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1、金属板料数字化渐进成形工艺研究摘要：本文围绕板材数控单点渐进成形技术的工艺规划的一般原则的建立和加工轨迹优化方法。主要内容包括基于理论分析和实践经验的一般性工艺规划和针对解决实际问题的加工轨迹优化处理。关键词：数字化成形 快速成形 加工轨迹1 引言金属板材数控单点渐进成形技术是一种数字化的柔性加工技术，与传统的塑性成形技术相比，具有不需要设计、制造模具，小批量多品种加工板材零件的优点。其柔性的特点决定了该项技术尤其适合于新产品开发阶段的板料零件成形，如日用品、汽车覆盖件、航天航空产品的研制阶段的工作，利用该技术可以大大缩短产品开发周期，降低开发成本和新产品开发的风险。本文根据在加工过程中的一些
2、实例，在UG软件进行使用方法的介绍，供同行们参考。2 金属板料塑性成形技术的概述2.1 传统板料塑性成形技术金属板料通过塑性成形方法可以加工成各种零件，它们被应用于国民经济和日常生活的各个领域中。例如汽车行业、航天航空、电机电器、食品包装、建筑等工业用品、家庭用品及家居装饰品、工艺美术品、医疗器械、家用电器等日常用品都大量使用金属板料塑性成形件。传统的板料塑性成形技术的加工过程通常包括两个阶段。第一阶段是模具的设计与制造阶段；第二阶段是采用模具的生产阶段。这种加工方式的优点是，一旦模具设计制造成功后，可以大批量的生产需要的零件。但是，因为在模具的设计制造过程中，需要反复的对模具进行修改，这样就
3、表现出模具的设计、制造费用高、周期长，使板材零件的应用范围受到限制。2.2 板料塑性无模成形技术二十一世纪是以知识经济和信息社会为特征的新时代，制造业正面临着空前严峻的挑战。如何快速、低成本和高质量地开发出新产品，以满足信息社会中瞬息万变的市场对小批量多品种产品的要求，是企业生存和发展的关键。传统的板料塑性成形技术已经不能够满足这种要求，市场经济要求提高成形的柔性。提高塑性加工柔性的方法有两种途径”，一是从机器的运动功能上着手，例如多向多动压力机，快速换模系统及数控系统。二是从成形方法上着手，无模成形便是其中一种。2.3 快速成形技术快速成形技术问世于20世纪80年代末，被认为是近20年制造技
4、术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相比。它引进分层制造(Layered Manufacturing)的思想，通过切层得到三维实体的截面轮廓曲线的型值点信息，然后山数控系统和执行单元完成逐点、逐层成形，从而将三维加工变为二维加工，最后得到零件或者零件的原型。综上所述，对薄板数控单点渐进成形的研究是非常必要的，它将快速成形技术和塑性成形技术有机结合，该技术是综合性的跨学科的课题，它涉及力学、摩擦学、塑性成形技术、数控技术、CADCAM等多个学科，该技术的发展可推动相关学科尤其是快速成型技术和塑性加工理论的发展，既有重要的理论意义又有广阔的应用前景。3 金属板料数控单点渐进成形
5、原理金属板材数控单点渐进成形法，是一种基于计算机技术、数控技术和塑性成形技术基础上的先进制造技术，其特点是采用快速成型制造技术“分层制造(Layered Manufacturing)”的思想，将复杂的三维模型沿高度方向离散化，分解成一系列二维层，并在二维层上对板材进行局部的塑性加工。加工是在三轴联动的数控成形机上进行的，工作时，在计算机控制下成形工具头先走到指定位置，并对板材压下设定的压下量，然后根据控制系统的指令，按照第一层截面轮廓的要求，以走等高线的方式对板材施行渐进塑性加工，并形成所需第一层截面轮廓后，成形工具头再压下设定高度，按第二层截面轮廓要求运动，并形成第二层轮廓。如此重复直到整个
6、工件成形完毕，如图1中所示为板材加工过程原理。 (a)板料成形前 （b）板料成形过程中(c)板料成形三维实体图图1 金属板科渐进成形原理图1导柱 2夹板 3板料 4支架模型 5工具头 6支架金属板材数控单点渐进成形方式是一种数控成形方法，在加工中数控编程是其主要内容之一。而在数控编程中，工艺规划和加工轨迹的优化是这种渐进塑性加工技术能否成功加工工件、提高成形精度的重要一环。4 金属板材零件的数字化建模对于基于图纸以及型面特征点测量数据的复杂形状零件数控编程，其首要环节是建立被加工零件的数字化模型。数字化建模(Digital Model)是基于计算机技术，在现代设计方法学的指导下，支持先进制造系
7、统，定义和表达产品全生命周期中的产品资源所必需的产品数据内容、数据关系及活动过程的数字化的信息模型。数字化建模技术正经历着从几何建模技术到特征建模技术的转变。几何建模仅仅是零件的几何表示。包括零件的几何定义、外形设计和必须满足的约束条件。是用一些基本的几何元素点、线、曲线、平面、曲面、简单体素等，来描述这些设计对象的几何形态的。几何模型的表达方式有线框模型(Wireframe Modeling)、曲面模型(Surface Modeling)、实体模型(Solid Modeling)和参数化变量化建模。特征建模技术是CAD建模方法的一个新的里程碑，它是在CADCAM技术的发展和应用达到一定水平，
8、要求进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的历史进程中孕育成长起来的。特征兼有形状和功能两种属性，现有的国内外特征技术研究都是基于实体模型的基础上开展的。在实体模型的基础上，特征设计应能方便地进行设计修改，特征本身是参数化的，它们之间的组装应该实现变量化，即尺寸驱动。ProE、UG软件都很好的实现了特征建模的功能。5 钣金零件的渐进成形工序图的生成金属板料渐进成形方法是对材料进行渐进变薄拉延过程，板料成形区(图1b中A部)的板厚将比未成形部分的板厚有明显减薄。材料成形区厚度，跟板料成形面与垂直方向的夹角(图lb)有关，它们符合正弦规律，即 (1)式中:t板料成形区厚度，mm；t0板料成形前厚度
9、，mm；板料成形面与垂直方向的夹角。加之扳材与工具头的接触点处处于二向拉应力状态，当上述成形角(图la)在05之间时，材料极易出现失稳而断裂，因此，工件的垂直壁部分一次成形是不可能的。根据以上的分析，在渐进成形中设计了路径“渐进”成形的方法,如图2所示，这种方法首先是基于塑性变形的体积不变原则，使板材成形过程中尽量多的板材参与变形，从而降低板材减薄，减小失稳的可能；其次，就是使板材已变薄区域尽量少重复参与变形。另外，如果对加工后垂直壁的精度要求不是很高的情况下，从节约加工时间来考虑，可以先将垂直壁部分，在渐进成形中成形为可以一次成形的斜壁，而再后续的工艺中，采用手工或机械的方式将斜壁折成直壁的
10、情况。图2 直壁的四种成形渐进工序图a)曲线 b)直线 c)折线并平行 d)直线段+曲线段图2中a、b加工方式，尽管满足了第一个原则，即使尽量多的板材参与变形，但是因为在若干次变形中整个变形段都不断参与了变形，这样该加工段一直在因塑性变形而变薄，这样就会很快使板材产生拉伸失稳，而造成破裂。图2d也可以成形一定深度的直壁，但是由于其下部的变形段在不断的变薄，从而导致破裂。从实际的加工实验中，只有图2c路径取得了较好的结果。而且也能很好的满足上面提出的两个原则，即首先与直接成形直壁比较，参与变形的板材面积扩大；而除了在第一次变形中都参与了变形外，其它道次参与变形的板材只集中与成形为直壁段的部分，下
11、面的直线段则没有参与变形，只是一种平移关系。但是由于加工中的回弹和其它效应，使得该成形路径成形垂直壁的深度仍然有限，目前采用此方法对1mm厚的08F进行加工可以达到40mm以上。但是与直接加工直壁相比已经取得了一一个数量级的提高。所以，图2c的路径是较优的加工路径。图3为采用渐进工序成形的直壁零件。 （a）平行直线型工具路径加工的直壁筒形件 (b) 平移弧线型工具路径加工的直壁筒形件（c）变角度工具路径加工的直壁筒形件图3 采用渐进工序成形的直壁零件6 料数控单点渐进成形工艺分析渐进成形前先在板料加工区域的背面标记上间距相等的正交网格，如图3所示，零件加工完后在显微镜下观察和测量网格在零件表面
12、上两个主应变方向上的长度d1、d2，用对数应变求出两个主表面应变： （2） （3）式中：1、2表示两个主表面应变； d01、d02为两个主方向上的初始网格长度。在厚度方向的应变t可表示为 （4）式中：t为板料变形后的厚度； t0为板料初始厚度。根据体积不变原则：1+2+3=0 （5）得： t=-(1+2) (6)由公式（4），可得 （7）将公式(2)、(3)、(6)式，代入(7)式，就可以计算出板料变形后的厚度值t。再通过三坐标测量仪测量出网格的坐标位置，就可以进行板厚的可视化处理。图4给出了某零件的三维实体图。图47 渐进成形工艺可能产生的缺陷与解决措施在板料数控渐进成形过程中，可能产生的缺
13、陷有破裂、起皱等缺陷。对产生这些缺陷的原因以及解决这些缺陷的措施如下：7.1破裂破裂是板料塑性成形中主要的质量问题。在成形过程中，不产生破裂是生产合格零件的前提。 破裂产生的主要原因有： （1）毛坯本身有裂纹和夹层，金相组织不均，晶粒太大，硬度不均等；（2）成形半锥角小于极限半锥角，减薄量太大，金属产生破裂。 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。成形区板料承受剪切变形，板料厚度减薄，减薄到一定程度，必然因材料失稳而破裂。 影响破裂的主要因素是成形半锥角。根据前面各章的分析，渐进成形过
14、程变形区厚度变化符合正弦定律。成形半锥角小于成形极限半锥角时，变形区发生破裂。 如图5所示为工件成形半锥角小于成形极限半锥角时成形出现的破裂情况。图5 成形半锥角小于成形极限半锥角时发生破裂的工件因此，要保证成形能顺利进行，必须保证工件成形半锥角大于成形极限半锥角，这样才不会破裂。同时，检查毛坯的金相组织及其内部缺陷，选择合格的毛坯。7.2 起皱皱纹的产生和发展受到应力状态、材料的力学性能、工件的几何形状以及接触情况等因素的影响。由于影响因素太多，同时考虑这些因素对皱纹的产生和发展的影响是非常困难的。因此，对起皱问题的研究一般都是针对具体的生产过程。 在板料成形过程中，所产生的皱纹是多种多样的
15、，其形成条件、影响因素以及防止和消除的措施都有各自的特点。目前，根据外力的不同可以把平板起皱分为:压应力起皱、剪应力起皱和不均匀拉应力起皱，如图6所示。 (a) 压应力 (b) 剪应力 (c) 不均匀拉应力图6 不同外力作用引起的平板起皱在数控渐进成形过程中，为使变形区金属产生塑性变形，工具头对板料施加外力，在变形区产生复杂的应力状态。由于板厚尺寸与其他两个方向尺寸相比很小，因此厚度方向是不稳定的。当外力在变形区平面内引起的压应力使板厚方向达到失稳极限时便产生失稳起皱，皱纹的走向与压应力垂直。在渐进成形中由于变形区受到压应力产生的起皱现象，如图7所示。图7 由于压应力引起的起皱现象对于太薄的板料容易起皱，随板厚的增大，皱纹逐渐减小，直至消失。同时，变形程度超过临界值时，随着变形程度的增大，板料内部变形不均匀程度增大，达到失稳点的部分增多，在成形中和成形后起皱的趋势增大。 为了解决这种起皱问题，
