（材料加工工程专业论文）金属板料数控逐次塑性成形的关键技术研究.pdf

东南大学硕士学位论空 摘要 金属板料数控逐次塑性成形技术是一种新兴的金属扳辩无模成形技术。它是利用数控设 备和简单的辅助装置，采用预先编制好的数控程序驱动设备对金属板料分层逐次成形。该工 艺可以快速低成本的直接制造出金属板科零件，且可以成形出形状复杂，成形极限较大的板 料零件，特别适合多品种、小批量和复杂形状的钣金零件的生产。 本文研究了金属扳科数控逐次塑性成形系统的工装夹具的设计，成形机理，成形工艺等 方面。设计并制造了支樟装置和成形工具，建立了金属板料数控逐次塑性成形系统。介绍了 m a s t e r c a m 软件的数控编程步骤及辖其应用于数控运次塑性威形的方法利用坐标网格法 分析了金属的流动规律，验证了单次数控逐次塑性成形的斜肇件壁厚变化符合正弦定律 通过大量实验，总结出影响数控逐次塑性成形过程的工艺参数主要有：工具结构、工具 头半径、成形半锥角、进给量、速度和摩擦等。本文中，作者通过理论和实验全面分析了各 种工艺参数的影响，为成形工艺参数的选择与优化提供了依据成形机理的研究为数控逐次 塑性成形工艺应用于实际生产提供了有力的理论指导。 根据成形机理的分析结果和采用优化的工艺参数，本文对圆锥类、方锥类、半球件、抛 物面件等多种典型零件的成形工艺进行了大量的试验研究，并对这些零件的一次成形工艺和 多次成形工艺的加工路径、工具轨迹规划等进行了细致的探讨同时对数控逐次塑性成形的 文字成形工艺和覆层成形工艺进行了探索性的研究。列举了成形过程中的各种常见缺陷，如 破裂、起皱和回弹等针对每种缺陷，分析了其产生的原因，提出了相应的解决措麓，消除 了缺陷，成形出了高质量的零件。 关键j 司：扳料威形，无模成形，数控运次成形，成形机理，工艺规划，工艺参数 a b s t r a c t t h en ci n e r e m e r a n ls h e e tm e t a lf o m l i n g o 鲳i sah 州t e c h n o l o g yo f s h e e tm e t a ld i c l e 虹 f o m l i n g b y 印阳i d i l l gs p e c i a le q u i p m e n ta n dt o o l si nn cm i u i n gm a c h i n e p r o c e s s e ss h e e tm e t a l l a y e r b y l a y e r w i t h t h e m a e m b o f e o n t i m m u s l o c a l p l a s t i c f o r m i n g a l o n g t h e l , r o g r m , n e d t r a j e c t o r y t h i sp r o c e s sc f o r mt h eh i g hf o r m i n gl i m i ta n dc o m p l e xs h a p es h e e tm e t a lp a r t s q u i d d yw i t h o u td i ea n dr e a l i z ef l e x i b l ew u f a e 岫 e i ns h e e tm e t a l t k sp r o c e 女i sr e l ys u i t a b l e f o r v a x i e d ，s m a l l - l o t a n dc o m p l e xs h e d m e t a lp r o d u c t s i nt i l l s 班甲t h et o o l i n gd e s i g n , f o r m i n gp l 面e i p l ea n dp r o c e s so f 协口啊璀删f o r m i n g s y s t mi sr e r , e a r e h e d s u p p o r te x p e r i m e n ta n df o m a i n gt o o l si sa c s i g n e da n dm a d c ai n c r e m e n t a l f o r m i n gs y s l e mh a sb e e nd e v e l 0 1 脚i nt h i sp a p t h en c 口d l 即mp m e s s i go f m a s 打c a m a n di t sa p p l i c a t i o n i n c r e m e n t a lf o r m i n gi si n t r o d u c e d i ti sv e r i f i e dt h a tt h et h i c k n e s so f l 船t s w l f i e h f o r m e d b y n c i n e m r n m l a l s h 醴m 删f o r m i n g s i n g k p r o c e s s c o t r f f o r m s t o t l a e s i n e l a w t h ek e yp r o c e s sp a r a n l e t e l si nt h cn ci n c r e m e n t a ls h e e tm e t a lf o r m i n gp r o c e s sc o n s i s to f t o o ls t m c i 岛叩t i c 佗r a d i u so f t h et o o lh e a d f o r m i n gh a l f 郴a n g l e 越哪no f f e e d , f e e ds p e e d 衔e t i o n , a n ds o 帆i nt h i sp a l 甄t h ee f f e c to f a i lt h ep r o c e s sp a r a m e , l e o nn l ed e f o r m a t i o n p r o c e 虹a n dh o w t ot h o o s es u i t a b l ed “x 鹄i 啪a m e t c r s 狮r e s e 甜e h e d t h cr e s e a r c ho rt h e f o r m i n gp r i n c i p l ep r o v i d e sap o w e r f u lr a t i o n a l ef o rt h ep r a c t i c a lp f o d 删o i l t h ef o r m i gp r o c e s s e so fc o n i f o r ms h a p e 、s q u 鼬c o n i cs h 弹、h e r n i s p 删s h a ma n d p a r a b o l o i d $ h a t p a r t sh a s b e e nr e s e a r c h e db a s e d0 1 3f o r m i n gp r i n c i p l ea n do p d m 倒p a r a m e m , s h lt h i sp a p e t h et o o lp a t hn n dt o o lt r a j e c t o r yo f t h e s e 删s i n g l e - t o o l 阳小p r o c e s sa n dm u l l i - t o o l p 洲h sp r o c e s si s d i s c u s s e dd e t a i l e d l y , l e m l c rf o r m i n ga n dp l a s t i c sp a df o r m i n gp r o c e s s e si sa l s o r e s e e h e d t h ed e f e e l x , s u c h 翟f r a e t 峨w r i n i d c , s p r i n gb a c ka n ds oo l ii sc l n l j n e t d l i 吐t h e 哟s o no fe v e r d e f e c ti sa , l a l y z 。d ，a n dag o o dr e s u l th a sb 咖a c h i e v e db yt a k i n gav a r i e t yo f m e a s u r e st o 旧m o v el l a e s ed e f e c t s k e yw o r d s ：s h e e tm e t a lf o r m i n g , d i e l e s sf o r m i n g , i n c r e m e n t a lf o r m i n g , f o r m i n gp r i n c i p l e , p r o c e s sp l n n n i n 吕p r o c e s s i n gp a r a m e t e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：苤史壅日期：醴i ：翌 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理 研究生签名： 第一章：绪论 第一章绪论 金属板料成形在制造业中有着广泛的应用，历史悠久的板料成形技术发展到今天，已经 成为国民经济发展的主要支柱产业汽车工业及高新技术领域巍空航天工业的强大 技术支撑，成为先进制造技术的重要组成部分 板科成形技术的发展与汽车、航空航天、家电等工业的发展紧密相联。汽车、宇航，家 电等工业的快速发展是在强有力的扳辩成形技术的支撑下实现的，并仍将依赣于扳料成形技 术的发展。板料成形技术的发展与产品需求息息相关，正是面临着汽车产量的迅猛增长和宇 航龟行器性能不断提升和家电等产品外形的不断变化的挑战，才促使板料成形技术不断的更 新发展。 汽车更新换代的频繁化强烈要求缩短研发周期这就加速了c a d c a m c a e c a l ，p 等计 算机辅助技术在工艺分析和模具设计制造中的应用，并加速了汽车制造业的数字化和信息化 进程。汽车产量的飞速增长对生产效率提出的更高要求。促进了快速精密冲压设备及生产线 的机械化、自动化水平的快速提高。节省能源和控制环境污染使汽车轻量化结构成为汽车发 展的重要方向，这又使板材轻繁化翻造技术得到较快发展。 宇航飞行器的飞行速度、有效载荷等性能的提高，对极端环境下构件的结构和材料提出 了更高的要求促使板科特种成形技术不断出现并用于实际 强烈的市场需求和学科交叉催生了金属扳料成形的新工艺、新技术，使扳材成形这一传 统学科焕发了新的活力但传统的金属板料加工工艺都离不开模具，而模具开发周期长，翻 造成本高，缺乏柔性。产品变化时就需要重新更换模具延长了新产品的开发周期增加了制 造成本。而现代社会产品的快速更新换代和多品种、单件小批苗样品的生产需求晕大，如何 高效率、低成本和高质量地开发出新产品是企业生存和发展的关键。因此一些新犁的无模 成形技术应运而生，如：旋压成形、成形锤渐进成形、电磁成形、激光成形、喷丸成形、无 模液压成形、无模多点成形、金属板料数控逐次塑性成形等。这些技术都是具有很强的柔性， 克服了传统的采用模具成形的工艺的不足，节省了模具设计制造费用与时间，特别适合新产 品的开发和小批量生产。金属扳料数控逐次塑性成形工艺即是其中的一种，它是利用数控设 备和简单的辅助装置，采用预先编制好的数控程序对金属板科分层逐次成形，最终获得预定 的零件形状。 1 1 课题概述 金属板料数控逐次塑性成形是2 0 世纪9 0 年代，日本学者松原茂夫提出的一种金属板料 成形新工艺“”“3 ”“”1 ，它采用快速原型制造( r 印柚p r 啦昀恤喀，简称r p ) 技术中。分层 制造( l a y e r e dm a n u f a c t m i n g ) ”的思想，将零件复杂的三维整体成形方式分解成一系列二维 层面的局部逐点塑性成形。它借助于数控机床和简单的工装夹具，使用预先编制好的数控程 序驱动设备对金属板料进行分层逐点的数控逐次成形以获得预定的零件形状。其特点是不 需要专用的模具就可以加工出成形极限大，形状复杂的金属钣金件由于不需要设计和加工 专用模具，极大地降低了新产品开发的周期和成本。特别适合航空航天、汽车，家电等领域 多品种小批量产品或新产品的试制与开发。 数控逐次塑性成形技术是一种全新的板料塑性成形技术。它将对金属板料成形工艺产生 革命性的影响，也将引起钣金类零件设计概念的更新若数控逐次成形技术应用到航空、汽 车等领域这将对提高我国航空宇航、汽车制造的技术水平有很大的提升对解决零件小批 量、多晶种、回弹大和难成形的问题和降低制造成本也有着重要的意义 东南大学颈上学位论文 1 2 金属板料无模成形技术的发展及现状 传统的金属板科成形工艺都需要借助于模具才能实现。由于模具设计生产周期长，成本 高，几乎不可以替换，这就使得产品的开发周期长不容易更新换代。随着经济的高速发展 市场竞争的日益激烈，产品的更新也日益加快传统的板料成形工艺难以适应这种发展，于 是具有柔性化的无模成形工艺应运而生 无模成形工艺可以追溯到原始的手工制作。但是。手工制作由于受工人技术水平和成形 力的大小等因素的限制，效率极低，制件形状尺寸精度无法保证，因此不能被广泛的采用。 现代社会要求企业快速、低成本和高质晕地开发出新产品，以满足瞬息万变的市场对小批帚 多品种产品的需求。因此人们逐渐发展了无模成形技术来提高成形的精度和效率。现有的 板料无模成形技术主要有旋压成形，成形锤渐进成形、电磁成形、激光成形、喷丸成形、无 模液压成形、无模多点成形、金属板料数控逐次塑性成形等技术。 l 工1 旋压成形 旋压成形是一种将金属坯料装在芯模的顶部通过旋转轴的轴向运动和旋轮的径向进给 滚压使坯料产生局部连续塑性变形。最终获得空心网转体零件的塑性加工方法” 麓压k 痧城头 童压童 乡矽 夕曩件 1 ， ， l f j 图1 1 旋压原理图 旋压是一种无切削的先进加工工艺。采用这种工艺可以节约原材料，提高材料的利用 率。此外，由于旋轮与工件的接触面积小，瞬间的变形区小总的变形力和机床吨位相对于 其它压力加工方式来说较低。另外，旋压属半无模成形，某些普通旋压可以实现无模成形 因而制造周期和费用可大大降低。同样，旋压工艺也存在着局限性旋压工艺只适用于加工 空心同转体零件，坯料的厚度不能太大，生产效率和精度低影响产品质蕈的工艺因素复杂 对旋压设备和操作技术的要求较高由于上述特点，旋压成形仅适用于简单轴对称薄壁零件 成形，难以成形复杂零件 1 0 2 成形锤渐进成形 成形锤渐进成形是9 0 年代起源于日本的新兴加工技术。该方法将金属板抖放置于刚性冲 头和弹性橡胶下模之间，通过不断的锤击对扳料各区域分别进行局部成形，逐步成形为所需 形状的零件加工工艺9 1 2 第一章：绪论 工件 模一萱 图i - 2 威形锤渐进成形原理图 国内未见有对该技术报道的相关文献；在国外：日本已经进行了比较系统的研究。如静 冈大学工学部对该技术自由曲面的渐进成形工艺、加工路径、工序控制等方面做了研究与试 验。另外同志社大学京都大学也对该技术进行了初步的研究。成形锤渐进成形方法简单， 成形速度较快，但是只能成形形状比较简单的工件，而且成形后留f 大量的锤击压痕点，影 响制品的表面质量，因而还必须进行扁续处理。 1 2 3 电磁成形 电磁成形技术是2 0 世纪5 0 年代初在国外兴起的一种新的金属板料加工工艺”4 它是 利用瞬问的高压脉冲电磁场迫使金属产生塑性变形，属于一种高能事成形技术图卜3 为环 形线圈向内成形示意图。 l 2 图卜3 环形线圈向内成形示意图 l | 线圈2 工件3 模具或工件 1 9 5 8 年，美国通用电力公司研制出世界上第一台电磁成形机1 9 6 2 年，美国的b r o w e r 和h a r r e y 发明了用于工业生产的电磁成形机。从此电磁成形引起各工业国的广泛关注和高度 重视。美国、俄罗斯、日本、德国、英国。加拿大等国家纷纷展开了这方面理论、工艺及应 用的研究并取得了不少的应用成果。我国电磁成形技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代初期，中国 科学院电工研究所曾组织力量系统地研究过i l j 磁皮形工艺及其成形设备，文革时期中断。7 0 年代末哈尔滨工业大学再次组织力量进行该设备与工艺的研发工作，并于1 9 8 , 6 年成功研制 出我国首台生产用电磁成形机。目前国内有多所高校和研究所都开展了电磁成形技术的研究 并使之应用于实际生产。 电磁成形工艺可应用于金属扳材的冲孔、压印或压花；管材的胀形、缩颈、冲孔、翻边、 切断、焊接：以及组装件的装配；粉末的压实和成形等。电磁成形具有生产率高、工艺重复 性好、工装简单等一系列优点，所以广泛的应用于航空航天、汽车、电子、仪器仪表、军工 业等领域。 1 2 4 激光成形 金属板科的激光成形方法目前有激光热应力成形和激光冲击波成形。激光成形是一种非 3 东南大学硕士学位论文 接触式塑性加工方法，所以不需要考虑模具制作费用、制作周期、磨损、润滑等问题。它可 不受加工环境的限制，具有广阔的应用前景，吸引了国内外不少学者从事这方面的研究 1 激光熟应力成形 激光热应力成形是利用激光柬扫描金属薄板表面，在热作用区域内产生明显的温度梯 度，导致非均匀分布的热应力，使板料产生塑性变形的一种工艺方法 图卜4 板料激光成形示意图 作为一种新兴的加工工艺激光热应力成形通过调整激光加工工艺参数和选择合适的扫 描轨迹就能够成形任意的弯曲件、异型件和其它复杂的三维曲面等零件。 与常规成形相比，激光成形技术有一些独特的优点：( 1 ) 采用激光作为成形工具，无 需制作模具，因而生产周期短、柔性大，属于真正意义上的无模成形； ( 2 ) 成形温度高， 可成形在常温下难以成形的难变形或脆性材料；( 4 ) 对激光束模式无特殊要求，易于实现 成形、切割、焊接等撒光加工工序的复合化 激光热应力成形的主要影响因素有激光参教、弯曲件的几何参数和材料的性能等。其要 点在于掌握激光加热与冷却过程对材料影响以及如何实时控制成形所需要的温度。影响激光 成形的因素较多，目前还存在许多问题需要进一步的研究：( 1 ) 能簟，材料属性等影响因 素较多，难以精确成形：( 2 ) 成形温度高热量直接作用于零件，表面质量较差；( 3 ) 成 形形状受到限崩，不适合于复杂形状零件的成形。 2 激光冲击波成形 激光冲击波成形是在激光冲击强化基础上发展起来的一种全新的板料成形技术它是 利用高功率密度、短脉冲的强激光作用于覆盖在金属板料表面上的柔性贴膜，使其汽化电离 形成高温高压的等离子体而爆炸。产生向金属内部传播的强冲击波。由于冲击波压力远远大 于材料的动态屈服强度，从而使材料产生塑性变形“1 2 1 1 t 光j l l 盟皿! 至三兰掣 脚韵疡 z z 矛匮搦匿荔劾 图i - 5 激光冲击成形原理图 通过选择激光脉冲能量，脉冲宽度和冲击轨迹，可以控制板料变形量；在数控系统控制 下可实现板科的局部或大面积成形。如果采用预先制作好的凹模加以辅助，可实现激光冲 4 第一章：绪论 击仿形。由于激光的脉宽为纳秒量级，所诱导的板料塑性变形时间仅为几十纳秒，其应变率 高达l s ，因此可以获得优异的金届力学性能可见。激光冲击波成形是一种集扳科成形、 强化于一体的复合工艺。 1 1 5 喷丸成形 喷丸成形是利用高速金属弹丸冲击金属扳材表面使受撞击表面及其下层金属产生塑性 变形，导致面内产生残余应力，在此应力作用下逐步使板材达到要求外形的一种成形方法 。喷丸成形的方法有三种：弯曲喷丸、延伸喷丸和预应力喷丸弯曲喷丸是通过单面喷丸 使扳件形成球面变形；延伸喷丸是通过双面喷丸使板件在平面内产生延伸( 厚度减薄) ：预应 力喷丸则是对板件在单向弹性预弯状态下单面喷丸，使预弯方向的曲率增加。而与预弯方向 相垂直的曲率急剧减小。即材料朝所需的方向变形，从而克服弯曲喷丸时板件呈球面变形的 倾向。 喷丸成形用于金属媪化已有较长历史，而用于飞机机翼肇扳的成形则始于2 0 世纪5 0 年代 的英国。在过去的四十余年中，喷丸成形在设备，制造工艺等方面都取得了很大进展，但由 于喷丸成形帆理的十分复杂，影响成形过程的因素较多使得喷丸成形工艺参数的选择仍要 依靠庞大的实验数据库和操作经验，采用试喷渐进的方法来确定，耗时费资。在采用数控喷 丸成形后，这一问题更需解决。西北工业大学的康小明等人提出喷丸成形c d 忙 m 忙 e 系统，以机翼整体肇板全信息模型及喷丸成形数据库为基础解决了喷丸成形的参数选取问 题；对喷丸成彤进行运动模拟，简化了喷丸成形的数控编程工作；对喷丸成形进行有限元模 拟，增强了对此成形过程的预见，将有助于问题的解决。目前喷丸成形主要应用在航空航天 领域。板料变形的校正和简单薄壁零件的成形下图为机械喷丸所用的喷丸成形机 1 - 2 6 无模液压成形 曩丸丘彤机 卜曩头2 一控翻台3 - 糟动台 图1 _ 6 喷丸成形机 无模液压成形技术是指不使用模具，利用液体对封闭的管件或者密封的壳体旌加压力， 通过液压胀形而达到成形零件的方法“主要分为金属板料拼焊容器无模液压成形和金 属管件无模液压成形。 哈尔滨工业大学王仲仁教授提出一种金属扳科拼焊容器无模液压成形方法其基本原理 ， 东南大学硕士学位论文 是：先由平扳或经过预成形的单曲率壳板拼焊成封闭的多面壳体。然后在密封的多面壳体内 充入液体。施加压力使壳体在内部压力作用下，产生塑性变形面逐渐趋于预定的形状球 形容器主要工序如f 图所示。 无模液压胀形技术自提出以后，在壳体结构设计、成形工艺、理论分析和试验研究，有 限元模拟及工程应用等方面，都有了长足的发展。大型弯头，椭球，变直径容器等类型零件 的无模液压成形工艺已经有了研究该技术经历了几个重要的发展阶段，可以概括如下： ( 1 ) 由平板类多面壳体结构拓展到单曲率多面壳体结构； ( 2 ) 由常压容器向压力容器的发展； ( 3 ) 由单层球形容器胀形扩展到多层容器胀形，包括无间隙和有间隙的双层球形容器的 胀形： ( 4 ) 由等厚球形容器的胀形扩展到不等厚球形容器的胀形； ( 5 ) 由球形容器的胀形扩展到非球形容器的胀形。 专目 t il 三e 厂7 一 l 一 毋 a ) 下科b ) 弯曲c ) 组装焊接d ) 液压胀形 图卜7 球形容器无模液压成形主要工序图l - s 薄壁管无模液压成形装置示意图 金属管件的无模液压成形是在无模液压成形装置上通过内压和轴压共同作用下而使金 属管件胀形成需要的零件，其成形装置如图所示。目前国内青岛科技大学的田仲和西安交通 大学杨连发，郭成可等都对该工艺进行了研究目前该工艺的研究主要集中在有限元模扭和 成形缺陷的防止和理论模型等方面。 l 工7 无模多点成形 无模多点成形是由由一系列规则排列的、高度可调的基本体( 或称冲头) 组成的阵列形 成离散曲面来代替传统的模具进行板料三维曲面成形的柔性加工技术”卅霉1 多点成形可分为多点模具、多点压机、半多点模具及半多点压机等4 种有代表性的成形 方式，其中多点模具与多点压机成形是最基本的成形方式 多点模具成形时首先按所要成形的零件的几何形状，调整各基本体的坐标位置构造出 多点成形面，然后按这一固定的多点模具形状成形板料。成形面在板料成形过程中保持不变。 各基本体之问无相对运动。 多点压机成形是通过实时控制各基本体的运动，形成随时变化的瞬时成形面因其成形 面不断变化，在成形过程中，各基本体之间存在相对运动。在这种成形方式中，从成形开始 到成形结束，上、下所有基本体始终与板料接越，夹持板料进行成形。这种成形方式能实现 板料的最优变形路径成形，消除成形缺陷，提高板材的成形能力。这是一种理想的板料成形 方法但要实现这种成形方式，压力机必须具有实时精确控制各基本体运动的功能 6 第一章：绪论 图l - 9 无模多点威形基本体图卜l o 无模多点成形加工过程图 2 0 世纪7 0 年代，日本造船界开始研究多点成形压力机，并成功应用于船体外板的曲面成 形。此后许多学者为开发多点成形技术进行了大量的探讨与研究，制作了不同的样机但大 多只能进行变形营较小的嫠体变形。吉林大学李明哲等人对无模多点成形技术进行了较为系 统的研究，已将该技术应用到颅骨修复中，自主设计并制造了具有国际领先水平的无模多点 成形设备目前正向推广应用方面发展。 无模多点成形虽然初步实现了无模成形，但仍存在以下缺点： ( i ) 该技术是将基本体( 或称冲头) 离散成具有柔性的模具作用的曲面，但是由于基本 体不可以做的很小，不能加工形状复杂的零件 ( 2 ) 加工零件时安装和调试需要花费大量的时间曲面质量不容易控制。 ( 3 ) 多点成形法加工零件，容易产生表面压痘，起皱等缺陷，精度不容易控制 ( 4 ) 只适用于加工厚板，对薄扳成形不适用。 1 2 8 金属板料数控逐次塑性成形 数控逐次成形技术( i ，l 咖舶纽lf o r m i n g ) 是一种基于计算机技术，数控技术和塑性威 形技术基础之上的先进制造技术它是利用数控设备和简单的辅助装置采用预先编制好的 数控程序对金属板料分层逐次成形最终获得预定的零件形状。该工艺采用快速原型制造技 术“分层制造。的思想，将扳科零件的三维形状沿z 轴方向分层离散化，叩分解成一系列二 维层在这些二维层上进行局部的加工。这类似于传统成形工艺中的“胀形”，但又与通常 的液压胀形及凸模整体胀形有所区别它属于局部累积胀形，每道次的变形相互影响，最终 成形为产品零件。 它是以计算机辅助设计与制造为主要手段实现板料塑性成形的先进制造技术，与传统的 金属板料成形工艺相比，它具有如f 特点： ( 1 ) 实现快速，低成本的柔性成形数控逐次塑性成形可以在一套辅助装置上，快速高 效的成形多种类不同型号的金属板料零件。与传统的依靠模具成形的板料加工工艺相比它 节省了加工、制造模具的费用对于飞机、卫旱等多品种小批量的产品以及用于汽车新型样 车试制、家用电器等新产品的开发具有巨大的经济价值。 ( 2 ) 可以实现金属扳料零件的快速直接成形。数控逐次成形技术将快速成形技术与金属 塑性成形技术有机结合，可以直接成形金属板料零件。目前己有的快速成形技术很难造出直 接作为零件使用的金属板料零件，该项技术能够填补其它快速成形技术的空白它既是快速 成形技术的延伸，也是一种全新的金属塑性成形技术。可能对板材成形工艺产生革命性的影 响。也将引起扳壳类零件设计概念的更新 ( 3 ) 可以增加零件的厚度均匀性和提高扳科的成形极限。由于数控逐次成形工艺采用分 层制造技术，能够逐点控制板科的变形挫度和多次累积变形有可艟使工件各部位变形均匀 化避免了局部应变集中，因而能够使扳料成形极限提高。该技术是对板料局部胀形而形成 7 东南大学硕士学位论文 三维壳体工件，其变形工艺力小、设备小，投资少，近似于静压力，震动小、噪音低可以 成形其它技术无法成形的零件 ( 4 ) 易于实现c a d c a 剧c a m 一体化及板料成形自动化。数控逐次成形的三维造犁工 艺规划、成形过属模拟、成形过榉控制等过程全部采用计算机技术易于实现c a d 忙a m ，c a e 一体化生产，提高了零件的生产速度、精度和质量，是一项很有发展前途的先进制造技术。 选今为止，国内外对金属扳料数控逐次颦性成形的研究也只处于探索阶段，理论方面的 分析较少且不成熟，对该工艺的成形和控制方面还有待于发展完善，下面将国内外数控逐次 塑性成形工艺的研究发展现状分别加以介绍。 二十世纪九十年代初期日本进行了数控逐次塑性成形技术的研究，晟具代表性的学者有 松原茂夫、北泽君义、吉川腾幸等，他们在近十年的时间中使数控逐次塑性成形技术得以发 展和完善，并取得了大晕的研究成果。松原茂夫研究进程大体可以分为三个阶段“1 。第 一阶段为基础研究，1 9 9 4 年他初步提出了数控逐次塑性成形法，对其概念、原理、特征进行 阐述，并通过和传统的利用模具进行板料加工的技术进行比较，指出了该技术的先进性；第 二阶段是将该技术应用于各种试件的加工，以探讨其应用空间。松原茂夫将复杂的三维形状 分解成基本体素单元，如柱体、锥体等，用数控逐次成形法加工制造这些基本体素单元的制 件，分析它们的成形极限，路径规划方案等。然后利用该技术韶随出了具有复杂曲面的制件 ( 如马鞍形等) ，取得了良好的效果。第三阶段松原茂夫总结了大晕的研究成果开发了路径规 划的数控程序北泽君义则更多的从塑性成形机理角度研究数控逐次塑性成形技术， 他于1 9 9 4 年提出了变形分配法则。根据该法则，他后来利用。逐次张出法”进行以圆筒状为 主的直壤件成形。讨论了壁厚均匀变化，变形均匀的机理。2 0 0 1 年他提出了有不均一性的废 弃金属薄板( 如多孔板及焊接板) 的逐次成形，将数控逐次塑性成形技术应用于环境保护领 域。吉川腾幸“”主要以方形直壁件为例研究了直罐件成形的路径规划问题，系统地规划了各 次的轨迹及工艺方案并通过实验剖析了直肇件棱部过渡圆角半径对于直壁成形的影响。他 的研究成果使直接通过调整轨迹完成难以成形的直擘件成为可能，更加体现了逐次成形工艺 的柔性。此外韩国，意大利，英国，加拿大，斯洛文尼亚等国家对该技术也进行了大量的研 究。 国内哈尔滨工业大学从9 0 年代中后期进入该研究领域1 1 ，是国内较甲进行数控逐次 塑性成形研究的单位之一主要研究了数控逐次成形的成形机理，提出了数控逐次成形过程 的控制原则，即变形的均匀化原则，利用该原则能够很好的指导数控逐次成形工艺的轨迹设 计而且他们还研究了扳材零件数控逐次成形的肇厚变化规律，对变形后的肇厚分布进行了 可视化处理。这将使不同成形路径下零件肇厚变化规律的了解更加直观，有利于寻找晟佳的 成形路径和采取有效的措旖防止零件擘厚变化不均，提高板料的成形极限 华中科技大学在九十年代后期开始了数控逐次成形的研究“，并很快开发出了金属 板料数字化逐次成形设备，而且进行了一系列大量的工艺实验及金属覆盖件的产品试制。取 得了良好的效果。与此同时开发了相应的控制软件和一些工艺规划软件，并在实验中不断地 进行完善。 华南理工大学也对该工艺进行研究一”，介绍了金属板材和管材的数控逐次塑成形试 验并对板材逐次塑性成形的成形条件、变形状况、影响因素等进行了初步的分析和探讨 研究了不同材料对于逐次数控塑性成形的适应性以及不同的成形形状对板材逐步塑性成形 的影响。并初步分析了工具的轨迹运动。板材成形时的加工力、加工应力、应变状态以及 被加工材料的加工极限和板材成形性能指标初步揭示了逐次塑性成形的机理 南京航空航天大学围绕数控逐次塑性成形的样机系统设计、成形工艺、成形零件擘厚分 布等展开研究。1 。已经成功的开发出专用的数控逐次塑性成形设备，并对钛板的逐次塑 性成形进行了研究。对胀形类数控逐次塑性成形开发了可以预测零件壁厚分布的应用软件， i 苎二皇! 丝堡 一 提出了一种基于有限元的。虚拟靠模导向法”模拟分析方法来预测拉伸类数控逐次塑性成形 零件壁厚分布 1 3 课题的来源和意义 1 3 1 课题的来源 本课题是东南大学材料科学与工程学院塑性加工课题组和南京工程学院材料工程学院 的合作项目，是先进数控技术江苏省高校重点建设实验室开放基金项目。金属扳料的数控逐 次塑性成形的关键技术研究”的重要组成部分。 1 3 2 课题的研究意义 进入2 l 世纪，制造类企业进行市场竞争的主要模式是快速制造。它要求企业不仅能快速 响应市场的变化，而且能不断地通过技术创新，推出新产品去引导市场。但传统的扳料成形 工艺需要模具设计、制造周期长、费用高难以适应小批量、多品种和新产品试翻的需要。 目前的金属扳料零件的试制一般采用手上钣金的方式，该工艺在尺寸精度和表面质量上都很 难满足要求。而本课题提出的金属板科数控逐次塑性成形技术有别于传统的“先设计，制 造模具。然后进行冲压成形”的塑性加上技术它是将数控技术、c a d c a m 技术和金属塑 性成形技术相结合的先进智能化制造技术，是目前塑性加工领域的研究前沿。其特色和创新 之处在于不用模具就能快速直接成形出目的工件；而在需要时，又能够根据在逐步成形过程 中的有关数据重构模具型面，制造大量生产用的模具：并且能够对逐次塑性成形过程进行计 算机模拟、仿真。优化工具路径和成形条件，翻造出高质量、高精度的产品其研究结果可 以直接应用于航空航天、汽车家电、工艺美术和通讯电子设备等新产品的开发和制造上。对 于多品种、小批茸的产品以及用于其它薄壳类新产品的开发，都具有巨大的经济价值而且 本方法所能成形工件的复杂程度和延伸率比传统工艺高。它可以对板料成形工艺产生革命性 的影响，也将引起板壳类零件设计概念的更新，使新产品设计思想得到更大的发挥该技术 的发展可推动相关学科尤其是塑性加工理论的发展，既有重要的理论意义又有广阔的应h j 前 景 1 4 本文的主要内容 金属扳料数控逐次塑性成形工艺是一种先进的柔性加工工艺其研究内容丰富，应用前 景非常广阔。本课题在实验研究的基础上，对金属板料数控逐次塑性成形工艺的机理、工艺 规划原则进行了初步的探讨同时对成形工具参数和工艺参数扳料的成形极限、回弹控制、 零件性能及厚度分布等进行了研究。重点研究了半球形、抛物线形等传统工艺难加工零件的 多次成形，首次对逐次塑性成形的覆层成形工艺进行了研究 本文研究的内容主要分为以f 六章： 1 全文概述，主要阐述了国内外金属板料无模成形技术的发展及现状，介绍了各种无 模成形工艺的原理工艺特点适用领域等，详细介绍了数控技术在板料成形中的应用和金属板 料数控逐次塑性成形工艺的研究现状，介绍了课题的来潭、研究意义，以及本文的主要工作 2 金属板科数控逐次塑性成形系统的介绍，内容包括成形设备的选择，成形装置和成形 工具的设计及制造数控逐次塑性成形所需要使用的c a d c a m 软件和使用m a s t e r c a l 瞰件 进行数控编程的简单流程等。 3 研究了金属扳料数控逐次塑性成形机理介绍了数控逐次塑性成形的种类和基本概 念，运用坐标网格法分析了金属板料数控逐次塑性成形机理，并对该工艺的应力应变状态和 壁厚变化规律进行了分析。 4 通过大量的实验，对金属板料数控逐次塑性成形工艺进行了研究。介绍了材料的选择 9 东南丈学硕量= 学位论文 和坯科的制备，研究了成形工艺参数对成形结果的影响，这些参数包括：工具头半径。成形 半锥角、进给量、进给速度以及摩擦和润滑等重点研究了小角度零件的单次成形，半球形、 抛物线形和直壁零件的多次成形以及覆扳成形工艺。并对该工艺中常见的缺陷进彳于了分折， 给出了相对应的解决措麓，对成形出合格的零件提供了参考意见 5 全文的总结，面i 临的问题与对进一步研究的展望 l5 本章小结 本章首先对课韪进行了总体的概述，然后简单介绍了金属板料无模成形技术的发展及现 状，重点介绍了金属扳料数控逐次塑性成形技术在国内外的研究现状，最后对本课题的来源 与研究意义进行了阐述，井概括说明了本文的主要研究内容 第二章：垒屠板科教控逐次塑性成形系统的介绍 第二章金属板料数控逐次塑性成形系统的介绍 2 1 金届板料数控逐次成形硬件的介绍 2 1 i 成形设备的选择 金属板料数控逐次成形变形路径十分复杂，只有通过预先编制好的程序控制数控设备才 可以实现成形的工具路径。因此，必须使用高精度，高刚度和具备成形速度和变路径要求的 数控机床作为成形设备 目前国内外进行金属板科数控逐次成形研究所使用的机床有三轴数控铣床，数控加工中 心和专用的数控逐次成形机。在进行科学研究实验中。成形易变形材料、薅扳料零件时，可 以对普通的数控铣床或加工中心进行简单改造，用以数控逐次成形。但在进行难变形材料零 件侧擘成形、水平方向大进给量时，则要求机床主轴和床体可以承受较大的弯矩，而不发生 弹性或塑性变形影响精度。因此，需要开发出专用的数控逐次成形机。目前，国外日本的 a m m o h 司已经成功的制造出数控逐次成形设备“1 ，如图2 _ 1 国内的华中科技大学和南京 航空航天大学也都相继开发了专门用于数控逐次成形的机床。此类机床一般采用龙门结构， 用以保证机床刚度，减小运行过程中的振动 图2 1 日本a m i n o 公司所开发的样机 本课题中，所研究铝料厚度较薄，变形力小，结合现有的实验条件，我们使用数控铣床 代替专门的数控逐次成形设备进行金属板料数控逐次成形的实验研究。实验设备为南京第二 机床厂生产的( n 7 1 4 型数控铣床，如图2 - 2 。 u 东南大学硕士学位论文 图2 2 本课题使用的数控铣床照片 x i g n l 71 4 型数控铣床是高精度自动化的加i 【设备，其主要技术参数如袁2 k 表2 一l1 1 1 ( 3 1 7 1 4 型数控铣床主要技术参数 工作台面( 长宽) 9 0 0x4 0 0 r n n 行程( x 轴y 轴z 轴) 7 6 0 x 4 1 0 x 5 1 0 r a m 主轴转速范围 6 0 3 0 0 0 r p m 快速速度( x y ，z ) 1 0 0 0 0 m m m i n 主轴端面至工作台台面距离 1 3 0 6 4 0 r n m 主轴电机功率 5 5 k w 主轴电机转速变频调速 交流伺服进给电机 ( z ，y 。z ) 5 s 型 机床净重 3 2 0 0 l 【g 2 1 2 成形支撑装置及成形工具 由于本工艺有别于传统的成形工艺，威形工具也与传统工艺有所区别，所以需要专门设 计成形工具。成形支撑装置起辅助成形作用，但却是必不可少的其主要作用是固定和支撑 板料，使成形过程中扳料不发生移动。 1 成形辅助支撑装置 金属板料数控逐次成形分为正、负两种不同的成形工艺，不同的成形方法。需要成形辅 助装置也不同。本课题研究金属板科数控逐次负成形工艺，即采用具有一定通片j 性的简单支 撑装置固定板料周边。使扳料四周位置不动，而中心随成形工具移动不斯向下变形的成形方 式。目前研究中有多种对成形支撑装置的设计，但其共同特点是： ( 1 ) 具有一定的刚度，在板料变形过程中，支撑装置不发生弹性或颦性变形： ( 2 ) 可以快速有效的装夹和卸载板料，且具有对不同形状、规格的零件在一定范围内 的适应性； ( 3 ) 需要有一定的容纳板料变形的空间，包括高度方向和水平方向。 为了满足上述要求本课题设计并锐造了具有一定通用性的支撑台可以加工口部面积 小于1 5 0 r a m 1 5 0 r a m 的金属板料零件。本支撑装置分为支撑底座、下盖板和上盖板三部分 组成。其中支捧底座的作用是为了支撑扳料变形，提供容纳板料变形的空间上下盖板作用 是夹紧板料，使其在变形时不移动。夹紧力通过周边的螺栓控制。其作用类似于冲压中的固 蔓三兰! 全星堡翌墼丝至盗里堡曼兰墨竺塑坌塑 一 定压边圈作用上下盖板具有一定的通用性，可以根据零件形状的不同而选择不同的盖板- 支撑装置用压块固定在机床工作台面上，板科夹持在上下盖板中间然后通过螺栓夹紧在支撑 台上。目前该装置一般采用整块坯料加工而成，但也有为了节约成本- 使用工字钢或角钢焊 接然后加工而成，但其平整度和刚性不足。图2 - 3 是本实验所使用的支撑台和的上下盖板的 三维零件图及实物照片 ( c ) 上下盖板( d ) 支撑装置实物组装图 图2 3 支撑装置 2 成形工具的设计和制造 金属板料数控逐次成形的成形工具直接与被加工的板料接触，成形工具的形状、尺寸、 硬度和表面光洁度等对成形质量都有较大的影响。 为了提高被成形零件的表面质量，需要对成形工具头的形状、结构和表面状态进行研究。 目前实验中常使用的成形工具头主要有两种：一种是头部为半球体或大半球冠的金属杆，另 外一种是头部为可以任意滚动的硬质金属球和金属杆组装而成的工具如图2 4 所示 东南大学硕士学位论文 ( a ) 固定式 、 ， 、 厂。、 r a ( b ) 自由滚动式 “ 图2 - 4 两种不同结构的工具头 采用同定式球头工具时由于成形过程中工具头与板料之间发生的摩擦为滑动摩擦，板料表 面容易被擦伤。而采用头部可以自由滚动的金属球的工具头可以将加工中的滑动摩擦转换成 滚动摩擦，减小了摩擦力，所加工的零件表面质量较好，但制造复杂，成本高，在国外文献 中己有报道岬“国内尚未见有相关文献对自由滚动式工具头的报道。由于固定式工具头 制作简单通过提高成形工具头的硬度和表面质量，辅助以良好的润滑工艺，也可以取得满 意的加工质量。本文采用固定式工具做为成形工具。 为了充分利用工具材料，工具设计为疆球头式。本课题在充分研究国内外相关文献的基 础上，根据本课题的实际需要设计了r 2 5 r 4 、r 5 、r 7 5 四种头部半径不同的工具以 研究球头半径对成形零件质量的影响。图2 - 5 是头部半径为r 2 5 和r 5 成形工具为了获 得较高的硬度和耐磨性，工具材料采用4 f l c r 。通过热处理使其整体硬度达到h r c a $ 5 0 ， 头部抛光处理使表面光滑。 图2 - 5头部半径为2 5 m 和5 m 成形工具 z2 金属板料数控逐次成形软件的介绍 2 2 1p r o e n g i n e e r 软件介绍及其在数控逐次成形中的应用 1 p r o _ e l a g i n e e r 软件简介 p