金属直壁筒形件数控渐进成形工艺研究

收稿日期 :2003 09 12 基金项目 :国家自然科学基金项目 (50175034)资助 作者简介 :周六如 (1964 - ) ,男 (汉) ,江西 ,博士研究生 周六如 文章编号 :100328728 (2004) 1121366204 金属直壁筒形件数控渐进成形工艺研究 周六如 ,肖祥芷 ,莫健华 (华中科技大学 塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室 ,武汉 　430074) 摘 　要 :介绍了金属板料数控渐进成形工艺的成形原理、变形分析、直壁筒形件成形的工具路径 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、实验条件及结 果分析。根据正弦定律 ,金属板料数控渐进成形工艺 ,不能一次成形出直壁筒形件 ,要成形直壁筒形件 ,必须进行多 次成形。为了尽快逼近直壁筒形件 ,设计了平行直线型等三种工具路径 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,通过实验和结果分析 ,找到最佳方案。 关 　键 　词 :金属板料渐进成形 ;数控成形 ;无模成形 ;直壁筒形件成形 中图分类号 :TG33 　　　文献标识码 :A A Study of NC Incremental Vertical Wall Cylinder Forming Process ZHOU Liu2ru , XIAO Xiang2zhi , MO Jian2hua (State Key Laboratory of Plastic Forming Simulation and Die &Mould Technology , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074) Abstract : The forming principle , deformation analysis , the tool path design , the experimental condition , and the result analysis of vertical wall cylinder forming in NC incremental sheet metal forming process are present2 ed. According to the sine law , vertical wall shell cannot be finished at one time in NC incremental sheet metal forming process , it must be formed at many times. Thus , three process methods are presented to make vertical wall shell parts quickly , and experiment and analysis are made to verify it . Key words : Sheet metal incremental forming ; CNC forming ; Vertical wall cylinder forming 　　为了满足用户多样化的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ,需要开发适合于小批量 板料产品生产的新工艺。在过去几年开发的多种方法中 , 应用简单工具的板料数控渐进成形工艺的研究受到极大的 关注[1～4 ] 。金属板料数控渐进成形工艺是一种基于计算机 技术、数控技术和塑性成形技术基础之上的先进柔性制造 工艺。它的特点是引入快速原型制造技术“分层制造”的思 想 ,将复杂的三维形状沿 z 轴方向离散化 ,即分解成一系列 二维断面层 ,并在二维断面层上局部进行塑性加工 ,实现了 设计与制造一体化的柔性快速制造。这种对板料进行分层 渐进成形的方法 ,无需加工复杂的模具 ,零件的形状和结构 也相应不受约束。它适合于多品种、小批量的板料零件的 快速成形。 金属板料数控渐进成形过程是对板料进行渐进变薄拉 伸过程 ,材料变形区厚度 t 跟板料初始厚度 t0 以及板料成 形面与垂直方向的夹角θ的关系符合正弦定律 , 即 t = t0sinθ(如图 1 所示) 。当θ接近于零时 ,板料成形部分的厚 度接近于零。因此 ,数控渐进成形工艺难以一次成形直壁 筒形件 ,如何成形直壁筒形件 ,有必要进行研究。 图 1 　金属板料数控渐进成形原理图 本文介绍了金属板料数控渐进成形原理、变形分析 ,直 壁筒形件成形的工具路径设计、实验结果及分析 ,指出了成 形直壁筒形件的最佳工艺方案。 1 　成形原理 图 1 是金属板料数控渐进成形原理图。首先 ,将被加 工板料放在支撑模型上 ,在板料四周用压板在托板上夹紧 板料 ,托板可以沿着导柱自由上下滑动。然后将该装置固 定在三轴联动的数控无模成形机上。加工时 ,成形工具走 到指定的位置 ,并对板料压下设定的压下量 ,然后 ,根据控 制系统的指令 ,按照第一层截面轮廓的加工轨迹要求 ,以走 等高线的方式 ,对板料进行渐进塑性加工。在形成所需第 第 23 卷 2004 年 第 11 期 11 月 机 械 科 学 与 技 术 MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol. 23 November No. 11 2004 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 一层截面轮廓后 ,成形工具在 z 轴方向压下相同的压下量 , 再按第二层截面轮廓轨迹运动 ,并且形成第二层轮廓。如 此重复 ,直到整个工件成形完成。 2 　变形分析 图 2 　数控板料渐进成形分析模型 通过图 2 可以分析板 料与成形工具接触区的变 形。图中虚线部分为成形 工具与板料的初始位置 ,实 线部分为在 z 方向成形高 度 h 时 ,成形工具的位置和 板料的变形状况 , A 点到 B 点的范围定义为板料的变 形区 ,且假定变形区内材料 被均匀拉伸 ,则变形区长度 l = l1 + l2 (1) 式中 : l1 = h - rcosθ + r·tanθ, mm; l2 = r·(π2 - θ) ,mm; r为成形工具球头半径 ,mm;θ为 板料成形面与垂直方向的夹角 , rad; h 为在 z 轴方向的成形 高度 ,mm。 成形过程中 ,参与变形的板料原始长度为 L = ( h - r + r sinθ) tanθ (2) 根据式 (1) 、式 (2) ,变形区的拉伸应变为 ε = ln lL = ln h - r cosθ + r ·tanθ+ r ·( π 2 - θ) ( h - r + r sinθ) tanθ (3) 　　在板料数控渐进成形工艺中 ,由于成形工具球头的半 径大大地小于板料的尺寸 ,所以板料每次产生的变形仅发 生在成形球头的周围 ,靠逐次的变形累积产生整体的变形。 对式 (3)分析可知 ,θ接近于零时 ,ε接近于无穷大 ,必然大 于板料的极限应变 ,引起板料破裂。因此 ,对于θ接近于零 的直壁筒形件 ,不可能一次成形。 3 　金属直壁筒形件成形工具路径设计 为了成形直壁筒形件 ,我们采用逐次逼近的方法 ,通过 多次成形 ,渐渐地由斜壁筒形件加工成直壁筒形件 ,从而满 足设计要求。为了找出最佳工艺方案 ,减少成形次数 ,提高 加工效率 ,设计了如下不同的由斜壁筒形件成形为直壁筒 形件的工具路径方案。 (1) 平行直线型。工具路径是直线 ,设定每一层加工 轨迹与上一层加工轨迹平行 ,并且每一次成形的直壁高度 与成形工具下降距离 p 相同 ,如图 3 (c) 所示。第一步 ,以 满足多次成形后成形出的直壁筒形件不破裂为条件 ,计算 出θ角 ,以此角为半顶角 ,成形出锥筒形件 ,斜表面平直 ,如 图 3 (a)所示 ,然后 ,成形工具向下移动一个距离 p , 沿着图 3 (b)所示的轮廓 ,重复一次加工 ,成形出一段高度为 p 的直 壁。同样地 ,根据设定的多次工具路径及加工轨迹 ,成形反 复进行下去 ,最后 ,成形出直壁筒形件 ,如图 3 (c)所示。 图 3 　平行直线路径数控渐进成形图 图 4 　平移弧线路径数控渐进成形图 图 5 　变角度路径数控渐进成形图 7631第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　周六如等 :金属直壁筒形件数控渐进成形工艺研究 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　(2) 平移弧线型。加工路径是弧线 ,下一层加工轨迹 与上一层加工轨迹间的距离为 p ,如图 4 (c) 所示。第一步 成形锥形壳 ,斜表面为曲面 ,如图 4 (a) 所示 ,然后 ,成形工 具向下移动距离 p ,根据下一层轮廓重复一次加工 ,成形出 一段高度为 p 的直壁 ,如图 4 (b) 所示。同样地 ,通过多次 成形 ,最后完成直壁筒形件成形 ,如图 4 (c)所示。 (3) 变角度路径型。加工路径是直线 ,上一层加工轨 迹与下一层加工轨迹间成一定角度 ,如图 5 (c) 所示。第一 步成形锥形壳 ,斜表面平直 ,与平行直线型相同 ,斜面角度 为θ1 , 如图 5 (a)所示 ,然后 ,第二次加工 ,斜面角度为θ2 ,θ2 < θ1 , 如图 5 (b)所示。同样地 ,通过多次成形 ,直到斜面角 度取零 ,完成直壁筒形件成形 ,如图 5 (c)所示。 4 　实验 4. 1 　实验条件 实验装置主要由成形工具、托板、压板、导向装置、支撑 模型和数控无模成形机组成。成形工具是带半球头的工具 头 ,由工具钢制成 ,头部进行研磨和抛光 ,半球头直径为 10 mm。成形工具固定在板料数控渐进成形机的工具卡盘里。 使用的材料是 08Al 板 ,厚度为 1 mm。板料剪成边长 330 mm的正方形。成形工具和板料的被加工面 ,用润滑油润 滑。要成形的直壁筒的直径是 100 mm ,高度为 50 mm。 支撑模型起支撑板料的作用 ,对于形状复杂的零件 ,该 支撑模型可以制成简单的模具 ,有利于板料的成形。 根据要成形的直壁筒形件的形状 ,按照设计的不同工 具路径方案 ,通过 UG等软件建造不同的模型 ,并且生成不 同的加工轨迹 G代码。 4. 2 　实验结果 根据本文第 3 节中的 3 种工具路径方案 ,以及生成的 不同加工轨迹的 G代码 ,分别进行数控渐进成形 ,加工出 如图 6 所示的零件。图 6 (a) 、图 6 (b) 、图 6 (c) 分别为用平 行直线型工具路径、平移弧线型工具路径和变角度工具路 径加工出的筒形件。 图 6 　数控渐进成形加工的直壁筒形件的照片 5 　三种工具路径成形的分析 对图 6 所示零件的测量分析 ,得到图 7 所示的直壁部 分厚度变化规律。图 7 中曲线 1 为平行线型工具路径加工 的直壁筒形件直壁部分厚度变化曲线 ,曲线 2 为平移弧线 型工具路径加工的直壁筒形件直壁部分厚度变化曲线 ,曲 线 3 为变角度型工具路径加工的直壁筒形件直壁部分厚度 变化曲线。 图 7 　3 种工具路径方案加工的圆筒直壁厚度曲线 在平行直线型工具路径加工直壁筒形件的过程中 ,由 于加工面的倾角相同 ,成形工具对板料引起的变薄量 ,在下 一层与上一层基本相同 ,因此 ,金属的流动和分配比较均 匀。成形的结果是 ,圆筒直壁部分厚度比较均匀 ,如图 7 中 曲线 1 所示。 在弧线型工具路径加工直壁筒形件的过程中 ,在每一 层中 ,由于工具路径是弧线 ,在加工面的任一点 ,倾角都是 变化的 ,成形工具对板料引起的变薄量 ,开始比较小 ,然后 慢慢变大 ,直到弧线路径的顶端为最大 ,然后 ,又渐渐变小 , 如图 7 中曲线 2 所示。 在变角度型工具路径加工直壁筒形件的过程中 ,每一 层的加工轨迹面的倾角都在改变 ,下一层比上一层要小 ,直 到θ = 0 为止。成形工具对板料引起的变薄量 ,在直壁部 分的顶端 ,厚度变薄比较小 ,往下变得越来越大 ,到底部为 最大 ,如图 7 中曲线 3 所示。 根据以上的分析 ,在实际生产中 ,要求零件直壁部分厚 度比较均匀时 ,可以采用平行直线型工具路径 ,这是直壁件 成形的最佳工具路径。 6 　工艺参数的影响 6. 1 　成形半顶角 根据体积不变原理 ,材料变形区厚度 t 跟板料初始厚 度 t0 以及板料成形面与垂直方向的夹角θ的关系符合正弦 定律 ,即 t = t0sinθ。θ称为成形半顶角。 正弦定律指出 ,成形半顶角越小 ,板料变形区的厚度减 薄得越大 ,当成形半顶角接近于零时 ,板料变形区的厚度接 近于零。因此 ,要保证成形能顺利进行 ,即保证变形后板料 变形部分有一定的厚度 ,不致于破裂 ,首先必须知道成形极 限半顶角。从而 ,取不小于此角的角度进行成形 ,便能保证 8631　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　机 械 科 学 与 技 术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 23 卷 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第一次成形的圆锥形件能够成功。为此 ,我们通过实验取 得了不同材料的成形极限半顶角。例如 ,厚度 1. 0 mm 的 08Al 的成形极限半顶角为 22°。此时 ,板料变形部分厚度为 0. 37 mm。 由于数控渐进成形工艺难以一次成形直壁筒形件 ,必 须经过多次成形。因此 ,第一次成形圆锥形件时的半顶角 必须大于成形极限半顶角。本研究中 ,经过计算 ,θ取 45°。 6. 2 　工具下降量 由于板料数控渐进成形工艺是采用分层加工的方法 , 因此 ,对于同样高度的零件 ,每次工具下降量的大小决定分 层的多少 ,从而决定加工完零件的快慢。工具下降量越大 , 加工一层的时间就越短 ,但零件的表面越粗糙 ,而且板料承 受的压力越大 ,容易引起破裂 ;工具下降量越小 ,分层越多 , 成形时间越长 ,零件表面越光滑 ,板料承受的压力越小 ,有 利于进一步成形。本研究中 ,工具下降量为 0. 25 mm ,取得 了很好的效果。 7 　结论 (1) 一次工具路径加工零件的变形区厚度变化符合正 弦定律。根据正弦定律 ,金属板料数控渐进成形工艺 ,不能 一次成形出直壁筒形件 ,要成形直壁筒形件必须多次成形。 (2) 通过合理的工具路径规划 ,用数控渐进成形工艺 可以把板料成形为直壁筒形件 ,并且可避免成形工件发生 破裂。 (3) 用平行直线型工具路径的数控渐进成形工艺可以 把板料成形为壁厚比较均匀的直壁筒形件。 9631第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　周六如等 :金属直壁筒形件数控渐进成形工艺研究 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net