无支撑板材数字化渐进成形工艺研究

棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈 [9]暋李书江,刘自成,林均品,等.快速细化低铝含量钛 铝合金铸态组织的热处理工艺[J].稀有金属,2001, 25(5):332飊335. [10]暋谢鲲,王健农,唐建成,等.循环热处理细化TiAl晶 粒[J].稀有金属材料与工程,1999,28(4):248飊 251. [11]暋ValievRZ,IslamgalievRK,AlexandrovIV.Bulk Nanostructured Materials Form Severe Plastic Deformation[J].Progressin MaterialsScience, 2000,45(2):103飊189. (编辑暋袁兴玲) 作者简介:许暋锋,男,1978年生。合肥工业大学材料科学与工 程学院博士研究生。主要研究方向为精密塑性成形理论。发表 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 10余篇。薛克敏,男,1963年生。合肥工业大学材料科学 与工程学院教授、博士研究生导师。李暋萍,女,1973年生。合 肥工业大学材料科学与工程学院教授、博士研究生导师。 王岗超,男,1984年生。合肥工业大学材料科学与工程学院硕士 研究生。李暋琦,男,1983年生。合肥工业大学材料科学与工程 学院硕士研究生。 无支撑板材数字化渐进成形工艺研究 吴暋坚1暋JocherDietrich2暋李暋强1 1.浙江科技学院,杭州,310023暋暋2.德累斯顿应用科学大学,德累斯顿,01097 摘要:在无辅助支撑条件下数字化渐进成形工艺的原理和 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的基础上,对无支撑板材数字化渐进 成形过程中产生的变形与应变进行了分析,通过实验数据分析,对比了成形前后其厚度的变化和成形斜 角的限制。对成形的形状误差进行了分析,并提出了相应的解决方法。该工艺方法采用通用 CAD/CAM软件和通用的数控机床,无需专用工装,成本低,成形周期短。 关键词:金属薄板;数字化渐进成形;无模成形;无支撑工艺;同步随动系统;偏移 中图分类号:TG506暋暋暋文章编号:1004—132X(2010)16—2002—04 ResearchonSheetMetalDigitalIncrementalFormingTechnologywithoutSupport WuJian1暋JocherDietrich2暋LiQiang1 1.ZhejiangUniversityofScienceandTechnology,Hangzhou,310023 2.DresdenUniversityofAppliedScience,Dresden,Germany,01097 Abstract:Duringsheetmetalincrementalformingprocess,thedeformationandstrainwere analyzedbasedontheprinciplesandmethodsofdigitalincrementalformingprocessunderthewithout supportcondition.Bycomparingthicknessvariationandobliqueangleofformingrestriction,and analyzingtheshapeerrorsoftheformingprocessinordertoputforwardthecorrespondingsolutions, experimentaldataanalysisandtheoreticalcalculationresultsindicatethattheproductioncycleof withoutsupportprocessissignificantlylowerthanthatoftraditionalproductionprocessesunderlow -volumeproductionconditions,andthenhasthemeritssuchasadoptionofuniversalmachinetool, withoutexcessspecialfixtures,lowproductioncostandformingshortperiod. Key words:sheet metal;digitalincrementalforming;dielessforming; without support technology;synchronousservosystem;deviation 0暋引言 个性化产品的需求和新产品试制的需要使得 小批量多品种产品的板材快速成形工艺和方法[1] 逐步引起了人们的关注。传统大批量生产的成形 工艺需使用模具,制造周期长、费用高,难以适应 小批量多品种生产和样品试制的需要。因此各种 板料无模成形工艺应运而生。 目前典型的板料无模成形工艺有旋压成形、 成形锤渐进成形、多点成形和数字化渐进成形等。 旋压成形是在通用的数控车床[2]或数控旋压 机平台上,通过数控系统控制旋压工具的运动轨 收稿日期:2010—03—22 迹,使旋转的金属板材产生塑性变形而形成所需 的形状。它能满足中小批量生产的需求,但只适 用于回转类零件的成形。 非回转类零件的金属板材成形则采用半模成 形或软模成形,即各种以液体直接或间接作为半 模或传感应介质的成形技术。其成形质量好,适 用于试制和小批量生产。缺点是仍需制作半副模 具,且需要一套高压系统,并解决高压密封等 问题。 成形锤渐进成形法[3]使用刚性冲头和弹性下 模对板料各局部区域分别成形,是一种单点压延 渐进成形工艺。其技术方法简单、数字化程度高、 ·2002· 中国机械工程第21卷第16期2010年8月下半月 成形速度较快,但成形形状简单,成形后留下的锤 击压痕会影响制品的表面质量。 多点成形法是利用高度可调的数控液压加载 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 形成离散曲面,来代替传统模具进行三维曲 面成形,是一种多点压延加工技术。多点成形法 初步实现了无模成形,但复杂成形件成形困难、精 度不高、设备复杂、成本较高。 由此可见,上述无模成形工艺均未较好地满 足小批量、多品种复杂成形件的生产需求,因此研 究适用于小批量、多品种金属板材新型的快速无 模成形工艺,以快速、经济地满足小批量多品种生 产和新产品试制的需要。 日本学者松原茂夫提出了一种新型的金属板 料数字化成形工艺———金属板料渐进成形技术[4] (incrementalsheetforming,ISF),其思想是基于 快 速 原 型 制 造[5] (rapid prototyping manufacture,RPM)的原理,将复杂的三维形状 分解成一系列二维层片,并以工具头沿等高线运 动的方式,在二维层片上进行塑性成形,从而实现 金属板料的数字化制造。该技术奠定了板材数字 化渐进成形工艺研究的基础。 1暋数控渐进成形工艺原理 金属板材数控渐进成形技术是根据工件的三 维模型,应用数控机床控制成形工具按预定的运 动轨迹对板材进行局部塑性成形,使板材逐步成 形至所需形状的一种柔性成形技术[6]。该技术只 需少量或无需专用模具便可成形形状复杂的工 件,省去了产品设计制造过程中模具设计、制造、 试验修改等复杂过程,极大缩短了新产品开发的 周期,降低了成本,对于多品种小批量的产品、新 产品的开发与试制等具有较大的市场前景。该成 形工艺方法分成有辅助支撑和无辅助支撑两种。 1.1暋有辅助支撑 目前国内外主要研究的是有辅助支撑的无模 成形工艺,它需有专用的成形设备。 辅助支撑视其支撑的作用范围又可分为全支 撑和局部随动支撑两种。前者仍需要制作半副模 具作为支撑,周期长、柔性差,但成形精度较高;后 者则额外需要一个随动系统来控制辅助支撑的运 动,保证与成形作用点的同步随动,其设备与控制 系统复杂,成本较高。对应成形工艺分别如图1、 图2所示。 Jackson等[7]开发了一台基于ISF、有辅助支 撑的成形设备,配备了力传感器,可对成形过程的 参数进行优化。它已成功地应用到汽车小型覆盖 图1暋带全支撑的渐进成形工艺 图2暋带局部支撑的渐进成形工艺 件和用户定制的医用脚踝支撑架的成形工艺中。 法国、澳大利亚等国都进行了类似的研究工 作[8],均需要在材料成形的运动过程中增加一个 随动的辅助支撑。它 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 在成形工具运动的同时 辅助支撑也能做相应的运动。 华中科技大学采用的有辅助支撑的工艺方 法[9],是在其快速成形机的基础上,将快速成形机 的加支撑机构改造成ISF的辅助支撑,并对成形 轨迹优化和有限元分析进行了相关研究。国内其 他高校如江苏大学、吉林大学和南京航空航天大 学等也正在从事类似的研究。 上述几种有辅助支撑的成形工艺均需要在数 控机床上增加两个控制轴来实现辅助支撑的随 动。它至少需要5轴控制来实现成形运动,设备 复杂、成本较高、通用性不强。 1.2暋无辅助支撑 无辅助支撑的渐进成形工艺同样采用快速原 型制造技术的“分层制造暠思想,应用通用的 CAD/CAM软件,建立数字化模型;将复杂的三 维形状分解成逐层的二维成形路径;在通用的数 控机床上控制成形工具以沿等高线运动的方式, 在二维层上逐层进行塑性成形,从而实现了金属 板料的快速数字化制造。它无需专用的支撑、模 具和工具,为新产品的快速开发和制造提供了一 种先进手段。中等复杂程度的成形件成形仅需几 小时,真正实现了板材的快速成形。 该成形工艺与一次拉深成形的传统工艺相 比,能加工出曲面更复杂、延伸率更高的成形件, 加工精度和表面质量均较好。其成形工艺如图3 所示。 无辅助支撑的数字化渐进成形的优点是无需 模具和辅助支撑,缺点是缺少支撑,成形件的精度 比有支撑的稍低。板材夹持装置见图4。 ·3002· 无支撑板材数字化渐进成形工艺研究———吴暋坚暋JocherDietrich暋李暋强 图3暋无辅助支撑的渐进成形工艺 图4暋无支撑成形板材夹持装置 2暋无辅助支撑的渐进成形工艺原理与误 差分析 2.1暋工艺原理 首先用 UG、Pro/Engineering、Solidwork等 三维造型软件进行设计;然后应用CAM软件进行 分层处理及工艺规划,产生分层的NC路径文件, 经后置处理程序产生NC代码;最终控制数控机 床上的成形工具按预定轨迹对材料进行逐层成 形,如图5所示。 图5暋成形工作 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 板材被固定在夹持装置中,在其被压紧前,需 借助专用工具沿板材周向(XY方向)施加一定的 预紧力,使板材处于拉伸状态。 图6所示是板材局部塑性成形中的材料与工 具接触区处的变形情况。 假定变形区内材料被均匀拉伸,变形区长度 L为 L=A+B+C (1) A= (Z-R)cos毭,B=R/tan毭 C= (90曘-毭)毿R/180曘 图6暋材料塑性 成形的变形区 式中,毭为板料成形面与垂直 方向夹角;R为工具头球头半 径;Z为高度方向的层高。 前次接触长度为 L0 = (90曘-毭)毿R/180曘 应变则为 毰=lnLL0 = ln[ (Z-R)cos毭+R/tan毭 (90曘-毭)毿R/180曘 ]· ln[ (90曘-毭)毿R/180曘 (90曘-毭)毿R/180曘 ](2) 板材成形后的厚度与夹角毭有关。斜角毭越 小,则厚度变化越大。经多次试验,斜角与厚度的 关系符合正弦规律: t=t0sin毭 (3) 式中,t为成形后厚度;t0 为成形前厚度。 图7暋 板料成形 面与垂直方 向的夹角 暋 单次 成 形 斜 角 最 小 为 26曘,如图7所示。与有支撑的 成形方式不同,无支撑的成形 方式中成形轨迹必须是螺旋 形由外向中心运动,使板材在 成形过程中始终处于“绷紧暠 状态[2]。在夹紧时施加的拉 伸力越大,板材成形过程中产 生的偏移就越小。 2.2暋 误差分析与措施 该成形方法实质上是一个对材料进行渐进变 薄拉延的过程。材料被拉延,长度、厚度发生了变 化,通常板料成形后的厚度要比成形前的厚度小, 如图8所示。 (a)铝合金壁厚分布 (b)15低碳钢壁厚分布 图8暋 成形后铝合金和15低碳钢壁厚分布 从图8两张图对比可以看出,成形后板材厚 度出现了较明显的变化,板料成形区的板厚最小 处比未成形部分的板厚减薄1/2以上。铝合金成 形件的厚度变化如图9所示。 从图9可看出,由于成形过程中背面缺少有 效的支撑,故成形工具施加在板材上的力会产生 一定的弯矩,使得最终成形的形状发生偏移,如图 10所示。这也是造成该工艺与有支撑成形工艺 相比精度低的主要原因。 ·4002· 中国机械工程第21卷第16期2010年8月下半月 图9暋 铝合金成形件剖面 图10暋 无延伸环的形状偏移 从图10中可看出,成形件的上段1/4左右,约 20mm(靠近夹持装置)的一段由于弯矩的作用偏 离了理想形状,产生了较大的偏移。而其余3/4部 分与理想形状较为吻合,成形精度较高。这主要 是由于上段材料事实上起到一个支撑环的作用, 从而减小了下段的偏移量。在实际应用中,可采 用避开上段大偏移量的区域或使用多次成形减小 每次的偏移量等方法来提高成形精度。另一种行 之有效的方法是在夹持装置的下端增加一个与成 形件轮廓相吻合的延伸环,使夹持部分尽量靠近 成形起点,这虽然会增加一些制造工作量,但却大 大减小了偏移量,如图11所示。 图11暋有延伸环的形状偏移 也可通过有限元方法(FEM)对成形过程中 的弹性回弹进行预测分析,在数字化模型中对即 将产生的偏移和回弹进行反向修正的方式来弥 补,通过补偿优化软件产生无或少回弹的成形轨 迹。这需要建立各种工程材料特性、工况与回弹 量的关联数据库,还有待于通过大量的试验来进 行完善。 3暋应用实例 本文金属板材成形实例中,材料为铝合金和 15低碳钢,厚度分别为1灡5mm 和1灡0mm,尺寸 为200mm暳200mm,应用 Mastercam 软件进行 三维设计,如图12所示,成形件如图13所示。成 形铝合金的工艺参数如下:主轴转速100r/min; 成形速度(XY平面)2000mm/min;Z向进给速度 800mm/min;Z向步距0灡2mm;润滑采用46号 液压油。 图12暋金属板材数字化模型 图13暋金属板材成形件 成形工具为锥体球头状,球头直径6mm,柄 部直径12mm,材料为淬硬高速钢或硬质合金,如 图14所示。 图14暋成形工具 笔者曾应用无支撑板材数字化渐进成形工艺 技术为用户定制了铝合金治疗面罩,如图15所 示。工艺参数如下:主轴转速100r/min;成形速 度(XY 平 面)3000mm/min;Z 向 进 给 速 度 1000mm/min;Z向步距0灡2mm;润滑采用46号 液压油。成形时间约49min。 图15暋治疗面罩 参考文献: [1]暋莫健华,丁勇,黄树槐.金属板材数控单点渐进成形 加工轨迹优化研究[J].中国机械工程,2003,14 (24):2138飊2140. [2]暋JadhavS.BasicInvestigationsoftheIncrementalSheet MetalFormingProcessonaCNCMillingMachine (下转第2015页) ·5002· 无支撑板材数字化渐进成形工艺研究———吴暋坚暋JocherDietrich暋李暋强 时,由于主动转向控制响应较慢,故仍需借助改变 制动力的控制方法进行稳定性控制。 表4暋仿真结果 制动时间 (s) 制动距离 (m) 转弯半径 偏差(m) 未施加控制 4.07 41.28 1.37 施加转向控制 4.08 41.51 0.26 图13暋汽车前轮叠加转角变化曲线 6暋结论 载重汽车在山区公路连续下坡弯道路段进行 紧急制动时,容易发生侧滑或偏离预期行驶车道 的危险情况。本文利用神经网络轮胎空间特性曲 面确定轮胎在不同工况下制动时的最优滑移率 值,并根据所提出的汽车制动稳定性模糊控制方 法和相关控制策略进行了汽车制动稳定性仿真实 验。仿真结果表明,施加了制动稳定性主动转向 模糊控制后,汽车在下坡弯道路段制动时具有良 好的稳定性和安全性,所提出的控制策略能使汽 车制动时不偏离预期行驶车道,具有较好的制动 性能。因此,所提出的制动稳定性控制策略是有 效的,对于提高汽车的行驶安全性具有一定的 意义。 参考文献: [1]暋陈炯,王会义,宋健.基于滑移率和减速度的ABS模 糊控制仿真研究[J].汽车工程,2006,28(2):148飊 152. [2]暋张代胜,顾勤林,陈朝阳.车辆转弯制动防抱死系统 仿真[J].农业机械学报,2005,36(9):16飊20. [3]暋陈祯福.汽车底盘控制技术的现状和发展趋势[J]. 汽车工程,2006,28(2):105飊113. [4]暋EsmailzadehE,GoodarziA,VossoughiGR.Optimal Yaw Moment Control Law forImproved Vehicle Handling[J].Mechatronics,2003(13):659飊675. [5]暋安部正人.汽车的运动和操纵[M].陈辛波,译.北 京:机械工业出版社,1998. [6]暋余卓平,高晓杰,张立军.用于车辆稳定性控制的直 接横摆力矩及车轮变滑移率联合控制研究[J].汽车 工程,2006,28(9):844飊848. [7]暋PalkovicsL,El- Gindy M.NeuralNetwork RepresentationofTyreCharacteristics:theNeuro- Type[J].Int.J.ofVehicleDesign,1993,14(5/6): 563飊590. [8]暋赵健,李静,李幼德,等.模糊控制在四轮牵引力控 制系统中的应用[J].吉林大学学报(工学版),2005, 35(2):111飊115. (编辑暋袁兴玲) 作者简介:赵暋伟,男,1974年生。河南科技大学车辆与动力工 程学院副教授、博士。主要研究方向为汽车系统动力学控制。发 表论文20余篇。王志远,女,1964年生。河南科技大学车辆与 动力工程学院副教授。周志立,男,1957年生。河南科技大学车 辆与动力工程学院教授、博士研究生导师 棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈 。 (上接第2005页) [D].Dortmund:UniversityofDortmund,2004. [3]暋JeswietJ,MicariF,HirtG,etal.AsymmetricSingle PointIncrementalFormingofSheetMetal[J].CIRP Annals-ManufacturingTechnology,2005,54(2): 623飊649. [4]暋ParkJJ,Kim Y H.FundamentalStudiesonthe IncrementalSheetMetalFormingTechnique[J]. JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003, 140(1/3):447飊453. [5]暋Pohlak M,KuttnerR,MajakJ.Modellingand OptimalDesignofSheetMetalRP&M Processes [J].RapidPrototypingJournal,2005,11(5):304飊 311. [6]暋Pohlak M,KuttnerR,MajakJ.Modellingand OptimalDesignoftheIncrementalFormingProcess [C]//Proceedingsofthe Estonian Academy of Sciences,Engineering.Tallinn,Estonia,2004:261飊 269. [7]暋JacksonK,JulianA.TheMechanicsofIncremental SheetForming[J].JournalofMaterialsProcessing Technology,2009,209(3):1158飊1174. [8]暋KhelifaM,OudjeneM,KhennaneA.Fracturein SheetMetalForming:EffectofDuctileDamage Evolution[J].Computers & Structures,2007,85 (3/4):205飊212. [9]暋莫健华,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飊495,497. (编辑暋袁兴玲) 作者简介:吴暋坚,男,1965年生。浙江科技学院机械与汽车工 程学院副教授。主要研究方向为机械自动化设备(系统)设计与 制造。获省级科学技术奖三等奖1项。发表论文18篇。Jocher Dietrich,男,1948年生。德累斯顿应用科学大学机械工程学院教 授。李暋强,男,1979年生。浙江科技学院机械与汽车工程学院 副教授、博士。 ·5102· 载重汽车连续下坡弯道路段制动稳定性仿真研究———赵暋伟暋王志远暋周志立