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1、第二届中国C A E 工程分析技术年会无支撑板材数字化渐进成形工艺研究吴坚( 浙江科技学院机械与汽车学院、浙江杭州、3 1 0 0 t 2 德累斯顿应用科技大学，德国)要：金属板材渐进成彤技求是一种基于快速原型制造原理“分层制造”的思想，实现设计与制造一体化的秉性快速成形方法本文描述了盎属扳材渐进成形技术的研究现状和发展趋势，重点夼绍了无辅助支撑杂件下的数字化成形工艺的原理和方法，并与有支撑成形方法进行了对比关健词：金属薄板数字化渐进成形、无模成形、无支撑工艺T h eT e c h n o l o g yR e s e a r c ho fM e t a lS h e e tD i g i
2、t a lI n c r e m e n t a J F o r m i n gw i t h o u tS u p p o “ J D i e tr i c hA b s t r a c t ：T h eT e c h o n o l o g yo fm e t a ls h e e t “ i n c r e m e n t a lf o r m i n gi saf l e x i b l ea n dr a p i dm e t h o d ef o rf o r m i n gb a s e do nt h ei d e ao fr a p i dp r o t o t y p i
3、n gp r i n c i p l e “L a y e r e dM a n u f a c t u r e “ I tc a nr e a l i z et h ei n t e g r a t i o no fD e s i g na n dM a n u f a c t u r e T h ep a p e rd e s c r i b e st h er e s e a r c ha c t u a l i t ya n da d v a n c et r e n do f t h i st e c h o n o l o g y I tm a i n l yi n t r o d
4、 u c e ；t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d eo f d i g i t a lf r o m i n g t o c h n o l o g yw i t h o u ts u p p o r t I tc o m p a r e sw i t ht h et e c h n o l o g yw i t hs u p p o r t K c y w o r d s ：M e t a lS h e e tD i g i t a lI n c r e m e n t a lF o r m i n g 、D i e l e s sF o r m
5、i n g 、W i t h o u tS u p p o r tT e c h n o l o g y1 概述 1 1 引言 金属板材成形在制造业中有着广泛的应用全世界的钢材中，有6 0 7 0 是板材，其中人 部分为冲压制成的成品。据统计。2 0 0 3 年我国生产汽车冲压件约2 4 0 万吨8 亿件，摩托乍冲 压件约2 8 万吨1 9 亿件，拖拉机、农用车冲压件约9 6 万吨7 1 亿件，家用空凋和冰箱冲J 畏 件1 0 0 万吨门2 8 亿件。这仅仅是大批大量生产的产品规模，还未包括众多小批量多品种的板材成形产晶。 随着市场上对个性化产品的需求和新产品试制的需要，小批量多品种产品的快迷
6、成形工艺和方法也逐步吸引了人们关注的目光。传统的成形工艺需要模具设计，制造周期氏，费用 高，难以适应小批量多品种生产和样品试制的需要。以汽车行业为例，每年都有大批新的车型问世，而新车型的试制与开发主要是车身覆盖件的设计和制造，这需要经过模具设计、软 模制造、试验修改、硬模制造等复杂过程才能投人生产，试制过程耗时、耗资、耗力，延长 了新产品开发的周期，增加了生产成本。汽车的改型换代需长远4 8 个月之久。而大批大量生产的成形工艺和方法却无法满足小批量多品种产品的需求。 因此，研究小批量多品种金属板材基于无辅助支撑条件下的快速无模成形工艺和方法，能快速、有效、经济地满足小批量多品种生产和新产品试制
7、的需要。 1 2 研究现状与发展趋势 金属板料的无模成形很早就有人探索。近1 0 年来由于市场需求的多样化，加以机械和控 制技术的进步，促使金属板料无模成形有了新发展。目前比较典型的板料无模成形方法有旋压成形、成形锤渐进成形、多点成形和数字化渐进成形。 旋压成形是在通用的数控车床或数控旋压机平台上，通过数控系统控制旋压工具的运动 轨迹，使旋转的金属板材逐次逐步地发生塑性变形而形成所需的形状。它只适合于同转类零 件的成形对非回转类的金属板材成形则采用半模成形或软横成形，既以液体直接或问接作为半模 或传感应介质的各种液压成形技术，其成形质量很好，适用于试制和小批量生产。缺点是仍第二届中国C A E
8、 工程分析技术年会需制作半副模具E 模，而且需要一套高压系统，并解决高压密封等问题。 成形锤渐进成形法使用刚性冲头和弹性下模对板料各局部区域分别加工，是一种单点压 延渐进成形工艺。其技术方法简单，成形速度较快，但成形形状较简单，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，有多点模具成形和多点压机成形两种方法。多点成 形法初步实现了无模成形，但对于加工形状复杂的成形件有困难，设备结构复杂，成本较高。 上世纪9 0 年代初，日本学者松原茂夫提出了一种新型的金属扳料成形工艺金属板料
9、渐进成形技术( I n c r e m e n t a lS h e e tF o r m i n g ，简称I S F ) 。其思路是基于快速原型制造( R P M )的方式，将复杂的三维形状分解成一系列二维层片。并以工具头走等高线的方式，在二维层 上进行塑性加工，实现了金属板料的数字化制造。它奠定了板材数字化渐进成形工艺研究的基础。2 0 0 4 年，C a m b r i d g e 大学的J uJi a nA 1 1 w o o d 研究了一种基于I S F 的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件和 用户定制的医用脚踝支撑架上
10、。图1C a m b r i d g e 大学的I S F 成形设备与实验图2C a m b r i d g e 大学在0 2 m m 4 m m 步距下的I S F 实验结果澳人利亚Q u e e n s l a n d 大学、加拿大k i n g s t o n 大学等都在进行这方面的研究工作，他们 主要研究是有辅助支撑的数字化渐进成形技术，需要在材料成形的运动过程中增加一个随动的辅助支撑。它要求在工具头运动的同时辅助支撑也能做相应的运动，这需要专用的设备来 实现这些运动。 国内最先开展这方面研究的是华中科技大学，它们采用的是加辅助支撑的工艺方法，主要是在其快速成形机的基础上，将快速成形机
11、的加支撑机构改造成I S F 的辅助支撑，并对加 工轨迹优化和有限元分析进行了相关研究。国内其它高校如江苏大学、吉林大学珠海学院和 盐城工学院也正在进行类似的研究工作。 2 工艺原理与方法 2 1 工艺原理与特点金属板材数控快速无模成形法采用快速原型制造技术的“分层制造”思想，将复杂的三 维形状分解成一系列二维层片，在通用的数控机床上盥用C A D c m 软件，建立数字化模型并 产生成形路径规划。控制工具头走等高线的方式，在二维层上进行塑性加工，实现了金属板料的快速数字化制造。它无需专用的模具，便可加工几乎任意形状的工件，大大节省了产品 设计过程中模具设计、制造、试验修改等复杂过程所耗费的时
12、间和资金，极大地缩短了新产 品开发的周期，降低了成本。为企业新产品的快速开发和制造提供了一种先进手段。一般中第二届中国C A E 工程分析技术年会等复杂程度的成形件仅需几小时时间，真正实现了板材的快速成形。 用这种渐进成形的方法加工金属板料，与一次拉伸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，不仅可加工一般的金属薄板成 形件，还可加工那些用传统工艺加工不出来的具有复杂曲面的工件。 数字化渐进成形的技术特点是无须一一对应的模具，零件的结构和形状也相应不受约束。 因而极大地降低了新产品开发的周期和成本。对于多品种小批量的产品以及新产品的试制和 开发，都具
13、有潜在的经济价值，而且该方法所能成形的零件复杂程度比传统成形工艺高。因 此引起人们普遍的关注，这也是金属扳料快速无模成形今后发展的一个主要方向。 2 2 工艺原理与特点 该成形1 ：艺方法分成有辅助支撑和无辅助支撑两种。目前国内外主要研究的是有辅助支 撑的无模成形工艺，它需要有专用的成形设备来实现。如图3 、图4 和图5 所示。图3 ：带全支撑的渐进成形工艺全支撑的渐进成形工艺需要一个半模作为支撑，因此它仍需制作模具，周期较长。图4 ：带局部支撑的渐进成形工艺带局部支撑的渐进成形工艺只需一个通用的局部支撑，无需半模，其应用范围得到较大 的拓宽。但它要求在工具头运动的同时，辅助支撑也能做相应的运
14、动，这需要专用的设备来 实现这些运动。图5 ：无辅助支撑的渐进成形工艺第二届中国C A E 工程分析技术年会无辅助支撑的渐进成形工艺可采用通用的数控设备、通用的C A D C A M 软件，无需借助 于过多的专用工、夹具，即可对金属板料进行任意的三维曲面成形，大大拓宽了其应用范围。3 应用 材料：铝合金1 5 低碳钢 厚度；1 5 m m l m m 尺寸：2 0 0 m m X 2 0 0 r a m圈6 ：无支撑成形装备图7 ：数字化模型与成形件 T 艺参数如下： 主轴转速：t 0 0 转份 成形速度：】5 0 0 - 5 0 0 0 m m m i n步距：0 1 o 2 r a m (
15、 z 轴) 润滑：液压油成形后壁厚的变化：图8 ：成形后壁厚的分布3 S 7第二届中国C A E 工程分析技术年会该成形方法实质上是对材料进行渐进变薄拉延过程。从上图可以看出，成形后板材的厚度 出现了明显的变化，板料成形区的板厚将比未成形部分的扳厚减薄1 2 以下。材料成形区厚度跟板料成形面与垂直方向的夹角有关。夹角越小，则厚度变化越大。实例中夹角最小为2 6图9 ：板料成形面与垂直方向的夹角图1 0 为病人定制一个金属的治疗面罩。圈1 0 ：医用治疗面罩 4 结束语 无辅助支撑的渐进成形工艺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，不仅可加工一般的金属薄板成形件，还可
16、加工那些用传统工艺加工不出来的 具有复杂曲面的工件。可对金属板料进行任意的三维曲面成形，应用面宽。能广泛地应用于r 业、建筑、医学、维修等领域。 在渐进成形工艺中曲面造型、工艺计算、轨迹控制、材料成形等整个过程全部采用计 算机与数控技术，实现C A D C A M 一体化生产，易于实现自动化和实现网络化制造，工作效率高。制造成本制造周期批量大小图l l ：无辅助支撑的渐进成形工艺与传统成形工艺的对比无辅助支撑的渐进成形工艺无需专用的设备和装置，可在通用的数控机床的平台上使用第二届中国C A E 工程分析技术年会通用的C A D C A M 软件，可对金属板料进行任意的三维曲面成形。在生产批量为1 5 0 0 2 0 0 0 件 以下的成形件时，其生产周期要小于传统的模具成形工艺。 金属板料数控无模成形技术不仅适合于新产品的开发和设计验证，与快速帝j 模技术结合， 可制造能进行批量生产，寿命可达几千件的模具。参考文献： I P o l l l n k ，M K t l l t n e r ，
