鈑金成形工藝的設計涉及很多因素，如模具尺寸、毛坯形狀、板料厚度、壓邊力、拉延筋抗力、摩擦、潤滑等等。毛坯形狀的確定是鈑金成形工藝設計中的一個重要問題。如果毛坯形狀合理，變形沿毛坯分布不均勻的現象就能夠得到明顯改善，成形極限也可有所提高，并能降低突耳高度，減少切邊余量，節約材料，而且能減少甚至能免去后續的修邊工藝，大大降低了生產成本；另一方面，合理的毛坯外形能改善成形過程中材料的應變分布，減少缺陷的產生，提高產品的質量。

        在生產實際中，有各種復雜形狀的直、斜壁拉深件和復雜形狀的覆蓋件。當用沖壓方法制造這類零件時，為確保制件質量和降低原材料消耗，使用合理尺寸和形狀的板料毛坯十分必要。確定合理的毛坯形狀并不容易，它是國內外學者長期努力探索研究的課題。盡管有很多學者一直在這方面進行探索，但因鈑金成形是一個非常復雜的過程，影響成形的因素太多，因而至今未能得到滿意的結果。

       目前已經提出了很多確定合理毛坯的方法。其中包括經驗法、幾何映射法、滑移線法、反向法、理想成形法、電模擬法、有限元法[1~6]。這些方法都是針對某一類鈑金件在一定假設的基礎上提出的。各有自己的優點和不足。本文提出了一種物理模擬確定鈑金成形件毛坯形狀的新方法，定義為物理逆向法。

    1、物理逆向法的理論基礎

    物理逆向法是利用具有形狀可恢復性的高分子聚合物進行模擬試驗。使用實際的成形模具，由模擬材料制備出零件，然后對其進行修邊，利用材料的形狀可恢復特性對修邊后的成形件進行高溫退火展開，得到一個平面高分子聚合物平板，將這個平板的外緣形狀作為鈑金成形件的毛坯形狀。此方法主要是利用模擬材料的形狀可恢復性和模擬試驗的相似性原理。

    (1) 相似性原理

    使用模擬材料進行物理試驗時模擬材料和原型材料必須符合相似理論，鈑金成形中要求的力學相似條件有：

    ① 應力應變相似性的判別，當模擬材料與原型材料的σ/σS-Eε/σS曲線重合時，兩者的σ-ε曲線完全相似，其中：σ為應力，σS為屈服強度，E為彈性模量，ε為應變。

    ② 屈服準則的相似判據，即模擬材料與原型材料應服從相同的屈服準則。

    ③ 泊松比的相似判據，即模擬材料與原型材料的泊松比變化規律應一致。

    (2) 模擬材料的選擇

    高分子聚合物是一種雙相材料，即存在可熔和不可熔兩組分子鍵網格。室溫時，這兩組網格都是固態，載荷由它們共同承擔，加熱后，可熔網格化為液體，載荷主要由不可熔網格承擔。當溫度達到凍結溫度時，載荷全部由不可熔網格承擔若此時開始降溫，則可熔網格開始固化變硬，將不可熔網格因承擔載荷所發生的變形固定下來。溫度降至室溫，卸去載荷，這一變形態仍被保存下來。根據力的相似條件，這一變形過程與金屬的彈塑性變形具有相似性。因此選擇這種具有形狀可恢復性的高分子材料為模擬材料，如聚碳酸酯(PC)、有機玻璃(PMMA)，它們具有如下特點：

    ① 聚碳酸酯的σ/σε-Eε/σε關系曲線與許多具有硬化性能的金屬材料一致，服從Misses屈服準則。

    ② 聚碳酸酯與鋁材在相應應變范圍內的泊松比變化規律也基本一致。

    ③ 當應變較大時(5%~8%)，聚碳酸酯處于一種特殊的高彈性狀態，類似金屬的塑性狀態一般利用這一狀態來研究金屬的彈塑性特性。

    (3) 物理逆向法的機理

    選擇與成形材料具有力學相似條件的模擬材料，用模擬材料進行物理成形試驗。在成形中其它工藝條件應與原形材料具有相似性。通過物理成形試驗，得到一個模擬材料的成形件，對其進行修邊處理，得到和實際零件幾何形狀相同的成形件。

    選用的模擬材料具有形狀記憶性和應力、應變凍結性兩個特性。利用形狀記憶性，將物理模擬試驗中得到的經過修邊的成形件進行加熱，高溫退火，使成形件恢復成板料。可以用恢復后的板料的形狀作為鈑金成形件毛坯的展開形狀，進行試壓。如果不能滿意，可將它作為第2次物理模擬試驗的毛坯確定依據，重復上述過程。以便得到合理滿意的毛坯展開形狀。

　　2、試驗裝置及試驗

　　(1) 試驗裝置

　　為了實現物理逆向法確定鈑金成形件展開毛坯的全過程，需要在凍結溫度下完成模擬材成形，而后高溫退火將經過修邊的成形件恢來的板料形狀。根據此要求設計了如圖1所模擬實驗裝置。該裝置可控制加熱時溫升能保持恒溫。模具置于爐膛內，可提前預熱模配有導向板，以保證凸模和凹模之間的均勻。

　　圖1 試驗裝置簡圖

　　(2) 試驗方法及試驗結果

　　為了驗證此方法，采用聚碳酸酯(PC)作擬材料，以一種拉深模具作為試驗模具，進行驗性研究。其具體的步驟和結果如下：

　　首先根據工件的形狀估計展開毛坯的試驗中確定的毛坯如圖2所示。將模具和毛于爐膛內(如圖1)，然后將爐膛加熱，具體的規律按照圖3所示的曲線控制，當爐膛內溫到PC的凍結溫度時，將凸模的外端施加以的力，使毛坯在凸模自重和外力的作用下緩發生變形，成形后按照控制曲線的要求保持時間，而后停止加熱使之逐漸冷卻下來。冷室溫時取出成形件(如圖4)。將成形件按照零件的要求進行修邊處理，得到處理后的成(如圖5)。將模具從爐膛中取出，修邊后得成形件放于爐膛內，按照圖6所示的規律進行加熱，以便使成形件恢復原來的板料形狀，試驗結果如圖7所示。

　　圖2 初始估計毛坯

　　圖3 模具和毛坯加熱成形曲線　

　　圖4 修邊前的成形件　　

　　圖5 修邊后的成形件　　

　　圖6 形狀恢復加熱工藝曲線

　　圖7 高溫退火后得到的毛坯

　　采用高溫退火后得到的毛坯形狀作為鈑金成形件的毛坯形狀，在2×105kg的壓力機上進行了拉深試驗。其結果如圖8所示。

　　圖8 鋁合金件

　　(3) 結果分析

　　用物理逆向法確定的毛坯形狀，應用于實際金屬下料并成形，一次性確定的毛坯能滿足基本要求，說明此方法是可行的。但成形件可能仍需要少量的修邊。其原因很多，有毛坯確定中的一些假設和工藝條件與實際不符的情況，也有金屬毛坯拉深時毛坯的位置不合理的因素。具體原因如下：

　　① 由于所選擇模擬材料與原形材料有相似性，但它們之間的差別會使模擬材料和金屬材料的拉深過程存在一些差異。

　　② 模擬材料初始的毛坯是根據零件的形狀估計制備的，毛坯的形狀不同會導致成形時邊界條件存在差異，因而對模擬材料的成形產生微小的影響。它也會對毛坯的確定有影響。

　　③ 根據物理逆向法確定的毛坯形狀，制備金屬毛坯，然后進行拉深。其中成形件的質量與毛坯在模具中的位置、壓邊力的大小、成形速度均有關系。這些也是造成金屬成形件誤差的原因。

　　④ 材料本身的各向異性沒有考慮。

　　3、結 論

　　使用模擬材料進行物理試驗時模擬材料和原型材料必須符合相似理論，方法是可行的，有一定的工程應用前景。由于試驗條件的限制。對于復雜的拉深件和覆蓋件等更為復雜的成形件毛坯確定的試驗性研究還有待于進一步進行。