板料渐进成形(Incremental Sheet Forming,ISF)是一种先进的柔性无模成形技术,不需要专用模具即可成形各种不同形状的零件。与传统冲压工艺相比,其具有零件生产成本低、开发周期短以及所需成形力小等优势。此外,由于板料局部以及增量变形的特性,该技术还能大幅度提高材料的成形性能,成形传统冲压工艺无法获得的复杂形状零件。因此,该技术在小批量以及定制零件的生产上可以替代传统冲压工艺,广泛应用于汽车、医疗定制以及航空航天等领域。但是,渐进成形中材料的变形模式以及边界条件非常复杂,涉及几何、材料和接触非线性等问题,以及工具和板料接触的局部性、循环加载-卸载等独特变形特点。因此,渐进成形中材料的变形行为尚缺乏系统的定论,是该领域研究的热点和难点。进一步地,如何快速而准确地预测并控制渐进成形零件的厚度分布也是难以解决的问题。本文在国家自然科学基金项目(N0.51675332)的资助下,针对单点渐进成形中零件的厚度预测以及控制问题,通过理论分析、有限元模拟以及实验等手段展开了深入、系统的研究。主要研究工作和学术贡献如下:提出了能够快速而准确地预测板料渐进成形零件厚度分布的几何模型。该模型可以对成形过程中每一个增量步下零件的几何形状以及零件表面上点的运动轨迹进行预测,并基于体积不变原理对零件的厚度进行计算。采用该模型对四种典型形状零件--60°壁角圆锥件、抛物线圆锥件、非轴对称件以及半球件的几何形状以及厚度进行预测并与实验结果进行对比,验证了该模型的准确性以及稳定性。同时还发现:该模型具有高于余弦定律的预测精度,尤其是在多道次成形的情况下;具有远高于有限元模拟的计算效率,可以在数十分钟内完成计算;能够准确预测单道次以及多道次成形零件的形状以及厚度分布,适用于回转体零件以及非回转体零件等各种形状。此外,该模型考虑了多道次渐进成形中的刚体位移效应,能够预测成形后零件是否会出现阶梯特征,可以用来判断多道次成形中预成形形状的设计是否合理。构建了深腔类零件渐进成形的有限元模型,并结合实验揭示了成形过程中材料的变形行为和特点,阐释了零件剧烈减薄的原因。通过实验对不同工艺参数以及工具运动轨迹策略下渐进成形零件的厚度分布进行了分析,发现了:渐进成形过程中的主要工艺参数对零件厚度分布的影响较小,不能作为控制零件厚度分布的方法;多道次的工具运动轨迹策略(中间形状的设计以及工具运动方向的设计)可以有效地控制并改变渐进成形零件的厚度分布。尤其,工具运动方向的改变对最终成形零件的厚度分布影响非常大。提出了一种新的基于零件特征的渐进成形翻边工具以及相应的工具运动轨迹策略。通过伸长类、直边类以及收缩类翻边零件的渐进成形实验,验证了新工具及其轨迹策略的可行性。以伸长类翻边中的圆形以及方形翻孔为例,采用新工具进行渐进成形实验,发现了成形零件在几何精度、厚度分布、成形力以及破裂行为等方面与传统半球形工具渐进成形零件存在的差异。证实了这种新的翻边工具及其运动轨迹策略是一种非常好的改善翻边类零件渐进成形厚度分布的方法。构建了新工具与传统半球形工具在圆形翻孔零件渐进成形过程中材料的力学分析模型以及有限元模型,揭示了两种工具条件下材料的应力以及应变状态,从而明晰了两种工具条件下材料不同的变形机理。研究发现:采用新工具时,远离预制孔区域的材料主要的变形模式是侧壁母线方向的弯曲变形,而预制孔附近区域材料主要的变形模式是圆周切线方向的拉伸变形。采用半球形工具时,远离预制孔区域的材料主要的变形模式是侧壁母线方向的拉伸以及厚向剪切变形,预制孔附近区域材料主要的变形模式则是圆周切线方向的拉伸以及侧壁母线方向的剪切变形。揭示了新工具与半球形工具成形圆形翻孔零件时在成形质量以及变形行为上出现差别的原因。