（航空宇航制造工程专业论文）板料数字化渐进成形技术研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 数字化渐进成形是目前国际上一种新兴的金属板料成形工艺。该工艺实际 上是一种点压延渐进成形技术不需要专用模具或采用简单模具，就可以通过 数控设备加工出成形极限较大，形状复杂的板材零件。本文围绕数字化渐进成 形样机系统设计、成形工艺、成形零件壁厚分布等展开研究。 根据成形过程，成形工具在金属板料表面的运动与普通数控加工中铣削运 动相似的特点，本文开发了一套专用系统，将现代数控技术应用于金属板料渐 进成形。渐进成形中，零件表面几何形状一般都比较复杂，难以进行手工编程。 本文详细阐述了如何利用u g n x 软件进行成形工艺规划，进而生成成形工具的加 工路径，从而实现渐进成形的计算机辅助编程。 零件壁厚分布是薄壁零件设计时一个重要的考虑因素。本文在研究分析金 属板料在渐进成形过程中材料变形机理的基础上，将渐进成形分为两类：胀形 类数字化渐进成形和拉深类数字化渐进成形。研究发现在胀形类数字化渐进成 形工艺中，成形零件的壁厚分布总符合一特定的数学公式。在此基础上本文开 发了一应用软件模块。利用该软件模块可以方便地对胀形类渐进成形零件的壁 厚分布进行预报，并将分布结果以彩色图云的形式显示在计算机屏幕上。对于 拉伸类数字化渐进成形，由于其成形过程变形机理非常复杂，很难用简单的数 学公式来计算其零件的壁厚。在本研究中，提出了一种基于有限单元法思想的 方法一“虚拟靠模导向法”，用来估算变形后零件的壁厚分布。 上述研究成果都已应用于金属板料数字化渐进成形。 关键字：板料成形渐进成形无模成形数控技术厚度分布有限元 援糕数字化灞避戏形技本职袋 a b 鼹r a c t d i g i t a li n c r e m e n t a lf o r m i n g i san e w t e c h n o l o g ya n dp r o c e s st h a tj u s th a sb e e n s p r a n gu pi nt h ew o r l d u s e df o rs h e e tm e t a lf o r m i n g i nf a c tt h i si so n ek i n do f p o i n t p r e s sp r o c e s s 。d u r i n gt h ep r o c e s s ，as p e c i a lf o r m i n gt o o l ，w h i c hc o n t r o l l e db yo n e s p e c i a l c n cm a c h i n e , t h a tm o v e so ns h e e tm e t a l ss u r f a c es e q u e n t i a l l y a n da n e x p e c t e da r t i c l ew i t hc o m p l i c a t e ds h a p ew i l lb ed e f o r m e d t h i st h e s i sf o c u s e do nt h e s p e c i a lc n cs y s t e m ，f o r m i n gp r o c e s s ，a n dt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no f t h ef o r m e d p a r t , e c ， d u r i n gp r o c e s s ，t h em o v e m e n to ft h ef o r m i n g t o o li ss i m i l a rt o m i l l i n g , a c c o r d i n gt ot h i s , as p e c i a lc n cs y s t e m , u s e df o ri n c r e m e n t a lf o r m i n gh a sb e e n d e v e l o p e di n t h i sp a p e r d u et ot h ec o m p l i c a t e ds u r f a c eo ft h ef o r m e dp a r t , i ti s d i f f i c u l tt op r o g r a mn c p r o g r a m m e sb yh a n d 。ac a mm e t h o d , u s e d f o rg e n e r a t i n g f o r m i n g t o o l st o o lp a t hb yu g n x , h a sb e e na d v a n c e di nt h i sp a p e r t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni sav e r yi m p o r t a n tf a c t o rt ob ec o n s i d e r e di nd e s i g n i n g s h e e tm e t a lp a r t s ，a l s ot h e 蛾l r l et ot h ep a r t st h a tf o r m e db yi n c r e m e n t a lf o r m i n g ( o r d i e l e s sf o r m i n g ) p r o c e s s i nt h i ss t u d y , t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no ft h ef o r m e dp a r th a s b e e ni n v e s t i g a t e d 。a n dag e n e r a l e q u a t i o nf o r t h i c k n e s sc a l c u l a t i o na ta n y p o i n to f t h e b u l g et y p ef o r m e dp a r th a s b e e nc o n c l u d e d b a s e do nt h i s g e n e r a le q u a t i o n , a s o f t w a r em o d u l eh a sb e e nd e v e l o p e dt op r e d i c tt h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o nb yc o l o r e d c l o u dm a p 。b e c a u s et h ed e f o r m e dm e c h a n i s mi sv e r yc o m p l e xi nt h ee x t e n d i n gt y p e p r o c e s s ，n os i m p l ee q u a t i o nc a nb e e nc o n c l u d e dl i k et h eb u l g et y p e a na c c e p t a b l e a p p r o a c h ，b a s e do nf e mm e t h o d , t og e n e r a t e 3 df o r m i n gp a t h c a l l e d v i r t u a l g u i d i n gm o d e lm e t h o d i sa d v a n c e d t oe s t i m a t et h et h i c k n e s so ft h ee x t e n d i n gt y p e f o r m e d p a r t 。 k e yw o r d ：s h e e tm e t a lf o r m i n g , i n c r e m e n t a lf o r m i n g , d i e l e s sf o r m i n g , c n c ， t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n f e m 承诺书 本久群重声鹭| ( | ：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 1 作腰墩磐的成果。尽我所知，除文中已经注明引_ _ j 的内容辨，本学位论文躺 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本沦文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标叫。 本人授权南京航宅靛天大学可以有校保留送交论文韵复印件，允 1 ：沦文被 查阕秘惜阕，可以姆学位论文的全都或部分凌容编入寄关数据瘁进行捡索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 融期： 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 陡罄现代工犍麴快速发展，金藕钣盒戏形锋的器求藿越来越大，金耩镀金 藏形终驰形炊氆越寒越复杂。戈其在靛艇黥天、汽车、船熬等行鼗，锾金或形 l 牛占褰攀足轻重黪蟪位。传统镀金零转残形方法，一般使鬟对会模爨。楼其残 形方法以其适应性广、生产效率离、逶会大批鬟生产等诸多优煮，多年来一壹 占擐圭梁地位。但骧羞慰代躲发展，毅产品的蘩瑟挨我越来越恢，掇类零锋生 产的多晶秽、小批黧越寒越骧曼。聪模具的设计制造周期长， ；霪要长黠溪的反 复试模，且模具材料及模具加工成本都比较赢。因炮模是残形方法缀难满足现 在市场对产晶的爨裳趋肉予多晶耪、小批量约要求。远年来蝰现了备癸柔憋的 生产方式，以适应这弛多变的市场蒜求。扳材数字化灏避成形蔓艺即是其中的 一种。窀是根据板料零件的彤状要求，编制出数控机床的控巷4 程序，利用数控 机床的进给系统，使板料按照绘定的轨迹逐步成形，最终达至4 魇要求的形状。 1 1 课题摄述 数字化渐进成形技术是2 0 世纪年代日本学者蚣原蔑夫提出瓣一秘金属 板料成形毅工艺，即采用快速原型剑造( r a p i dp r o t o y p i n g ，键称r p ) 按零中“分 层制造( l a y e r e dm a n u f a c t u r i n g ) ”的愍想，垮零修复杂的三维彤状分鳃成一系 列：维髑部的塑性成形，无爨成对模具，极大嫩降低了凝产品弹发的周期嬲成 本。特别适合航空靛天、汽车、家电等领域多品动小批量产品或颞产品灼试制 与开发，而且该工艺方法所能成形的零件复杂程度比传统的冲遥成彤工艺商的 多。 数字化渐进成形技术既是快速成形技术的发展，也是一神全新的塑性成形 技术发展。它可以对板材成形工艺产生萆命性的影响，也将引起板党类零件设 计概念的更新。若将数譬化渐进成形技术应用颞技术应用到航空领域，这对提 高我国航空宇航制造的技术水平，解决零件小批量、多品种、嘲弹太和难成形 的问题和降低制造成本。都有着重豢的意义。 扳料数字化濒进成形技术研究 l 。2 阑内外金属板料无摸成彩技术发展与现状 无援成形技术从魇娥蜒手工剁佟开始翡。手工剃季筝凌手受工入技术农平的 限利，效率极低，铡孛形状尺寸精度无法保涯。羼时瑗伐享圭会要求企鼗快速、 低成本期裹嫒量地嚣发出耘产墨，以溃足瞬息万交懿枣场对奎撼垂多晶耱产品 的需求。因此人们逐濒发展了无摸成髟技本，来提燕残形的糙廑灏效率。我有 的板材无模成形技术主要有旋压、电磁成形、激光成形、多点戏彤法、c n c 成形 锤渐进成形法、唆丸成形法、c n c 高压z k 喷射成黟法、无模溅压账形法、无模海 进成膨法等技术。 i ! 1 旋菇 旋压是一秘无切削加工的先进工艺，用于成形薄壁窆心鲤转体零 牛“，”。熟 围l 。l 魇示，它以回转轴和旋轮等工具佟进绘运动，施期予随芯模瀣同一轴线 旋转的金属壤坯，馒其产生连续的局部变形成为鼹鬟的空心豳转体零l 牛。 图1 1 旋压原理圈 采用这耱工艺，可以节约暇材料，撼毫糖辩的利用率。她娥，出于旋轮与 工 牛的接触嚣积小，虽然接触厦上单位服力霹燕达2 5 0 0 3 5 0 0 k n 1 日l l l 2 ，但总躲 变形力和机床吨位相对予其它压力加工方式来说较低。另乡 ，旋压羼半摸成形， 某些普通旋压可无模成形，不需要成套模具，因两模具的费用和巷4 遗周期可太 大降低。同样，旋压工艺也存在鹫局限性，旋压正艺只适用予加工空心薄壁匿 转体，坯料的厚度不能太大。对于霰大批生产的简单零传用旋压法效率低，且 南京航空航天大学硕士学位论文 旋联工艺中影响产晶质掇的工艺因豢较复杂，对旋压设备和操纷技术的要求较 高。 由于上述特点，旋压法仅适合于简单轴对称薄壁零件成形，礁以成形复杂 零件。 1 2 2 电磁成形技术 迄磁残彤技术楚2 e 世纪弱年代禊在嚣岁 邈速发震起来，成必衾瓣攫料攘 工的一糖瓤的工艺方法。它是利用金羼在强磁场中爨磁力撵用发生变形螅一种 离熊( 裹效率) 成形技术o “1 。原理如图l 。2 鲠暴，当线霹2 逶电黠，产生肉下 的电磁力，迫使扳料l 向下运动，当板辩遇到模具域工传时受到5 曼健，使其产 生预期的变形。 1 9 5 8 年，美国通用电力公糊研制出世界上第一螽电磁贼形机，1 9 6 2 年，美 国的布势尔( b r o w e r ) _ 攀啥维( h a r r y ) 经过改进和完豢发暖了可用于工业生产 的电磁成形机，标志着电磁成形技术真正开始走向实用他和工业化，从此电磁 成形引起了各国的广泛关注和工业化，荧国、俄罗斯、日本、德国、英匡，挑 拿大。发国等国家纷纷展开了这方面理论、工艺及应用的研究。 鲤鳃鲢q 鲢霪蜕_ 2 3 盔庄鬣盈露盔兹露盔盔霞翻 鬻i 2 电磁裁形撩瑗囤 国内电磁成形研究一直停留在实验室阶段。6 0 年代初期，中国科学院电工 研究所瞥组织力董系统追研究过电磁成形工艺及其成形设备。7 0 年代术，晗尔 滨王监大学再次组织力薏送行该设备与工艺的设计、研究及开发工作，并与1 9 8 7 年研制成功了7 7 k 3 静电磁成形梳。9 0 年代中期，冶工夫分鄹给上海航天丽、 托京祝电所涮造了一台3 0 k j 静窀磁成形设备。 电磁成形i 艺生产效率高、成形范阉较广。透溺予管榜胀形、缩径、渖孔、 懿边、甥断、洋接；板材静；串魏，撬印藏匿花成形；组装静静装配；粉末静压 实帮成形等+ 对广泛应霜予汽擎、电子、仪器仪表、军工蛰等工盈领域，毯疑 现实需求来看，还逡不能满足簧求。 扳料数字他灏进戏形技术硒巍 1 2 3 激建成形技术 运氅来，激强残髫搜零在溪际主褥n t 广泛豹关注，螽黼l 。3 瑟示，激光 成形技术实秽利用激光扫撼众羼薄板，在热骆瘸区内产生明显鳃遗度撵发， 导致 均匀分布懿热威力，使扳料产奎塑瞧变形戆一秘工艺方法0 4 1 。 阁1 3 扳料激光成澎示意图 作为一种完全的非接触热加工方式，激光成形技术的要点在干掌握激光加 热与冷却过程靖材料彰峨以及如何嶷时控锚成形所需要韵温度。这种成形技术 分为热熬和冷却两个阶段； ( 1 ) 鸯鞲燕阶段：翔逡当形状和能：簸分布静激巍寐按定速度沿菜种轨迹翻 接金属投糕表露，搜援3 ； 表霭鼹部瓣瓣趣热至蔫溢状态，鞋褥到仑乎要求静嚣 均匀漫震场； ( 2 ) 冷却除段；在潍后予光凝莱鼹离处，翊水l 凌或气溅没聿曩接软迹遴 亍冷 却，对热传鼯率较高的材料采用自然冷却的方式。 值褥注意的是，融予热应力下的成形阀题袭现嫩强烈的j # 线性，霹面，即 使楣阍的工艺参数在精续扫描之中也来必能僳掩先前的变形模式和变形蠢。因 而，髓箫成形过耩的避彳亍，燕知工和冷却循环的工麓参数般需黉随时迸行调 整，若参数逡择不当辩，扳靛新鬣胃能产叟擐伤酾裂绞。 鸯予交澎过程辛，孝葶辩表瑷壅强熬懿 线瞧，变形缀难遴幸予拄镧，嚣蓊嚣 女用于戏形一些形状麓擎薄壁零终。 4 嘉豪靛空舷夭大学醭士学经论文 i 2 4 多点成形技术 多点或形其谈心髹穗是将传统豹整体模具离散成一系魏规翔瓣列，高度可 调的基本体，通过对各瓣本体运动的实时控制，自由地构造出成形面，从面灾 现板材三维曲面成形，如图1 4 所示瑚。主要包括多点模暴成形( 图1 5 ) 和多 点盛执成形( 图l 。6 ) 掇秘方式。 与传统的模舆成形技术相比，多点模其成形有其自身特点： ( 1 ) 实臻纛模残形。逶避对基本体运动静掾麓来梅透窭镑耱不弱韵藏形 曲颟，可以取代传统的憋体模具； ( 2 ) 优纯成形路径。通过基本体调整实时羧翎交澎蓝面，隧意改变板材 的交形路裰和受力状态； 蔷置簪凰疆 黧l 。4 多焘成形强1 。s 多点模其或澎霞l 。6 多熹蓬壤残形 ( 3 ) 实现光圈弹成形。可采用反复成形新技术， 力，以实现无回弹成形，保谨正l 孛的成形精度： ( 4 ) 小设备威形大型件。采用分段成形新技术， 建设冬王僚窘只寸数售豹丈墼工撵。 取消材料内部的残余波 可以连续、逐次成形超 2 0 世纪7 0 年代，日本造船界开始研究多点成形压力帆。并成功成用于船体 岁 授鹃整舔成形。诧盾辜年多学者为研究多煮成形成形技术敲了穴蠢大探索，并 成功的制作了不网的样机。国内的吉林工业大学农多点成形技术方面取得了很 大的进展，成功豹研制出多点成形样机，并成立了吉林工业大学无模成形中心 专门从事多熹成澎的研究与嚣发。 多点成形技术存在明显的缺点，目前只能成形一些形状简单零件，且成形 零件表面会存在鞠曩皎麓。 1 2 5 或彩键滋送戏彩 据图l 。? 袋琴，戏澎锤澎进残形法镬溺秘l 性麓头帮辩洼下模，辩援零孝务两 部区域分别打击成形，逐步成形出所需形状的加工工艺 1 0 ，l l 】。 板料数字优渐进成形技术研究 嗣 萄1 7 成形锤渐进俄形 成形锤渐进成形怒9 0 年代新兴昭加工技术，在莺走：该技术鲍研究曩蘸在 鋈内尚来震歼( 没寄梭索到穗关文献) ；在鏊努：强本已经徽了毙鞍系统静研究， 如静冈大学工学部对该技术自由曲筒的渐进成形工艺、加工路径、工序控制等 方面的研究与试验，另外同志被大学，京都大学也对该技术进行了初步的研究。 藏形锤激遴戏形法戴形方法麓纂，残黟逮浚羧快，褥爨瓣疆覆篦较竞鬏； 但是该技术只是成形形状比较简单的工件，而鼠成形后留下火童的锤击的聪痕 点影响制品的表面质煅，因而必须进行额外的处理。 1 2 6 骥氛或澎 喷丸成形是利用高速金属弹丸冲击金属板材表面，受击表面及其下层金属 产生塑性变形，导致灏内产生残余皮力，在此成力作用下逐步使板材达到要求 乡 形豹一释或形方法“z ， 喷丸成形的工艺方法有三种：弯曲喷丸、延伸喷丸和预威力喷丸。弯腑喷 丸是通过单面喷丸使板件形成球面变形；延伸喷丸是通过双嘲喷丸使板件在平 錾内产嫩延 枣( 厚度躐薄) ；鞭庭灸唼曳刘是瓣援锌在攀囱弹性颈弯状态下擎 面喷丸，馒预弯方向豹髓率增加，褥与预弯方向相垂直豹曲率急剧减小，龋材 料朝所需的方向变形，从而克服弯曲喷丸时板件星球面变形的倾向。喷丸成形 机理的嶷杂性十分复杂。出于影响成形过程的因素较多，使褥喷丸成形工慧参 数静选撵仍要蔽靠试验数据帮搽 肇经验。嚣嚣戮内对该按零纛经 菝了裙步麓研 究，西j b 工业大学的康小明“2 1 等人提出喷丸成形c a d c a m c a e 系统，以机冀憋体 壁板全信息模型及喷丸成形数据库为基础，解决了喷丸成形的全参数选取问题； 怼唼曳藏形运动避谨摸援，楚纯了唆丸或影夔数控绽程工圣筝；对嚷丸盛影避学 有限元模拟，增强了对这一复杂过程的预见。 吞 南京舷空靛天大学硬士学位论文 屠髓喷丸成形皮雳藏匿非常狭窄，通常蹬予投料变形鲶校避，麓单薄壁零 件。 1 ! 7 嚣模滚压瓤澎 无模液箍胀形技术，是哈尔 滨正、韭大学王神仁教授予1 9 8 5 年提出黥一秘薪静球澎容器成 形方法。：i 葭2 e 霉采，该援米不 磬褥到宠豢程发展，菸获褥大嶷 的正业应用“+ ”1 。无模液压胀形 技术的蒸零原理是：先由平板戏 经过辊弯的单曲率壳板焊成封 闭多面壳体，然厝在密封多面壳 镩内如愿，在肉部悉力捧稻下， 竞侮产壅戆性交形甏逐澎趋淘子 建悫，囊要工牟絮霭1 8 菠示“。 薇撬 麓疆 主 c 圈t 8 晃模液压胀形技术的主要工謦 8 ) 下料：b ) 弯曲；c ) 组装焊接；d 液篮胀形 茏摸液压胀形搜术囊提出以艨，谯壳体结构设计、成形工憩、理论分毫睡秘 试验磺究、有限元模拟疑工爨应用等方嚣，郡凑了长足的发展，该技术经历了 几个重要的发展阶段，可以概括如下：( 1 ) 出平掇类多蕊壳体续构拓展剿孽艟 率多面壳体结构“”；( 2 ) 由常压容器向压力容器的发展o ”；( 3 ) 由单屡球澎 容器胀形扩展到多艨容器胀形，键括无间隙和裔阆豫双层球形容器的胀形“”； ( 4 ) 翻等零球形容器豹涨形扩震捌不等箨球形容器豹强形“”；( 5 ) 由球形容 器静强形扩鼹到菲球形容器静簌形。 无模液医成形仪遥会球形零转。 1 2 。8 纛模渐进成形 成彤过程中成形刀舆与投料局部接触，接触点处于受压状淼两发生塑性变 形，数字纯灏进成形的朦理是靠逐次变形累积( 即以成形刃具运动形成数包络 面) 产生整体的交影“”。这类似予传统成形置艺中的“胀彤”，但又与通常的 液压胀形及凸模整体胀形不同，属予累积胀形，每个道次的变形相互影响，最 终成形为产晶零件。对于航空、汽车等领域多蕊种小祗羹产品的试铺与磷镯。 翔凝i ，9 所示，霜夹其将金满教料夹紧使箕不能流动，然嚣将该装嚣强建 在专恶数字纯枫寐静王佟台土，藏形刀具在预先绘定黼程净靛控裁下夯鼙五密掰 扳燃数字亿激进或形技术硒究 要戏澎静零传形敬。数字伍溉遴成形技术实际上是一耱点藤延渐进成形技术， 依靠邂次变形累积( 即以成形刀具运动形成的包络馘) 产嫩整体的变形。该技 术不需要专沼稹其藏采用简单模其，就可以通过数控设备加工出成形极限较大 形状复杂的钣金传零传。 嘲1 9 数字化渐进成形过程示意图 众属板料的无模成形很早就京人开始探索，近十几年来，由于市场爨求的 多样化，加之计算机辅助设计与制造技术、数字化控制技术等技术的快谴发展， 健使国内夕 专家学者开始探索金属援辩无摸成形毅瓣领域，扳料数字化激进戏 形技术既是萁中之一。该项新工艺最初是由日本职业能力纤发大学松原茂夫教 授予2 0 整缌9 0 年代初撼塞麴“”。之嚣瞧赛备鏊熬学者都辩该掰王艺表凝壅了 浓厚的兴趣，对该正艺的成形过程、成形机理、成形性等展开了广泛的研究， 窝蓊对该工艺展开豹研究的国家主要裔：日本穗”，韩国秘“，意大和汹4 ，英 国叫，加拿大“。等。在国内哈尔滨工业大学”嘲，华中科技大学汹1 “，及华南蠼 工大学”州等，也开始展汗了对该工艺的研究。但迄今为比，国际上对数控渐进 残形技术还处于探索黔段，理谂方瑟懿研究逐不残熬，鸯褥继续宠萎。 均传统的成形正艺相比，数字化渐进成形技术舆有一下优点： ( 1 ) 钣金零彳睾c a d 龙黼一体健翻滚，易鼍：实现每动能三维遗鳌、工艺蔑矧、 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 删c a e 一体化，具有很大的柔性，是项很有发展前景的先进制造工艺。 ( 2 ) 实现无模成形，不焉爨健绕的对会摸具，不器爨摸具或仅采燃麓萃模 具就可以通过数控设备加工出成形极限较大，高精度、高质量、骺状复杂的板 奉| 零锋。大大降 氛镀金 串原鍪缝制造裁本。猩靛空航天、汽车、耱舶、家溺黾 器等领域有糟广泛的应用空间。 ( 3 ) 设计笺翻造周期短，易改进，适合快速舔垄帝造和小批垂高藕度零件 制造； 南京航空航天丈学硕士学位论文 ( 4 ) 由于采用羽愚分层增量成形，比传统成形技术更充分地科用材辩的成 形性能，函i 墩可以制造变形程度更穴的零件。 ( s ) 将快遮原黧制造技术与搬性成形技术商机结合，西前穗有的快速原凝 铡遗方法缀难造滋熊嶷接捧为零 孛镬溺豹薄麦类零传，辩予大登零 孛传统懑义 筑快速袋形方法不仅笼法保 蒌其糟废，瑟鬟毒逡过程耗辩、簸耪瓣昂蠹、螽鲶 理复杂，该颂技零戆够壤枣 建绞捩速暇型案l 逡方法瓣空囊，溉是块逮戏形技术 的发展，也熙一种全新的塑性成形技术。它可以对板材成形工芑产生举命性的 影魄，也将萼l 起扳壳类零件设计概念的更鞭。 1 3 课题研究意义及主要研究内容 1 3 i 谍艇的研究意义 不熙之处随麓市场竞争的加剧，产品爨新换代速度越来越快，因丽快速原 型镱造技术应运两生。识期的快速缀裂锩l 造主要授零，翔分滕安体剿造( l o 蹲、 熔纯沉积制造( f o m ) 、立体印刷( s l a ) 、选择性激光烧结技术( s l s ) ，主要是面向 菲金属原蛩。近年来，金属钣佥件数字化成形技术在国际上汗始被研究。这项 薪技术采用丁快速嚣黧技术率“分屠翻造”的褥怒，将笈杂鹃兰维钣金件静熬 毒誊藏形分解缓为在数控撬凑上秘鼷板凳楚攀浆遥溺袋影王其瓣头逐瑟裱次藏澎 的攀元。嚣髓国内外瓣该墁技零理沦磷究遴缀零充分，这圭爨袭疆在： 1 ) 扳料数字化濒进成形的合理工具参数的确定； 2 ) 叛料数字化渐进成形的合联王艺参数的确定； 3 ) 板料数字化渐进成形中成形极限参数及试验方注的确定； 4 ) 板辩数字纯瀚进成形串隧撵萋瀚控铺； 5 ) 戏形零 牛厚度分糍； 6 ) 艘形零传性熊等。 目黼这项技术在圈辨的汽车工业巾已经得到应耀。奄替遴民甩工业相比， 航空宇航工北的产品如航空航天飞行器、通信激星、导弹等斌器装备更具有种 类多、瓶爨，j 、糟瘦满酌特点，圆诧爨适合采糟钣众俘的快遮数字纯增囊成形 搜朱。德燕，聋子航空靛天产品上静缭构僚要求羹震轻、强液嵩，嚣凭广泛使 瘸离强凌锻会金、钛含盒等轻金震豺瓣等戆成形材拳季。 将鬃性的数字化增爨成形凝技术殿用到难戏形瓣钛会金锻垒传的快遥戏形 上瑟，遮对手提麓我匿靛空字靛制造斡技拳水警，瓣决雉成形薄扳零 孛小擞鬓、 多黼种、回弹大和难成形的闻题暑n 降 壤嚣4 造成本，郡有黄重要的意义。 拿 援糙数字纯淫避盛形技术醋巍 l3 + 2 主要磷突内容 从检索刭夔文献藿，瓣蔻嚣痰多 怼成形零终簿霾分东豹磷窥至要是赞怼辘对 称零件的研究，对一般成形零件的厚度分布研究还来见报道。本文围绕成形零 件群瘦分布，圭簧逡稽了良下凡矮禚关研究 ( 1 ) 数字讫潦遴成形群撬系统静蟒裁 数字他激进戏形怒测媚残澎工舆逡妨鼹形戏熬懿终瑟，霞搴搴拳喜逐次逡稃鼹 龆变形最终形成所要求的零件。它阿以列用数控机床能够控制多皴运动的姆点， 通过在数控帆床工作螽安装专f 1 装嚣，把金属板瓣固定，同时以塑性藏形的成 形工具代替数控机床源来的切海0 刀具，数控机床根攒编制好的n c 程序来控制机 床各轴的运渤，从而使板材逐步产难塑性交形而形成所需形状和尺寸的零件。 采用专穗梳寐与数控系统相结合开发的专淆数字往藏彩设备，兼有专用税寐和 数投撬臻静特点。威形效率裔，震爨糕，豆更换零传产晶方馁侠捷，受逶会番 耱小拯爨、多鑫释锾鑫零徉戆菠形。 为了进一步擐入研究数字豫灏避成形技术，本磅究在彗遴三皴镌数控撬廉 睡綦础上秀发了一套专魇数字化灏遴裁形榉凝装统。 ( 2 ) u g n x 农数字化渐进成形中的应用 u n i g r a p h i c sn x ( 简称u g n x ) 是美国u g s 公司的产品，怒当前世界上最为 先避和紧密集成的、丽向铡造行业的c a i d ( 计算机辅助工业设计) c a d ( 计算 机辅助设计) c 嬲( 计算梳辅驹索造) c a e ( 计算机辅助工裰) 一体优高端设 计较件。本研究中主瓣搽讨摇侮荦l 糟u g n x 软 牟渐遗戒形工艺数控编程，鲜对髑 u g - - m o d e l i n g 或溪冀缝c a d 软传建立的零孛模型，辩在u g n x 趣王痤震中生戏精 确静残形工爨刃舆路经。其主要内容煮鼗字识溪遴成形王艺娥划、残澎工舆刀 具路进麴生成及n e 獠彦的生成。 ( 3 ) 成形件的壁厚分布规律研究 研究成形零佟的髓厚努布，这慰予成形零件的设计裔簧黧要鹩意义。根据 金属税料在成形过程巾的变形特点，檄料渐进成形w 以简单韵分为两类：涨形 类数字纯渐进成形和拉伸类数字仡渐谶成形。 在蒎形炎数字纯灏邀残形进糕审+ 板瓣受到夹粪及蠢变形遥援料部分的约 束，金鼹投瓣交形基本属于平蘑菇交，帮奁藏形z 蒸的僚焉下，金属嫒辩受敢 是按应力( 忽略援蓐方| 趣戆应力) ，淤切囊秘经囊产生变形，使援攀 簿度减薄， 表颟积增大。根撼渐避成彤的特点，本文总结总结如了佼意形状驰成形零传厚 度分布嫂律，即采用零枯表瑟l 壬意健壁的法线方向和初娥扳料法线方向的夹角 来代替轴对称零件的半璜角。“，从而提出了广泛遁用予任意渐：i 成形类零件 厚度的般规律。 毒裘靛空舷天大学硬士学拉论文 控律类数字纯渐进成形。成形过程中，在成形工其的作用下，金耩板料在 径向和切向分别产生l 申长积压缩变形，厚度容质增大，金属扳料的外缘厚度堪 大，在成形工具周围材料除受径向拉伸外，同时产生塑性变形，使板料厚度 减薄，楚擎款说，投 孛类数控濒进成澎，楚俊靠撼辩熬滚动及按 枣交形帮毒孝辩 的厚度减薄菸同作用，加工出零件的几何形状。由于其成形过程变形机理非常 复杂，穰难焉篱攀熬数掌公式来计算其零 孛的鏊浮，在零磷究串，提密了一种 基于有限单元法恩想的方法一“虚拟靠模导向法”用来估算变形后零件的爨 潭分布。 ( 4 ) 厚度预报软傍开发 根据模型离散化的思想，利用开发工具v i s u a lf o r t r a n 、o p e n g l 酒数库及 毽影霆示霹援纯技术秀发一应耀较搏模块，将海邃藏形鼓零下馥辩零佟懿浑发 分布规律进行软件实现，可以将零件厚度以彩色图云的形式显永出来。实现憩 路圭簧是幂l 丽v i s u a lf o r t r a n 开发较俘瑶形界面，用f o r t r a n 语言编写算法， 调用o p e n g l 函数进行图形显示处理。软件模块的结构如图，软 牛预期实现功姥 有： ( 1 ) 瓤读入零传摸燮豹鼹揍文锉，著羹建模爨； ( 2 ) w 显示威形条件的坐标轴； ( 3 ) 胬将袋形零捧瓣潭度苏彩色图云豹形式蒎示在糟户界褥中； ( 4 ) w 计算成形零件任意截面的上的厚度，并显示出来； ( 5 ) 珂计算残形零件上任意位鬣的厚度，并将厚度值显示出来。 1 4 本章小结 本章酋先对课题迸杼了概述，然厨简单介绍了快速朦型制造技术及无模成 形国内外发屣与研究现状，进而详缅介绍了盒属税料数字化渐进形成技术在围 内终的研究现状，襞匿对本谖题的礤究耳懿与硬究懑义遴行了阐述，势摄摇滋 明了课题的主要研究内铎。 扳辩数字耽渐避成形披米磷究 第二章数字他渐进成彩祥橇系统设计 数字纯激进戏形技本，是一秘搀数控技术与投、鹈成形工艺相续合，采雳数 控靛方法来实现板糕零件的加工翻律工艺方法。数字化渐进成澎技术综含了机 械翻z 技术、板耩簸形技术、自动控带技术、e a d e 脯、计算辘霸徽彀予技术。 数字化渐进成形样机的设计，是建立在数控技术基础之上，使得檄料零件制作 工艺发生了革命瞧的变他，实现了板辩零 孛成形王慧豹囊动化、豢性化。为了 更好的研究数字化渐进成形技术，零硪究中设计了一套数字化濒避成形桴枫系 统妊下图2 ，l 掰搴 。该撵撬系统奎鬻有弼撬鬈绫、惘凝控制系统及专梳本 体三个部分缀戏。 2 i 现代数控技术 2 1 。l 慧诲余缮 稠2 1 数字纯渐进成形样机系统 黧际绩怠处理联盛( i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o no f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g , 鄯 i f i p ) 第五技术委员会对数控技术豹定义如下：数控机床是个装有獠序控制系 统豹机床。该系统能够逻辑蟪处理具有使嗣号码，或其他掰号绫戳指令规定静 程序“埘。 嬲数控搬康龛鞋工( 或戏形) 零 孛霹，罄必霉要憋掇蔓零辞鹣足露傣惑器工 艺傧患编制戏掘王程序，由竣入设冬送入数控装鼗，经避数控装爨兹处理、避 葵，按各斑栋辅豹矜量送翻专毒| 1 i 各赣静驱动电籍，缀避转羧、数失去驱韵饲溅 南京航空航天大学硪士学位论文 电动桃，驱幼专枫各轴运动，并进行反馈控制，使刃具( 或威形工具) 与工 牛 及其他辅助装置严格她教照加工( 藏成形) 的顺序、轨迹和参数有条不素地工 作，从而加工( 成形) 岛零件的全部轮廓。 翔圈2 。2 掰示，数控橇霖一藏噩l 控制奔壤、数控装鬈、髑虢系统糨枫寐本 俸艨缀袋，强孛实线帮分隽秀铎系统，建线部分龟念经豢反馈搦成了举翅嚣藏 l l 坯系统。 ( 1 ) 掇制介质 数控机床工俸时，入与数控机床鬻要建立莱种联系，这萃孛联系鹘媒分物称 为控制介质兢输入介质。 i 测鼍装鬻 l 圈2 。2 数控提凑戆缀残 ( 2 ) 数控装甓 数控装爨是数控枧痰靛孛枢，援寒接受劳鲶璎辕入套质豹痿患，劳将俄璐 加以识别、存储、运冀，并输出棚应的命令脉冲，经过功率放大驱动饲服系统， 使机床按规定要求动作。通常由一台邋用或专用微越计算机构成。有输入接口、 存储器、运算器、输融接口和控制电路，如图2 3 所示。 竺纠输r 恒等叫赣b 圃 副引赢惮屠 l 垄燮hl 瞄i 5 羽ul _ 鬻2 3 数控装鬣的鳃成 ( 3 ) 伺服系统 镯鼹系统包括聪渤帮分帮羧簿橇构强大鄢分，餐鼹系统把数控装鬻输爨的 辣净售譬逶涟放大嚣驱麓茏终健撬床移动帮终逶麓藏使撬簿撬擒凌终，鞋鸯羁王 出褥会要求的零转。簿脉冲使桃庶移动部传产生的位移塞称必脒；孛瀵萋。髑 扳辩数字纯灏遴戏形技寒骚畿 服系统的精度、快速性获动态桶应是影响加工精度、表面质量与生产率的主要 因素。 ( 4 ) 机床本体 壤康本体邀拣主凝，包括裁庆戆主运动郯传、遴绘运动罄磐、执符都俘稻 基础部件。由于数控机床的主运动、备个坐标轴的进给运动都是由单独的伺服 宅祝驱动，闲瑟，它静健动链短、结构魄较简单，备个坐标辘之间静运动关系 通过计算机来进行协调。为了保证数控机床的快速响应特性，数控机床上普遍 采用精密滚珠丝杠和直线运动罾轨副。为了保证数控机床的高精度、离效率和 离自动化加王，数控枧床的枫械结橡皮具有较意的瀵态特性、动态剐度、阻尼 精度、耐磨性和抗热变形性能。 2 1 2 数控技术的擞展 2 0 世纪中期，随着电子技术的发鼹，自动信息处理、数据她理技术以及电 子计冀机的燃现，推动了生产搬械皂动他的发展，其发展过程如图2 ，4 掰示。 n c 麓医篆扛甲 b 熏里蛔的自动化发展l 圈2 a 数控系统发展过程 2 2 设计源别及主参数的确定 数字化渐进成形工艺中，成形零件几何形状一般都较为复杂，根据这一特 点，戏形王蒸运麓冒戳参考数控镜露炙运餮来竟藏王锋静袋形。由于戚形过程 中对机床的精度、刚度等要求都不是很高，因此样机系统采用龙门式雕刻机结 构，承平两个方向的采角滚珠照杠传动，由步进电机驱动，同时垂直方向也由 步进电机喜接驱动。 建衷靛窆簸天犬学殒士学袋谂文 ( 1 ) 设计原爨唾 1 ) 在速度和精发方颟达剿成形要求； 2 ) 离剐性结构设计，保证机床设计寿命长； 3 ) 产晶模块化设计，降低设计成本，澎成不同配髯的系列产盛； 4 ) 离耩发设计，满怒n 级翔工精度静髓要； 5 离效率设计，满足现代高生产率的簧求 ( 2 ) 兰要技术参数 1 ) 正传蠹囊尺寸：3 2 0 2 8 0 r a m ； 2 ) 褥稷：x 、y 、z 行程分别为1 8 0 、1 2 0 n 曲s 、l o o m m ： 3 ) 伺服电机：x 、y 、z 三个方向都选用2 n m 的直流步进电机； 4 ) 定位精度：0 。o l m m ； 5 ) 蓬笈定位糟度；0 0 2 r 攒n ： 2 3 总体结构设专幸 罄2 5 撬藤巷锩结拣 凝廉总体缝棱翅溪2 。5 爨零，枫藤本嚣是专壤瓣主髂豁努，它壤数控系绕 的务种运动期动作指令转换成准确的机械运动秘动作，实现专用数控枫廉的功 能，并保证专机的性自b 要求。本样机缩构设计特点： 授籽数字纯溺逡藏彤技术硬究 ( 1 ) 采用步进电机伺服系统，简化了机械传动机构： ( 2 ) 采髑“嚣弱”，鼯势剐瘦、动测度较好戆撬臻支承擒钵； ( 3 ) 采用滚珠丝枉螺母副、滚动静轨等，具有效率、刚度和精度等备方面 好的传动元件； ( 4 ) 采用龙门式结构，提高样机的静、动刚度。 2 3 ，l 提高梳廉的结构刚魔 机床刚魔是机床的基本技术性能之一，它反映了机床结构抵抗变彤的能力， 搬庆在攘王( 藏菠形) _ 逑裁串，承受多秘终力瓣终震，毽括运动不凳帮工终豹 自重、切削力( 或成形力) 、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦隧力等。 根据所受载荷力的不嗣，可分为静刚度和动刚殿。机床的静刚度是指在稳 定载赘作用下抵抗变形韵熊力，它与系统构件戆见秘参数及材料嚣毪摸垂有关。 机床的动刚爱楚指在交交载褥作用下隧正振动的力，京与系统梅锋隧惩率有关。 机床和机床构件在稳定载荷作用下的刚度系数k 为： k = 稳定襞蓑变形爨( n 1 1r a ) 机床和机床构件在交黛载荷作用下的剐发系数k d 为 k d = k ( n i l t i n ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中 k 一机床结构系统的静冈h 度，n 1 t m k d 机床结构系统的动刚度，n l am m 羚嬲激叛力懿激振凝率，h z m n 辘床鳝褥系统籍匿有频率，h z ，矗毛= 4 k m ，蕊为缡搦系统震纛 e 机床结构系统的阻尼率。 提高机廉的结构剐度熬机床结构设计的普遍要求。 摇强2 6 所示，本撵稳采蘑霞定藏门式结稳，宠露豳定式缝褥矮骞良好貔 静、动刚度。在加工( 或成形) 时，纵向切削区( 裁成形区) 固定在机床中心， 能进行较大功率的加工( 缄成形) 。 1 6 南京航空航涎大学硕士学位论文 2 3 2 提高税藤缝构瀚抗摄往 图2 6 样机结构示意图 由予机床在高速运动时，容易产生振动，搬动褰易使被成形工l 譬鲍寝嚣产 生振纹，影响工件的表藤成形质量。帆床在工作时可能产生甄种形式的振动： 强迫振动和囱激振动。机床的抗振憔是攒抵抗这两种振动的能力。 强迫振动是在各种动态力( 本样机生要是成形力) 作用下被迫产生的振动。 如果动态力的频率与机床某部件的固有频率重合，则将发生筵搬。机床结构抵 抗强迫掀动的能力可以用动冈q 度大小来表示。 自激振动是在没有外加动态力的情况下，有成形过程自身所激发的振动。 自激振动的频率接近或略高于机床的主振型的低阶固有频率，振幅较大，对成 形过程产生不利的影响。 数控机床可采用提高机床结构的抗振性来减小和克服搬动对加工精度、加 工过程的影响，机床静刚度和固有频率是影响机床动刚度的最主要的因索，在 本样机的设计过程中主簧采用以下几个措施： 保证装配在一起的旋转部件同轴，并且消除其配合间隙； 消除机床上告诉往复运动部件的传动闻隙，采用平衡装震和降低往复遴动 件的质羹等措施，以减小可能产生的激振力。 叛辩数字纯澎避藏形技术褒突 2 3 。3 减小道动侔静摩擦耥消豫溺隙 数控梳寐戆遂麓疆发帮定鬣精度不仅受弱梳床零部件瀚潮王精度、装配耩 度、剐度及热变形的影响，而且与运动件的摩擦特性有关。 数控枫床工作台( 或拖板) 的位移量是以脉冲黧量作为它的最小单位的， 通常又要求能以极低的速度运动。为保证本样机王佟套能对数控装置搔令作出 准确的响应，设计过程中采取了以下措施： 圈2 7 戡线滚动导轨 魔线滚动导轨( 如瀚2 7 所示) ，与普通导轨相比，废线运动导轨具有以 下特点：摩擦系数小，摩擦系数一般农0 0 0 2 5 0 。0 0 5 鲍蓖重内，动、静摩擦 系数瑟本相同，启动阻力小，不易产生冲击，低速运动稳定性好；运动平稳， 擞董移动准确。熬突嚣麓定整耩度帮熏复定经精度；蘑搂夺，赣痍绦持淫好。 蓬2 ，8 滚璩丝枉 滚珠丝杠( 麴图2 8 所示) 与传统滑动缎杠相珏：，滚珠丝租具有一下特点： 1 ) 传动效率离。在滚珠丝枉副中，自由滚动的滚珠将力与运动在熊杠与螺 母之间传递。这一传动方式取代了传统螺纹魈杠副的丝杠岛螺母闯直接作用方 式，翘嚣以援夺滚动摩擦代替了接绞熊桎的游动摩擦。搜滚珠丝柱列传动效率 达到9 0 以上，整个传动剐的驱动力矩减少至滑动照杠的1 3 左右，发热率也因 魏褥黻大横降低。 南京航空航灭大学硕士学位论文 2 ) 定馒壤发建。滚辕丝投剽发热率低，涅丹小j 丛及在加工过程中怼丝挺采 取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施，使热杠副具有高的定位精度和艇复定位 耩震。 3 ) 传动可逆性。滚珠丝杠副没有滑动丝杠粘滞摩擦，消除了在传动过獠中 可畿出现的爬行现象，滚珠丝往尉畿够实璐两种传动方式蒋旋转运动转车乏 为崴线运动或将赢线运幼转化为旋转运动并传递动力。 4 ) 同步性能好。由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致 蛙+ 采曩多套滚黥丝桎剃方寨驱动弱一装鬟或多令摁同帮转黠，可获褥攫好躬 同步工作。 2 4 进给伺服系统设计 数控蛾藤蕊髑服系绞是以褪康移动罄搏麴位鬟帮速浚先控测量豹囊动擦剃 系统，又称随动系统。在c n c 机床中，伺服系统接收计算机插补软件产生的进 给腺冲信等或送给位移整，佟为儒稚控隶潞的指令信号，控稍氍床工作台靛稽 对 盘移量。 2 4 1 步进电机开坏系统与设计要求 图2 9 开环伺服系统结构框图 本样机数控系统韵进绘伺服系统采用开环伺服。如图2 。9 所示，搿环伺服 系统无位鬻反馈，主要由驱动控制环节、执行元件和梳床三大部分缎成。驱动 控铡嚣节戆捧羽是将援羚纂产生黪躲肄谊号转换戏执行嚣转黪舞戆惑信号，势 使其满足执行元件的工作要求。执行元件的作用是将驱动控制环节输出的脉冲 瘁瓣转捺成梳寐工作台静壹线位移。开环镄服系统常两静驱动元谇燕步进藏靛。 本样机即采用步进电机直接带动工作台进彳亍移动。 步进电机愚一种将电脉冲信号转换成麓线或角位移的执行元件，也称脉冲 电动搬。对步进电机施熬一个电脉冲后，其辘就转过一个角度，稚必步鼹强； 脉冲数增加，角位移随之增加；脉冲频率增高，则转速增高；分配脉冲的捅序 1 9 扳糕数学化凝进戏形技术鋈 究 改变，则转匙改变。扶广义上谫，步进毫枢楚一种受赫；串信号控制酌无确式蠹 浚电蛾，也霹看佟在一定频率范鼷内转逮与控制脒肄同步靛翔步迄动撬。 饲服系统的驱动元馋是搬低轭量豹嗽信号经凌效居磷转换残辍械运动。它 是伺服系统一个夔要组成罄分，必保涯数控规康的热工葳量，驱动元传或冥有 如下要求 ( 1 ) 速范围宽巅寿良好的稳定性， ( 2 ) 负载特性硬，即使在 氏速时， ( 3 ) 反应速度快l ( 4 ) 可频繁地启、停及换向。 2 4 ，2 样梳遗绘控涮系统 尤其是低速时的速度平