（材料加工工程专业论文）方盒形件的渐进成形机理及工艺研究.pdf

摘要 方盒形件的渐进成形机理及工艺研究 研究生姓名：邵兴彬 导师姓名：高锦张副教授 单位：东南大学 摘要 板料渐进成形是在数控机床上通过计算机程序控制形状简单的成形工具，利用其运动轨迹对金 属板料进行连续局部塑性成形的加工方法，在板类件成形领域有着广泛的应用前景。该成形方法涉 及到塑性力学、数控技术、计算机技术，采用了“降维”的思想，将一个物理实体的制造由复杂的 三维成形离散成一系列简单的二维层进行加工。直壁件的成形是渐进成形的难点，本文以方盒形件 为例，系统地研究其成形机理和工艺，并对多道次成形的数值模拟进行了初步探索。 本文分析了金属薄壁直壁件的渐进成形机理，提出板料成形的两个基本变形模型，得出板料塑 性变形是反复进行的弯曲和反向弯曲过程的结论，并用应变全量理论和应变增量理论分析了弯曲阶 段和反向弯曲阶段的变形机理。根据成形机理，分析了单道次无法成形较高直壁的原因，并就多道 次成形直壁的可行性进行分析。 本文通过实验探讨了单道次成形方盒形件的成形极限和成形质量问题，分析了工具头直径、过 渡圆角半径及轴向进给量对它们的影响；研究了多道次成形过程中工具头直径、进给量、走刀方式、 过渡圆角半径等参数与板料变形的关系，由于数控成形的特点，路径规划对直壁件加工至关重要。 重点讨论了方盒形件多道次渐进成形的路径规划及其优化，实际加工出了高度2 2 m m 、边长6 0 m m 的壁厚较为均匀的盒形件，并对路径缩放在盒形件成形中的应用进行了研究。 本文探讨了渐进成形的成形过程以及力学模型，建立了有限元模型，用a n s y s 软件对多道次渐 进成形过程的数值模拟进行了创新性研究，通过整体化和规格化处理实现了多道次成形路径的加载， 成功的模拟了边长6 0 r a m ，高度2 0 r a m ，棱边过渡圆角半径l o m m 的方盒形件的多道次成形过程，获得 了各道次的厚度、应变和应力分布图，与实验结果比较符合。 关! 踺词：板料，渐进成形，方盒形件，加工参数，多道次，数值模拟 r e s e a r c ho nm e c h a n i s ma n dp r o c e s so f s q u a r eb o xp a r t si n c r e m e n t a l s h e e tm e t a lf o 剐m i n g b ys h a ox i n g b i n s u p e r v i s e db yp r o f g a oj i n - z h a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h en 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 si san e wt e c h n o l o g yo fs h e e tm e t a ld i e l e s sf 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 ，d i f f e r e n tp a r t sc 锄b ep r o c e s s e dl a y e rb y l a y e rw i t ht h ei n c r e m e n t so fc o n t i n u o u sl o c a lp l a s t i cf o r m i n g a l o n gt h ep r o g r a m m e dt r a j e c t o r y 佻 f o r m i n gp r o c e s si n v o l v e sp l a s t i cm e c h a n i c s ，n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y s p r o c e s sd i s c r e t e st h ec o m p l e xt h r e e - d i m e n s i o n a ls h a p em a n u f a c t u r ei n t oas e r i e so fs i m p l et w o - d i m e n s i o n a l l a y e r s h o w e v e r t h et a l l e rv e r t i c a lw a l lp a r t sc a nn o tb ep r o d u c e dd i r e c t l y , w h i c hi st h em o s td i f f i c u l t p r o b l e mt ob er e s o l v e d t a k i n gs q u a r eb o xp a r t sa sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e rs t u d yt h em e c h a n i s mo ff o r m i n g a n dp r o c e s ss y s t e m a t i c a l l y , a sw e l la st h ep r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o no ft h em 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 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ei n c r e m e n t a lf o r m i n gm e c h a n i s mo fv e r t i c a lw a l lp a r t si sd i s c u s s e d t w ob a s i c d e f o r m a t i o nm o d e l sa r eu s e dt oa n a l y z et h ew h o l ep r o c e s so fd e f o r m a t i o n t h es h e e tm e t a li ss u b j e c t e dt o b e n d i n ga n du n b e n d i n gw i t hs t r e t c h i n g , w h i c ha r er e p e a t e di nt h ec o u r s eo ff o r m i n gp r o c e s s t h e n , t h e d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fb e n d i n ga n du n b e n d i n gi sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s m , w h yt a l l e r v e r t i c a lw a l lp a r t sc a nn o tb ep r o d u c e dd i r e c t l yi se x p l a i n e dc l e a r l y s e c o n d l y t h ep o s s i b i l i t yo fm u l t i s t a g e f o r m i n gi sd i s c u s s e d t h ei s s u e so ff 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 lf o r m i n gp a t ho ft h e v e r t i c a lw a l lc y l i n d e ra r ed i s c u s s e da n dt h ei n f l u e n c e sw h i c ha r eg i v e nb yd i a m e t e ro ff o r m i n gt o o l ，t h e e d g e - t r a n s i t i o nf i l l e ta n dt h ea m o u n to ff e e di na x e sd i r e c t i o na r ea n a l y z e d a l s o ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h e p a r a m e t e r so ft o o lh e a dd i a m e t e r , a m o u n to ff e e d , t o o lp a t hm o d e ，e d g e t r a n s i t i o nf i l l e t a n ds oo i l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r0 fc n cf o r m i n g , m u l t i s t a g ep a s sd e s i g ni sm o s ti m p o r t a n tf o rv e r t i c a lw a l lp a r t s f o r m i n g t h r o u g hm a s t e r i n gt h el a wo fs h e e tm e t a ld e f o r m a t i o na n dp a t hd e s i g n , o p t i m i z et h em u l t i s t a g e p a t ha n df o r m sas q u a r eb o xp a r tw i t hi d e a lt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n 1 r i 坞f e a s i b i l i t yo fp r o d u c i n gd i f f e r e n t s q u a r eb o xp a r t sb ys c a l i n gt h ef o r m i n gp a s sh a sb e e nd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e ri n n o v a t i v e l ys i m u l a t e st h ep r o c e s so fs h e e tm e t a li n c r e m e n t a lf o r m i n gb yu s i n gf e m s o f t w a r ea n s y s t h ef o u n d a t i o no ft h ef e mm o d e l i sb a s e do na n a l y s i so ff o r m i n gp r o c e s s 1 1 把m a do f m u l t i s t a g ep a s si sa c h i e v e db ys t a n d a r d i z i n gt h ed a t a t h em u l t i s t a g ep a s sf o r m i n go f t h es q u a r eb o xp a r t w h i c ht h el e n g t hi s6 0 m ma n dt h eh e i g h ti s2 0 m mi ss u c c e s s f u l l ys i m u l a t e d t h ed i s t r i b u t i o n so f t h e t h i c k n e s s ，s t r e s sa n ds t r a i na r ef i n a l l yg o tw h i c ha r ea p p r o x i m a t e l yi na c c o r dw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t 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 ，s q u a r eb o xp a r t s ，p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ， m u l t i s t a g e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l 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：硝坚鲎一日期：掣 i 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：啤导师签名：姗期：乎，y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外金属板料无模成形研究简况 金属板料的无模成形很早就有人探索，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，多点成形法、c n c 成形锤渐进成形法和数字化渐进 成形。旋压成形是常用的板料无模成形技术之一，采用旋压技术可以提高原材料利用率，总变形力和 机床吨位相对于传统压力加工方法低，某些普通旋压可无模成形，不需成套模具，然而旋压工艺也 存在着局限性：如它只适用于加工薄壁空心回转体工件，坯料的厚度不能太大，旋压工艺的生产率低， 影响产品质量的工艺因素复杂、对旋压设备操作技能要求较高等。 近几年日本进行了c n c 成形锤渐进成形法的研列1 , 2 j ，该方法使用刚性冲头和弹性下模对板料 各局部区域分别加工i 是一种压延渐进成形工艺。c n c 成形锤渐进成形技术方法简单，成形速度较 快，得到的曲面比较光顺，但只能成形形状比较简单的工件，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。多点成形p 7 j 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，机器结 构复杂，成本较高。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一金 属板料渐进成形技术【8 1 2 j ，其思路是将复杂的三维形状分解成一系列二维层，并以工具头走等高线的 方式，在二维层上进行塑性加工，实现了设计与制造一体化的柔性快速制造。用渐进成形的方法比 一次拉伸成形的传统工艺有更高的伸长率，加工复杂曲面的拉伸件，加工精度和表面质量均较好，不 仅可用于加工汽车覆盖件，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。该技术是 一种全新的塑性成形技术，具有重要而广阔的发展前景。 本文研究的数字化渐进成形与旋压成形有很多相似之处，都是通过成形压头直接对坯料施加压 力，使之产生连续的局部塑性变形来增大坯料变形时的延伸率，而且同样具有多道次成形的问题。 下面将详细分析这两种成形技术。 1 2 旋压成形技术 旋压成形1 1 3 t 1 ( 图1 1 ) 是一种利用旋压工具对旋转坯料施加压力，使之产生连续的局部塑性变形 而成为所需空心回转零件的塑性加工方法：是制造薄壁回转体零件常用的一种工艺方法，可以完成拉 深、翻边、收口等不同成形工序。由于旋压属于局部连续性加工，瞬间的变形区小，所需总的变形 力较小，加工设备要求简单，模具费用低：变形区大部分处于压应力状态，变形条件较好，易于加工 形状复杂零件或高强度难变形材料零件：材料利用率高，为了提高制品的成形质量和成形极限，常采 用多道次旋压成形。多道次旋压时，旋轮轨迹对旋压的变形量分配、成形极限和成形质量及加工效 率都会产生强烈影响。因此，研究并确定合理的旋轮运动轨迹对于发展多道次旋压技术有重要意义。 东南大学硕士学位论文 图1 - 1 旋压原理图 旋轮 对于较深的薄壁回转零件，如果一个道次中成形量过大，板材可能会产生失稳而起皱或破裂， 因此需要采用多道次旋压方法来成形。多道次旋压的关键是选用合适的中间模具和旋轮运动轨迹及 其构成【1 5 】。旋压旋轮的运动路径通常有直线型、曲线一直线型、曲线型、往复曲线型四种，如图i 2 所示。 忒她 ( a ) 巡 ( c )( d ) ( a ) 直线型( b ) 曲线直线型c o ) 曲线型( d ) 往复曲线型 图l - 2 旋轮的不同运动路径比较 通过采用各种不同形状曲线进行多道次旋压加工证实，中间道次曲线选择不同曲率的圆弧曲线、 渐开线等形式均可行，都优于直线变形，文献1 1 6 j 建议采用渐开线形状轨迹。为了避免加工工件起皱 和开裂，并尽可能减少旋压道次，使各旋压道次的最大变形量均匀合理，渐开线的控制参数如何选 取也极为重要。在多道次旋压加工过程中，旋轮运动轨迹曲线通常由不同形式线段组合而成，即与 工件外轮廓相同的局部线段和后端渐开线段的组合形成。一些学者对旋轮轨迹的确定还从理论上进 行了研究。文献【1 7 j 通过对封头成形过程的分析，采用解析法建立了各道次旋轮轨迹控制参数间的递 推关系，通过数值计算，求得其参数值，提出了一种合理分配各道次旋压变形量的方法。该方法对 液压仿形和数控旋压旋轮路径的确定及控制均具有一定参考价值。文献【埔】采用三次b 样条作为描述 旋轮轨迹曲线的数学模型，把道次路径的确定转化为一族函数的构造，并建立了道次轨迹生成的相 应算法，是一种既新颖，又具有实用价值的方法。由于多道次旋压的复杂性，这些研究仅是一些初 步的探讨。 旋压是局部的连续塑性变形，变形区的金属在二向或三向变形力( 切向、径向和轴向) 作用下， 晶粒逐渐细化，使得旋压成形零件的硬度、抗拉强度和屈服极限增加，其机械性能大大提高。旋压 过程中变形区很小，由于塑性变形是连续的，因此旋轮对金属有压延和整平作用，经过多道次旋压 2 第一章绪论 后，零件表面可以达到根高的光洁度。多道次旋压最终以坯料内表面贴靠芯模而完成塑性成形，可 以获得很高的尺寸精度，甚至可以与切削相媲美。但在旋压过程中，如果旋轮逐步连续进给量大， 使毛坯产生弯曲塑性变形，容易产生起皱、局部破裂、局部变薄、周边失稳等一系列缺陷。这些缺 陷正是旋压工艺笈展的障碍，也是人们一直试图解决的难题。通过适当选择和调整工艺参煎，如毛 坯的尺寸和性能、旋轮形状、旋压道次轨迹及旋轮的进给速度等可以减少或消除这些缺陷。 随着计算机技术和有限元理论的发展，计算机数值模拟己成为研究与发展塑性成形加工技术的 强有力工具，也为探索旋压成形规律提供了强有力的手段。因此，应用基于有限元的计算机数值模 拟方法，并结合理论分析与实验研究，对旋压精确成形规律及旋轮轨迹进行研究是多道次旋压成形 技术研究与发展的趋势之一。其结果对发展旋压工艺理论和技术具有重要意义，对提高多道扶旋压 成形的成形极限、成形质量及加工效率，提高设备的自动化程度，实现从仿形技术到计算机智能控 制的转变具有实际价值。 1 3 渐进成形技术 金属板料数控无横渐进成形技术与传统的金属模具冲压成形不同，它是根据工件的形状几何信 息，用三维数控设备控制一个成形压头作三维曲线运动，沿其运动轨迹逐层对板材进行局部的塑性 加工，使板材逐步成形为所需工件的新型加工工艺。 该法最初由日本学者松原茂夫”提出，是一种基于计算机技术、数控拄术和塑性成形技术的 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 柚岫科曲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，井在二维层上对板材进行局部的塑性加 工。其工作原理如图i - 3 所示，将被加工板材架在一个芯模上，在扳料四周用压板夹蟹材料，该压 板可沿导柱上下滑动。加工时，将该装置固定在三周联动的立铣加工机床上。该机床用事先编崩成 的加工程序控制一个压头走等高线的方式将板料逐步压靠在模芯上，用渐进塑性成形的方法取 代一次拉伸成形的传统工艺。 ( a ) 扳料成形前( b ) 板料成形过程中 图l o 板料数控渐进成形原理图 板料淅进成形工艺，主要可以分为正成形( p o s i t i v e l n c r e m e n l a l f o 姗i n g ( p 球) ) 和负成( n e g a t i v e o 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 ) ) 。图1 - 3 为负成形。正成形底部无支撑摸具，又称为无 模渐进成彤；反向成形需要支撑模具又称为有模渐进成形。 唾 东南大学砸学位论文 ( 劬加工前( b ) 加工过程中 图1 4 正向渐进成形加工示意图 图1 4 是板料渐进正成彤韵过程示意图。它是将板料固定装置安装于成形设备( 数控铣床或者 专门的成形设备) 上通过特制的支撑板和压扳夹紧板料，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。 珏 图i - 5a m i n o 公司生产的样机及薄壳样件 图1 成形工件( 日本a m i n o 公司) 日本a 帅i o 公司研制出渐进成形样机，并生产出薄壳样件( 如图1 - 5 所示) 。从原理上看，金属 板料渐进成形工艺可以加工任意形状复杂的工件( 如图1 - 6 ) ，它可对板料成形技术产生革命性的影 响。例如，将其j j 于汽车样车试制，则可大大简化样车设计、试制过程。首先，设计人员根据用户 要求和空气动力学原理在计算机上用c a d 软件设计所需新车几何形状然后进行结构设计，将车 身分解为内、外覆盖件，根据覆盖件几何信息制定成形工艺，再由c a m 软件产生控制指令，驱动 ，曩j_ 也 第一章绪论 三周联动数控设备，将板材加工成汽车覆盖件，无需设计、制造模具，真正实现柔性加工，目前已 有的快速原型制造方法很难造出能直接作为零件使用的薄壳类工件。 该技术有以下几个特点： ( 1 ) 实现柔性成形 该成形技术无须专用模具，对于复杂零件仅仅需要作一个简单的芯模，与传统的整体的模具成 形相比，节省巨额加工、制造模具的费用，对于飞机、卫星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 ) 将快速原型制造技术与塑性成形技术有机结合 目前已有的快速原型制造方法很难造出直接作为零件使用的薄壳类工件，该项技术能够填补传 统快速原型制造方法的空白，既是快速成型技术的延伸，也是一种全新的塑性成形技术。可能对板材 成形工艺产生革命性的影响。也将引起板壳类零件设计概念的更新。 ( 3 ) 对板材局部加压变形最终累积成形为三维壳体工件，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 ) 实现数字化制造 三维造型、工艺规划、成形过程模拟、成形过程控制等过程全部采用计算机技术，实现 c a d c a m c a e 一体化生产，是一项很有发展前途的先进制造技术。 综上所述，金属板材数控渐进成形技术涉及力学、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 4 渐进成形工艺的发展现状 1 4 1 板料渐进成形工艺现状 二十世纪九十年代初期，日本开始进行渐进成形技术的研究工作。从事此项工作的学者有井阴 日出男、北泽君义、岛进、松原茂夫等。他们在近十年的时间中使渐进成形技术得到发展和完善。 松原茂夫提出“渐进逆碾出l ，成形”法，也即本文采用的金属板料数控渐进成形。他的研究进程大 体可分为三个阶段1 1 9 玎】。第一阶段为基础研究。1 9 9 4 年他初步提出了数控渐进成形法，对其概念、 原理、特征进行阐述，并通过和传统的用模具加工的技术相关比较，指出了该项技术的先进性。第 二阶段是将该技术具体化为“渐进逆碾出l ，成形”法，运用于各种情况试件的制造中以探讨该技术 的应用空间。首先，松原茂夫将复杂三维形状分解成基本体素单元如柱体、锥体等，用“渐进逆碾 出l ，成形”法加工制造这些基本体素单元的制件，分析它们的成形界限，路径规划。其次，他用该 法制造了鞍形形状、类似于三维c a d 造型中“混成”的形状及开曲线的波纹状的复杂制件 2 4 l 。而 且还尝试了在斜面上加工锥体的方法【2 引，如图l 一7 所示。在2 0 0 2 年，松原茂夫又提出了将渐进成 形技术同数控旋压技术相结合制造底部平坦的球壳状制品的技术。第三阶段，松原茂夫在总结了大 量的研究成果的基础上开发了路径规划的数控程序。 5 东南大学硕士学位论文 i 固定工具 ( a ) 成形前 成形工具 i 固定工旦 g o ) 成形途中或成形后 图1 7 在斜面上加工锥体零件 韩国学者k i myh 和p a r kj j 【2 6 2 7 1 在实验的基础上分析了渐进成形工艺板料渐进成形与传统板 料成形极限图的区别和特点，分析了渐进成形工艺具有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。图1 8 为获得的渐进成形极限图。 重 1 圣墨 t r i m o 吲n o o a ：k ) t 喇口a d q r b ：f , g l k l ( n o a 田时 r e , u m 0 , j a , 删 p 蕾t a 口州r d a 耐口 p e a a r x o a d 0 心嗡口州帕a 氍的 i - l e m o ：州c m ：x ) 0 c l 3 l r l ( r l o 口a 酗 o o a o o r , ( o - a j k ) a r o e ( n o 咧d a e 【a 雹岣 r ：x n j l 一, e c l a g j l 日( n o o e d 0 r 阻删m o a v j e i l o - a ：k ) 0 6 帖 o 吣 0 2 乱1 、 f l c b y d m n l i i i l m _ 5- 0 4- 0 3- 0 2- 0 1n 0m 10 l 20 40 5 m i n o rs t r a i n 图卜8 板料渐进成形极限图 国内研究金属板料渐进成形较早的大学是哈尔滨工业大学、华中科技大学、华南理工大学、南 京航空航天大学。哈尔滨工业大掣2 8 3 0 j 提出了渐进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渐进成形工艺的轨迹设计。而且他们还研究了板材零件数控渐进成形的壁 厚变化规律，对变形后的壁厚分布进行了可视化处理。这将使不同成形路径下零件壁厚变化规律的 了解更加直观，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。 华中科技大学p 卜”l 在9 0 年代后期开始了渐进成形技术的研究，主要研究方向在金属板料渐进 成形的成形机理；合理地规划工艺路径，以解决小锥角或直壁件的成形问题；探讨了成形半锥角、 成形头形状及尺寸、进给速度、下降量和成形路径等工艺参数对成形件质量的影响，并开发出了数 控无模成形机，进行了一系列的工艺实验及汽车覆盖件的产品试制，取得了良好的效果。与此同时， 6 第一$ 绪论 开发了相应的系统控制软件，并在实验中不断地进行完善，正积极努力将该设备推向市场。 华南理工二i = 学也对该工艺进行研究叫”，介绍了金属板材和管材的数拉渐进成形试验并对板 材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，初步揭示了渐进塑性成形的机理。 南京航空航天大学围绕数控渐进成形的样机系统设计、成形工艺、成形零件壁厚分布等展开研 究卜“j 。已经成功的开发出专用的数控渐进塑性成形设备，井对钛扳的渐进成形进行了研究。基于 u g 软件的建模及建模过程中应注意的问题、支撑模型的制作及其加工代码的生成、适用于渐进成 形正成形过程的加工代码生成处理过程，给出加工代码的详细信息成功加工出质量较高的人面部 模型( 图1 - 9 ) ，在这过程中对定位精度的要求很高。 多国 叩肺八。鼍 图l _ 1 0 北泽君义张出法成形示意图 东南大学硕学位论文 吉川腾幸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 成形方法首先采用正成形的方法成形出锥台壳，如图i - 1 1 a 所示。然后采用反向成形的方法，通过多 次成形得 0 直壁件，如图l - i i b 和i - 1 】c 所示。 工具头 盈具_ ( a ) 成形锥台壳( b ) 多次成形( c ) 直壁件 图1 1 1 吉川腾幸渐进张出法成形示意图 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忡叶”采用平行直线型、平移弧线型及变角度路径方法进行了比较研究 最后得出了平行直线法在直壁件成形中优势明显加工出直径1 0 0 衄，高度5 0 r a m 且壁厚相对比较 均匀的筒形件。 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，文献吲制定了三种路径方案。 成形出了深度1 b r i m 直径6 0 n l m 的筒形件，如图1 1 2 ( a ) ；文献”刈对其成形路径进行了优化改进， 成形出了高径比比较大的筒形件，其高度为3 0 一，直径为6 0 衄，如图l - 1 2 ( b ) 。 的初步探索成形筒形件o ) 优化后成形筒形件 图卜1 2正向成形筒形件 4 3 板料渐进成形数值模拟现状 金属扳料渐进成形实验得到的板类件，一般只能近似地测得其最终的应变分布和厚度分布而对 成形州的应力分布、能量分布以及中间过程的应力、应变和厚度的变化，则很难得知。由于金属扳 料渐进成形过程分析需要考虑加载历史对成形结果的影响，若不了解中间过程的变化，将不利于分 第一章绪论 析金属板料渐进成形过程，使成形过程得不到较好的控制。另外，通过改变工艺参数或修改成形轨 迹来观察模拟结果的变化，不仅可以节省费用，而且还可以为实际生产提供预报信息。 目前，由于数值模拟技术的迅速发展，各国学者也相继采用该技术研究金属板料渐进成形过程 意大利卡拉布里亚大学a m b r o g i o ag p 副等以方锥台为例研究成形参数对成形形状精度的影响， 构建了制件形状测量方法，通过对结果的分析得出了z 向进给量、步距、成形角度对锥台件侧壁及 圆角形状精度的具体影响形式。h u s s a i ng 5 6 j 以铝板单道次成形锥形件为例研究单道次渐进成形的极 限角度，并以得出的成形极限角为基础研究角度变化对成形效果的影响，得出单一轮廓角度变化的 情况的成形效果好于单一角度的成形效果。m i n o r uy a m a s h i t a i s t i 等基于d y n a 3 d 平台对单道次成形 方锥台件工艺过程进行了有限元模拟并讨论了进给速度对成形过程的影响。南京航空航天大学李泷 杲等1 5 8 j 基于p a m s t a m p 平台利用虚拟靠模导向法进行了有限元数值模拟，该方法借鉴数控加工中 心c o p y 铣的思想，利用轨迹生成球再由零件派生出的虚拟靠模表面上的持续运动来模拟实际成形 工具的运动过程，构建了方锥台形件单道次成形路径并进行了有限元模拟。吴胜军，尹长城嘲1 等利 用有限元软件初步模拟了有模金属板料渐进成形过程，对有支撑的板料单道次成形过程的模拟进行 了研究，简单的分析了成形时成形工具球头与板料瞬间接触处应力的分布。 1 5 课题的来源和意义 1 5 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“金属板料的渐进成形的关键技术研 究”的重要组成部分。 1 5 2 课题的研究意义 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 l 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，而新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，汽车覆盖件是由钳工师傅手敲制造的。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，板料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料渐进成形 9 东南大学硕士学位论文 工艺中的难点，成为板料渐进成形工艺推广应用中的瓶颈。本课题将以方盒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 6 课题的主要研究内容 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 究板料渐进成形工艺中难度较大的直壁件成形工艺，以方盒形件的成形实验为基础，针对目前成形 研究中的问题，探索成形路径，制定研究方案，主要包括以下内容：成形机理的探讨，成形工艺参 数的选择，重点是成形路径的规划，以调整工件壁厚为目的的路径优化；并对路径缩放在盒形件成 形中的应用进行研究，最后还对板料的多道次成形工艺的数值模拟进行了初步的探索。 本文分为以下六章介绍： ( 1 ) 绪论。概述了板料无模成形工艺的发展现状，并对旋压工艺进行了介绍，通过与旋压工艺 的对比，探讨了板料渐进成形技术的优点，介绍了渐进成形技术在板料成形中的应用以及研究现状， 最后介绍了课题的来源、研究意义，以及本课题的主要工作。 ( 2 ) 金属板料数控渐进成形系统的介绍。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，数控渐进成形所需要使用的c a d c a m 软件和使用m a s t e rc a m 软件进行数控编程的简 单流程，渐进成形所用的加工方式，实验所用的板料性能及网格的丝网印刷方法等。 ( 3 ) 金属薄壁直壁件的渐进成形机理分析。该章进行了成形前的受力分析，建立了变形模型， 从塑性成形理论角度对成形机理进行系统的分析。根据成形机理，分析了无法直接成形较高直壁的 原因，并就多道次成形直壁的可行性进行分析。 ( 4 ) 方盒形件的渐进成形工艺研究。首先探讨了方盒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。重点是对方盒形件的多道次渐进成形进行研究，讨论 了工艺因素对方盒形件的成形影响，探讨了多道次的成形路径，对成形路径进行了优化，并通过路 径缩放成形出了相应的工件，提高方盒形件成形路径设计效率。 ( 5 ) 方盒形件多道次成形过程的数值模拟。本文通过多道次成形路径的整体化处理，实现了多 道次成形的数值模拟，填补了多道次成形模拟的空白，获得了更加直观的应力、应变和壁厚分布。 ( 6 ) 本课题主要工作的总结和渐进成形工艺进一步研究的展望。 1 7 本章小结 本章首先简述了金属板料无模成形研究现状，介绍了旋压成形技术的特点，详细介绍了板料渐 进成形工艺、直壁件的成形以及数值模拟的研究现状，最后对本课题的来源与研究意义进行了阐述， 并概括说明了本课题的主要研究内容。 l o 第二章扳科新进成彤系统舟掰 第二章板料渐进成形系统介绍 2 1 板料渐进成形设备 金属板料数控渐进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扳科数控渐进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 j j 的数控渐进成形机。在进行科学研究实验中，成形易变形材辩、薄板料零件时，可以对普通的数 控铣床或加工中心进行简单改造，用以数控渐进成形。但在进 亍难变形材料零件侧壁成形、水平方 向大进给量时，则要求机床主轴和床体可队承受较大的弯矩，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渐进成形机。目前国外日本的a m i n o 公司已经成功的制造出数控淅 进成形设备，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渐进 成形的机床。此粪机床一般采用龙门结构，用队保证机床刚度，减小运行过程中的振动 嘲 j 图2 1 日；末a m i n o 公司所开发的样机 本课题中，所研究铝扳厚度较薄变形力小，结合现有的实验条件我们使用数控铣床代替专 门的数控渐进成形设备进行金属板料数控渐进成形的实验研究。实验设备为南京第二机床厂生产的 x k n 7 1 4 型数控铣床，如图2 - 2 。 - 蓦l 梦 赢 一一一 ! ! ! 兰! ! ! ! ! 图2 - 2 本课题使用的数控铣床照片 x k n 7 1 4 型数控铣床是高精度自动化的加工设备其主要技术参数如表2 i 表21x k n 7 1 4 型数控铣床主要技术参数 工作台面( 长宽) 行程( x 轴o y 轴o z 轴) 主轴转速范围 快速速度( x y ，2 ) 主轴端面至工作台台面距离 主轴电机功率 主轴电机转速 7 6 0 x 4 1 0 5 1 0 r a m 6 0 3 0 0 0 r p m 1 0 0 0 0 m m m i n 变频调速 交流伺服进给电机 ( 洲yz ) 5 s 型 垫星堡重! ! 塑堕 2 2 成形辅助支撑装置 成形辅助支撑装置是必不可少的，其主要作用是固定和支撑扳料使成形过程中板料不发生移 动。 金属扳料渐进成形分为正、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。本课题研究板料渐进正向成形工艺，即采用具有一定通用性的简单支撑装置，固定扳料周边。 使板料四周位置不动，而中心随成形工具移动不断向下变形的成形方式。目前文献中对成形支撑装 置提出了多种设计，但其共同特点是： ( 1 ) 具有一定的刚度： ( 2 ) 可以实现快速有效的板料装夹，且具有对不同形状、规格的工件在一定范围内的通用性； ( 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，支撑装置分为支撑底座、下盖板和上盖板三部分组成。其中支掉底座的作 h j 是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同定压边圈作用，与其不同的是，渐进成形中夹紧力大，扳料 在上f 盖扳间不发生移动和变形。图2 3 ( 砷为加工周向对称工件的盖板。为了扳料加工中受力均匀， 在成形方盒形工件时盖板中心挖空区域亦为方形。支撑装置用压块固定在机床工作台面上，板科夹 持在上下盖扳中间，然后通过螺栓夹紧在支撑台上( 如图2 - 3 d ) 。图2 0 ( a ) 是本实验所使用的支撑 第二章板料渐进成* 系统介目 台，上下盖扳：( c ) 为三个部件组装后照片。 壹重 ( 曲支撑底座的三维零件图 巾1 上下盖扳 ( 0 夏挥夏撵爱簧实物组装幽棚) 支撑固定装置在工作台上昀组装 图2 - 3 板料渐进成形辅助支捧装置 2 3 板料渐进成形工具 板料渐进成形的成形工具直接与被加工的板料接触井有相对滑动