示,WC-C涂层能防止铝转移到硬质合金成形工具
2.4.微成型过程中的应用研究
2.4.1.冷锻
正如文献[8]中描述的,以下各种规模效应影响微挤压过程,出现了相当大的努力,以实现微成型过程形成的可靠结果。
工业微成型技术制造的微型元件的例子在文献[43]中可以找到参考。
其中七个不同的直径(最小直径0.6毫米),和顶部非对称几何组成部分被生产。
使用Zr基非晶合金微模具,与直径为1微米的微型齿轮生产[44]。
此外,形成一个创新的概念,减少了过程中的力量和提高模具填充形成[45]介绍了微型齿轮浮动模具。
其他方法的尺寸效应最小化的目标是把温度接近温锻条件[46][47]。
人们已经发现,在高温下形成导致了分散形成力量,形状演化和几何精度明显下降。
温度对钛的形成行为的影响的调查微观尺度[48],没有发现过程中分散的显著影响,但是在室温下观察比较差的在这是一个积极的成形性的增加。
在文献[49]里牙科目的的产业化示范生产是在高温下微成型的。
2.4.2.压花/压印
铸币进程为宏观产品的微观结构也起到了重要作用。
最近的事态发展,可以发现在微流体,微光学,微电子和微反应器等领域。
这些作为最有前途的领域被确定在2001年的主题文件[8]中。
然而,在微流体技术中,结构材料大多是浮雕金属工具的聚合物。
关于光学技术领域,热压过程中微透镜阵列应用在文献中使用的大块金属玻璃的生产[50]。
在文献[44]中,奈米金属玻璃的巨大潜力由压印铂为基础的金属玻璃在500nm的标志字符证明。
在文献[51]中,以金属微压印工艺的一般条件的优化做参考。
申请一个新的压印工具的设计和生产的微通道和肋骨结构减少,例如不均匀的肋骨形成。
在文献[52]中,通过宽40微米压印,在纯铝中不同的平均晶粒尺寸对微压印过程中的肋骨形成的影响进行了调查参考。
2.4.3.挤压
在微挤压发方面,对创新材料的应用的趋势继续下去。
在2001年,第一个用非晶合金实验的报道。
最近的调查集中在超细粒度,有优异力学性能的材料。
在文献中[53]对晶粒尺寸形状微挤压过程中的演变的影响进行了评估。
在文献[54]中,通过微挤出一个圆柱杯的初步试验,以一个比较落后的粗粒和超细晶材料挤压做参考。
在文献[55]中,采用ECAP加工镁,微挤压生产高强度镁微型齿轮。
在文献[56]中,片材挤出的创新方法是微钢坯制造。
2.4.4.落料冲孔落料冲孔在金属板材成型工业生产过程中已被广泛使用。
正如文献.[8]中,当考虑引线框架生产时,冲裁工艺可以达到极限值。
由于持续小型化所需要的尺寸(如间距)减少,相应地,对新兴的坯料成型过程的精度要求越来越高,如栅栏切割。
文献[57]深入研究了薄杆的切割,包括宽度在60到80微米的不同材料断面横截面积的演变。
文献.[58]中,对冲宽度和板材厚度之间的比例在成型面积及断面边缘处材料的流动的应变分布的影响进行了讨论。
文献.[59]完成了薄板的下料工序的演变模拟和几何及力学特性的预测。
2.4.5.弯曲折弯过程的准确性的一个重要因素是受尺寸效应[8]影响显着的回弹。
因此,最近的研究目的是加强相关的尺寸效应的理解和提高加工精度。
文献.[60]中用三点弯曲实验研究了最小厚度为290微米薄黄铜板的回弹行为进行。
文献.[29]对厚度范围从25到500微米的薄金属箔表面颗粒应变梯度和回弹行为的相反的影响力进行了讨论。
激光领域的弯曲的尺寸效应对激光诱导变形的影响的实验,数值模拟和分析见文献.[61]。
继而,作为折弯精度的重要因素,在形成区域的应变分布在文献.[57]中使用光学测量系统进行研究。
。
2.4.6.深冲2001年,对于微拉深只有少量的研究,利用基本缩放实验深入地调查研究这个过程见文献[9,62,63]。
文献.[64]采用热一种机械耦合限元仿真方法研究微拉深过程。
为了克服在非常薄的金属箔深冲的困难,人们开始研究深冲过程中的新概念。
文献[65]使用辅助金属冲床用聚氨酯环在成形性的改善以及形状和尺寸精度方面进行了研究。
而文献[66]使用辅助表和树脂模具。
文献[67]采用另一种方法,热等静压,形成超薄箔微通道。
文献.[68]通过产生的冲击波将机械微拉深和一种新的激光深冲技术进行比较。
2.5.机床,工具和处理2001年的专题论文中讨论过,微成型过程中设计工具和机器系统有两个策略仍待解决:
扩大传统的尺度和提出工具及机器的新概念。
前者的一个例子是布Bruderer用压力平衡系统制造的BSTA-压力系列[69]。
在新机床和模具的概念领域,也提出了一些新的办法。
而压电驱动器,见文献.[45],由于其有限冲程小于1mm,所有只能在特定领域使用,在文献.[70]首次提出的电磁直接驱动,可能因其更普遍而被大家看好。
技术/实验室解决方案见文献[71,72]。
设计工具方面,文献[73]提出了一个灵活的针对冷锻微件的工具系统,并且文献[74]中使用例如微型元件讨论了块材金属微成型中工具的设计和制造的方法。
电火花加工工具制造业,已经取得了相当大的进展。
EDM加工技术目前的潜力见文献[75]。
另一种方法是切割技术,分别与微细EDM加工和其他能源辅助工艺相比,其具有最先进的工艺,见[76,77]。
处理微件的现存系统的最新综述可见文献[78]。
2.6.结论
关于微成型最近的事态发展的一个简短的调查与2001年的最先进的相比。
尽管简短,微成型部分显示,自2000年以来的许多活动和创新的理念已经开始鼓励微成型团体继续。
微成型技术的工业应用方面已取得进展,但仍然必须作出最后的突破。
有许多实验室,原型例子和几个工业微成型流程链已经实现了,证明了成本效益,大量微成型生产技术系统的潜力。
3.轻量级组件制造成形
在现代交通运输工程中,轻量级组件的应用程序是一个核心挑战。
由于经济,生态的原因和改进产品性能,质量减少是必要的。
这涉及到不同的工程学科的方法。
因此,轻巧的结构可以被定义为一个使用一切可用的包括设计领域,材料科学,制造业技术的手段综合性的建筑,并结合同时增加的功能,以减少整体结构的质量和其单个元素。
对于质量是产品功能的关键的产品,轻型结构是关键,如航空应用。
当产品受到加速,轻量级的组件可以增加产品的性能,例如允许更高的革命较轻的曲轴。
非悬挂质量减少在汽车底盘时,可提高驾驶舒适性和安全性。
减少质量也提高了燃料的消耗。
轻量级组件和汽车应用结构(图2)的发展正在被投入大量的精力。
在这些领域中,首先是轻量级的建设,使用轻型材料,第二是不同的设计策略。
关于火车或汽车,车架和壳结构的车身结构可以有所区别。
两种设计策略通常是链接到一个特定的材料:
在框架结构[79]的情况下铝,壳结构的情况下钢[80]。
因此,出现不同的生产需求使用不同的设计策略[81][82]。
设计,选材和制造技术密切相关。
在大规模生产的情况下,尤其是用于汽车应用,金属成形提供轻量级组件和结构的有效生产成本的可能性。
像加工硬化和负载调整材料方向的优势,提供轻量级结构的额外潜力。
3.1.轻质成型材料
用一个物质基础的办法来制造轻量级组件,使用轻金属-保持相同的工件的几何形状-降低组件的重量。
虽然铝的密度是第三钢,铝的强度和拉伸模量只有第三。
由于轻金属的使用必须不降低产品性能,如强度,必须考虑具体的材料特性。
拉伸模量取决于金属本身,不能被合金或等级改变。
根据需要,增加特定的刚度(拉伸模量/密度),例如:
结构性汽车应用,因此可以只实现更大的空心截面。
一些高强度钢(HSS)的重量比强度,尤其是不锈钢,使他们与一些铝合金相比成为优良的轻质建筑材料。
根据实际的合金和档次,钢铁和铝是和像镁和钛一样的“轻金属”。
此外,复合材料,如金属基复合材料(MMC),提供超轻量级组件。
不幸的是,在较高的强度合金开发的进展情况下始终在较低的名义断裂,从而限制了其成形性应变结果[83]。
因此,高强度合金在成型操作,更为严格的印刷机和更耐磨的工具要求更高的力量。
后者可以实现陶瓷刀片锻造[84]或深冲操作[85]。
与此同时,低延展性限制设计的可能性。
为了获得轻量级组件,分发这些材料是至关重要的。
所使用的材料应根据应用的组件负载理想分布。
近期的发展使用越来越多的拓扑优化和仿生方法[86]。
在迭代设计过程中,材料作为添加组件在有需要时由于负载和材料被删除,这个过程可以比作骨或一棵树的生长。
众所周知,铸造过程提供替代品制造复杂的零件时,成型工艺使一个致密的物质结构导向并行负载路径(图3)。
此外,已经形成过程指定的锻造合金更高的屈服应力增加加工硬化效果。
不幸的是,成型工艺在铸造或切割过程不允许复杂形状工件。
为了克服这个约束,一种可能性是在已经提供了合适的材料分布时使用半成品。
量身定制的钣金产品,不同尺寸,材料,合金,或级别结合在一个单一的工件,更复杂的产品或过程的设计和更复杂的形状可以实现。
另一方面,形成这种半成品的过程,需要增加知识的过程,观察不同材料的行为,并指定自适应成型工艺和工具的发展[87-89]。
此外,用于轻量级组件的高强度,低韧性材料有有限的物质分布选择。
为了避免这种情况,一些解决方案如下:
•在高温下形成,
•增量成形,
•超塑性成形
••触变成形。
高强度钢成功形成的一个例子是通过一个非常复杂的几何手段制造传统和水力机械深拉不锈钢油箱。
多年来,通过塑料吹塑过程取得客车的油箱,,占大约70%的油箱的生产。
由于复杂的包的限制,它允许制造形状复杂件。
但从立法需要坦克塑料不符合目前碳氢化合物的零排放。
和高强度低碳钢相比,除了紧密扩散,不锈钢提供高耐腐蚀性和突出的成形性。
然而,这样一个复杂的形状的制造只能通过大量使用的有限元模拟。
因此,不锈钢罐由于壁厚较小,轻20%,同时提供超过传统的塑料油箱4%的容量(图4)[90]。
3.2.轻质结构成形技术
如果所使用的材料是附近屈服应力和只用于构件应力出现的地方,轻型结构是最优的。
因此,这种结构主要是设计的强度,即结构不会失败。
这样的设计原则是在材料比强度最高的航空航天的应用,例如680兆帕的铝合金EN-AW7449用在了A380机翼上的一面。
在汽车应用中,结构设计刚度,即结构没有太多弹性弯曲。
这种额外的要求自然增加结构重量。
只有崩溃有关的结构是完全指定变形吸收碰撞能量,因此是为强度设计的。
两个主要的建设原则是根据一个轻量级结构的目的,在一定程度上相互重叠。
只要结构只进行一个给定的的负载,使用框架,例如:
起重机,脚手架,桥梁,纪念碑像艾菲尔铁塔。
一个壳结构,另一方面是使用结构密封反对,例如压水,燃料或空气。
虽然框架主要涉及使用像束管或型材,壳结构处理钣金空白[92]。
3.2.1框架结构
在汽车壳结构相比,只有简单的几何被应用于框架结构中。
在许多应用中,大部分构件是圆形或矩形截面管。
焊接圆管在轴管,自行车车架,园林椅,或滑雪拐杖中是很常见的。
挤压管应用在简单的空间框架中,像宝马C1(图5)。
无缝钢管提供最佳的机械性能,但由于成本高,他们只是一个小的细分市场,像直升机降落大桶,传动轴,或液压管[93]。
在汽车应用中,单中空型材最为广泛。
特别是在低量生产,如原型或利基车,越来越多的主体为白色的空间框架都是由铝型材[79]做成的。
这主要是由于型材截面的设计的可能性,其中包括具有面积惯性高等结构特性的附加功能[94]。
由于刀具成本低,直型材,在低批量规模方面比传统的深拉双半壳的工件更经济,如车顶行李架或交叉的构件,需要更昂贵的工具[79]。
另一方面,因为可以制造复杂的三维(3D)部分,而纵轴对称挤压型材,所以深冲压件能提供更好的物质分布,也正是这种对称限制着设计方案。
此外,深冲压零件通常需要后续弯曲操作,以获得一个曲率,可直接生产具有弯曲形状的挤压型材。
在这里,昂贵的工具提高了批量大小的最低费用。
镁是一个轻量级框架结构的有用之材。
和钢和普通铝合金[95]相比,它提供了一个相当高的比强度。
对比铝和镁,钢就不能挤成如墙壁薄的,从而足够满足汽车车身要求的空心异型材。
因此,空间框架主要是由激光焊接钢管组成[96]。
这些传统弧形半成品的生产涉及到型材的挤压、拉伸和连续弯曲等工艺链。
然而,这样的半成品在复杂工艺设计的弯曲中有明显的不足,也给制造带来负面的影响。
一些相关的问题,由于回弹、截面变形、组件内的残余应力减小和成形性的减少,是不准确的剖面轮廓。
特别是在弯曲和用液压成形进行进一步处理的工艺。
由于这些原因,传统工艺链往往不能完成所需的组件属性[84]。
在不同的弧形型材挤出(CPE)挤压过程中,用一个指导性工具使其退出时偏转,因此,型材退出时具有弯曲的模具形状(图6,左)。
其弯曲挤压是一个具体的物质流速度剖面的结果,是因为拉伸和压应力以及侧向力造成的。
在这里,弧形轮廓的轮廓半径是完全取决于模具的指导工具的地位。
从挤出过程本身,而不是从横向力来看,CPE是可塑性的结果。
因此,CPE的弯曲型材的生产性能优于弯曲型材。
其生产性能都要好的有这些:
形状精度高(不回弹),最小的截面变形,减少的残余应力和未经扣减的成形性[97,98]。
3.2.2.壳结构
在用于中小批量生产的框架结构中,用于汽车车身应用的壳结构大批量生产。
与只有成形技术的铸造工艺相比,能够提供大型薄壁空心组件,适用于要求表面质量的皮肤外板。
由于大批量生产的汽车材料价格[99]总成本约为50%,钢是常用的。
随着被认为是为减轻重量,特别是在车上,更昂贵的材料,如铝,甚至镁金属板材被应用。
虽然提供相同的特定强度和刚度,他们在一个更高的板材厚度的密度,单位面积相同的重量大大增加特定的凹痕阻力和壳刚度结果。
不同的研究已进行调查超轻型车身的可行性。
虽然ULSAB联盟的无限制钢单使用[100],福特汽车公司开发了全铝制车身壳结构设计的P2000[78]。
为了减少轻型结构成本的需求,钣金件已形成较大规模。
因此,工件和成型工艺更加复杂和困难不仅由于规模,而且由于使用激光拼焊。
而在以前,不同厚度的部分,在装配中加入,现在不同的墙壁厚度组成的单件为半成品(图7)[100]。
根据所用材料不同,具体形成的问题出现在深冲及相关流程。
从铝观念出发,密切关注铝形成的具体行为。
例如改编绘制的深度方面,半径较大和一个同质的供给需要考虑[101]。
在处理钢板,高强度等级的使用会导致重大的挑战,如较高的工具。
为了防止起皱,粘合剂适用于更高的力量,导致刀具磨损增加,高档刀具材料,工具,涂料,甚至必要的陶瓷刀片的使用。
该材料的高强度也是在回弹时增加,有限元模拟补偿[102]。
通过采用灵活多样的的工作介质的形成,制造复杂的钣金零部件,因此支持轻量级建设[103,104]。
在气动机械深冲,气动预成型可用于额外在金属板或预分发材料为后续深冲操作[105]导致的工作硬化。
在水力机械深拉(头盔,图8,左),模具是由流体[106]更换,水电在高压金属板材成形(HBU,图8右),它是被冲床替换[107]。
HBU允许通过一个独特的伸缩操作钣金增加加工硬化。
头盔的一个优势是可以实现绘图比例较高的限制,因为在较高的表面压力较大的接触面积之间的冲头和工件,从而使更高的绘图力量转移。
另一方面,HBU允许任意分布绘制深度拉伸和深冲部分。
此外,一个更好的形状精度达到比较传统的拉深[108]。
3.3.通过成型时连接
根据轻量化结构和所使用的材料的几何形状,可应用于不同的连接
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