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沖壓工藝的新發(fā)展:材料、工藝、測控一體化

  • 2008-5-26 13:02:41
  • 來源:金屬加工在線
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作 者:張士宏
關(guān) 鍵 詞:沖壓工藝
文獻(xiàn)摘要:工藝、材料、控制一體化就要求通過物理測試、模擬和數(shù)值模擬掌握材料與工藝的優(yōu)化匹配,并根據(jù)具體工藝要求實(shí)現(xiàn)工藝控制或在線測控。
      沖壓是一種傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù),可考?xì)v史已超過千年。
傳統(tǒng)沖壓技術(shù)主要是模具和工藝設(shè)計(jì)問題,以銅及銅合金、鋼鐵、鋁和鋁合金為主要材料。由于這些材料的發(fā)展和應(yīng)用歷史很長,性能掌握成熟,因此沖壓工藝主要依賴模具配合實(shí)現(xiàn),對材料的依賴性不是很明顯。
    近年來,隨著汽車、航空航天等工業(yè)的發(fā)展,很多新材料得到越來越多的應(yīng)用,例如一些難變形沖壓材料:鈦合金、鎂合金、復(fù)合材料和高強(qiáng)鋁合金等。材料科學(xué)和塑性力學(xué)的發(fā)展帶動(dòng)了沖壓技術(shù)的進(jìn)步,計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,也使過去難以實(shí)現(xiàn)的工藝成為可能。進(jìn)入21世紀(jì)以來,沖壓技術(shù)逐漸發(fā)展為一門技術(shù)科學(xué),呈現(xiàn)出工藝、材料、控制一體化的發(fā)展特點(diǎn)。工藝、材料、控制一體化就要求通過物理測試、模擬和數(shù)值模擬掌握材料與工藝的優(yōu)化匹配,并根據(jù)具體工藝要求實(shí)現(xiàn)工藝控制或在線測控。
    (1)材料性能量化控制。物理模擬技術(shù)是掌握材料性能獲得量化規(guī)律的必要手段。較早的物理模擬技術(shù)是使用一些與成形材料性能相似的模擬材料和測試方法,主要用于解決工藝可行性問題。近年發(fā)展起來的一些Gleeble等試驗(yàn)設(shè)備為測試材料性能提供了更廣泛的可能性。可進(jìn)行壓縮、扭轉(zhuǎn)等試驗(yàn),模擬各種不同溫度、不同摩擦條件、不同變形速度條件下的變形加工,獲得材料的各種性能數(shù)據(jù);并根據(jù)這些數(shù)據(jù)獲得材料成形極限和材料本構(gòu)關(guān)系的定量表達(dá)式,使計(jì)算或模擬的材料塑性變形過程更加準(zhǔn)確可靠,為沖壓加工的定量控制提供了材料基礎(chǔ)。
    (2)沖壓生產(chǎn)智能控制技術(shù)。近年來,沖壓生產(chǎn)智能控制技術(shù)也是發(fā)展很快的一個(gè)領(lǐng)域。它在材料、工藝一體化的基礎(chǔ)上,依據(jù)已有材料和工藝數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)沖壓加工過程的在線控制或智能控制(也稱為自適應(yīng)控制)。首先對材料或工藝參數(shù)建立在線檢測系統(tǒng),當(dāng)材料性能或工藝參數(shù)發(fā)生變化或產(chǎn)生波動(dòng)時(shí),由自動(dòng)檢測系統(tǒng)(傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng))在線確定相關(guān)參數(shù)的瞬時(shí)量值,并通過計(jì)算機(jī)模擬分析和優(yōu)化軟件(例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、專家系統(tǒng))確定參數(shù)變化后的最佳工藝參數(shù)組合。自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)整工藝參數(shù)后,可以實(shí)現(xiàn)沖壓工藝過程的自適應(yīng)控制。新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)逐漸積累,可進(jìn)一步成為后續(xù)加工過程的工藝優(yōu)化基礎(chǔ)。
    (3)科學(xué)的沖壓生產(chǎn)技術(shù)是多種場量的耦合控制。復(fù)雜件沖壓成形要求對沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行場量控制,有些材料要求場量實(shí)現(xiàn)梯度分布,這是塑性力學(xué)原理與材料性能結(jié)合的需要;溫度場、變形速度場、摩擦潤滑場、材料流動(dòng)趨勢、材料變形順序(屈服順序)及變形路徑等。
    這些場量也不是恒定的,是過程變量,因此加熱冷卻措施、潤滑方法與潤滑劑、模具結(jié)構(gòu)、壓邊方式(變壓邊力與多點(diǎn)壓邊)、拉深筋和加載方式都是控制場量的重要措施。溫度場的控制可實(shí)現(xiàn)差溫沖壓成形;摩擦梯度場(潤滑梯度場)也是控制沖壓變形的重要手段。摩擦可以為沖壓變形材料流動(dòng)提供一定阻力,一般要求盡量減少摩擦力,然而有時(shí)摩擦力也有助于提高材料成形極限。而且還可以通過模具結(jié)構(gòu)、圓角半徑、壓邊方式、模具間隙、拉深筋和模具分塊控制坯料的受力狀態(tài),進(jìn)一步改變坯料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)、材料流動(dòng)趨勢和材料屈服順序、材料變形順序和材料應(yīng)變歷史。例如拼焊板沖壓時(shí),為減小坯料焊縫移動(dòng),使坯料變形均勻,一般通過模具凹模凸臺(tái)和變壓變力方式控制沖壓變形過程;而汽車覆蓋件沖壓采用拉深筋已是很普遍的措施。作者提出的可動(dòng)凹模液壓成形技術(shù)因凹模采用分體結(jié)構(gòu),使坯料各部位變形順序得到改變,避免了局部變形過大,顯著提高了成形極限,可以一道次成形非常復(fù)雜的沖壓件。
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