（材料加工工程专业论文）筒形件的板料渐进成形工艺研究.pdf

摘要 板料渐进成形是一种通过n c 程序控制半球形工具头按照设定路径进行连续的单点逐 层加工t 利用累积的局部胀形最终获得三维开口工件的板料加工新j ：艺。它具有无需专用 模具、成形极限大、加r 柔性高、重复性好、自动化程度高等优点特别适合单件或小批量 板料成形件的加工。在板料渐进成形工艺中，直壁件是难成形件，本文以筒形件为例通过 实验，系统的研究其变形机理、成形方法、成形极限等问题。结论对其他直壁件的成形研究 也具有很好的指导意义。 本文探讨了单道次成形筒形件的成形极限和成形质量问胚，分析了工具头直径、加工方 式及轴向进给量对它们的影响；研究了多道次成形过程中e 具头直径、加【方式、进给速度、 挖槽加工的刀间距等参数与板料变形的关系并讨论了筒形件多道次渐进成形的成形极限问 题，制定了包括加工方式、加工顺序、加工参数及路径在内的大高径比筒形件多道次渐进成 形方案，通过该方案实际加工出了高径比0 5 8 、壁厚较为均匀的简形件。 m a s e r c a m 软件中的挖槽程序具有优异的底部拉伸效果，特别适合直壁件的成形，但 也存在侧壁拉伸不足和底部壁厚不均匀的缺点，本文对挖槽程序进行了优化，以提高其成形 深度和成形件壁厚均匀性，描述了优化过程并进行了实际加工，获得了高径比0 4 5 的筒形 件。 目前的多道次成形路径均只为某一确定工件设计如改变目标工件尺寸，则需重新进行 路径规划。本文探讨了通过路径缩放成形不同尺寸筒形件的可行性，实验表明，对多道次成 形路径进行简单的轴向和径向缩放，可用于成形直径和高径比均较原来小的筒形件。 关键词：板料，渐进成形，筒形件单道次，多道次，路径，加工参数 a b s t r a c t t h e n c i n c r e m e n t a ls h e e t m e t a l f o r m i n gp r o c e s s i san e w t e c h n o l o g y o f s h e e t m e t a ld i e l e s s f o r m i n g b ya p p e n d i n gs p e c i a le q u i p m e n ta n dt o o l si nn cm i l l i n gm a c h i n e ，p r o c e s s e ss h e e t m e t a l l a y e rb yl a y e rw i t ht h ei n c r e m e n t so f c o n t i n u o u sl o c a lp l a s t i cf o r m i n ga l o n gt h ep r o g r a m m e d t r a j e c t o r y w i t hi t sa d v a n t a g e so f l a r g ef o r m i n gl i m i t a t i o n , h i g ha u t o m a t i z a t i o na n de x c e l l e n t r e p e t i t i o n ，t h i st e c h n o l o g yi se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rf o r m i n gs i n g l ep a r ta n ds m a l l l o t a n dc o m p l e x s h e e tm e t a lp r o d u c t s ，t h ev e r t i c a lw a l lc y l i n d e ri sv e r yd i f f i c u l t yt of o r mi nt h ec r a f to f n c i n c r e m e n t a ls h e e tm e t a lf o r m i n g t a k e st u b e - l i k ep a r ta sa l le x a m p l e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e p r o b l e m so f f o r m i n gp r i n c i p l e s ，m e t h o d sa n dl i m i t a t i o n t h ec o n c l u s i o no f t h i sp a p e rh a saw i d e l y u s e f u lm e a n i n gt ot h er e s e a r c h e so f o t h e rv e r t i c a lw a l lc y l i n d e r s d i s c u s s e dt h ei s s u e so f f o r m i n gl i m i t a t i o na n df o r m i n gq u a l i t ya b o u ts i n g l e - s t a g ei n c r e m e n t a l f o r m i n gp a t ho f t h e v e r t i c a lw a l tc y l i n d e ra n da n a l y z e st h ei n f l u e n c e sw h i c ha r eg i v e i lb yd i a m e t e r o f t o o lh e a d , f o r m i n g m e t h o d s a n d t h e a m o u n t o f f e e d i n a x e s d i r e c t i o n a l s o ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w c e nt h es h e e tm e t a ld i s t o r t i o na n dt h ep a r a m e t e r so f t o o lh e a d d i a m e t e r , f o r m i n gm e t h o d ，f e e dv e l o c i t ya n ds p a c eb e t w e e nt r a c k sh a sb e e nr e s e a r c h e d m o r e o v e r t h ef o r m i n gl i m i t a t i o np r o b l e mo f t h ev e r t i c a lw a l lc y l i n d e rw i t hm u l t i s t a g ei n c r e m e n t a lf o r m i n g p a t hh a sa l s ob e e nd i s c u s s e d t h ep a r to f v e r t i c a lw a l lc y l i n d e rw i t ho 5 8h e i g h t - d i a m e ! t e r sr a t i o a n dw e l l p r o p o r t i o n e dw a l l - t h i c k n e s sh a su l t i m a t e l yb e e np r o d u c e di nt h ep r a c t i c a lm a n u f a c t u r e t h es o f t w a r eo f m a s t e rc a mw i t l le x c e l l e n tf u o e t i o no f b o t t o mp u l l i n gi ss u i t a b l ef o rt h e f o r m i n go f v e r t i c a lw a l lc y l i n d e r ，b u ti ta l s oh a st h ed i s a d v a n t a g eo f p u l l i n gs h o r t a g ea n d u n u n i f o r m i t yo f t h et h i c k n e s si nt h eb o s o m t h i sp a p e ro p t i m i z e st h ec h a m f e rp r o g r a mt oi m p r o v e t h ef o r m i n gd e p t ha n dt h i c k n e s su n i f o r m i t y u l t i m a t e l y , t h ep a r to f v e r t i c a lw a l lc y l i n d e rw i t h0 4 5 h e i g h t - d i a m e t e r sr a t i oh a sb e e np r o d u c e di nt h ep r a c t i c a lm a n u f a c t u r e t h e f e a s i b i l i t yo f p r o d u c i n g d i f f e r e n t t u b e l i k e p a mb y j u s t c h a n g i n g t h e f o r m i n g t r u c k h a s b e e nd i s c u s s e dj nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h et u b e - l i k ep a r tw i t hl o w e rd i a m e t e ra n d h e i g h t - d i a m e t e r sr a t i oc a nb ef o r m e db ys c a l i n gt h ep a t h ， k e yw o r d s ：s h e e tm e t a l ，i n c r e m e n t a lf o r m i n g ，t u b e - l i k ep a n ，s i n g l e - s t a g e m u l t i s t a g e ， p a t h ，p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s n 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，论文中不包含其他入已经发表或 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。 签名：兰书面岛日期：砖和哥一日 关于学位论文使用授权的说明 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。 书。 保密口， 在年解密后适用本授权 本论文属于 不保密d 日：= 誓期嚣彩暂化日期：d 蛑工月j 7 ，日日期 ；i 年溯叩日 第一章绪论 1 1 课题的来源和意义 1 i 1 课题的研究意义 第一章绪论 板料渐进成形技术属先进制造技术，是顺应制造业对快速、低成本和高质量地开发新产 品的需求应运而生的。进入2 1 世纪，快速制造是制造类企业在市场竞争取胜的关键。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。 但传统的板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 产品试制的需要。以汽车行业为例。每年国际上都有大批新的车型问世，而薪车型的开发主 要是车身的开发，其中至关重要的是覆盖件的设计和制造。这需要经过模具设计、软模制造、 实验修改、硬模制造等复杂过程才能投入生产，试制过程耗时、耗资、耗力，极大地增加了 新产品开发的周期和成本。目前，国内各汽车厂新车型大型覆盖件的模具，都是花大量外汇 从国外进口的。国内能够开发新车型的汽车厂在试制样车时，汽车覆盖件是由钳= 师傅手敲 制造的。在尺寸精度和表面质量上很难满足要求。而本课题研究的板料渐进成形技术，很适 合汽车大型覆盖件的快速制造。它不仅能直接制造出覆盖件，还可以以覆盖件为原型，与现 代快速制模技术相结合。制造出寿命达几千件的小批量生产模具。 从原理上看，板科渐进成形技术可用于任意形状复杂工件的加工它对于飞机、卫星等 多品种、小批量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。而且此 工艺所能成形工件的复杂程度和延伸率比传统丁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人的发挥。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“阔的应用前 景 在实际生产中，需要成形的工件形状是多种多样的，常会遇到一些在浅曲面上出现直壁 形状凸起的工件，浅曲面的加工在板料渐进成形工艺中已经比较成熟。而直壁件一直以来是 板科渐进成形工艺中的难点，成为板料渐进成形工艺推广应用中的瓶颈。本课题将以筒形件 为例研究直壁件的成形过程，制定成形方案，提高成形能力和成形质量，解决直壁件渐进成 形的难点问题。为渐进成形工艺的进一步研究及应用打下基础。 1 1 2 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t 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“金属板料的渐进成 形的关键技术研究”的重要组成部分 1 2 板料渐进成形工艺简介 板料渐进成形技术( i n c r e m e n t a lf o r m i n g ) 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制造技术，属于无模的板科快速成形工艺。它是利j j 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点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，将板料零件的三维形状沿z 轴方向 东南大学硕士学位论文 分层离散化，即分解成一系n - 维切片，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，最终戍形为产品零件。 板料渐进成形工艺，主要可以分为正成形( p o s i t i v ei n c r e m e n t a lf o r m i n g ( p l l 0 ) 和负成 形( n e g a t i v eo rb u l g et y p ei n c r e m e n t a lf o r m i n g ( n i f b i f ) ) 。 ( a ) 加工前( b ) 加工过程中 图1 1 正向渐进成形加工示意图 图1 1 是板料渐进正成形的过程示意图。它是将板料圃定装置安装于成形设备( 数控铣 床或者专门的成形设备) 上，通过特制的支捧扳和压扳夹紧扳料，装置的底部预留出空间以 容纳变形的金属。成形时，成形工具根据预先编制好的数控程序走到指定的位置，并对板料 压下设定的压下量。根据数控加工程序，分层、逐点地对板料进行塑性加工。在形成所需第 一层截面轮廓后，成形工具头在z 轴方向增加一个压下量，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。其特点是装置简单，不需要支撑 装置和导向装置，只需要夹紧装置。零件向内凹陷的面为加工表面。 f b ) 板料成形过程中 唾 圈l - 2 板料渐进负成形的过程示意图 板料渐进成形的负成形工艺加工过程如图1 2 所示。该成形系统主要由成形工具、导向 装置( 导柱、导套) 、支撑模型( 或简单模具) 、托板、压板和机床组成。工具头在数控系统 的控制下进行运动支撑模型起支撑板料的作用。成形时，首先将被加工板料置于支撑模型 上用压板和托板夹紧板料，当成形工具加工零件时，金属板料和托板、夹板可以一起沿导 柱上下滑动。将该装置固定在数控铣床上，其加工过程与板料渐进正成形的过程相类似。它 需要使用支撑模型和导向装置，零件向外凸出的面为加工表面。 1 3 板料渐进成形工艺及直壁件成形研究现状 自1 9 9 4 年日本学者松原茂夫提出板料渐进成形工艺以来，由于其单件或小批量工件加 工中的明显优势，得到了世界范围内塑性加工学者的关注对其成形性能、原理及应用的方 面进行了大量研究本节将分渐进成形总体研究现状及直壁件成形研究现状两部分对前人的 2 第一章绪论 所做的工作加以总结。 1 3 1 板料渐进成形工艺现状 作为新兴的板料成形方法，板料渐进成形的研究还处于探索阶段，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，下面将国内外板料渐进成形工艺 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学者对扳料渐进成形技术的进行了研究，最具代表性的学者 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渐进成形技术得以发展和完 善，并取得了大量的研究成果。 松原茂夫研究进程大体可以分为三个阶段1 1 “。第一阶段为基础研究，1 9 9 4 年他初步提 出了板料渐进成形法，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。松原茂夫将复杂的二维形状分解成基本体素单元，如辑! 体、锥体等，用 渐进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 后利用该技术制造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 原茂夫总结了大量的研究成果开发了路径规划的数控程序。 韩国学者y h k i m 和j j p a r k i s f 6 在实验的基础上分析了渐进成形t 艺板料渐进成形与 传统扳料成形极限图的区别和特点，指出了渐进成形工艺较大成形极限的原理。讨论了加工 参数包括球头半径、球头是否可以滚动、转速以及进给速度等对板料渐进成形极限的影响 并给出了适合该加工工艺的常用加工参数。圈1 3 为获得的渐进成形极限图。 哪训4 1 2 n 0 0 0 - i 皿0 4 m i n o r 曩嘻n 图1 3 板料渐进成形极限图 英国，加拿大，意大利等国家学者在软件模拟，应用等方面也做了大量的工作。 国内哈尔滨工业大学从9 0 年代中后期进入该研究领域i “”j 是国内较早进行渐进成形 研究的单位之一。他们在变形理论分析的基础上初步探讨了板材零件渐进成形的肇厚变化规 律，对变形后的壁厚分布进行了可视化处理，但是该种可视化还只是通过成形后的测量来获 得数据不能起到预测壁厚变化的目的。图1 4 为壁厚可视化效果图。 3 东南大学硕士学位论文 图l - 4 壁厚可视化效果图 华中科技大学在九十年代后期开始了渐进成形技术研究【“”l ，并很快开发出了金属板 料数字化渐进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1 1 ”，介绍了金属板材和管材的成形实验，并对板 料渐进成形的成形条件、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 对于渐进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 的运动轨迹，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。初步揭示了板料渐进成形的机理 南京航空航天大学围绕渐进成形机的样机系统设计、成形工艺、成形零件壁厚分布等展 开研究“”j 。已经成功的开发出专用的渐进成形设备，并对钛板的渐进成形进行了初步研 究。 1 3 2 直壁件渐进成形研究现状 北泽君义则更多的从塑性成形机理角度研究渐进成形技术| 2 s - - 3 。1 ，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“张出法”( 如图1 - 5 ) 进行以圆筒状为主的直壁件 成形。验证了渐进成形工艺成形直壁件的可能性。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) 的渐进成形，将该成形技术应用于环境保护领域。 i j 4 l y 工作台 沥- t 易 幽 一 少 幽 l 图1 5 北泽君义张出法成形示意图 4 第一章绪论 图1 6 吉川滕幸成形直壁件的加工图 吉川腾幸p ”主要以方形直壁件为例研究了直壁件成形的路径规划问题，系统地规划了 各次的加工轨迹及工艺方案t 并通过实验剖析了直壁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加工轨迹完成难以成形的直壁件成为可能，更加体现了渐 进成形工艺的柔性。其成形方法如图1 6 所示，该方法可在数控铣床上实现。 直壁件成形的特殊性也得到了国内同行的关注。华中科技大学的莫建华教授所领导的课 题组对筒形件反向成形进行了探索【3 2 l 旧，采用平行直线型( 图1 7 ) 、平移弧线型( 图卜8 ) 及变角度路径( 图1 9 ) 加工出直径l o o m m ，高度5 0 r a m 的筒形件( 图1 1 0 c ) 。 厶竖凰嚣艘 图1 7 平行直线型路径 皿一盟赵皿 图1 - 8 平移弧线型路径 图1 - 9 变角度路径 ( a ) c o )( c ) 图l - l o 三组路径获得筒形工件照片 本课题组对不需支撑的直壁件正向渐进成形可行性进行了探索m 1 制定了三种路径方 案，成形出了深度l g m m 直径6 0 m m 的筒形件，本文的筒形件加工研究将以他们的研究作 东南大学硕士学位论文 为起点。 1 ，3 3 文献总结 对于直壁件的正向渐进成形过程，前辈们已做了初步的研究，主要有日本的北泽君义、 吉川滕幸等，他们的成果对直壁件成形的进一步研究打f 了良好的基础，但对于整个直壁件 正向渐进成形来说还有很多工作要做。主要存在以下问题 ( 1 ) 由于所做工作多集中于可行性的探讨，直壁件成形研究缺乏系统性。 ( 2 ) 关于加工方式及加工参数对成形性能的影响方面的研究还不够全面。 ( 3 ) 成形件壁厚不够均匀，底部几乎不变形，侧壁上端厚。在圆角处壁厚值过小。 ( 4 ) 成形方法还比较单一 ( 5 ) 直壁件成形深度还较小。成形能力还没有得到完全的发挥。 1 4 与其他板料成形技术的比较 制造工具的能力成就了人类本身，制造技术的发展提升了人类适应环境、改造自然的水 平制造技术同信息科学、材料科学、生物科学一道被认为是促进人类文明与发屐的四大关 键领域。可以看到，板料成形发展至今，己由- 1 7 技艺成长为- - i q 工程科学它不再单纯地 追求最高精度，而是兼顾成本和效率，寻求精度、成本和效率的最佳组合。现代科学技术的 飞速发展，尤其是微电子、计算机、数控技术、材料科学的进步为制造技术的变革与发展创 造了前所未有的机遇，这使得板料塑性加丁= 能够突破传统模式，在理论上和实践上开辟了一 个崭新的领域。板料塑性成形技术的发展总体经历了三个阶段，即手j 二制造阶段、传统的板 料模具成形阶段以及以更高质量、更大成形能力、更快、更柔性化为表象的无模成形阶段。 1 4 1 传统板料成形工艺 在航空、宇航、汽车、造船、电器，五金等工业部门，板料塑性成形都是不可缺少的主 要加工方法p ”。根据考证资料表明：最早的板料成形出现于公元前4 0 0 0 年p 6 j 那时是钣金 工匠的手工敲打：到公元前1 5 0 0 年左右这一技术己发展到能使用简单的模具；对薄板进行 整体压制则是出现于公元前约1 4 0 0 年：压印工艺约出现在公元前6 0 0 年；但使用模具却 是从公元1 5 0 0 年起才开始经常使用。随后各种成形工艺及模拟实验相继出现，薄板成形从 手工作坊走向了工厂大多数手工工具被大型模具及机器所取代。拉深和平板胀形是成形开 口空心零件时最常用的两种传统板料成形工艺。 6 第一章绪论 l j l 、凸模；2 、压边圈；3 、拉深件；4 、凹模 图1 - 1 l 拉深的基本原理 拉深是利用拉深模在压力机的压力作用下，将平板坯料或空心工序件制成开口空心零件 的加工方法。它是冲压基本工序之一，广泛应用于汽车、电子、日用品、仪表、航空和航天 等各种工业部门的产品生产中。它不仅可以加工旋转体零件，还可加工盒形零件及其它形状 复杂的薄壁零件。拉深的基本原理如图1 11 所示拉深模一般由凸模、凹模和压边圈( 有时 可不带压边圈) 组成。在拉深开始时，平板毛坯同时受凸模作用力f 和压边圈压力q 以及板 科与模具间的法向接触力和切向摩擦力，的作用，这些摩擦力构成了拉深阻力的主要部分。 由于凹模口小于毛坯的直径。当凸模的作用力大于拉深阻力时，毛坯就会不断地被拉入凹模， 最终被拉深成各种开1 ：3 的零件，而零件的形状由凸模和凹模的几何形状决定。在拉深过程中， 由于材料离凹模口的远近不同，拉深材料具有各向异性等，都会使毛坯各部分受到的拉深阻 力不同，从而造成板科流入凹模的速度不均匀分布，这种流动速度分布的不均匀性将会导致 板料有些部分发生材料淤积，而有些部分则会发生局部过分变薄，严重时就会导致拉深时的 起皱和破裂现象。由此看来，拉深过程实质上是通过凸模对毛坯施加法向接触力和切向摩擦 力把毛坯拉入凹模型腔，使板料产生剐体运动并且按照一定方式产生永久的塑性变形，从 而最终拉深成各种形状和尺寸的零件。拉深可分为不变薄拉深和变薄拉深。前者拉深成形后 的零件，其各部分的壁厚与控深前的坯料相比基本不变：后者拉深成形后的零件，其擘厚与 拉深前的坯料相比有明显的变薄，这种变薄是产品要求的，零件呈现是底厚、壁薄的特点。 在实际生产中，应用较多的是不变薄拉深。 企量3 号妒 团圈 图1 1 2 平板胀形成形 7 东南大学硕士学位论文 切向 o e o 径自 a 0 图1 1 3 胀形变形区及其应力应变示意图 i i 田 平板胀形( 图1 1 2 ) 与拉深成形的主要不同之处是，胀形时变形区在板面方向呈双向 拉应力状态，在板厚方向上是减薄，即厚度减薄表面积增加。平板胀形主要用于工件局部加 工突起不大的加强筋、花纹图案、标记等。平板胀形过程中应力应变状态如图1 1 3 所示， 该工艺加工中具有以下特点： ( 1 ) 胀形时，板料的塑性变形区仅局限于一个固定的变形范围内，板料不向变形区外 转移，也不从变形区外进入变形区 ( 2 ) 胀形时板料在板面方向处于双向受拉的应力状态，所以胀形时工件一般都是要变 薄。因此在考虑胀形工艺时主要应防止材料受拉而胀裂。 ( 3 ) 胀形的极限变形程度，主要取决于材料的塑性。材料塑性越好，延伸率越大，则 胀形的极限变形程度越大。 ( 4 ) 胀形时，材料处于取向拉应力状态，在一般情况下，变形区的工件不会产生失稳 或起皱现象。胀形成形的工件表面光滑、回弹小，质量好。 1 4 2 板料无模成形工艺 传统的板料塑性成形技术的加工过程通常包括两个阶段：模具的设计与制造阶段和采用 模具进行生产阶段。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，这样就表 现出模具的设计、制造费用高、周期长，使板壳类零件的应用范围受到限制。随着工业化进 程的加快，新材料新技术不断涌现产品换代周期越来越短，市场竞争的加剧，要求企业能 快速响应市场的变化，以较少的投入和较短的时间开发出新产品去占领市场传统的金属板 料成形工艺己经难以适应小批量多品种产品生产和样品试制的需要。新的市场需求及技术进 步催生了新板料成形工艺，无模成形便是其中一种。金属板料无模成形是指使用非模具的成 形工具强迫金属板料发生渐进的塑性变形，最终得到所需零件的加工方法。无模成形技术从 原始的手工制作开始，但手工制作由于受一r 人技术水平的限制，效率极低制件形状尺寸精 度无法保证。所以人们逐渐发展无模成形技术，提高成形的精度和效率。近1 0 年由于市场 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技术有了新发展。国内 外许多学者特别是德国和日本进行了大量的研究，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、多点成形等。从成形轨迹的空间分布来看，金属板料无模成形工艺 可以分为离散成形和连续成形两种，前者从手工逐点成形发展出了成形锤逐点渐进锤击成 形、多点成形等离散点击成形方法，而板料的旋压成形和激光成形则属于连续成形工艺。 旋压成形p ”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，最终获得空心回转体零件的塑性加工方法。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， 8 第一章绪论 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_ i j 于加工空心回转体 零件，坯料的厚度不能太大生产效率和精度低，影响产品质量的丁艺因素复杂，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旋转薄壁零件成形，难 以成形复杂零件。 成形锤成形【4 ”是9 0 年代起源于日本的新兴加工技术。该方法将金属板料放置于刚性冲 头和弹性橡胶下模之间，通过不断的锤击对板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。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下大量的锤击压痕点影响制品的表面质量，因而还必须进行后续 处理。 电磁成形技术 4 2 - - 4 7 1 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。它 是利用瞬间的高压脉冲电磁场迫使金属产生塑性变形，属于一种高能率成形技术。电磁成形 工艺可应用于金属板材的冲孔、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，但只能用于加工导电性能良好的板料，对不锈钢等导电不良板料则难以加 工 激光成形 4 e - 5 3 1 是一种非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。包括激光热应力成形和激光冲击波成形。激光热应力成形是利用激 光柬扫描金属薄板表面，在热作用区内域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。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丁i 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。 喷丸成形i ”堤利用高速金属弹丸冲击金属板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f 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 丸使板件形成球面变形；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。 无模液压成形技术i ”是指不使用模具，利用液体对封闭的管件或者密封的壳体施加 压力。通过液压胀形而达到成形零件的方法。主要分为金属扳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板料拼焊容器无模液压成形 方法。其基本原理是：先由平板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，产生塑性变形而逐渐趋 于预定的形状。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。 无模多点成形”是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。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。 9 东南大学硕士学位论文 成形面在板料成形过程中保持不变，各基本体之间无相对运动。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 始终与板料接触，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。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：( 1 ) 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。f 2 ) 加工零件时，安装 和调试需要花费大量的时问，曲面质量不容易控制。( 3 ) 多点成形法加工零件，容易产生表 面压痕、起皱等缺陷，精度不容易控制。( 4 ) 只适用于加工厚板，对薄板成形不适用。 1 4 3 板科渐进成形技术优点 经历数千年的发展，板料加工技术衍生出了众多分支，成形方法多样，各工艺均有其优 势和缺陷。与传统的拉深及胀形成形工艺相比，板料渐进成形有如下几个优点： ( 1 ) 实现无模成形。不需要模具或仅采用简单模具。降低制造成本。 ( 2 ) 设计到制造周期短，柔性高缩短产品对市场需求的反应时间，进行快速制造 ( 3 ) 由于采用的是分层渐进成形，能对板料变形进行逐点控制，比传统成形技术更充 分地利用材料的成形性能，因此可以制造变形程度更大的零件。 ( 4 ) 其三维造型、工艺规划、成形过程模拟、成形过程控制等全部通过计算机完成。 c a d c a m 一体化制造，易于实现自动化。 与旋压成形技术相比，板料渐进成形工艺可成形非旋转件；与成形锤成形相比，其加工 表面质量高；与电磁成形技术相比，可成形不良导体甚至绝缘体板料；与激光成形相比设备 工艺简单；与喷丸工艺相比能提高较大的局部成形力，成形能力强；与液压胀形相比具有调 节工件各位置壁厚的优点：与多点成形相比可进行薄擘扳料加工等。 该技术拥有众多成形优点，但并非能够将其它成形技术取而代之，它只能用来成形小批 量甚至单个工件，对于大批量生产，存在总成本高昂，加工时间长等缺点 i s 本文的主要研究内容 板料渐进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。 本文研究扳料濒进成形工艺中难度较大的直壁件成形工艺，以筒形件成形实验为基础，针对 目前成形研究中的问题，制定研究方案，主要包括以下内容：成形机理的探讨。多种成形方 法的探索大高径比、壁厚均匀的筒形件成形方案的制定：以调整工件擘厚和提高成形能力 为目的的路径、参数及直接的n c 程序优化；寻求不同尺寸筒形件成形路径设计方法。 本文分为以下八章介绍： ( 1 ) 绪论。本章中首先阐述了课题的来源及研究意义，对板料渐进成形工艺的原理、 研究现状作了简要介绍，通过与其它板料成形工艺的比较，探讨了板料渐进成形技术的优点， 最后介绍了本文的主要研究内容。 ( 2 ) 板料渐进成形过程及分析。该章分析了板料渐进成形过程中的受力及变形情况。 介绍了成形过程中壁厚变化特点、应变分析手段、壁厚控制原则及加工过程的失效方式。 ( 3 ) 渐进成形系统及辅助设备。包括成形设备、成形装置、成形工具及成形所需要使 i o 第一章绪论 用的c a d c a m 软件介绍和使用m a s t e rc a m 软件进行数控编程的简单流程，常用编成代码 及网格印刷设备，印刷方法等。 ( 4 ) 筒形件的单道次渐进成形。探讨了筒形件单道次成形方法、成形极限、成形质量， 分析了影响成形极限和成形质量的因素。 ( 5 ) 筒形件的多道次渐进成形。讨论了各道次成形中板料变形规律及影响因素，分别 制定了大高径比筒形件的多道次成形方案，并进行实际加工。 ( 6 ) 基于挖槽程序优化的筒形件渐进成形方法。本章将尝试对其n c 程序进行直接修 改，进而提出通过挖槽程序优化来完成大高径比、壁厚均匀的筒形件加工新方法。 ( 7 ) 缩放路径进行不同尺寸筒形件的成形。本章将讨论通过轴向和径向缩放路径来进 行其它尺寸筒形件渐进成形的可行性提高筒形件成形路径设计效率。 ( 8 ) 全文主要成果的总结，面临的问题及对进一步研究的建议。 1 6 本章小结 本章着重介绍了课题研究背景及意义，通过板料渐进成形工艺与其它常见板料成形工 艺、板料无模成形工艺的比较说明了板料渐进成形工艺的成形优点，最后简要介绍了本文 的主要研究内容及框架结构。 2 1 单道次成形 第二章板料渐进成形过程及分析 2 1 1 单道次成形过程中板料的受力变形 单道次成形中，工具轨迹从加工区域边缘下刀沿目标工件每层轮廓切向运动的同时，不 断进行轴向进给t 通过每点局部胀形的累积，最终获得三维的目标形状工件。以锥形件为例， 图2 - i 为锥形件的单道次成形工具头轨迹图。 图2 - l 单道次成形轨迹图 第一步，压入工具头自边缘位置下刀，在压入处位置会形成一个与工具头相吻合的凹 坑，该处板料变形如图2 - 2 所示， 图2 - 2 压入点板料厚度示意图 图2 - 3 壁厚变化关系示意图 在工具头正下方区域内板材厚度基本不发生变化，沿工具头轮廓向上，成形后板料厚度 逐渐减小，在板料离开工具头位置处壁厚达到极小值，即断裂危险点继续向上，壁厚再 次增加，影响区域以外板料基本不发生变化。在工具头刚与板料接触时板料各处均有切向 和径向双向拉应力存在，并以接触点为中心向外应力急剧减小。与该处到接触点的距离越远， 1 2 第二章板料渐进成形过程及控制原则 拉应力越小，因此变形只发生在工具头周围很小的范围内。随着压下量的增加，工具头下方 板料逐渐与工具头贴紧在摩擦力作用下不再发生变形也就是说，变形几乎只在如图2 - 2 中小圆所示的板料与工具头接触边缘区域发生。则变形后板料厚度与变形前有如图2 - 3 所示 关系，即f = t o c o s 口，越往外侧，o 值越大t 则厚度f 越小，故此，自中心向外壁厚逐渐减 薄，在刚好与工具头接触位置达到极小值。压入越深( z 向进给量越大) ，该处厚度值越小， 过大的压入值会导致该处破裂。 图2 _ 4 第一层完成后的板料 第二步，层内运动。工具头沿第一层轮廓线运动一周，板料加工成为如图2 _ 4 所示形态。 在此过程中，变形具有三个特点 ( 1 ) 大的变形仍发生在工具头的两侧，底部变形不大。 变形将首先发生在最容易变形的区域。底部板料的减薄变形需要克服与工具头之间的摩 擦力才能完成，单点成形中由于加l = 位置局部压力较大，摩擦力是很大的，且越靠近底部 工具头对板料的压力越大，相应的摩擦力也越大，相对来说，与工具头刚接触区域的板料摩 擦力就小得多，甚至为零，变形容易发生。 ( 2 ) 如图2 5 所示。加工轨迹内侧板料相对工具头的高度与压入阶段相比明显降低。 这是由于内侧板料在如图2 - 5 所示的拉力作用下发生反向弯曲的结果，而外侧因为受到 夹具的限制，很难发生这样的变化，因而出现如图2 5 所示的高度差。 图2 5 第一层加工中轨迹内侧板料受力图 ( 3 ) 工具头对板料相对运动产生的滑动摩擦力作用，工具头前端板料有轻微的堆积 如图2 - 6 、2 - 7 ，另外，该摩擦力也会使板料磨损，造成板料减薄、扭曲、加工面租糙及裂纹。 东南大学硕士学位论文 图2 - 6 层内运动中板料变形情况示意图 l 璺| 2 7 加上中的堆积现象 图2 8 第二及之后各层加工半成品示意图 第三步，第二层至第n 层工具头的压入及层内运动。该过程与第一层类似，由于图2 5 相同的原因，层内运动阶段，轨迹内侧板料相对工具头高度会进一步降低直至与工具头底 部处于同一高度，并且随着该相对高度的降低，轨迹内侧板料拉延现象逐渐减轻，当与工具 头底部高度一致后，内侧板料不再发生变形另外，板料在该过程中在工具头两侧不断进行 弯曲和反弯曲过程，如图2 - 8 所示。 成形的最后。工件底部中心点附近板辩的加工在单遵次渐进成形过程中，这一步骤 代表着整个加工的完成，是最后几层，由于其在加工过程中处于特定的位置，该过程有着自 身的特点 图2 - 9 底部加工弹性变形的影响 加工至最后几层，工具头在层内的运动量变的很微小。加上此时工件已经有较大的深度， 整个已加工区域弹性变形的累积效果会使工具头陷入压入时产生的凹坑之中，如图2 - 9 所 示。一直到加工结束，本应大范围内的变形集中在工具头周围较小区域内形成颈缩，在成形 角f 小于某一值时，将会导致底部中心位置的破裂。 4 ， 一 第二章板料渐进成形过程及控制原则 d y 心# j 习 图2 1 0 渐进成形变形区示意图 图2 1 l 变形前后单元格的变化情况 2 1 - 2 单道次成形中的壁厚变化规律一正弦定律【1 3 】 板料单道次渐进成形的零件，变形区壁厚分布不均匀。成形件的变形区一般可以分为如 图2 一l o 所示的三个区域。l 区与压板和支撑板接触区较近，其金属流动受到被夹持固定的 金属的牵连以及支捧板摩擦力的阻碍，变形较小；3 区不与成