数控渐进成形（通用7篇）
数控渐进成形 篇1
摘要：小成形角零件加工是渐进成形中的一个难点, 零件在成形时存在较大的内部压应力以及明显的回弹现象, 易产生鼓包问题。通过对小曲率球面零件精度问题的分析可知, 如何消除零件中心产生的鼓包是提高精度的关键问题。试验分别采用补偿、更换成形工具头和正成形等方案对零件成形精度进行优化, 发现这几种方法均可以有效地消除鼓包问题, 显著提高成形零件的精度, 且各方案均有其自身的优点, 在实际生产中可根据不同的精度要求选择不同的解决方案。
关键词：渐进成形,小成形角,鼓包,精度提高
0 引言
数控渐进成形技术是一种针对小批量薄板件的制造技术[1,2,3]。数控渐进成形技术利用“分层制造”的思想, 应用特定的工具头在数控系统的控制下按预定轨迹运动, 将零件逐层成形。渐进成形可分为负渐进成形和正渐进成形两类 (下文简称为正成形和负成形) [4]。负成形只需成形工具头和一套简单的夹具即可, 适合用于一些简单零件的成形。正成形则还需要增加一个与零件相似的用来支撑的模型和可升降的托架装置, 可实现形状较为复杂的零件加工, 该技术在实际生产中已得到初步应用[5]。
渐进成形技术并没有在工业生产中得到推广应用, 精度不足是制约其发展的一个重要因素。因此提高渐进成形的精度一直是国内外学者研究的重点, Douflou等[6]提出采用多道次成形与建立补偿模型的方法来提高成形精度;Bambach等[7]通过多道次成形解决了方锥件的侧壁鼓凸问题;韩飞等[8]利用神经网络预测了渐进成形的回弹量;范国强等[9]利用自电阻加热的方法实现了lTC4板料的成形。这些方法对于成形精度的提高都有一定的帮助。
小曲率球面零件的最大特点是成形角小、刚度较差, 从而导致未成形板料受到较大的内部压应力, 成形后板料的回弹量较大, 易产生鼓包现象, 严重影响零件的成形质量。目前国内外学者对于小成形角零件的精度研究不多。针对这一现状, 本文通过对小曲率球面零件鼓包问题的分析, 分别采用了补偿、多道次成形和正成形等方案来提高零件的成形精度。这对于渐进成形技术的完善和优化有着重大意义。
1 试验模型及成形方案的确定
试验模型为一小曲率球面, 图1为零件的截面视图。零件上方开口尺寸为φ114mm, 成形高度为7.5mm, 模型的最大成形角仅为15°。试验使用的板料型号为工业纯铝1060, 厚度为0.9mm。其中板料成形角θ是指板料成形面与水平方向的夹角, 如图2所示。
三维模型建立后, 利用UG3.0数控加工中固定轴轮廓铣模块生成刀轨路径, 使用直径为14mm的球头工具头加工零件, 成形步进量利用残余波峰值控制, 步进量取0.01mm。试验使用的设备为南京航空航天大学自行研制的型号为NH-SK 1060的数控渐进成形机床。
2 样件缺陷问题分析
2.1 成形零件问题描述
通过试验发现, 此类零件最明显的问题是在零件中心位置存在明显的鼓包现象, 实际所得零件的形状与模型相差较大, 图3所示为所得零件, 其中成形面为零件的背面。鼓包是小成形角零件成形时存在的一个较为普遍的问题, 鼓包的产生是由成形过程中板料内部存在较大的压应力和成形后回弹现象共同造成的。
2.2 成形缺陷分析
在成形时, 工具头与板料接触时承受轴向力Fz, 如图4所示。将其分解成沿板料方向和水平方向的两个分力Fzb和Fzs。其中水平分力Fzs的反力F′zs作用于相接触的板料上, 使得板料AB段与工具头相接触, 从而使得工具头对未成形的板料产生一个压应力。随着成形过程的进行, AB段板料与工具头的接触面积会产生累积效应, 产生的压应力也会逐渐增大, 导致了中心未成形材料的鼓起。
根据史晓帆[10]推出的关于水平分力Fzs与成形角θ的公式
可知, 成形角θ越小, 水平分力Fzs越大, 产生的内部压应力越大, 鼓包越容易出现。式 (1) 中, t0为板料初始厚度;Δz为成形轨迹每层下压量;K为加工硬化指数;n为加工硬化系数;Az、Ay为工具头与板料的接触面积;为平均应变量。
鼓包问题的另一原因是工具头成形后板料出现回弹现象。成形时, 工具头碾压板料, 使其发生形变, 而当工具头移至下一位置后, 原位置处未发生塑性变形的材料会出现回弹, 成形过程中, 回弹现象会逐步累积, 并且由于试验零件形变量小, 塑性变形不足, 零件刚度较差, 使得回弹现象更加明显。回弹也是鼓包问题产生的主要原因之一。
3 成形精度优化方案
3.1 成形精度评定
零件的精度主要通过成形偏差体现。成形偏差Z (X) 是指理论轮廓曲线和实际轮廓曲线之间的高度差, 如图5所示。由于零件的对称性, 分别量取了沿X轴方向10 mm、20 mm、30 mm、40mm、50mm和57mm几处的成形偏差来体现零件轮廓的精度。
通过分析可知, 如何消除鼓包是提高零件精度的关键。本次试验分别采用了补偿、多道次成形和正成形三种方案来尝试解决此类零件的缺陷问题, 并与未优化所得零件的成形偏差进行对比, 分析方案的可行性。
3.2 补偿试验
通过试验可知, 零件的误差为Y方向的偏差, 沿X方向零件尺寸偏差很小, 因此建立沿Y方向的补偿模型, 其方程为
其中, k为补偿系数, Δz为补偿量, 模型如图6所示。
分别取补偿因子k为0.5、0.75、1.0, 补偿后所得零件与初始零件精度对比如图7所示。由图7可知, 当k为0.5、0.75、1.0时, 中心鼓包高度分别为0.43mm、-0.1mm、-0.45mm, 其中数值为负是指补偿后零件实际成形高度大于理论值。通过试验可知, 补偿后所得零件的鼓包问题已基本消除, 零件成形精度有很大提高, 特别是补偿系数为0.75时, 与理论模型较为接近, 如图8所示。
3.3 多道次成形
多道次渐进成形就是通过多个道次实现零件最终形状的成形。多道次成形是一种渐进成形过程中提高零件精度的常用方法。本文采用两道次成形和更换成形工具头两种方案。
3.3.1 两道次成形
两道次成形时, 第一道次仍采用之前的成形路径。通过分析, 中心位置向外30mm半径范围内的成形偏差较大, 故第二道次采用从中心向外扩30mm半径的成形路径, 将偏差较大的部位再次成形。但由图9可知, 采用两道次成形所得到零件的精度并不是很理想, 中心鼓包高度仍有1.11mm。
3.3.2 成形工具头的更换
平头工具头对于鼓包的抑制有很好的效果。成形过程中, 实际成形位置是工具头圆角与板料接触的地方。由于平头工具头圆角部分较小, 所产生的成形力不大, 并且有一个较大的平面与板料接触, 与球头工具头相比较, 接触应力明显减小, 对未成形板料的压应力也得到很好的控制, 抑制了鼓包的产生, 其原理如图10所示。但平头工具头无法很好地成形球类零件, 仍需要更换球头工具头再次成形, 对零件进行修形。试验采用直径为14mm, 圆角半径为2mm的平头工具头。由图9可知, 这种方案对于精度的提高有明显的作用, 鼓包高度仅为0.43mm。
3.4 正成形
正成形相对负成形较为复杂, 需要一个支撑模型并在有可升降装置的数控设备上进行, 支撑模型使用的材料为代木。正成形时, 板料处于拉应力状态, 抵消了成形过程中产生的内部压应力, 提高了板料在成形时的刚度, 根本上消除了鼓包的产生。由图11可知, 正成形的成形偏差可控制在0.07mm之内。因此通过正成形能够得到非常理想的成形零件。
4 工艺优化方案对比
通过上述试验发现, 采用补偿、更换成形工具头和正成形对精度的提高都有较为明显的帮助, 基本上消除了零件的鼓包问题。图12为采用各种优化方案所得零件中心位置的成形偏差对比。
通过对图12分析可得, 对于零件成形精度的提高, 采用更换工具头的方案最为简便, 试验采用直径为14mm, 圆角半径为2mm的平头工具头, 可将成形偏差控制在0.43mm之内;采用补偿时, 需提前得知各位置的补偿量, 建立补偿模型, 但零件的成形精度比前一种方案高。特别是补偿因子k取0.75时, 已接近理想模型;采用正成形方案时, 其精度是最高的, 可将成形偏差控制在0.07mm之内, 但是方法最为繁琐, 设备要求高, 且需加工支撑模型。因此可以根据不同的精度要求采取不同的方案。
5 结论
(1) 小曲率球面零件成形时易产生鼓包, 通过理论分析可知, 鼓包的产生主要是由于未成形部分材料受到内部压应力和成形板料存在回弹两方面引起的。
(2) 如何消除鼓包问题是提高零件精度的关键。通过试验发现采用补偿、更换成形工具头和正成形三种方案均可以有效地消除鼓包问题, 提高成形精度。
(3) 采用更换成形工具头的方案最为简便, 可将精度控制在0.43mm内;其次是利用补偿, 当k为0.75时, 可将精度控制在0.1mm内;正成形最为复杂, 精度最高, 可将精度控制在0.07mm内。
参考文献
[1]莫健华, 韩飞.金属板材数字化渐进成形技术研究现状[J].中国机械工程, 2008, 19 (4) :491-497.Mo Jianhua, Hai Fei.State of the Arts and Latest Research on Incremental Sheet NC Forming Technology[J].China Mechanical Engineering, 2008, 19 (4) :491-497.[2]Jeswiet J, Micari F, Hirt G, et al.Asymmetric Single Point Incremental Forming of Sheet Metal[J].Annals of the CIRP, 2005, 54 (2) :623-650.[3]莫健华, 叶春生, 黄树槐.金属板料数控渐进成形[J].航空制造技术, 2002 (12) :21-27.Mo Jianhua, Ye Chunsheng, Huang Shuhuai.Sheet Metal CNC Incremental Forming[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2002 (12) :21-27.[4]崔震, 高霖.复杂钣金零件渐进成形方法[J].机械工程学报, 2007, 43 (12) :235-239.Cui Zhen, Gao Lin.Incremental Forming Methods on Complicated Sheet Parts[J].China Mechanical Engineering, 2007, 43 (12) :235-239.[5]Ambrogio G, De N, Filice L, et al.Application of Incremental Forming Process for High Customized Medical Product Manufacturing[J].Journal of Materials Processing Technology, 2005, 162-163 (1/3) :156-162.[6]Duflou J R, Lauwers B, Verbert J.Study on the Achievable Accuracy in Single Point Incremental Forming[J].Advanced Methods in Material Forming, 2007:251-262.[7]Bambach M, Araghi B T, Hirt G.Strategies to Improve the Geometric Accuracy in Asymmetric Single Point Incremental Forming[J].Production Engineering, Research and Development, 2009, 3:145-156.[8]韩飞, 莫健华, 龚攀.基于遗传神经网络的数字化渐进成形回弹预测[J].华中科技大学学报, 2008, 36 (1) :121-124.Han Fei, Mo Jianhua, Gong Pan.Incremental Sheet NC Forming Springback Prediction Using Genetic Neural Network[J].Huazhong Univ.of Sci.&Tech., 2008, 36 (1) :121-124[9]Fan Guoqiang, Gao Lin, Hussain G, et al.Electric Hot Incremental Forming:a Novel Technique[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture, 2008, 48:1688-1692.[10]史晓帆.金属板料渐进成形精度控制技术研究[D].南京:南京航空航天大学, 2013.
数控渐进成形 篇2
关键词：数控,渐进成形,雕塑
0 引言
雕塑是造型艺术之一,是雕、刻、塑3种做法的总称,是运用各种材料雕刻、塑造的各种艺术形象。从构造材料来看,雕塑可分为:石雕、木雕、陶雕、金属雕塑等。金属雕塑,泛指一切以金属为材料的雕塑作品,金属雕塑是雕塑艺术领域中很重要的一部分。金属材料所具有的延展性、可塑性及光泽性使金属雕塑有着高贵而典雅的气质。
传统的金属雕塑制作手段主要是金属浇铸或锻造。金属浇铸这种技术是以永久性的金属材料替换原初造型的临时材料,在此金属并不起造型作用,造型是在比如泥模、木模和蜡模这样的原初模型材料上进行的。金属铸造雕塑是泥塑等软材料雕塑的最终复制品。金属浇铸最大的优点在于能把艺术家创作过程中所有微妙的雕琢痕迹保留下来。
锻造手段是手工业文明发展之后产生的一种特殊的雕塑成型手段,它与雕刻的材料递减和塑造的材料附加均不一样,它在材料加工方面,相对来说,并不存在材料量的增减,而是充分地发挥金属板材的延展性在空间中产生体积变化。锻造成型中的金属是以固态平板状出现,按设计意图敲打成立体起伏的形体。使板状金属改变物理性能,呈现有意识的凹凸起伏的物象[1]。
传统的金属浇铸雕塑制作需要进行模具设计,制造周期长,费用高;而且制作难度极大,加工工艺复杂,非经长期系统的专业训练不能完成。锻造手段制作的雕塑在再现逼真形象和准确造型上与传统翻模铸造雕塑相比,存在明显差距。锻造金属雕作品的制作过程存在很多的偶然性因素,如材料的无规则性、加工过程中的偶然性、作品肌理的不可预知性等因素,使得锻造金属雕塑作品具有唯一性,无法批量复制。
1 数控渐进成形工艺在雕塑制作中的应用
板料零件数控渐进成形工艺是目前国际上一种新兴的金属板料成形工艺。它是一种通过数字控制设备,采用预先编制好的控制程序逐点成形板料零件的柔性加工工艺。该工艺不需要专用模具,成形极限较大,重复性好,可控制金属流动,能加工出形状复杂的自由曲面板材零件,适合于板金零件的新品研制等小批量、多品种、形状复杂的板料零件加工,有着广泛的应用前景[2]。
数控渐进成形技术应用在雕塑制作中,即采用基于渐进成形的雕塑成形技术,雕塑家只要设计出雕塑作品的三维模型,后续的雕塑产品制作过程可以轻松完成。数控渐进成形工艺制作雕塑产品,和传统的金属浇铸雕塑制作手段相比可以缩短制作时间,而且节省材料,雕塑制作成本大大降低;和锻造手段制作金属雕塑相比,它具有成形精确的优点和可以批量制作的优势。
基于数控渐进成形的雕塑成形技术,即在金属雕塑制作过程中,采用数控渐进成形这种比较先进的金属板料成形方法来成形雕塑作品。如果成形的金属雕塑尺寸小于数控渐进成形机床加工尺寸范围,则根据成形工件的三维数字模型生成加工轨迹,用轨迹来驱动数控成形机进行加工,使板料逐渐成形为所需的雕塑作品。如果运用数控渐进成形工艺成形大型金属雕塑,由于数控渐进成形机床加工尺寸范围有限,必须分块成形各部分金属薄板部件,再拼接组合成整体雕塑。采用数控渐进成形工艺制作大型雕塑,首先要建构出雕塑的三维计算机模型,根据雕塑的CAD模型在CAD软件中分割曲面,在CAM软件中生成适用于数控成形机床的数控加工代码,送至数控渐进成形机加工出雕塑的各个金属薄板成形件,最后各部分成形件组合生成整体雕塑。
2 基于数控渐进成形工艺制作大型雕塑的工艺路线
基于数控渐进成形工艺制作大型雕塑的工艺路线如图1所示。具体过程如下:1)可以应用计算机辅助设计软
件设计三维雕塑造型,得到雕塑的CAD模型;也可以采用逆向工程方法对事先造型好的泥模、木模等进行三维数据测量,把测得的数据进行处理后,导入到逆向工程软件中进行测量数据处理与曲面重构(CAD曲面模型重建),得到CAD模型。2)在三维CAD软件中对建构的曲面模型根据需要制作的雕塑大小进行缩放处理,然后根据雕塑的大小及形状、数控渐进成形机床的加工尺寸范围等,对缩放后的雕塑模型进行分割,分割成若干个自由曲面片。3)在CAD软件中把各个曲面片体的边界曲线垂直投影到选择好的基准平面上,再在平面工程图中输出投影得到的封闭曲线段图。4)在CAD软件中建构补充加工工艺面:三维模型曲面分割得到的各部分曲面片的边界一般不在基准平面上,为保证渐进成形加工的连续性,需要补充一个连接曲面片的边界和基准面的加工工艺面,使后续的渐进成形加工连续进行。可以在基准平面上作一条与曲面片的边界曲线相似的线段,然后在两者之间插入通过这两条曲线的网格曲面来补充曲面片。5)数控渐进成形技术是根据工件形状的几何信息,在数控设备上控制成形工具头沿着特定轨迹对板料进行局部的塑性加工,使板料逐渐成形为所需工件[3]。在板料实际的成形过程,由三维加工软件CAM模块确定需加工曲面的数控加工程序,将该NC代码输入板料数控成形机床,对板材进行渐进成形加工,成形出所需的成形件。因为雕塑曲面一般都比较复杂,渐进成形加工最好选用正向拉伸成形方法,即事先铣出简单的代木支撑,将板料放置于铣好的代木支撑模型之上,用压边装置将板料固定,使用CAM模块生成的成形工具头的加工轨迹,根据曲面的复杂情况选择合适的成形工具头成形,成形工具头从指定位置开始,从板料的最高层(第一层)进行加工,往下按截面轮廓运动,一层一层地加工出所需的成形件。6)金属板料成形件的毛料切割去除问题。上面加工好的成形件外边界四周含有补充的加工工艺面和装夹面的余料,需要再对成形件进行后续处理,可以利用数控线切割机床切割去除成形件的边界毛料。把上面第三步产生的投影得到的二维封闭曲线段图形输入到数控线切割机床的控制设备中,切割去除成形件的毛料,得到所需的各个曲面片体成形件。7)最后各部分成形件要组合成整体雕塑。上面得到了加工出的各个曲面片体成形件,要把各部分组合成为整体雕塑,可采用焊接、粘接或铆接的方式组合各个自由曲面片体金属成形件,制作出整体雕塑。后续还需要对整体雕塑进行雕塑表面光整处理、雕塑内部支撑等。
3 应用实例
本文以分块成形爱因斯坦的头像为实例来说明基于数控渐进成形工艺制作大型雕塑的加工过程(图2)。1)用德国GOM公司的ATOS II流动光学三维扫描仪对雕塑作品模型进行三维数据测量,获得它的测量数据,输出STL格式的数据文件,如图2(a)所示。把该文件导入到逆向工程软件IMAGEWARE中,对输入的测量数据进行数据预处理、数据简化、数据光顺、网格模型重建、样条曲线拟合、曲面拟合、修整曲面连续性等曲面重构步骤建立雕塑的CAD模型,如图2(b)所示。2)在三维CAD软件UG中运用“插入→ 联合体→ 缝合”命令把重建的CAD模型曲面各个小曲面片缝合为整体曲面。然后运用“偏置/比例→比例”命令,根据制作的雕塑大小需要对CAD模型进行适当的放大处理,本例中比例因子设为2(原雕塑作品尺寸约为长154mm,宽130mm)。对放大后的雕塑模型运用UG的裁剪命令进行分割,本例中分割为3个曲面片,图2(c)为其中一个曲面片。为方便后续的加工程序生成,这3个曲面片分别另存为3个文件。3)在UG中把这3个曲面片体的边界曲线通过“插入→来自曲线集的曲线→投影 ”命令分别垂直投影到选择好的基准平面上,再在制图模块中输出投影得到的封闭曲线段图。4)在UG中运用“ 插入→网格曲面→通过曲线组”命令分别建构3个曲面片体的加工工艺面,如图2(d)。5)通过UG CAM模块生成支撑模型及板料渐进成形的加工轨迹源文件(CLSF),对加工轨迹源文件进行后置处理产生NC代码。将上面生成的NC代码输入数控成形机床中。本实验所用的数控成形机床,型号为NHSK1060,其规格与参数如表1所示。先以代木为材料铣出支撑模型,将板料放置于铣好的支撑模型之上,用压边装置将板料固定,使用CAM模块产生的渐进成形过程的NC代码,根据曲面的复杂情况选择合适的成形工具头成形,渐进成形加工出曲面片体成形件。本实验选用板厚1.0mm的0.8Al板料成形,要成形的雕塑模型尺寸约为长308mm,宽260mm,高30mm。选用工具头球半径r为6mm,成形高度为30mm。加工润滑油使用专用的福斯(FUCHS)冲裁、拉深润滑油。以上面的步骤分别成形出这3个曲面成形件,图2(e)为其中的一个曲面成形件。6)在数控线切割机床上,根据投影得到的二维封闭曲线段图形,切割去除掉金属板
料成形件的边界毛料。把切割好的3个曲面成形件用金属瞬间胶XF503粘接,组合成整体雕塑,如图2(f)。
4 结语
传统的大型金属雕塑制作需要进行模具设计,制造周期长,费用高;而且制作难度极大,技术要求很严,加工工艺复杂,非经长期系统的专业训练不能完成。采用基于数控渐进成形技术制作大型金属雕塑的方法,雕塑家只要设计出雕塑作品的三维CAD模型,后续的雕塑产品制作可
以轻松完成。基于数控渐进成形工艺制作雕塑产品,和传统的雕塑制作手段相比可以缩短制作时间;而且节省材料,成形精确,雕塑制作成本大大降低。基于数控渐进成形的雕塑制作技术丰富了金属艺术的表现力,也为新艺术效果的产生提供了可能;它突破了传统的雕塑制作形式,推动了雕塑艺术的发展。
参考文献
[1]常洁.当代雕塑材料研究[D].中国艺术研究院,2008.
[2]周六如,莫健华,肖祥芷.板料零件数控渐进成形艺研究[J].塑性工程学报,2003,10(4):27-29.
数控渐进成形 篇3
正向成形加工过程如下:预先加工与要成形的产品形状一致的木模,将木模置于金属板材下方并且紧贴金属板材,然后用夹紧装置固定住金属板材。在计算机控制下,成形压头先走到模型的顶部设定位置,即加工轨迹的起点,对板材压下设定的压下量,然后按照第一层断面轮廓,以走等高线的方式,对板材施行渐进塑性加工。在模型顶部板材加工面形成第一层轮廓曲面后,成形压头再压下一个设定高度,沿第二层断面轮廓运动,并形成第二层轮廓曲面。如此重复直至整个工件成形完毕。原理如图1所示。
目前,国内外学者的研究主要集中在金属板材渐近成形中板料的成形性能、各种工艺参数对成形过程的影响、成形过程中成形力的变化、成形过程的有限元模拟、板料的回弹研究以及直壁件成形方法等。但是这些研究主要集中在理论基础方面[2],有关金属板材渐近成形技术的应用很少,由于实际产品的复杂性,在成形过程中会产生各种问题。本工作基于渐近成形技术对滚塑模具成形的研究,对比了三个单人滑梯滚塑模具的成形结果,根据产品的结构特征,针对成形过程中出现的产品失效以及缺陷问题,分析了产生原因,结合成形参数因素(成形工具头直径、Z轴进给量)对产品成形性能的影响,在此基础上提出改进措施。
1 滚塑模具的渐进成形方法
1.1 实验条件
单人滑梯滚塑模具的建模通过UG软件中的建模(Modeling)部分生成需要加工的几何模型,再通过UG软件中的加工(Manufacturing)部分生成加工轨迹,继而生成G代码用于数控成形设备加工;数控成形设备为研制的数控柔性快速成形机,其机床尺寸:L×W×H=6430mm×3500mm×3590mm,工作台尺寸:1960mm×1300mm,板料夹持尺寸:2200mm×1540mm,工作精度为±0.1mm以内。正成形所需的支撑模型材料选择高密度板,大型龙门式数控铣模机作为木模加工设备;板料夹具选用金属压板、大力钳和C形夹;成形工具为球头成形头。
1.2 产品结构特征以及成形方案
如图2所示,单人滑梯滚塑模具的滑道面有6条筋状结构,并且产品的头尾部分的成形角度比较大,分别为60°和65°。
为了分析成形过程中成形参数因素(成形工具头直径、Z轴进给量)对产品成形性能的影响,设计以下成形方案(见表1)。选用成形材料为厚度1mm的ST12钢板,其屈服强度与抗拉强度为130MPa和270MPa。
2 成形缺陷与分析
2.1 筋状结构
如图3所示,单人滑梯滑道面成形件中有6条筋状结构,经过激光扫描仪进行的曲面反求结果得出6条筋状结构之间的凸起和内凹之处都与设计数据有细微偏差,如表2所示。
由表2可知,在成形单人滑梯滚塑模具滑道上的筋状结构时,3个成形件均产生了两类缺陷(图4):(1)成形后筋状结构有突起现象;(2)筋之间的部分并非所期望的平整的零件,而是有局部内凹现象。如图4所示,第一类缺陷是由于渐进成形过程中,板料的变形并不是理想的单点变形,而是在很小的局部范围内,故形成局部突起,成形深度越深,凸起越明显;第二类缺陷的成因与第一类缺陷的成因相反,即远离成形工具头区域的材料虽然发生一定的变形,但与成形工具头周围的材料相比很小,从而在它周围的材料随着成形工具头下降的同时该区域却变形很小,从而形成局部内凹。相比之下2号成形件产生的缺陷要比1号和3号成形件大,因为2号件的工具头直径较小,压头和拟成形材料间的接触面积较小,故成形力也相对较小,对材料施加的贴模力不够,导致2号缺陷要比1号和3号成形件大。
2.2 破裂缺陷
在成形1号件尾部结构时,板材由于过度减薄而开裂,如图5所示,而在成形2号件与3号件时却无此现象。在金属板材渐近成形过程中,制件壁厚t与板材毛坯厚度t0及成形倾角θ遵循余弦法则(t=t0cosθ,t0表示初始厚度,θ表示此处切线与水平方向夹角,成形角),如图6所示。
金属板材渐进成形的成形极限与零件的成形角θ有关,如果成形角超过了其材料的成形极限角,则零件会产生破裂[3]。由于ST12钢板的成形极限角为68°[4],图2所示的单人滑梯滚塑模具尾部结构的成形角为65°,并未超过ST12钢板的成形极限角。
如图7(a)所示,采用大Z轴进给量(1.5mm)时,在已成形的上一个轨迹和正在成形的轨迹之间的深灰色区域,材料被滚压到靠模上,同时,水平位置上的区域2被拉进正在成形的区域。这种类似于滚动的过程应用了合页效果,对材料进行折弯而非拉伸,有效减少了对已成形区域的拉伸作用,因而降低了对板材的减薄效应。而采用小Z轴进给量(0.5mm)时,如图7(b)所示,成形下一轨迹时,成形头在上一轨迹的已成形区域上进一步成形,材料被挤压到成形头前端的未成形区,造成在成形头后的已成形区无可用材料;而板料在垂直方向受力远大于水平方向,造成已成形区域的拉伸减薄作用。
由于在成形1号件的时候采用了较小的Z轴进给量,而且单人滑梯滚塑模具尾部结构的成形角接近ST12钢板的成形极限角,因此板料由于过度拉伸减薄而破裂。
(a)大Z轴进给量;(b)小Z轴进给量
(a)big Z axis feed;(b)small Z axis feed
2.3 回弹缺陷
对3个成形后的整体产品进行曲面反求,数据对比发现成形后的3个成形件均产生了回弹(见表3),由于成形后要卸载压边力,因此积聚在板材内的残余应力得到了释放,而由于残余应力从成形初期开始就逐渐叠加,因此成形后期的板材内残余应力最大,所以3个成形件成形后期的回弹量均大于成形初期的回弹量。
由表3可知,1号成形件平均回弹量与最大回弹量最小,2号成形件的平均回弹量和最大回弹量最大。对比1号成形件与3号成形件(见图8),可知在成形工具头直径相等的情况下,Z轴进给量越大,回弹量越大。这是由于随着Z轴进给量的增加,板材已成形区对正在成形区的影响减少,因此板料的成形过程趋向于折弯而非拉伸。加工时间可以明显降低,但是零件表面粗糙度也增加很快,成形力也有很大增加,从而造成后续板料的面内产生大的压应力,随着成形的进行,板料内积聚的残余应力较大,当卸载压边力后引起的回弹也较大。
对比2号成形件与3号成形件(见图9),可知在Z轴进给量相等的情况下,成形工具头直径越小,成形后的回弹量越大。这是因为随着成形工具头直径的增加,成形工具头与板料之间的接触区域增加,成形力也相应增加,更利于板料贴紧支撑模,抑制回弹的发展。
3 改进措施
增大成形工具头直径对减小回弹有一定作用,这是因为随着成形工具头直径的增加,工具头与板料间的接触区域增加,使回弹不易发展。但成形工具头直径过大,对半径小的过渡圆角和尺寸小的结构加工不到,在成形类似于筋状结构时候不能保证成形精度。所以,工具头直径选择要根据成形工件形状结构复杂程度以及材料性能综合考虑[5]。在确定进给量时,也应该根据加工表面粗糙度、成形力、回弹等综合考虑。另外,根据前面所述的余弦法则可知曲面越陡,减薄效应越明显,会导致板材开裂[6],因此成形件工艺性也该考虑。
根据前面的失效分析,采用工具头直径为20mm,Z轴进给量为1.0mm的成形方案,得到的成形件如图10所示,经过曲面反求后得到的数据对比后发现可以解决上述缺陷问题。
4 结论
(1)金属板材渐进成形技术具有柔性加工优势,适用于快速成形复杂曲面钣金件,在滚塑模具开发方面具有很大的前景,可以满足现代滚塑行业产品更新快、品种多、批量小等特点。
(2)成形过程中,尽量避免加工成形角过大的成形件或者接近于直壁的成形件,如果遇到具有这种外观形状的成形件时,可以适当增加Z轴进给量,使成形工具头对材料进行折弯而非拉伸,以此减少对已成形区的拉伸作用,降低减薄效应,避免成形件过度拉伸而破裂。
(3)当成形件上有加强筋或者类似于加强筋的结构时,为了避免缺陷的产生,可以考虑在保证成形质量的前提下适当增加成形工具头的直径。
(4)采用金属板材渐进成形技术成形钣金件时应该综合考虑成形过程中的工艺、工具参数(成形角、工具头直径、每层进给量等),合理选择加工参数(如增大或减少成形工具头直径及增加或减少每层进给量)有助于板材的高质量成形。
摘要：将金属板材渐进成形技术应用于单人滑梯的滚塑模具成形。在介绍单人滑梯滚塑模具成形原理的基础上,实验比较了不同成形参数下单人滑梯滚塑模具的成形结果,根据产品的结构特征,针对成形过程中出现的产品失效以及缺陷问题,分析其产生原因,获得了成形参数(成形工具头直径、Z轴进给量)对产品成形性能的影响规律,并提出了改进措施。结果表明,金属板材渐近成形技术用于滚塑模具的成形是可行的,综合考虑成形件工艺性、进给量、工具参数和加工参数,能保证高质量的成形。
关键词：渐进成形,滚塑模具,缺陷,成形工艺
参考文献
[1]莫健华,韩飞.金属板材数字化渐进成形技术研究现状[J].中国机械工程,2008,19(4):491-497.
[2]崔震,高霖,陆启建,等.基于数控单点渐进成形技术的钣金浮雕字成形[J].南京航空航天大学学报,2009,41(1):91-96.
[3]PARK J J,KIM Y H.Fundamental studies on the incrementalsheet metal forming technique[J].Journal of Materials ProcessingTechnology,2003,140(1-3):447-453.
[4]KIM Y H,PARK J J.Effect of process parameters on formabilityin incremental forming of sheet metal[J].Journal of MaterialsProcessing Technology,2002,130-131:42-46.
[5]DUFLOU J R,CALLEBAU B,VERBERT J.Laser assisted in-cremental forming:formability and accuracy improvement[J].Annals of the CIRP,2007,56(16):273-276.
板料渐进冲击成形方法与试验 篇4
传统的板料冲压成形加工存在模具制造成本高、 通用性差、板料在冲压过程中起皱等缺陷［１］, 因此, 需要探索一种新型的板料成形方式。板料渐进冲击成形是针对传统冲压成形提出的一种新型板料柔性成形技术, 具有低成本、高效率、高柔性的特点, 能适用于一般模具无法成形的板料结构, 拓展了冷冲压成形的板料范围［２］。冲击杆实现高频往复冲击, 板料在冲击动能的作用下产生微小变形, 通过数控编程控制冲击杆与板料的相对位置, 分层冲击变形, 实现不同形状板件的柔性化成形。本文旨在探索板料渐进冲击成形系统的合理设计, 以证明渐进冲击成形工艺的方式与可行性。
1板料渐进成形基本原理
板料渐进冲击成形的基本原理如图1所示, 将被加工板料四周用压板夹紧, 板料下面放置可压缩弹性物体, 板料安装平台实现平移运动 (数控X, Y轴运动) 。加工时, 将冲击器固定在多轴联动数控设备的Z向移动平台上, 根据工件的几何形状信息, 通过数控程序控制冲击杆以预先设置的路径来实现快速、有序的冲击运动, 冲击杆高速冲击板料, 使板料逐步变形为所需形状。
渐进成形的思路是将复杂的三维形状分解成一系列二维层, 并在二维层上进行塑性加工, 实现设计与制造一体化的柔性快速制造［３］。
2渐进冲击成形加工试验
根据板料下面有无托模可将渐进冲击成形加工方式分为有托模支承和无托模支承 (弹性体支承) 。
2.1有托模支承加工方式
如图2所示, 有托模支承加工装置由冲击器 (冲击杆) 、托模、托模支架和压边块组成。板料成形加工前, 不仅需要根据不同的几何形状规划不同的冲击成形路径, 而且还需要专门制作托模, 使托模的形状和板料所要成形的形状保持一致, 这样可保证板料成形的尺寸精度。
2.2无托模支承 (弹性件支承) 加工方式
无托模支承即板料下面没有支承件, 冲击杆在计算机系统的控制下直接对板料进行冲击加工。因为冲击杆的高速运动可以使板料产生局部快速变形, 冲击接触区域变形明显, 而在接触区域周围变形量很小, 冲击速度越快板料变形的局部性越明显, 这样可以有效地保证板料的成形精度。但是在冲击试验中发现:不论冲击速度多快, 冲击接触区域周围都会产生变形, 速度越慢, 变形量越大。
弹性件支承加工装置如图3所示, 此装置包括冲击器 (冲击杆) 、橡胶垫、泡沫块和压边块, 泡沫块放在最下面, 橡胶垫处于板料与泡沫块之间。制作泡沫块和橡胶垫时应保证泡沫块和橡胶垫要紧贴板料背面, 使板料平面处于水平位置。
2.3冲击器的选用
冲击器可以使用气缸式驱动方式, 也可以使用机械往复运动机构方式或线圈磁力驱动方式。为保证冲击杆的高频、高速运动, 本次试验分别对机械式和气动式冲击器进行研究。
2.3.1机械往复运动机构方式
机械式冲击器原理图如图4所示, 曲轴在输入转矩M作用下作圆周运动, 从而带动冲头作上下往复直线运动。将机械式冲击器固定在数控设备上, 通过试验发现:①机械式冲击器无法实现真正的高频、高速运动;②板料出现强烈的振动现象, 板料变形形态不理想, 不利于板料的精确成形;③冲击压力不大, 难以成形钛合金和高强度铝合金等板料。
2.3.2气缸式驱动方式
气缸式驱动方式原理如图5所示, 首先气体通过进气口进入缸体, 使活塞往右移动, 此时出气口被活塞堵住, 左边缸筒内压力不断升高, 当移动一段距离, 活塞最左面移过下方出气口之后, 气体便从出气口散出, 腔体内压力快速变小, 由于右边弹簧处于压缩状态, 当腔体压力小于一定值时, 弹簧力大于腔体压力, 弹簧便会回弹, 促使活塞往左移动, 腔体压力又慢慢增大, 出气口也慢慢地被活塞堵住, 活塞又会往右移动, 如此一直保持反复运动。
气缸式冲击器气源来源于空气压缩机, 通过调节气压与气体流量大小就可以改变冲击杆的冲击力和冲击速度, 控制板料的变形量, 以适应不同厚度与不同力学性能的板料。试验中选取冲击器的冲击频率为3 400r/min, 冲击行程为5mm。
将气缸式冲击器固定在数控设备上, 通过试验发现:①气缸式驱动冲击器冲击速度快, 频率高;②板料变形形态理想, 不会出现振动现象, 有利于板料的精确成形;③试验选用的是小型高速气缸, 产生的冲压压力对于难以成形的板料还存在困难。
2.4压边装置的选择
本试验采用的是恒力刚性压边技术, 压边装置由4个压边块组成, 压边块结构示意图如图6所示。板料四周分别放置在4个压边块的凹槽内, 在凹槽内板料的上方放置长形铁块, 通过拧紧螺栓压紧铁块, 从而使板料四周压紧, 通过调节螺栓压紧力可以设置不同的压边力。
1-拧紧螺栓;2-长方形铁块;3-金属板件
通过上述对加工装置结构以及对冲击器选用的讨论, 本试验采用的装置结构如图7所示, 试验使用的主要设备包括数控铣床 (型号HT0304M) 、冲击器、压边装置、可压缩弹性件和空气压缩机。对微型数控铣床进行改装, 拆除数控铣床的Z轴装置, 将冲击器固定在Z轴移动平台上, 板料压边装置固定在工作平台上以实现平移运动。数控铣床自带软件TYPE3雕刻铣编程控制一体化系统, 因此可直接输入二维或三维图形来控制加工。不过为了方便修改数控加工程序, 试验使用的数控程序是通过Master CAM自动编程, 再对生成的程序进行优化处理得到的。
2.5两种加工方式的分析比较
对球面板件渐进成形进行加工试验, 加工试验结果见图8、图9。分析加工试验结果, 对弹性支撑加工方式和托模支撑加工方式作如下总结:
(1) 弹性支承和托模支撑加工方式结构都比较简单, 不过弹性支承加工方式加工柔性大, 不需要专门制作托模, 适合多品种、小批量生产;而托模支撑加工方式需要根据成形件的形状专门制作托模, 成形件形状一旦改变, 就需要重新制作托模, 增加了板件的成形周期。
(2) 利用弹性支撑加工方式成形后的板件表面比较光滑, 而利用托模支承加工方式成形后的板件形状精度较好。
(3) 弹性支承加工方式在成形双凹曲面还存在一定的困难, 需要继续探索更加合适的弹性支撑件;而对于托模支承加工方式, 只需要制作双凹曲面托模, 就可成形出双凹曲面。
3结论
(1) 板料渐进冲击成形是可行的。
(2) 冲击变形加工试验中, 弹性支承加工方式相对于托模支承加工方式, 其加工柔性度更好, 托模支承加工方式板件加工精度更高。
(3) 刀具在每一层的入刀点上会停留一段时间造成入刀点处出现凹陷, 严重影响板件加工的表面质量, 因此冲击路径需要进一步改进, 探索数控运动平滑路径的生成方法。另外, 如何选取合理的冲击动能与冲击速度还需要进一步研究。
参考文献
[1]宋爱平, 易红, 汤文成, 等.杆系柔性成形模具及其板成形加工关键技术[J].中国机械工程, 2005, 16 (21) :1966-1970.
[2]李明哲, 蔡中义, 崔相吉.多点成形——金属板材柔性成形的新技术[J].金属成形工艺, 2002, 20 (6) :5-9.
[3]莫健华, 陈正迪, 黄树槐, 等.金属板料数控渐进成形技术[J].航空制造技术, 2002 (12) :25-27.
[4]张礼峰, 宋爱平, 黄健伟, 等.金属板料高频冲击成形技术研究[J].模具技术, 2011 (4) :5-8.
渐进成形在整体壁板制造中的应用 篇5
随着现代航空工业的发展,要求在初始设计阶段和后期的制造阶段,采取新的方法和工艺,在保证甚至提高零件强度的前提下,尽量减轻零件的质量,从而实现飞机的整体要求。
渐进成形加工,是近几年新兴的一种柔性化的薄板成形工艺。与传统的冲压成型不同,它不需要专用模具或仅采用简单模具支撑,就可以通过数控成形设备成形出成形极限较大,形状复杂的板材零件[1,2,3],是具有发展前景的新工艺。
渐进成形将复杂的零件模型沿高度方向分解成许多等高层,每个等高层中零件的轮廓线为一封闭曲线,数控机床控制成形工具沿着封闭曲线在板料上运动实现每层的加工通过逐层从而完成整个三维零件的外形加工。
1 常用的整体航空壁板成形方法
1.1 整体壁板的优势
大型整体壁板主要用于飞机机翼和机身,以及地板和壁板等重要部位,与传统的铆接组合式壁板结构相比,大型整体壁板结构件具有如下优点[4,5,6]:1) 由于取消了零件之间连接用的螺栓、铆钉等附件,减轻了飞机整体的质量;2) 由于不需要铆接等安装工序,大大减少装配工序的周期和工作量,减轻劳动强度;3) 减少开孔等造成的应力集中,可提高部件的强度和刚度;4) 零件表面没有了铆钉等造成的表面不平,提高整体的气动性能,并能提高装配品质。
1.2 整体壁板常用成形方法
1.2.1喷丸成形技术
喷丸成形技术是利用高速球丸撞击金属板材的表面,使受撞击的表面及其紧靠的下层金属材料产生塑性变形而延伸(图1),从而逐步使板材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种成形方法[7,8]。
1.2.2蠕变时效成形技术
蠕变时效成形技术是利用金属的蠕变特性,将成形与时效同步进行的一种成形方法[4](图2)。使坯料产生一定的弹性变形,一起保温一段时间,零件上的部分弹性变形将转变为永久塑性变形并保持下来,从而使零件在完成时效强化的同时获得所需外形[5,9]。
2 渐进成形技术在整体壁板成形中的应用
2.1 渐进成形技术在整体壁板成形应用中的优势
采用传统冲压进行加工,困难不仅是制造尺寸非常大的冲压模具和冲压机床,成本昂贵,且无法解决大尺寸壁板毛坯中的回弹问题,无法满足装配要求。
渐进成形的加工过程中,仅在成形工具与板料接触区域发生塑性变形,从而可以通过控制每一个局部点的回弹来实现零件整体回弹的控制,达到所有零件的成形一致性,实现所有零件在装配时的通用性。
另外,由于渐进成形的工具非常简单,不需要模具或仅需要简单支撑模具。成本及工艺改进方面,有极大的优势。渐进成形工艺分为正负成形两种,分别可以选择从板料的两个相反的表面进行加工,在制定加工工艺时可以将加工后的残余应力考虑在内,选择正成形或负成形,利用成形后零件的残余应力提高零件的抗疲劳能力。
2.2 采用渐进成形工艺成形整体零件
2.2.1零件分析
加工的零件为某型整体壁板的下半部分,其模型如图3所示,为截面曲线沿截面法向母线延伸生成的曲面。图3中的模型包括两部分,图3(b)中所看到的曲面及两侧的60°斜面。其中曲面为所需要得到的形状,两侧斜面是为了完成加工而增加的辅助面。
零件加工选用无模成形方法。由于加工材料为1.2mm厚铝板,其自身刚度较差,加工时,成形工具在板料内表面运动,若不增加斜面增强零件刚度,在加工到曲面下部时,由于刀具相对于固定处的作用力矩不断加大,零件将会随着刀具的运动发生左右摆动。固定处材料极易发生屈服,甚至断裂。故在建立加工模型时,增加两侧的60°斜面。
截面曲线由两侧的直线和底部的圆弧组成,角度最大值在直线处,为68.25°。根据的研究知道,渐进成形工艺用于LY12M时,成形极限角大概在60°～70°之间[10],若成形过程中超过此成形极限角很容易发生缩颈失稳,导致成形失败。加工材料为某种退火态铝板,零件模型中最大的成形角为68.25°,故可以采用渐进成形工艺进行试加工。
2.2.2渐进成形工具及设备
本次加工所用的成形工具为直径8mm的球头杆,成形设备为南京航空航天大学自主研制的渐进成形机床,如图4所示。由于成形机床的工作平台尺寸为600mm×1000mm。其他必须的成形工具还包括固定板料所需的装夹支架。
2.2.3加工过程
加工的目的是为了验证渐进成形方法在整体壁板零件加工中的可行性,选择负成形方案。在零件的CAD模型基础上,利用UG软件的CAM功能生成刀轨路径。再 通过机床附带的后处理程序后即可得到控制机床运行的代码程序。创建刀轨选择的加工参数及其他加工信息汇总列在表1中。
固定好板料,对好刀具后,将加工代码程序输入机床,既可实现壁板零件的自动加工成形。
2.2.4成形零件
机床加工完成后,得到的实际零件如图5所示。
3 结论
通过对本文零件及其他零件的加工过程的分析,可以得到如下的结论:
1) 渐进成形工艺可以用于加工小批量的零件。整个过程中,无需模具,大大降低生产制造成本和加工效率。有利于对于快速响应市场需要,调整设计思路。
2) 模具对于零件的刚度没有任何支撑。加工过程中,零件会在随着工具头的运动发生摆动,材料极易发生屈服而断裂。在设计加工模型时,应提高零件刚度。
参考文献
[1]松原茂夫.板材の逐次逆张出し·绞り成形[C]∥平成7年度塑性加工春季讲演会论文集,调布:塑性加工会,1995:209-210.
[2]莫建华,韩飞.金属板料数字化渐进成形技术研究现状[J].中国机械工程,2008,19(4):491-497.
[3]莫建华,叶春生,黄树魁.技术钣金数控渐进成形[J].航空制造技术,2002(12):21-27.
[4]《航空制造工程手册》总编委会.航空制造工程手册——飞机钣金工艺[M].北京:航空工业出版社,1992:397-400.
[5]常荣福.飞机钣金零件制造技术[M].北京:国防工业出版社,1992:94-117.
[6]曾元松,黄遐.大型整体壁板成形技术[J].航空学报,2008,29(3):721-727.
[7]曾元松,黄遐,李志强.先进喷丸成形技术及其应用与发展[J].塑性工程学报,2006,13(3):23-28.
[8]O’Hara P.Peen-forming-a developmenting technique[C]//Proceedings of the8th International Conference on Shot Peening(ICESP8).2002:215-226.
[9]Holman MC.Autoclave age forming large aluminium aircraft pan-el[J].J Mech Work Technol,1989,20:477-488.
数控渐进成形 篇6
数控渐进成形技术是近年来兴起的一种针对单件、小批量薄板成形件生产的柔性制造技术[1,2,3]。相对于传统的塑性加工技术(如冲压)，该技术不需要花费大量的金钱和工时来制作模具，大大降低了小批量情况下钣金零件的制造成本。该技术借助数控铣削中“等高铣”的思想，将铣刀换成一成形工具头，并使其在数控系统的作用下做等高线运动，实现对板料的加工。在已有的研究成果中，该技术主要以两种形式出现，即单点渐进成形(single point incremental forming,SPIF)和双点渐进成形(two points incremental forming,TPIF)。单点渐进成形因成形时仅仅存在成形工具头和工件的接触而得名，其特点是实现方便，对设备的要求低，在普通的数控铣床上即可实现，但不能实现复杂形状零件的加工。双点渐进成形中，除存在工具头和工件的接触外，还存在工件和支撑模型的接触，该成形方法需要在专门的渐进成形机床上实现。由于支撑模型的使用，该方法可以实现某些形状极为复杂的零件的加工。
本质上讲，SPIF和TPIF的变形机理是一致的，都是利用工具头的运动使金属板料发生局部的近似纯剪切变形，造成材料在侧壁纵向的拉长和厚度方向的减薄。零件厚度的变化与成形的角度直接相关，当成形角度过大时，会导致厚度的剧烈减小甚至破裂。为避免破裂和改善厚度分布，一些学者考虑使用多道次成形的方法来解决这一问题。Hirt等[4]、Araghi等[5]使用多道次成形的方法成功成形了直壁筒形件。沈黎萍等[6]使用多道次成形的方法成功得到了半球形的零件。周六如等[7,8,9]也使用该方法得到了直壁筒形件和盒形件。但以上成果仅涉及多道次渐进成形的应用，并没有对多道次渐进成形的机理和变形规律进行细致、系统的研究。因此，探索多道次渐进成形的变形机理和应变分布规律，对该技术的推广无疑有重大的理论指导意义。
1 多道次单点渐进成形
在金属板料数控渐进成形中，材料变形区厚度t受板料初始厚度t0以及板料成形角度θ影响，遵循余弦规律t=t0cosθ。渐进成形中零件的成形角度受厚度变薄的影响有一个极限值。对于成形角度超过成形极限角度或者直壁零件的成形，单道次成形无法解决。多道次渐进成形就是通过多个道次实现制件最终形状的成形。第一道次的成形与单道次的渐进成形过程相同，而后续的成形过程比单道次成形更加复杂。其基本原理是利用道次的增加，使原本应该在零件底部(非成形区域)的材料转移到零件的成形区域[10?11]。由体积不变原则可知，零件成形区域的增加可以减缓厚度的减小，控制减薄率。
2 试验设备与方法
2.1 试验设备
数控机床采用南京航空航天大学自主研制的NHSK1060专用渐进成形机床(图1)。刀具材料选用高速钢，半球头直径为8mm。加工板料为AA1060，尺寸为140mm×140mm，厚为0.89mm，各道次工具头路径生成方式均为等高线形式，运动方向均为自上而下、自外而内。进给速率均为4m/min，润滑剂使用矿物油。
2.2 数据获取
流动曲线获取方法如下：在未成形的板料上按照一定规律做好若干标记点;零件成形完成后测量标记点的位置，以得到成形前后材料流动的大致方向;对于多道次成形，可分别得到每一道次结束后的零件，然后依据每一个零件上标记点的测量结果来获取材料的流动曲线。
采用坐标网格法测量应变。在铝板表面印上间距为2mm的圆形网格，成形完成后使用工具显微镜测量变形后的网格，计算第一主应变和第二主应变。
厚度测量设备为一专用的厚度计，其主要结构为一顶针和百分表，顶针和百分表的表头相对放置。测量时将零件放在二者中间，晃动零件得到最小读数即为测量结果。
2.3 试验方案
试验模型为一圆锥台形零件，顶部直径为113mm，成形深度为50mm，成形角度为70°。分别采用单道次和4道次的方法成形零件，多道次成形方案如图2所示。成形工具头所走等高线间距均为0.5mm。
3 试验结果及分析
3.1 试验结果
最终成形零件效果如图3所示，单道次渐进成形的零件底部没有变形，而在多道次单点渐进成形中，零件底部有明显的四个台阶，造成零件底部整体下沉。
3.2 试验数据分析
3.2.1 流动曲线
根据2.2节中描述的方法，最后获取的流动曲线如图4所示，横坐标为制件的径向尺寸，纵坐标为制件的深度尺寸，实线表示各个道次成形的零件轮廓，虚线表示铝板上标点的流动情况。从图4中不难看出，单道次成形和多道次成形的第一道次中，材料没有明显的径向位移。从第二道次开始，材料的径向位移不断增大。对于零件的最终状态，径向位移随成形深度的增大而增大。此现象说明材料在多道次成形中，从较小的圆周流动到较大的圆周上，会产生较为明显的第二主应变。而在单道次渐进成形中，材料成形前后几乎保持在同一圆周上，不会产生较为明显的第二主应变。
3.2.2 应变分析
图5所示为单道次和多道次渐进成形的应变分布规律。从图5b中可以明显看出，在单道次渐进成形中，由于材料没有径向位移，其第二主应变几乎为零;而在多道次渐进成形中，第二主应变随成形深度增大而增大，进一步证明了3.2.1中的分析是正确的。
在图5a中，除去零件减薄带的影响[12]，零件各处的第一主应变基本恒定，而在多道次渐进成形中，在深度较小的位置，其第一主应变明显小于单道次渐进成形的第一主应变，但随深度的增大，其第一主应变不断增大，甚至超过单道次渐进成形的第一主应变。结合图4中的流动曲线不难发现，在多道次渐进成形中，零件根部有更多的材料参与变形，导致第一主应变减小，随着成形的继续进行，道次间的台阶逐渐增大。从图6中可以看出，台阶处的材料在工具头的作用下，成形角要从一个很小的角度变化到一个较大角度，且台阶处材料已经在前面道次的作用下发生了变形，这就造成了其对材料最大伸长率的影响。
3.2.3 壁厚分析
图7所示为单道次成形零件和多道次成形零件的壁厚分布规律。单道次渐进成形的零件随着深度的增大，除了初始阶段存在减薄带外厚度基本保持不变，但多道次渐进成形时零件壁厚随成形深度增大不断减小。结合图5中零件的第一、第二主应变的分布规律及塑性变形中的体积不变原则可知，在多道次渐进成形所得零件中，其壁厚必然会随深度的增大而剧烈减小。
4 补充试验
从上述试验中可以发现以下问题：
(1)由于道次间成形角度差的存在，导致零件在成形过程中会存在台阶现象，造成零件底部下沉。
(2)台阶的存在会导致零件局部的第一主应变增大，并导致壁厚急剧变小。
(3)从壁厚的变化规律可推测，对于大成形角度的零件必然会存在一成形深度极限。
针对以上问题，通过增加成形道次的方法验证道次间成形角度差对底部下沉现象及应变分布的改善情况(补充试验1)，通过成形大角度零件的方法来验证成形深度极限的存在(补充试验2)。补充试验1中，共分七个道次对板料进行成形，成形角度分别为40°、45°、50°、55°、60°、65°和70°，对应的成形深度分别为35mm、37.5mm、40mm、42.5mm、45mm、47.5mm和50mm。补充试验2中，成形角度依次为40°、50°、60°、70°、80°和90°，对应的成形深度分别为40mm、50mm、60mm、70mm、70mm、70mm。两个补充试验中的其余参数均保持不变。
图8所示为补充试验得到的零件，从图8a中可以看出，零件底部的下沉现象得到了明显的改善。图9所示为四道次和七道次渐进成形所得零件的应变分布对比和壁厚分布对比，可以明显看出，七道次渐进成形所得零件的第一主应变明显减小，壁厚明显增大。
图8b为补充试验2所得制件，成形角为80°和90°的侧壁均发生了破裂，破裂位置的深度分别为41.12mm和28.44mm，这证明了深度成形极限的存在，且成形角越大，成形深度极限越小。
5 结论
(1)多道次单点渐进成形所得零件存在较为明显的第二主应变，且随成形深度的增大而增大，与此同时，壁厚随成形深度的增大明显减小。
(2)多道次渐进成形时零件壁厚随成形深度增大不断减小，不能成形过大深度的零件，存在成形深度极限，且成形角度越大，成形深度极限越小。
(3)多道次单点渐进成形道次间角度差越小，所获零件的几何精度越高，能较好地避免台阶现象，可在一定程度上改善成形质量。
(4)增加成形道次可以改善零件的应变及壁厚分布。
参考文献
[1]莫健华,韩飞.金属板材数字化渐进成形技术研究现状[J].中国机械工程,2008,19(4):491-497.Mo Jianhua,Han Fei.State of the Arts and Latest Research on Incremental Sheet NC Forming Technology[J].China Mechanical Engineering,2008,19(4):491-497.
[2]Jeswiet J,Micari F,Hirt G,et al.Asymmetric Single Point Incremental Forming of Sheet Metal[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2005,54(2):88-114.
[3]史晓帆,徐岩,高霖,等.方锥形渐进成形制件误差补偿工艺研究[J].中国机械工程,2012,23(18):2248-2252.Shi Xiaofan,Xu Yan,Gao Lin,et al.Investigation on Error Compensatory Process of Pyramidal Parts Formed by Single Point Incremental Forming[J].China Mechanical Engineering,2012,23(18):2248-2252.
[4]Hirt G,Ames J,Bambach M.A New Forming Strategy to Realize Parts Designed for Deep-drawing by Incremental CNC Sheet Forming[J].Steel Research International,2005,76(2/3):160-166.
[5]Araghi B T,Manco G L,Bambach M,et al.Investigation into a New Hybrid Forming Process:Incremental Sheet Forming Combined with Stretch Forming[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2009,58(1):25-228.
[6]沈黎萍,高锦张,蒋松,等.板料渐进成形半球形件的路径研究[J].锻压技术,2010,35(6):40-44.Shen Liping,Gao Jinzhang,Jiang Song,et al.Research on Incremental Forming Path of Hemispherical Workpiece[J].Forging&Stamping Technology,2010,35(6):40-44.
[7]周六如,肖祥芷,莫健华.金属直壁筒形件数控渐进成形工艺研究[J].机械科学与技术,2004,23(11):1366-1369.Zhou Liuru,Xiao Xiangzhi,Mo Jianhua.A Study of NC Incremental Vertical Wall Cylinder Forming Process[J].Mechanical Science and Technology,2004,23(11):1366-1369.
[8]周六如.基于数控渐进成形技术的方形盒成形工艺[J].锻压技术,2009(4):65-68.Zhou Liuru.Forming Process of Square Box Based on NC Incremental Forming Technology[J].Forging&Stamping Technology,2009(4):65-68.
[9]周六如.直壁矩形盒渐进成形技术[J].模具工业,2009,35(5):40-43.Zhou Liuru.Incremental Forming Technology of Vertical-walled Rectangular Box[J].Die&Mould Industry,2009,35(5):40-43.
[10]Verbert J,Belkassem B,Henrard C,et al.MultiStep Toolpath Approach to Overcome Forming Limitations in Single Point Incremental Forming[J].International Journal of Material Forming,2008,1(1):1203-1206.
[11]Duflou J R,Verbert J,Belkassem B,et al.Process Window Enhancement for Single Point Incremental Forming Through Multi-step Toolpaths[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2008,57(1):253-256.
数控渐进成形 篇7
汽车起重机吊臂一般有5节伸缩臂,大型汽车吊臂由两半U形件焊接而成,每个U形件长度超过12m,重量超过1t。目前这种U形件的制造均采用人工推送板料的方式渐进折弯成形,劳动强度大、工作效率低,十分需要一种机械送料装置解决上述问题。
然而,大尺寸U形件的渐进折弯过程复杂,往往需要11道次以上折弯工序[1,2],加工中既有按顺序级进送料,又有跳进和回退送料。由于要求每个折弯点位置准确,对送料精确性要求高。送料夹持与托举位置不合适会使成形板料产生弯曲变形而影响准确送进。
传统的模拟分析方法将机械系统做全刚体化处理,不考虑运动过程中部件的变形,忽略系统中各部件的弹性变形,对仿真精度存在较大影响。而大尺寸折弯件由于质量较大,板材长度/厚度比高,在送料过程中板材受重力、折弯机及送料装置的冲击的影响,不可避免发生弹性变形,对送料装置及其送料动作产生较大影响。为设计符合上述实际工况的送料装置,采用刚柔耦合系统[3],用ANSYS和ADAMS联合处理送料机械的动态仿真问题。即利用有限元软件ANSYS对板料进行柔性化处理,并导入ADAMS中进行刚柔耦合分析,可以模拟板料在送料过程中的变形情况,以及变形对送料动作的影响,使得模拟准确度更高。
本文用UG、ANSYS和ADAMS联合进行数据交流,建立起送料机械手的刚柔耦合模型,分别对多种不同工况下的送料动作进行了运动学与动力学仿真,利用ADAMS/postprocessor后处理模块查看机构运动状态,对板料进行应力应变分析。验证了送料装置总体结构设计和送料动作设计的合理性;输出机构各部件的受力状况,为后续的结构优化设计提供基础。
2 建立刚柔耦合系统模型
整机送料模型主要由凸模、凹模、机械手、被加工板料组成。其中对凸模、凹模、机械手部分采用刚性化处理。而折弯件在送料过程中会有较大变形,故采用柔性化处理。
2.1 折弯成形件的柔性化处理
用ADAMS/FLEX模块与ANSYS软件联合,形成一种模态柔性体(modal flexibility)的方法进行建模。方法是:将物体离散为一个有限元模型,计算物体频率特性并依此赋予其一个模态集,在模态空间中各节点处的弹性位移由模态向量的线性组合表示。根据物体的受力状况计算每一时刻各节点处的弹性位移,将各节点的弹性位移叠加即可描述柔性体随时间的变形情况[4]。
柔性化处理过程如下:
(1)在UG中建立折弯件的三维模型,通过IGES格式导入ANSYS。如图1所示。
(2)定义单元类型为solid92,即10节点线弹性体四面体单元,其具有塑性、蠕变、膨胀、大变形和大应变能力[5];定义材料属性:折弯件材料为weldox900其基本材料属性定义为弹性模量E=210GPa,泊松比μ=0.3,密度DENS=7850Kg/m3。以扫掠网格划分法手动完成折弯件网格划分。
(3)建立刚性连接区域。在ADAMS中,在柔性体上建立外部节点(interface node)和附加刚性连接区域来与刚体连接,利用beam4单元建立蜘蛛网柔性梁和mass21单元建立刚性区域[6]。
(4)选定步骤(3)中建立的外部节点,运行AN-SYS的宏命令ADAMS.MAC生成模态中性文件,此模态中性文件包含了柔性体的质量、质心、转动惯量、振动频率和振型等信息。
2.2 建立整机刚柔耦合模型
用UG分别建立送料装置各零部件的三维数字模型,装配成整机模型,并执行干涉检查,确保系统运行无干涉。利用ADAMS和UG的无缝连接接口parasolid将模型导入ADAMS。模型如图2所示,送料装置由推料板、压料板、托料板、机架和导轨组成。其中推料板固定在机架上,由电机带动滚珠丝杠驱动前后机架、前后压料板;托料板由油缸驱动。需要说明的是在不影响送料装置送料真实动作的前提下,为增加仿真效率,模型采取了一定简化处理,删除掉电机螺栓支承座等结构件,仅保留基本运动部件,同时滚珠丝杠和油缸驱动用简单的直线运动副取代。
在ADAMS中定义各部件的材料与质量属性,定义单位为国际单位制MKS,定义重力方向与大小,并修改部件可视化效果。依次在压板与机架、托板与机架、机架与导轨之间添加直线运动副,在凹模与地面、导轨与凹模之间添加固连副。分别在6个直线运动副上施加驱动,并在模拟中根据模拟要求做相应修改。
将折弯件模态中心文件导入模型。在折弯件上固连8个哑物体,固连点分别位于折弯件与凸模、凹模、前后压板、前后托板、前后推料板接触处,利用哑物体传递刚性送料装置和柔性板之间的相互作用力与运动。在哑物体与送料装置对应部件之间施加contact约束,在施加contact约束时,依据模拟要求设置合理参数,其参数值对模拟准确性产生很大影响。
导入ADAMS的柔性体文件默认情况下包含有较全的模态信息,在模拟前,可以根据柔性体的各模态在动力响应中的贡献进行取舍,以增加仿真效率。此外,对Dynamics和Contacts求解器进行优化可以提高仿真速度,增加仿真精度。
3 刚柔耦合仿真实例分析
送料过程可分解为定位、推送、翻转等动作。利用ADAMS可以对送料动作进行运动学与动力学模拟仿真,辅助设计合理的送料动作。将各送料动作进行组合,初步设计送料方案,并再次对其进行模拟仿真,根据仿真结果分析改进送料方案,即可完成整体送料方案的设计。
3.1 折弯件推送动作模拟
在折弯件推送动作设计中,拟采取前后推料板直接推送的方法推动板料沿x方向运动(记为动作A)。
对前后推料板施加驱动dis=step(time,0,0,5,80)。设定仿真时间为5s,仿真步长为0.01s,进行交互仿真。
仿真结束,进入postprocessor后处理模块查看仿真结果,分析送料过程。送料过程中各部件及折弯件的运动情况可以在animation模块查看,并可输出记录有送料过程动态信息的AVI格式文件。
通过播放AVI视频,可知折弯件在t=2.6s时被凹模“卡死”:折弯件上A节点与凹模接触,推料板在B节点持续挤压折弯件,压迫其产生弹性变形,却无法推送折弯件至加工要求位置。
在Component选项选定柔性板,可定性观察柔性板变形随时间变化情况。如图4~6所示,为将板料变形放大3倍后得到的不同时刻板料等值变形图。
如图4所示:在t=1时刻,折弯件刚开始接触折弯件,折弯件主要受自重影响,变形较为微小;图5所示为t=2.6时刻,折弯件被凹模卡死,受推料板和凹模压迫,开始发生较大弹性变形;图6所示为t=5时刻,模拟结束时刻,由于推料板的持续挤压作用,折弯件弹性变形达到最大,与推料板接触节点处产生了较大的应力集中,折弯件两端翘曲较为严重。
为了避免上述“卡死”现象,重新设计推送动作为:先利用托料板将折弯件叉起,然后前后推料板平移,带动折弯件沿x方向平移(记为送料动作B)。
分别对前后托料板、前后推料板施加驱动函数如表1所示。
设定仿真时间为10s,仿真步长为0.01s,进行交互仿真。仿真结束,进入后处理模块postprocessor,利用前述方法分析模拟结果。输出AVI格式视频,观察送料过程,折弯件受力合理,没有被凹模“卡死”,能够被准确送到要求位置。
测量柔性板整体变形以及关键节点变形情况,柔性板最大变形发生在t=4.1s处,即折弯件被托料板叉起时刻。此时刻柔性板变形如图7,观察可知折弯件由于受重力作用,仅发生了较小的弹性变形,不影响送料动作的实现。
根据ADAMS模拟结果,对比分析动作A与动作B可知:动作A送料过程中折弯件被凹模“卡死”,发生较大变形,送料方案不合理;动作B虽较动作A稍显复杂,但送料过程中折弯件无较大变形,能够准确地将板送到加工要求位置。动作B较为合理。
3.2 整体送料方案模拟
整体送料方案的模拟与推送动作的模拟类似。依据定位、推送、翻转等送料动作进行组合设计送料方案,根据送料方案对前后机架、前后压板等施加合理的驱,设置好仿真时间、仿真步长即可进行模拟。
仿真结束后,观察AVI视频文件,查看送料方案是否合理。并针对不合理部分进行修改,保证能够快速准确地完成送料过程。
同时,ADAMS也具有优良的动力学模拟功能,可以测量送料过程中关键部件的运动与受力数据,在后处理模块中查看测量结果,并输出记录有所有动力学数据的rst格式文件。
如图8~10所示,依次记录了第五节臂第6道次加工完成后送料模拟的前推料板的位移-时间、速度-时间、加速度-时间曲线。图11为前推料板与柔性板之间碰撞力contact4随时间变化的曲线,该力即为两者之间沿x方向相互作用力的大小。
由于机构的送料动作较为复杂,且各部件与板料直接存在着多变的相互作用力。因此,若想通过理论计算得到上述曲线,存在着较大困难。
在送料装置的后续设计选型计算中,rst文件记录的动力学数据对设计计算能够起到很大的辅助作用。以驱动前机架的滚珠丝杠选型计算分析可知:滚珠丝杠选型计算的关键是计算运行过程中其转速-时间曲线与负载-时间曲线。滚珠丝杠转速n=V/Ph,其中Ph为导程,因此转速-时间通过理论计算可由图8所示速度-时间曲线转换而来。滚珠丝杠传递的力主要作用在两方面:空载时驱动前机架运动(记为FA),FA根据其加速度-时间数据、机架与导轨间的摩擦系数计算可得;有负载时额外提供推动板料运行(记为FB),FB等于图11所示contact4力-时间曲线。由此可以计算滚珠丝杠负载-时间曲线。
借助转速-时间曲线与负载-时间曲线,根据线性系统寿命计算方法,分别计算滚珠丝杠平均转速和平均负载,并根据寿命时间要求计算所需额定基本动载荷,结合精度要求初选滚珠丝杠型号;计算滚珠丝杠容许轴向负载以及容许转速,对滚珠丝杠进行校验;结合其他使用条件要求,即可完成整个滚珠丝杆的选型计算过程。
4 结论
研究表明,用ADAMS与ANSYS对折弯送料过程进行刚柔耦合仿真;利用有限元软件的帮助将板料柔性化处理,在ADAMS中建立刚柔耦合模型,并对送料过程进行运动学与动力学模拟和分析,可大幅提高仿真的准确性,有效地优化送料动作。通过动力学模拟,输出送料过程中机械手各部件运动、受力数据,可为送料装置的结构及其驱动设计提供有用的技术支持。
摘要：利用ANSYS和ADAMS的静态、动态分析功能,辅助设计大尺寸U形件渐进折弯送料装置的结构及送料动作。采用刚、柔耦合仿真基本原理,对送料过程进行运动学与动力学仿真,通过分析和优化送料动作,设计整体送料方案;根据分析数据和动作方案,设计机械结构,为进一步开发大尺寸U形件渐进折弯成形工艺的送料装备提供一种技术基础。
关键词：机械设计,折弯,送料机械手,ADAMS,刚柔耦合
参考文献
[1]付泽民,莫健华,等.金属板材折弯成形回弹预测及凸模几何参数反求[J].华中科技大学学报(自然科学版),2009,37(11):86-89.
[2]付泽民,莫健华,等.基于量纲分析法的金属板材折弯回弹数学模型[J].机械工程学报,2010,46(12):54-58.
[3]陈立平,张云清,任卫群,等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.
[4]高云凯,吴锦妍.基于ADAMS/View的刚柔耦合大客车悬挂优化分析[J].机械设计与制造,2011,(5).
[5]张永德,汪洋焘,王沫楠.基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真[J].系统仿真学报,2008,(9).