浅谈钣金件毛坯料的计算方法

于富琳　于瀛

摘要：钣金件毛坯料的计算问题是一个重要的工艺环节。本文对各种传统的钣金件的毛坯料的计算方法进行了分析；同时也对先进的计算方法进行详细的阐述。通过分析可以得到传统和先进的计算方法的各自优点和适用场合。

引言

钣金件毛坯料的计算方法是钣金工艺中的一个难题，同时也是分析钣金件件变形程度、设计工艺及拟订工艺规程的前提。如果钣金件的设计合适，这晚过程中材料的流动性将更好，从而明显地减少拉裂现象的发生，成形极限也可有所提高，减少切边余量，节约金属材料。

1. 传统钣金件毛坯料的计算方法

1.1.经验法

经验法是根据面积不变原理进行折弯展开计算的一种近似方法，在实际生产中被广泛应用。由于成形过程力学分析复杂，人们经常采用近似的几何估算和试模修正相结合的方法得到折弯展开的近似形状。不同种类零件的经验公式各不相同，目前企业采用的方法。

1.2.逐次逼近法

逐次逼近法是取印有坐标网格的一定形状的板材作初始毛坯料，将其压延成适当高度的工件，观察凸缘外边缘处材料，通过分析判断出多余材料的部位，在下一次钣金上将该部分去除：接着用经过第一次去除的钣金外形作为本次钣金的初始形状，重新压延，观察并去掉多余的料，如此循环往复进行，直到得出真实结果。但是该方法资源消耗较大，而且应该去掉部分不容易定量把握，因此该方法效率较低。

1.3.拼合法

拼合法是根据压延件相应部分面积相等的条件确定毛坯各部分的面积。展开原则是直边部分按弯曲变形毛坯的长度进行计算，圆角部分按四分之一圆杯压延变形计算毛坯半径，然后用圆角光滑连接过渡区，即可得到毛坯形状。拼合法对压延过程中凸缘材料流动进行的非连续性假设和整体转移假设，使得此方法要想获取较高的精确度，就必须使假设对应的零件尺寸尽可能地小。

1.4.滑移线法

滑移线法的基本假设是板料厚度不变，且处于平面应变状态：材料各向同性，无硬化：不考虑摩擦力对塑性流动的影响。这样可以推出拉深过程中模具轮廓与板料周界是主应力迹线，因此滑移线与这些轮廓呈45。，绘出每点的两个最大剪应力方向并作包络线，得到两组互相正交的，表示最大剪应力方向的滑移线。当板料处于屈服时，各点的最大剪应力达到最大值，塑性变形就沿着这些迹线进行滑移。应用滑移线理论，研究和制作冲压毛坯的合理形状和尺寸，是一种比较直观和合理的方法。但是滑移线法的建立是一件复杂的工作，用手工方法比较困难，用计算机建立滑移线场只能处理一些简单的平底、直壁、平压料面压延件，因此滑移线法无法大范围使用。

1.4.势场模拟法

势场模拟法假设冲压件板料为不可压缩的平面各向同性的刚塑性体，冲压中，介于工件边缘和准确毛坯边缘之间的凸出部分，处于塑性状态，并在内边缘应力的作用下向凹腔内流动。根据物理模型数学描述的相似性，从理论上可以证明，冲压工件凸出处金属的这种流动与相似区域、相似边界条件的纯粘性流体的流动、电流的流动或热传导具有相似性，因而可由势场模拟求出不规则冲压件的展开毛坯料外形。一般对于外形相近的冲压件，只需求出某一尺寸的等位线，其他尺寸的等位线可以通过缩放得到。

2. 先进钣金件毛坯料的计算方法

2.1_有限元逆算法

有限元逆算法的一个主要特点是将板料成形过程简化为一个或若干个简单叠加的变形过程，采用全量理论进行分析。因此计算可以只考虑初始形状和最终形状，忽略中间的变化。这是一种预测板料成形中大变形的高效算法。该方法考虑了三角形CST膜单元、大弹塑性应变、厚向异性及模具运动引起的垂直或法向节点力。压边圈的摩擦和压边力以及冲头的摩擦和正压力用简化的外力矢量表示。

2.2结构进化优化方法

结构进化优化方法主要是以一个面积大而且形状简单的板材开始计算，再逐步去除板材中多余的材料，直至获得理想零件所需要的尺寸。该方法最大的优点在于简单且有效。结构进化优化方法有两大优点：其一，无需计算梯度，只要一些网格数据以及一些单元输出信息：其二，这个软件独立于成形仿真求解器，它可以与任何工程上的仿真软件相兼容。然而不足之处是，迭代效率低，由于采用三角单元，使得最终板料轮廓不够光滑。

2.3.比例因子法

比例因子法的基本思想调用有限元分析软件进行冲压模拟，获得终了轮廓线。然后，将终了轮廓线与目标轮廓线进行比较，如果形状误差在公差允许范围之内，则结束运算，输出该初始轮廓线。反之，则对该初始轮廓线进行特定的偏置，再调用有限元软件对偏置后的轮廓线进行冲压模拟，获得偏置后的终了轮廓线。最后，计算出零件变形的比例因子。通过比例因子对初始轮廓线进行修正，再将修正后的轮廓线作为下一次迭代的初始轮廓线。这样不断循环，直至形状误差均在公差允许范围之内，结束迭代，将最后一次迭代的轮廓线作为最优轮廓线输出。此方法的优点计算精度更精确。不足之处在于初始轮廓线和目标轮廓线的选取依赖经验的积累，而且形状误差的计算和初始轮廓线的偏置及调整工作量较大。

3. 结论

通过对钣金件毛坯料计算方法的分析，可以得到传统计算方法计算的精度相对较低，先进的计算方法计算精度较高。但是每种计算方法都有自身的适用条件，应根据不同的要求合理选择计算方法。

参考文献

[1]梁炳文，胡世光.板料成形塑性理论[M].北京：机械工业出版社，1987

[2]罗曼诺夫斯基，迟家骏译.冷压手册[s].北京：中国工业出版社，1965

[3]韩志仁.一种确定钣金成形件毛坯的新方法[J].航空学报，2005.26（1）：125 128