（材料加工工程专业论文）金属板料数字化渐进成形工艺规划及轨迹优化.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ：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 车覆盖件等，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 优化方法及其软件实现展开研究。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，并从总体设计了工艺规划软件系 统。 作者对采用现有的u g 软件生成的针对切削的加工轨迹在板料加工中的不适用性 进退点集中所造成的加工工件压痕与破裂问题进行分析，提出通过软件处理使进 退点均布化分布的处理，从而解决了其影响工件的加工精度和板材的成形能力的问 题。其中分析了对其进行改进的方法，并计算了加工过程中金属板材塑性区域，进而 得到加工轨迹进行优化处理的基本原则，并在此基础上设计了本项技术的工艺规划软 件系统。该软件实现了对加工轨迹进退点进行均布化分布的优化处理、试走轨迹生成， 并提出和实现了变进给量的自适应加工轨迹原型。 上述研究成果已经应用于金属板材数控单点渐进成形系统的实际加工中，成功的 加工出了若干功能板料零件，并明显提高了工件的加工精度和板料的成形能力。最后， 论文对研究工作进行了总结，并提出了进一步研究的展望。 、 l 、 、 、一 关键词：数字化成形快速成形渐迸成形加工轨迹i 艺规划 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s h e e tm e t a ln u m e r i c a lc o n t r o ls i n g l e p o i n ti n c r e m e n t a lf o r m i n gt e c h n o l o g yi sa d i g i t a l f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hd o e sn o tn e e dc o n v e n t i o n a ld i e sa n d p u n c h e s 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 rt h es h e e tm e t a lp a r tf o r m i n gi nt h e d e v e l o p i n go f n e w p r o d u c t s ，s u c h a sa r t i c l eo f d a l l yu s ea n dc o v e r i n gp a r t so fa u t o ，w h i c h c a ns h o r t e nt h ec y c l eo ft h ep r o d u c td e v e l o p m e n tg r e a t l y ，r e d u c ed e v e l o p m e n tc o s ta n d r i s k t h i sp a p e ra r o u n dt h ei n c r e m e n t a lf o r m i n gt e c h n o l o g y sp r o c e s sp l a n n i n ga n dt h e o p t i m i z a t i o no fm a n u f a c t u r i n gt o o lp a t h , b u i l tt h ec o m m o np r i n c i p l eo f p r o c e s sp l a n n i n g w h i c hb a s e do nt h et h e o r ya n d p r a c t i c ee x p e r i e n c ea n dr e a l i z e dt h es o f t w a r eo ft h et o o l p a t h so p t i m i z a t i o n ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n i n go fp r o c e s sp l a n n i n g ss o f t w a r es y s t e ma sa w h o l e a u t h o ra n a l y z e dt h ep r o b l e mo fm i l l i n gt o o l p a t hw h i c hd o e sn o ts u i t a b l ef o rt h e f o r m i n ga b i l i t yo f s h e e tr e c t a t h a ti st h ep r o b l e mo ft h es h e e tm e t a l p a r t sc o n c a v ea n d b r e a c hw h i c hb ec a u s e db y c o m p a r a t i v e l yf o c u so fe n g a g ea n d r e t r a c tp o i n t s t h e p r o b l e m h a sb e e ns o l v e dt h r o u g ht h ew e l l d i s t r i b u t e d e n g a g ea n dr e t r a c tp o i n t sd i s p o s a li nt h e s o f t w a r e t h i sp a p e rc o u n t e dt h e p l a s t i ca r e aa r o u n dt h em a c h i n i n gt o o l ，a n dg a v et h e o p t i m i z a t i o np r i n c i p l eo f t h em a c h i n i n gt o o l - p a t h na l s op l a n n e dt h es o f t w a r es y s t e mo f p r o c e s sp l a n n i n gb a s e do nt h eo p t i n l i 盈t i o no f t h et o o lp a t h t h es y s t e mh a sr e a l i z e dt h e w e l l d i s t r i b u t e df u n c t i o no ft h ee n g a g ea n dr e t r a c tp o i n t s ，t h eg e n e r a t i o no ft e s tt o o lp a t h a n dt h ei n c r e m e n t a lf o r m i n g p r o c e s so n t h ev e r t i c a lw a l l t h ea b o v e - m e n t i o n e da c h i e v e m e n t si nr e s e a r c hh a v eb e e n a l r e a d ys u c c e s s f u l l ya p p l i e d t ot h es y s t e mo fs h e e tm e t a ln u m e r i c a lc o n t r o l s i n g l e p o i n ti n c r e m e n t a lf o r m i n g f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r ka n d p o i n t so u t t h ea r e a sn e e d i n gf u _ r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：d i g i t a lf o r m i n gr a p i dp r o t o t y p i n g i n c r e m e n t a lf o r m i n gt o o lp a t h p r o c e s sp l a n n i n g n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 板料塑性成形技术的发展 11 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。例如汽车机车、宇航航空、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。 11 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”1 ，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。 从成形轨迹的空间分布来看，金属板料无模成形技术可以分为离散点击成形和连 续碾压成形两种，前者从手工逐点成形发展出了成形锤逐点渐进锤击、多点成形等离 散点击成形方法，而板料的旋压成形和h i h i 兴起的数控无模渐进成形则属于连续碾压 成形工艺。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 成形锤渐进成形。1 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，逐步成形为所需形状的 j ：件 加工工艺，它是一种单点压延渐进成形工艺( 见图遇 1 - 1 ) 。 橡胶下模。嗣 上世纪9 0 年代，日本进行了c n c 成形锤渐进 成形法的研究。该成形技术方法简单，成形速度较 1 - 1图成形锤渐进成形 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锤击压痕，影响制品的 表面质量，因而还必须进行后续处理。 ( 2 ) 多点成形法【3 1 1 4 1 5 j 6 l 多点成形法是利用高度可调的基本体群形成离散曲面来代替传统模具进行三维曲 面成形的柔性j j i t 技术。它包括多点模具成形、多点压机成形两种方式。图1 2 和l 一3 叠晷画凰厘凰 图1 - 2 多点模具成形图1 - 3 多点压力机成形 为两种方式的工作原理图。多点模具成形法的工作原理：成形前，调节各基本体的高 度形成自由曲面，成形过程中上下基本体群分别作为一个整体运作，在相邻基本体之 间无相对运动。多点压机成形工作原理：在成形过程中能分别控制各基本体的位移量、 移动时间和速度等，可以给予板材任意的变形路径。该技术在九十年代初由日本教授 中村敬一教授作了初步研究；在国内，吉林工业大学在多点成形法取得了很大的进展， 成功的研制出多点成形样机，并成立吉林工业大学无模成形中心专门从事多点成形的 研究与开发。 多点成形法虽然初步实现了无模化，但它存在以下几个问题： 1 ) 该技术是将冲头和下模的形状离散化为所谓的柔性模具，可是冲头和下模不能 华中科技大学硕士学位论文 做得很小，不能加工形状复杂的工件。 2 ) 加i d 、冲头和下模、安装、调试同样花费大量的时间。 3 ) 多点成形法易产生压痕、起皱等缺陷使加工精度难以保证a 4 ) r 能加工厚板，对于薄板成形不适用。 ( 3 ) 旋压成形m 旋压作为金属塑性加工的一个重要分支，具有柔性好、成本低廉等优点，适合加工 多种金属板材和管材，是一种经济、快速成形薄壁回转体零件的方法。旋压成形过程( 图 1 4 ) 是将金属坯料装在芯模的顶部，旋轮通过轴向运动和径向运动，使旋转坯料在旋轮 滚压作用下产生局部连续塑性变形，最终获得所要求的薄壁回转体零件。 图卜4旋压加工过程示意图 采用旋压技术进行板料加工可以节约原材料利用率，总变形力和机床吨位相对于 传统压力加工方法低，某些普通旋压可实现无模成形。但是，旋压工艺也存在着局限 性如它只适用于加工薄壁空心回转体工件，不能加工厚度太大的坯料，旋压工艺的 生产率低，影响产品质量的工艺因素复杂，要求较高操作技能等。近年来，随着微型 计算机的普及，许多旋压机已实现数控化。 ( 4 ) 电磁成形。州 电磁成形技术是2 0 世纪6 0 年代初国内外兴起的新型的金属塑性加工方法。如图 l 一5 所示。当线圈l 通电时，产生向下或向外或向内的电磁力，使板材2 向下或向外 或向内运动，当板材遇到模具或工件时受到限位，使其产生预期变形。 1 9 5 8 年，美国通用电力公司研制出世界第一台电磁成形机。1 9 6 2 年，美国的布劳尔 华中科技大学硕士学位论文 ( b r o w e r ) 和哈维( h a r r y ) 经过改进和完善发明了可用于工业生产的电磁成形机， 括悫羞电磁袋形技零真正开始走囊实用纯秘工业他，麸姥魄磁残形弓| 起了嚣国豹广泛 关注和工业化，美国、苏联、日本、西德、英国、加拿大、法国等国家纷纷开展了这 方嚣熬理论、工艺及瘦媛躲磅究。年代申簸至7 0 年代审期，成形飒德能逐步域至 4 0 0 k j ，使用新工芑和设备的工厂超过1 5 0 个，且多数设锯用于大批量生产。8 0 年代 中翅，电滋成形已在美嚣、苏联、日本静王业生产孛缛到了广泛瓣痰溺，奖星和苏联 譬：产的设备均已系列化、标准化。如美国m a x w e l l 公司生产的各种m a g e f o m l 设备已 逮审美国、日本豹十凡家大公司鲍1 5 0 多个生产厂家。 圈1 5电磁成形原理嘲 国内电磁成形研究一赢停留在实验室阶段。6 0 年代初期，中丽科学院电工研究所 曾组织力麓系统蛾研究过瞧磁戎形工艺及设备，壹到1 9 8 7 攀啥工大研制成功了7 2 k j 的电磁成形机，9 0 年代中期，晗大分剐给上海航天局、j t 京机电所制造一台3 0 k j 的电磁成形设备暾磁成形童艺生产效率高、成形范围较广，适于管材的胀形、缩径、 冲孔、胬边、切断、焊接；板材的冲孔，艇印或舔花成形：组装饰盼装配：粉末的医 实釉成形等，广泛应用于汽车、电子、仪器仪表、军工业锋工业领域，但其存在麓比 较明显的闯题。 1 ) 设备麓量不够大。爨藏，国外设备最大储能为5 0 0 k j ，国内述不足4 0 k j ， 远远不能满足加工难变形域大型实体金属工件的辩要。 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 能源利用率很低，浪费严重，设备储能利用率一般1 0 一2 0 ，最高也 刁j 过4 0 。 3 ) 结构有待改进，成本偏高，国外进1 2 1 一般需6 2 0 万美元台，国产设备也至少 需1 0 一2 0 万人民币台。所以，成本有待进一步降低。 电磁成形技术的变形量随加工线圈中的电流的增大而增大，随工件的电阻的增大 和强度的提高而减小，所以电磁成形技术适用于加工铜或铝等强度低、导电性好的材 料。若加工钢铁材料不但要求钢板要薄，而且由于材料电阻较大，要求加工线圈中电 流很大，爿能在工件中产生足够的感生电流，从而在线圈和工件之间产生足够的力使 工件产生变形。 ( 5 ) o n o 高压水喷射成形m 州例 c n c 高压水喷射成形法其工作原理可以简单概括为：水通过高压泵，经过喷嘴 小孔将水喷射到成形板材上，水的动能转换为作用于板材的压力能，压力达到一定程 度使板材产生局部塑性变形，在计算机的控制下工作台沿既定的路径运动，随后z 轴 下降成形下一层金属，如此循环直至最终成形( 图1 6 ) 。 1 高压泵2 喷嘴3 工作台4 工件 图1 6c n c 高压水喷射成形工作原理圈 c n c 高压水喷射成形法有其独特的优点：因为是水能源成形，可全方面自由成 形，适于成形形状复杂的工件；具有很大的成形力，可以成形厚板或难以成形的金属， 如钛等。但是由于目前技术水平所限，该技术还存在一些问题，如成形时的进给速度 慢：喷嘴磨损比较大，而喷嘴价格较贵：一次性投资较大；高压水成形时对人有伤害 性及较强的噪音。 坠 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 金属板料数控单点渐进成形“”“7 “”1 2 0 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板料成形工艺 金属板料数控单点渐进成形技术。它采用了快速成形技术中的“分层制造( l a y e r e d m a n u f a c t u r i n g ) ”的思想，将复杂的三维形状分解成一系列二维层，工具头在x y 平 殖l ( 图1 7 ) 中沿零件轮廓曲线走等高线，在二维层上进行塑性加工，实现了金属板 料的数字化制造。这种板料渐进成形技术是一个值得重视的新领域。 这种成形工艺的特点是：1 ) 由于是非冲击、连续碾压成形，所以不仅加工噪音 小，更可以很好的控制被加工零件的表面质量：2 ) 因为成型工具头与板料的作用区 域很小，所以能够比较容易地实现变形区的三向受压状态，从而这种成形方法能够用 柬加工拉深比很大的零件：3 ) 可以成形非轴对称的异形零件；4 ) 成形机理非常复杂， 成形工艺尚不成熟，除了日本( 如图1 7 和图1 8 ) 和我国华中科技大学、哈尔滨工 业大学有少量报道，国内外还没有作广泛研究，所以这种成形方法有待进一步深入 探索。 图l 一7 日本a _ m i b i o 公司所开发的样机图l 遗数控单点渐进成形加工的样件 12 相关技术的发展 12 1 快速成形技术的发展 快速成形技术问世于2 0 世纪8 0 年代末，被认为是近2 0 年制造技术领域的一次 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( l a y e r e d m a n u f a c t u r i n g ) 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 6 华中科技大学硕士学位论文 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。 从以上定义可以看出，r p 技术具有以下特点i l 州： 1 ) 可以加工传统加工方法难以加工的零件。由于r p 技术首先将三维模型离散为 一- 维图形来加工，而二维图形的加工相对于三维加工简单的多，所以r p 设备可以加 传统方法难以加工的形状复杂的零件。 2 ) 整个制造过程都是在计算机控制下的全自动过程，不需要人工干预，可以实 观无人化操作和网络制造。 3 ) 充分应用了微积分的思想，任何一种零件都是直径很小的点或者厚度很薄的 层的叠加，加工时可以近似认为是逐点成形，不需要很多的专用夹具、量具。 于是，r p 技术具有如下明显的优势： 1 ) 很高的柔性。不同特征的零件均可由同一台设备加工出来。 2 ) 可以加快产品的开发速度。不需要专用辅具、零件的更换只需要设计参数的 改变就可以实现，这些为新产品的快速开发提供了有利的必要条件。 自从美国的3 ds y s t e m s ( v a l e n c i a , c a ) 公司于2 0 世纪8 0 年代末率先进行快速原型 制造技术的实验研究，并于1 9 8 8 年推出第一台快速成形设备后，由于利用r p 技术可 以快速为产品更新换代，较好地满足了商家希望以最快的速度、最小的代价、最好的 产品和服务取得最大的市场和利润的需求，r p 技术很快就获得了长足的发展，出现 了许多新的工艺和方法。其中，比较有代表性的工艺有立体光造型s l ( s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 、薄材叠层制造l o m ( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 、熔丝沉 积制造f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 和选择性激光烧结s l s ( s e l e c t i v el a s e r s i n t e r i n g ) 以及近年来刚刚兴起的金属板材快速成形工艺。 ( 1 ) 立体光造型s l a 立体光造型的加工过程是一种光和光敏树脂的相互作用过程。当紫外激光束在液 态光敏树脂表面扫描运动时，由于树脂吸收光子能量而引发聚合反应，使小分子聚合 成大分子的聚合物。 s l a 的特点是：1 ) 该方法为液态固化成型，在同一液态层面上，模型实体部分 经激光扫描成为固体，而其他部分则保留液体状态不变：2 ) 悬臂部分采用同一材料 的蜂窝状结构作支撑，不存在废料去除问题，因而材料利用率高；3 ) 材料一般为树 脂，制件强度高，价格也比较昂贵；4 ) 成型精度、表面光洁度比较高；5 ) 考虑到材 7 华中科技大学硕士学位论文 料成本及激光器的价格与使用寿命，制件的制作成本较高。 f 2 ) 薄材叠层制造l o m l o m 工艺是以固体薄材为叠层材料，以轮廓切割为特征的加工方法。制造过程 中一系列的薄材被粘结起来，并沿轮廓曲线切割，同时将非模型区切割成小方块以利 最后去除。 相对于其他的快速成形技术而言，l o m 技术具有以下特点：1 ) 粘结材料为薄材， u 国内为涂覆热熔胶的纸，价格虽然低廉，但热熔胶和纸受环境的影响比较大，制 件的尺寸稳定性比较差；2 ) l o m 技术只需对截面轮廓进行切割加工，不需对模型的 实体部分进行扫描，因此l o m 成形效率高，原型制作时间短；3 ) 由于是切割轮廓， 轮廓的切割精度决定了模型水平面上的尺寸精度：4 ) 需要进行废料剥离。废料剥离 的好坏，不仅严重影响着制件的成型效率，而且对制件的尺寸精度产生影响。 ( 3 ) 选择性激光烧结s l s s l s 工艺从原理上类似于立体光造型，不同的是s l s 使用各种粉状材料作为加工 物质，如标准铸造腊材、标准热塑性工程塑料、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、尼龙纤 维、钢铜合金、陶瓷、石英砂、存真塑料等，材料选择范围大。同时这种方法不需要 支撑，但对工艺条件要求很苛刻，设备价格也高。 f 4 ) 熔丝沉积制造f d m f d m 工艺采用丝状材料作为加工物质，它通过两个喷头流出熔融态的成型材料 和支撑材料，用成型材料填充模型截面形成实体，而悬臂结构下方用支撑材料构造支 撑。它与前三种工艺不同的是成型过程不需要激光器，设备价格便宜。但普遍反映成 型速度较慢。 12 2 c a d c m 及数控技术的发展 随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越 快，多品种、中小批量生产的比重明显增加；同时随着航空工业、汽车工业和轻工 消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高；此外。激 烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法己难予适 应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。因此，近几十年来， 能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题的数控0 q c ) 加i 技术得到了迅速发展 和广泛应用。使制造技术发生了根本性的变化。努力发展数控加工技术，并向更高层 华中科技大学硕士学位论文 次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发 展的方向。 c a d c a m 技术从出现到现在已经有5 0 多年的历史，无论是硬件技术、软件技 术还是应用领域都发生了巨大的变化。c a d c a m 技术的发展大致经历了三个阶段 【二0 l ： 1 1 单元技术的发展和应用阶段在这一阶段，分别针对一些特殊的应用领域。开 展了计算机辅助设计、分析、工艺、制造等单一功能系统的开发及应用。这些系统的 调用性差、应用不普及、系统之间数据结构不统一。出现信息孤岛现象，系统之间难 于进行数据交换。 2 ) c a d c a m 集成阶段 首先随着一些专业系统的应用普及，出现了通用的 c a d 、c a m 系统，而且系统的功能迅速增强，例如c a d 系统从二维建模迅速发展到 三维建模，特征造型、参数化设计等先进技术被c a d 系统普遍采用。c a d 、c a e 、 c a p p 、c a m 系统实现集成或数据交换标准化，c a d c a m 的应用已经取得显著成 效。 3 ) c i m s 技术推广应用阶段计算机技术除了在设计制造等领域获得深入应用， 同时几乎在企业生产经营的各个领域都获得应用，由于企业的产品开发活动和企业的 其它经营活动是密切相关的。因此，要求c a d c a m 等计算机辅助系统对计算机管 理信息系统进行信息交流，在正确的时刻，把正确的信息，达到正确的地方，这是 个更高层次上的企业内的信息集成，就是所谓的计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。c i m s 的核心技术包括：c a x 技术、m r p i i 技术、 数据库技术和网络技术。 c a d c a m 技术仍在不断发展，发展的主要趋势是集成化、智能化、网络化。u g 、 p r o e n g i n e e r i n g 、m a s t e r c a m 以及id e a s 等等，都是在工业界普遍使用的c a d c a m 软件。u g 、p r o e n g i n e e r i n g 是属于高等次的c a d c a m c a e 软件系统，他们集特征 造型、工程分析、n c 加工于一体，大型厂家多选用这两种软件；m a s t e r c a m 属于低 端软件系统，其专门为中小企业考虑的低成本，使其占有了很大的市场。 目前，c a d c a m 技术和数控技术发展已经达到相当成熟的地步，三维造型技术、 对产品模型的分层切片技术的发展，c a d c a m 技术与数控加工技术的结合，都为板 材的数控单点渐进成形技术提供了技术保证。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本课题的来源和意义 13 1 课题的来源 华中科技大学快速制造中心从1 9 9 9 年开始研究金属板料数控单点渐进成形技术， 先后得到国家自然科学基金、国家科技部科技型中小企业科技创新基金、国家教育部 留学回国人员科研启动基金、国家教育部重点实验室访问学者基金、湖北省自然科学 基会、华中科技大学人才引进基金、华中科技大学科研基金等项目的资助。 132 课题的意义 从目前国内外在该领域的研究现状看，金属板材数控单点渐进成形技术基本上是 一个待开发的新领域。我们应该尽早开展对这项高新技术的研究，抢占这项技术的制 高点，为提高我国企业新产品开发能力和转变生产模式提供新的技术手段。 尽管该技术目前还不成熟，但由于其具有潜在的广阔的发展前景，已引起国外快 速制造领域专家的重视。国际著名塑性加工专家中川威雄教授指出，这种方法代表了 板材数字化塑性成形技术的发展方向。日本政府也极为重视该项技术，由日本科学技 术振兴事业财团拨出专款支持企业开发，在a m i n o 公司研制出了多种样机，可以加 工汽车覆盖件等复杂制件，目前正在进行工艺试验以便形成商品。日本丰田汽车公司 也在加紧开发汽车大型覆盖件的无模成形技术。就目前国内外金属板料无模成形的研 究现状看，金属扳料渐进成形技术是一个有发展前景和值得开发的新领域。该方法如 与其它塑性加工工艺相结合，可制造出更理想的工件，将更新板材塑性加工的传统概 念，使新产品设计思想得到更大的发挥。采用理论分析、计算机模拟和实验相结合的 方法，研究金属板料无模渐进成形的技术基础，以塑性成形理论和工艺实验为基础， 提出一种金属板材分层渐进塑性成形工艺理论。研究成形过程的工艺规划方法，为成 形工具头运动轨迹的最优控制提供理论依据。为金属板料数控单点渐进成形设备和工 艺及其控制软件的开发奠定理论和技术基础。 练上所述，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、c a d c a m 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。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 1 4 课题的研究内容 本课题在实验基础上，提出了板材数控单点渐进成形技术初步的工艺规划原则。 原则来自于实验的总结，同时寻求理论上的解释。这些原则对于采用本工艺加工出合 格的零件是必要的参考。从总体上规划了板材数控渐进成形工艺软件系统，重点解决 了进退点的优化问题，并在m i c r o s o t t 的w i n d o w s 环境下利用v i s u a lc + + 6 0 开发了 金属板材数字化渐进成形轨迹的优化处理软件系统。对金属板材数控单点渐进成形工 艺进行了深入而有价值的探讨分析和研究。 本文共分6 章： 第一章全文的概述，阐述了板材数字化成形技术国内外发展与现状和相关技术 的发展，主要介绍了课题的来源、目的和意义，以及本文的主要工作； 第二章初步提出了金属板材数控渐进单点成形技术的工艺规划一般原则。因为 本工艺的机理研究还处于起步阶段，这些原则重点总结了来自于实验的经验，并从理 论的角度寻求支持。本原则尚不完善，但可以对实现本工艺提供参考性价值； 第三章给出计算成形后板材壁厚以及板厚可视化方法，并对板料成形中出现的 一些问题进行了简单的分析和探讨； 第四章根据板材数控渐进成形技术的特点，提出了对生成加工轨迹进行优化处 理的方法。重点从解决加工中出现的实际问题进退点集中造成的压痕与破裂，给 出了为此对加工轨迹进行优化处理原则： 第五章介绍了板料数控渐进成形工艺软件系统的总体设计，实现了对加工轨迹 的优化处理、试走轨迹生成以及垂直壁渐进工序加工轨迹生成功能。并介绍了其中的 关于环的算法； 第六章全文的总结与对进一步研究的展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 金属板料数控单点渐进成形的工艺规划 2 1成形原理 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( l a y e r e d m a n u f a c t u r i n g ) ”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f 2 l 】f 2 2 j f 2 3 j 。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 圈2 1 金扳科渐进成形原理图 定高度，按第二层截面轮廓要求运动，并形成第二层轮廓。如此重复直到整个工件成 形完毕1 2 ”，如图2 1 中所示为板材加工过程原理。 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环。 概括地说，通用数控编程的主要内容包括：分析加工要求并进行工艺设计，以确 定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等：建 立工件的几何模型、计算加工过程中刀具相对工件的运动轨迹或机床运动轨迹；按照 数控系统可接受的程序格式，生成零件加工程序，然后对其进行验证和修改，直到得 华中科技大学硕士学位论文 到合格的加工程序。 在板材数控单点渐进成形中，数控机床已经给定，加工轨迹为工具头按照等高的 轮廓线进行加工运动。数控编程主要的内容主要是对根据加工要求确定加工方案，根 据该方案建立适当的一个或多个数字化模型；选择合适的加工工具头及其合理的单层 进给量；加工中的润滑问题以及后续的工序如清根加工。 根据数控单点渐进成形的特点，提出以下两个原则作为指导渐进成形工艺规划的 设计依据j 。第一，变形的均匀化原则。板料在渐进成形之后，成形工件上各点的变 形程度应尽可能地均匀。从理论上讲，渐进成形可以对板料上任何一点的变形进行控 制，因此能够较好地控制板料成形的均匀化程度。但 是在实际渐进成形过程中，由于事先预测变形比较困 难，此外还有边界条件对变形的影响，变形的均匀化 也只能达到一定程度。第二，板料中面内的压应力最 小原则。板料在渐进成形过程中，对板料的加载应尽 量避免压应力的产生。这一原则主要是从防止板料整 体或局部结构失稳考虑的。在渐进成形过程中，这种 失稳主要发生在连续轨迹成形的情况。其主要原因是图2 - 2 板内压应力过大产生的 由于初始的压下量过大，使得后续的成形在板料的中 失稳与折叠 面内产生过高的压应力，从而产生失稳和折叠( 如图2 2 ) 。 2 2 金属板材零件的数字化建模 2 2 1 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( d i g i t a lm o d e l ) 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【2 6 】。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 华中科技大学硕士学位论文 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( w i r e f r a m e m o d e l i n g ) 、曲面模型( s u r f a c em o d e l i n g ) 、实体模型( s o l i dm o d e l i n g ) 和参数化 变量化建模。 特征建模技术是c a d 建模方法的一个新的里程碑，它是在c a d c a m 技术的发 展和应用达到一定水平，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27 1 ，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。p r o e 、 u g 软件都很好的实现了特征建模的功能。 22 2 零件辅助面的生成 大多数的板料零件的形状都是由复杂的平面和曲面组成的，其外轮廓多数情况都 是不规则的，如图2 3 a 所示。在图2 3 b 中该零件的加工轨迹中可以看到，多数的加 轨迹都不能保证轨迹形成一个闭环，从而造成加工后零件的板料中积累了很大的内 应力，使板材零件发生严重的回弹和翘曲( 图2 3 c 中所示) ，加工的曲面不能达到加 工的要求。 图2 0 未添加辅助面的曲面加工示倒 因此有必要对零件添加辅助面，以使板材在加工过程中能够很好的满足变形均匀 化原则。通常添加的辅助面为平面，但根据零件的原始曲面不周也会是曲面。辅助面 的添加时，要求辅助面都保证可以一次成形，即辅助面与垂直面夹角都大于临界0 角， 该临界0 角可根据加工高度的不同，选择在2 2 0 3 0 0 之间。图2 - 4 所示为添加辅助面 1 4 华中科技大学硕士学位论文 之后的情况，其中图2 。4 a 为添加辅助面后的形状，图2 4 b 给出了采用此数字化模型 生成的加工轨迹加工出的金属板材零件。从图中可以看到，加工出的零件回弹和翘曲 现象很小。 图2 - 4 添加辅助面后的曲面加工实例 在曲面的零件辅助面的生成中，一般需要确定底平面，该底平面的确定也就确 定了加工坐标的z 轴。该底平面的确定采用满足下面的准则：1 加工轨迹总长度的 要短；2 尽量使生成的加工轨迹保持对称：3 使工件的加工高度最低。其中，第1 、3 项原则是为了节约加工时间，第2 项原则是满足了成形过程的均匀性，使板材能够很 好的成形，尤其是在最终成形零件的曲面上。 2 2 3 加工零件的渐进工序图的生成 这种成形方法是对材料进行渐进变薄拉延过程，板料成形区( 图2 1 b 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 向的夹角日( 图2 - l b ) 有关，它们符合正弦规律f 2 8 | ，即 t 。s i n 8 ( 2 一1 ) 式中，板料成形区厚度，m m r 板料成形前厚度，m m u 0 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，当上述成形角口( 图2 - l a ) 在 0 0 5 0 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 华中科技大学硕士学位论文 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( 见图2 - 5 ) ，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情况。 图2 5 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 ， ， b )d ) 图2 - 5 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 而变薄，这样就会很快使板材产生拉伸失稳，而造成破裂。图2 5d 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2 5 c 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 1 t o n i 厚的0 8 f 进行加工可以达到4 0 m m 以 上。但是与直接加工直壁相比已经取得了 图2 - 6 采用渐进工序成形的直壁零件 1 6 纩。扩扩。扩扩。扩 华中科技大学硕士学位论文 一一个数量缴的提高。所以，图2 5 c 的路径是较优的加工路径。图2 - 6 中给出了采用此 路径加工出来的零件。 22 4 零件、辅助面、中间工序图建模 零件、辅助面以及中间工序图的建模采用参数化特征建模技术。 对于板材渐进成形零件中的垂直壁部分的成形，类比旋压成形中的拉深旋压工 艺，采用多道次渐次达到工件最终成形要求。中间工序图的设计有若干方法，如图2 5 所示。图中虚线表示板材中间成形的路径，从图中可以看到，无论采用那种加工方式， 都需要对板材进行多次加工，相对应的都需要建立零件的多个中间模型。对于简单的 零件来说，中间工序图的建模，并不是一件很难的事情。但是对于复杂的零件，尤其 在使用l o m 支撑件时，就需要在建模过程中，对模型的设计进行很好的考虑。关键 点在于不要将难于成形需要修改的部位与其它部位有太多的关联。这样在修改之后， 仍能保持其它部位的形状没有任何改变，可以保证生成加工轨迹与l o m 件之问的间 隙均匀。采用p r 0 ，e n g i n e e 副n g 的参数化实体造型 技术方法，能够很好的解决这一问题。下面就此问题 提出两个原则： 1 ) 在整个零件建模过程中，尽量采用参数化特征 建模方式； 2 ) 减少辅助面、难成形的面与零件其它加工面的 关联性。这样在后续的对辅助面的修改中，就 可以保证加工面始终保持一致。如图2 4 a 中不 要将零件原始曲面与辅助面同时生成，以减少 在辅助面变化时，零件成形面产生变化。 2 3 支撑模型的设计与制作 对零件进行适当修改以满 足模具设计要求，如拔模 上 创建模具模型 上 定义分型面 上 抽取体积块以生成模具元件 提取需要的模具元件进行必 要的修改和定位孔设计 生成s t l 文件( 适当精度) 加工l o m 支撑件 在加工复杂零件时，需要在板料下方支撑模型， 才能够保证零件的一定成形精度。采用纸层叠快速成 图2 - 7 支撑件设计制造流程 形技术( l o m ) 加工的顶支撑模型，可以大大节约生产前的准备时间。同时为了保证 加工轨迹与l o m 支撑件之间的间隙均匀，因此采用p r o e 软件中的p 倒，m o l d e s i c 附 或p r o c a s t i n g 模块进行模具设计，抽取其中需要的一块作为支撑，这样就能够保 1 7 华中科技大学硕士学位论文 证零件的加工轨迹，与该支撑件之间的间隙足够均匀，不至于出现因间隙过大或过小 造成最终成形零件不必要的误差或破裂。图2 7 中列出了采用p r o e 的模具设计模块 来设计顶支撑的整个过程。图2 。8 为在p r o e 中的p r o , q v i o l d e s i g n 设计的模具，抽 取图中的一块作为支撑模型，并对模型进行必要的修改和定位孔设计，如果不能在快 速成形机上一次加工，可以根据需要对支撑模型进行切分分别加工。图2 - 8 中采用两 个切分面将支撑分为四件分别加工，图中固定孔用于将分块的支撑组合在一起，定位 孔