（机械设计及理论专业论文）金属板材数控渐进成形曲面重建研究.pdf

沈阳航空工业学院硕士学位论文 摘要 金属板材数控渐进成形技术是国际上刚刚兴起的一种柔性成形技术 该技术具有无 需专用模具 可提高板材成形极限 能加工复杂形状板材件 易于实现自动化等特点 是一项很有发展前途的先进制造技术 本文研究了在金属板材数控渐进成形过程中被成形件模型曲面重建方法和成形过 程中所需支撑曲面模型的构造方法 主要以s t l s t e r e ol i t h o g r a p h y 数据模型为研究 对象 研究了被成形件模型上切口形状的识别算法 以及采用d e l a u n a y 三角网格划分 算法实现切口形状填充的方法 为了对具有直壁的难成形件采用多道次渐进成形 研究 了对难成形曲面 如直壁 识别与修正的算法 研究了利用顶点不等距偏置方法根据板 材厚度变化规律构造支撑曲面模型的方法 以保证成形工具头与支撑之间达到合理的间 隙 本文在v c 环境下 利用c o p e n g l 进行了上述算法的系统实现 算法应用 实例表明上述各算法具有可行性 利用上述各算法开发出的软件对金属板材数控渐进成 形技术具有一定的实用性 关键词 渐进成形 先进制造 支撑模型 s t l 模型 不等距偏置 沈阳航空工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t s h e e tm e t a lc n ci n c r e m e n t a lf o r m i n gi san e w t e c h n o l o g yf o rf l e x i b l ep r o c e s st h a th a s s p r u n gu pi nt h ew o r l du s e di nm e t a ls h e e tm a n u f a c t u r i n g t h et e c h n i q u ei sah u g ep o t e n t i a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fn os p e c i a ld i e i m p r o v i n gt h el i m i to f f o r m i n g m a n u f a c t u r i n gt h ec o m p l i c a t e ds h a p eo ft h es h e e tp a r t s a n dm a k i n gt h ea u t o m a t i c p r o c e s so ff o r m i n ge a s i l y t h em e t h o do fs u r f a c er e c o n s t r u c t i o no ft h ef o r m e dp a r tm o d e la n ds u r f a c ec o n s t r u c t i o n o ft h es u p p o r ts u r f a c em o d e la r e i n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r b yt a k i n g s t l s t e r e o l i t h o g r a p h y m o d e la st h eo b j e c to fs t u d y t h ea l g o r i t h mf o rr e c o g n i z i n gt h es h a p eo ft h ec u t i nt h ep a r tm o d e li si n v e s t i g a t e d a n dt h em e t h o do f f i l l i n gt h es h a p eo fc u tu s i n ga na l g o r i t h m o fd e l a u n a yt r i a n g u l a t i o ni sr e a l i z e d t h ea l g o r i t h mo fr e c o g n i z i n ga n dm o d i f y i n gh a r d f o r m i n gs u r f a c e f o re x a m p l e s t r a i g h t w a l lp a r t s w h i c hi sm a n u f a c t u r e du s i n gt h em u l t i s t e p i n c r e m e n t a lf o r m i n gm e t h o d i ss t u d i e d i no r d e rt ok e e pt h es u i t a b l eg a pb e t w e e nt h et o o l h e a da n dt h es u p p o r t t h ew a yo fb u i l d i n gt h es u p p o r tm o d e li ss t u d i e db a s e do nu n e q u a l d i s t a n c eo f f s e tm e t h o da c c o r d i n gt ot h ec h a n g el a w o ft h et h i c k n e s so ft h es h e e tm e t a l i nt h ee n v i r o n m e n to fv c t h ea b o v e m e n t i o n e da l g o r i t h m sw e r er e a l i z e db yc a n d o p e n g l ac a s es t u d yh a sp r o v e dt h a tt h ea b o v e m e n t i o n e da l g o r i t h m sh a v ef e a s i b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t y a n dt h es o f t w a r e w h i c hi sb a s e do nt h ea l g o r i t h m s h a sac e r t a i np r a c t i c a b i l i t y f o rs h e e tm e t a lc n ci n c r e m e n t a lf o r m i n g k e y w o r d s i n c r e m e n t a lf o r m i n g a d v a n c e dm a n u f a c t u r e s u p p o r tm o d e l s t lm o d e l u n e q u a ld i s t a n c eo f f s e t i i 沈阳航空工业学院硕士学位论文 二 二二二二 二 二 主要符号表 三角形面片的顶点 成形半锥角 极限成形半锥角 三角形面片的法向量 顶点偏置向量 加权系数 偏置前顶点 偏置后顶点 工具头与支撑模型之间的间隙 减薄率 仅矾一 厶帆 沈阳航空工业学院硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 高速发展的工业技术要求加工制造的产品精密化 轻量化 集成化 国际竞争更 加激烈的市场要求产品性能高 成本低 周期短 日益恶化的环境要求材料加工原料 与能源消耗低 污染少 为了生产高精度 高质量 高效率的产品 材料正由单一的 传统型向复合型 多功能型发展 材料成形加工制造技术逐渐综合化 多样化 柔性 化 多学科化 金属板材成形在制造业中有着广泛的应用 全世界所生产的钢材有半数以上被加 工成板材 板材成形零件的数量占飞机零件总数的1 2 在轿车中更高达总质量的3 4 可见板材成形技术在制造业中 特别是在航空航天和汽车工业中的重要地位 传统的 板材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 个阶段是采用模具进行生产的阶段 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 但是利用这种加工方式生产板材件 需要经过模具设 计 软模制造 试验修改 硬模制造等复杂过程才能投入生产 其试制过程耗时 耗 资 耗力 开发周期长 成本高 低柔性 且产品变动时就需要重新更换模具 随着 市场需求的多样化 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 加以计算机辅助技术与制造技术 数字化控制技术等技 术的快速发展 促使国内外专家学者开始探索金属板材无模成形的新领域 金属板材 数控渐进成形技术即是其中的一种 1 2 课题研究的目的和意义 金属板材数控渐进成形技术作为一种新兴的金属板材加工技术 尽管本技术目前还 不成熟 但由于其具有潜在的广阔的发展前景 已引起国内外快速制造领域专家学者的 重视 l 国际著名塑性加工专家中川威雄教授指出 这种技术代表了板材数字化塑性成 形技术的发展方向 就目前国内外金属板材无模成形的研究现状看 金属板材数控渐进 成形技术是一个有发展前景和值得开发的新领域 2 该技术与其它塑性加工工艺相结 沈阳航空工业学院硕士学位论文 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 金属板材数控渐进成形工艺实施的一般步骤为 如图1 1 所示 首先对客户提 供的产品c a d 模型根据金属板材数控渐进成形的工艺特点进行曲面重建处理 从而得 到符合工艺要求的产品工艺模型 通过工艺模型来生成工具头的加工轨迹并制作支撑 然后利用数控机床对板材进行数控渐进成形加工 最后经过激光切割 打磨等后处理 得到成品工件 冀 萋篓 产 加一 篷 毒激 威 品j 曲 工 支 爹鬈i 吟 光 专 j 品j 霉切 琶 一 维 冷 面 专 轨 冷 撞 专 i 专j l 磷i 2 割件 重迹制j 模建 生 作 型成 图1 1 金属板材数控渐进成形工艺流程 在金属板材数控渐进成形中曲面重建处理是一个在其他工艺之前首先要完成的重 要环节 它不但能直接影响工件的成形精度 且不恰当的成形曲面会直接导致加工成形 的失败 这是因为如果待成形件上存在一些切口 那么该成形件则无法直接进行成形加 工 切口需要在渐进成形之后利用激光切割等方法进行处理 所以在生成成形加工轨迹 之前必须对零件的c a d 模型进行切口的填充处理 还有 金属板材数控渐进成形技术 难以成形侧壁倾角较小的板材件 特别是直壁件 所以在成形前需要对难成形曲面 即 侧壁倾角较小的曲面 进行识别 并根据数控渐进成形的工艺要求 对难成形曲面进行 修正处理 此外 为了保证工件的顺利成形和一定的成形精度 板材成形时工具头和支撑问的 间隙 应与被成形件的板材厚度保持一致 不合理的间隙 易使成形件表面产生切削 痕 起皱或被拉破等缺陷 甚至会导致加工的无法进行 另外 板材成形时 变形后的 板材厚度t 跟板材初始厚度t o 以及板材变形面与成形工具轴线方向的夹角0 的关系符合 正弦定律 即t t o s i n o 所以成形件表面曲面法向方向的不同 成形角0 发生变化 导 致实际成形件的板材厚度发生变化 基于以上原因 所以需要根据成形件曲面曲率来构 2 沈阳航空工业学院硕士学位论文 建支撑曲面模型 以保证成形工具头与支撑达到合理的间隙距离 迄今为止对数控渐进成形技术的研究也只处于探索阶段 有关数控渐进成形曲面重 建的研究不多 而有关曲面重建 切口识别与填充 难成形曲面识别与修正和支撑曲面 的建模 的算法及软件更是少之又少 一般只能通过大型商用c a d c a m 软件 如u g p r o e 和c a t i a 等 对零件的c a d 模型进行再设计得以完成 再将得到的c a d 模型 转化为s t l 模型 这些大型的通用软件虽然具有强大的功能 但由于它们不是针对数控 渐成形技术的专用软件 只适合对具有简单几何外形的工件进行简单的曲面偏置处理 对于一些航空航天和汽车等行业的空间复杂 连接曲面多样的工件其难以完成曲面重建 处理 并且其不能定量地判断各曲面的可成形性 对于客户提供的各种数据模型 很难 适应定制型生产 另外 目前快速成形技术领域都普遍采用s t l 文件作为数据输入格式 而且有些客户在提交制造任务时 处于技术产权保密的原因 不愿意提交产品的c a d 原始数据模型 而是提交其s t l 模型 但目前市场上这些比较流行的大型c a d c a m 软件对s t l 模型的处理不足 只能提供s t l 模型的输出功能 不能根据工艺要求对s t l 模型进行再设计或修改 因此基于c a d 模型的传统设计方式难以完成原型的再设计或 修改工作 需要对s t l 模型进行再设计或修改 针对上述问题和相关前沿技术能够提供的条件 并根据国内外已经开展的有关研 究 本文研究基于s t l 数据模型的金属板材数控渐进成形曲面重建方法 具有实际应 用意义 1 3 国内外发展现状和研究成果 随着信息化时代的来临和全球统一市场的逐渐成形 产品及技术交流日益频繁 市 场竞争日趋激烈 产品批量变小 技术含量增大 生命周期越来越短 产品快速开发的 技术和手段已成为企业的核心竞争力 因此金属板材数控渐进成形技术被广泛研究 但 关于此方面的研究大多局限于工艺 成形精度 有限元分析 运动轨迹规划等方面 3 4 在提高成形工件尺寸精度研究方面 意大利的a m b r o g i o 5 利用试验和统计分析的方 法 得到了工艺参数与工件尺寸精度的关系表达式 从而可以利用该关系表达式通过调 整工艺参数达到提高工件成形精度的目的 但该方法适用范围有限 一般只适合于简单 的零件 对于复杂零件很难找到工艺参数与工件尺寸精度的确切关系表达式 另外 工 3 沈阳航空工业学院硕士学位论文 艺参数中板材厚度的选定并不能只根据成形力的需要而随意更改 而其它工艺参数对成 形力的影响并不显著 而且还会降低成形效率 6 1 为了使成形区 即板材与工具头接触 的区域 内的金属板材具有较低的屈服强度和较好的延伸性 避免产生不必要的塑性变 形和回弹 比利时的d u f l o u e 7 s l s l j 用激光对板材成形区域进行局部动态加热 从时间和 空间上改变材料性质 达到了减小成形区材料的屈服强度的目的 试验结果表明 这种 方法不但可以改善尺寸精度和增加板材的可成形性 而且还可以减少残余应力和提高材 料的成形极限 但该方法会增加设备 激光源 机械手及其它辅助设备 成本 为此 f a n 9 提出了电热渐进成形技术 该技术所需设备简单 直流电源 电缆 绝缘垫圈 只需将工具头与金属板材通上直流电 根据焦耳定律 当直流电从工具头流入金属板材 时电流产生热量 从而达到提高成形区附近金属板材延展性的目的 对于直壁难成形件方面的研究 吉川腾幸 l o 主要以方形直壁件为例 研究了利用多 道次渐进成形方法成形直壁件的问题 他的研究成果使完成直壁件成形成为可能 更加 体现了渐进成形技术的柔性 j e s w i e t 和y o u n g 1 1 1 2 通过对铝合金板材的数控渐进成形极 限图 f l d 和不同成形半锥角的圆台件 图1 2 进行分析 得出了铝合金板材极限 成形半锥角 并通过对板材件进行两道次渐进成形 获得了成形半锥角小于极限成形半 锥角的板材件 h i r t 1 3 1 4 等人也对直壁难成形件进行了研究 通过在板材底部放置支撑 并对板材进行三道次渐进成形 加工出了直壁方盒件 g i a r d i n i 1 5 等人提出了不同的两 道次渐进成形方法 即第一次使用半径较大的工具头对板材进行第一道次成形 然后使 用半径较小的工具头再对其进行第二道次成形 以达到成形侧壁倾角较小零件的目的 意大利的m i n u t o l o 1 6 等通过对圆台件进行试验和有限元分析 得出了铝合金的极限成形 半锥角 德国的b a i 曲a c h 1 7 等指出金属板材数控渐进成形技术难以成形倾角较小的板材 件是由于成形时板材的严重减薄和厚度不均匀变化导致的 并以圆台件为实例 提出了 利用有限元分析方法优化加工路径 从而使成形时板材厚度较均匀变化 s k j o e d t 1 8 等人 通过对筒形件数控渐进成形工艺的分析和研究 通过五道次渐进成形加工出了圆筒形状 的杯子 王莉 l9 等人为了加工出直壁件 在多道次成形的基础上提出了 平行直线加工 法 贾俐俐 2 0 j 等人通过实验研究 对成形路径 尤其是第一道次进行了优化 在此基 础上加工获得了高径比为0 5 的直壁筒形成形件 综上所述 对直壁难成形件的研究是 当前金属板材数控渐进成形技术研究的热点与难点 一般采用多道次渐进成形方法来完 4 沈l 1 1 航宅i 业学院硕 f f q c 沦文 成立壁难成 f l 的成形 i f u 关于此方而的研究也人多局限于试验 二 艺参数 有限元分析 等方血 刘 j 盘 f l i j 通过原始零件模型得到符合多道次渐进成形工艺要求的 i 艺馍型 过 渡懊型 办i f i 的研究还足 个空白 图1 2 不i 司成形半锥角的圆臼件 为了解决复杂i j 面l 件无法加一 成形的难题 华中科技人学的方景眷 2 1 等人研究了 种基于n u r b s 的加it q l 迹人机交且 修改和优化的方法 采用该方法操作者可以川鼠 标在p c 机一 x u 2 l i l l t i t 迹实施拖动修改 从而实现数控渐进成形加l 过程的快述响心 似这种力 法需要用 1 凭经验于 工拖曲处理 乓卡观性和不确定性火 j j c 彳i 能虹接川 j 常规的数控系统 还需要订 企n u r b s 插补的数控系统 使其推j 一 譬及存在 定的 雕度 2 0 0 7 f 德国 托j t e k k a y a t 2 2 等人提出j 利用s t l 模型对曲面进行匝建的思路 指 了 l jj 板材j 孕度的彳i 均匀分斫j 和 1 艺等凶袭会引起j l f i 偏差 所以要对模型进i r h l 而 一r 托建处王 挺 f 通过分析备原闪提 了相对应的解7 火办法 但其j l 足提出了一 些解决办 法 i i 不全 呵 也没有给 5 具体算法和纠i 果 i j j 关j j 支撑方面的石 f s c f 要 爿绕支撑v j i l 作力 法和支撑材料的选抒等力 丽 彳f 哭 构造支撑l i 硫i 模型力 而的研究还很少 1 4 课题的主要研究内容 小课题研究所喽j 厶到l 丰 j 是针对金属板村数控渐进成形技术 研究m 垤 s t l 横 型的曲 血 重建算法 f 进行算法的系统实现 体研究内容如f 1 s t l 模 魁文什的谈入与l ij 视化平台的建立 一 沈阳航空工业学院硕士学位论文 二 二二二二二二二二 三 在w i n d o w s 环境下 利用v c o p e n g l 进行s t l 文件的读入与可视化平台建 立 2 s t l 模型拓扑信息的建立 根据切口识别与填充 难成形曲面识别与修正和构造支撑曲面模型等工作需求建 立拓扑信息 3 切口形状的识别与填充算法 4 难成形曲面的识别与修正算法 5 支撑曲面模型生成算法 根据板材成形时板材厚度的变化规律 构造支撑曲面模型 以保证工具头与支撑 间的合理间隙 1 5 本章小结 本章介绍了金属板材数控渐进成形技术 阐述了课题的研究背景以及选题的意义 重点分析了国内外研究的相关情况 最后说明了课题研究的主要内容 沈阳航空工业学院硕士学位论文 2 1 引言 第2 章金属板材数控渐进成形技术 金属板材单点渐进成形技术是基于快速原形制造技术 分层制造 的思想所发展起 来的一种新的金属板材渐进成形加工技术 该技术直接加工薄壳类工件 并且由于加工 时对金属板材局部加压 使变形连续积累而达到整体成形 因此加工工件精度较高 该 技术是一项很有发展前途的先进制造技术 2 2 相关技术 快速成型 r a p i dp r o t o t y p i n g 简称r p 技术是8 0 年代后期发展起来的一种新型制造 技术 被认为是近年来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 术的出现相媲美 r p 系统综合了机械工程 c a d 数控技术 激光技术及材料科学技 术 可以自动 直接 快速 精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制 造零件 从而可以对产品设计进行快速评价 修改及功能试验 有效地缩短了产品的 研发周期 r p 技术目前存在许多实现方法 其实 几乎所有r p 快速成型属于 离散 叠加 成形 它的核心问题是将成型材料叠加 粘结成具有一定形状 尺寸和功能的三维实 体 其过程是借助计算机辅助设计或实体反求方法构成工件数字化模型 之后对其进 行分层切片 再将各层截面的二维的轮廓数据输入到计算机控制的机电集成系统 通 过逐点逐面进行材料的堆砌成型成形 逐层 片片 累计 生成所需的实体模型 快 速成型技术彻底摆脱了传统的 去除 加工方法 部分去除大于工件毛坯上的材料 来得到工件 而采用全新的 增长 加工方法 用一层层的小毛坯叠加而成大件 两者的区别如图2 1 所示 其将复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合 因此 它不必采用传统的加工机床和模具 只需要传统加工方法的1 0 3 0 的工时和 2 0 3 5 的成本 就能直接制造出产品样品 之所以说快速成型是按 离散 叠加 原理加工的 是因为在时间加工中 三 维c a d 将模型沿笛卡尔坐标系的某一个轴被依次离散成一系列非连续的实体 面 线 7 沈阳航空工业学院硕士学位论文 点 该过程 见图2 2 可分为体离散 面离散和线离散三个层次 传统加工快速成形 图2 1 传统加工与快速成形对比图 2 0 世纪9 0 年代 r p 技术从实验室走向市场 美国的3 ds y s t e m s 公司自8 0 年代 末开始就在r p 技术的实验研究上领先了一步 并于1 9 8 8 年推出了第一台快速成型设 备后 他们的初衷是为c a d 产品的市场评估和检验服务 但是为了将产品迅速推向市 场 厂商们必须以尽可能的成本用尽可能短的时间拿出第一件新产品 r p 在这样的形 势下发展十分迅速 工艺方法以多达1 0 多种 较为成熟的有立体印刷 s l a 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 分层实体制造 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 选 择性激光烧结 s l s s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g 以及熔融沉积成形 f d m f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g 等等 目前快速成型技术已经广泛应用与汽车 航空航天 船舶 家电 工业设计 医疗 建筑 工艺品制作以及儿童玩具等领域 并且随着这一技术 本身不断的发展和完善 其应用范围将不断拓广 8 沈阳航空工业学院硕士学位论文 休离散 e 哥 后魁理 昌 线离散 c 哥 图2 2 快速成形的 离散一叠加原理 随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈 产品更新速度越来越快 多品 种 中小批量生产的比重明显增加 同时 随着航空工业 汽车工业和轻工业消费品 生产的高速增长 复杂形状零件越来越多 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已难于适应这样多 种多样 柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工的要求 因此近几十年来 世界各 国十分重视发展有效解决复杂 精密 小批多变零件加工的数控加工技术 在加工设 备中大量采用以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术 将机械技术与现代控制 技术 传感检测技术 信息处理技术 网络通信技术 有机的结合在一起 使机械制 造业的生产方式发生了革命性的变化 自2 0 世纪5 0 年代数控机床的出现以来 揭开了c a d c a m 的序幕 c a d c a m 即计 算机辅助设计 c o m p e e ra i d e dd e s i g n 和计算机辅助制造 c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g 指的是以计算机为主要辅助手段来进行产品的设计和制造 其技术发展大致经过了四个阶段 1 孤立的应用模式 这个阶段的发展跨过了2 0 世纪6 0 7 0 年代 计算机图形软件开 始商品化 企业各部f 1 如设计 工艺 制造 计划 财务 质量管理和后勤等部门 各自采用相应的计算机硬件 改善自己的劳动工作方式 提高个人劳动生产效率 然 而相互之间的信息传递依然靠介质来进行 各自发达 彼此孤立 想能够成应用孤岛 2 孤立的信息系统 这个阶段的发展跨越了2 0 世纪7 0 8 0 年代 企业各部门之间各 取所需 根据自己部门的发展的需要 不断完善自本部门的发展 不断完善自己的应 9 沈阳航空工业学院硕士学位论文 用系统 解决部门之间的信息共享和反馈 使本部门的劳动生产率获得提高 但仍然 解决不了部门之间的信息传递问题 3 信息的交换和集成 这个阶段的发展跨越t 2 0 世纪8 0 9 0 年代 经过了上述的两 个阶段的发展 信息的传递问题显得非常突出 于是便有了部门之间的协同 或是对 信息重调整 或是更新系统 开发新的应用系统和大量的接口 即要继承大量的历史 数据 又要创新一种全新的信息交换系统 集成化的工作模式 从而大大提高企业的 竞争力 4 c i m s 的推广应用阶段 进入7 2 0 世纪9 0 年代 随着网络技术的发展与成熟 使 企业信息化又迎来了一个全新的时期 即从内部信息集成应用发展到企业间相互继承 的时期 逐步形成了跨国跨地区的半球乃至全球经济运作模式 代表了世界经济发展 的主体 数控技术是制造业实现自动化 柔性化 集成化生产的基础 现代的c a d c a m 是建立在数控技术之上的 目前 这两种技术已发展到了相对能够成熟的地步 都为 金属板材数控渐进成形技术提供了技术保证 2 3 金属板材数控渐进成形原理 金属板材数控渐进成形技术 是通过计算机直接驱动c a d 模型 实现设计与制造 一体化的柔性快速制造方法 采用数控成形设备 控制成形工具作相对三维曲线运动 沿其运动轨迹对板材进行局部的塑性加工 使板材逐步成形为所需的工件 2 3 金属板材数控渐进成形的j j w v 过程如图2 3 所示 数控成形系统主要由成形工具 头 导向装置 导柱 导套 支撑模型 托板 压板组成 工具头在数控系统的控 制下进行运动 支撑模型起支撑板材的作用 对于形状复杂的零件 该支撑模型可以 制成简单的模具 有利于板材的成形 成形时 首先将被加工板材置于一个通用支撑 模型上 在托板四周用夹具夹紧板材 该托板可沿导柱上下滑动 然后将该装置固定 在数控成形设备上 加工时 成形工具先走到指定位置 并对板材压下 个设定的压 下量 然后根据控制系统的指令 按照第一层轮廓的要求 以走等高线的方式 对板 材进行单点渐进塑性加工 同时板材随托板一起下降一个相同步距 在形成所需的第 一层截面轮廓后 工具头横向移动一个步距 然后沿导向装置在z 轴方向下降一个步距 1 0 沈 航宅i q 疏硕i 学 节论文 进 j f 层的成形 如此衢耶l i 至捩得最终形状的零件 2 4 j t 义 4 1 j 引三 酬 一 i 板 aj 收 j 垃彤 0 b 板 成 哆r 卜 托板 图2 j 金属板材数控渐进成形坂理 试验研究农 抛 川数控渐进成形的方法加 l 金属扳材 j1 次拉f j 成形的化统j l 岂 耳l l 比 能加i i i 更复杂的i 阶f j i 延f i i 率更r 滔的成形仲 1 n i i 精度和农i f j j 质艟均较好 4 i 仅i 利j ll i 般的金腻薄收成彤什 还i 玎加 1 那些j f j f 统 i 艺和l j c 他见模成形披术 呲 不 f 米的贝仃复另蚓 m i 的i i 件 金槭板材数控渐进成彤具彳i 以卜 优t i 1 柔性化制造 无须 j j 之 对j 复杂零什仪仪需篮制作 个简单的支j 学 0 统的整体成彤模 k 棚比 1 1 y 竹h 额加 i i 制造模j l 的费j l j 人人降低制造成本 所以对一l i 与新产 c i 的研发j 仃ii 人的经济价他 并儿通过更改戚形 1 jl 又的七i i i 轨迹 可以斗d f 设旃l 进行多种4 i 形状零件的加l 2 数 于 化制造 j 维造 卧j 岂规划 成形过秤模拟 成形过程挖制 j 仆捡 溅等过氍 n r 个部采 汁镣机技术 易 j 实现c a d c a m c a e 一体化7 奠产 足 项讯 钉z 乏j 疋i 讨途的先进制造技术 3 制 1 f 范 j n 成形过羊i t 叫 成形 l i 大对饭材逐 ij f i 一 o 近似点接倒j 闪 此 接触丽髟 小 即 f t m j 作常i 翻 j j 传统蛔 性j j 一1 水i 二 适合1 i 加 i 离强发雌炎形 弦j 几j 沈阳航空工业学院硕士学位论文 材料 能加工出曲面复杂 延伸率更高的成形件 包括轴对称和非轴对称零件 4 绿色加工 该技术所需总变形力小 设备能耗低 震动小 不仅节能而且无噪 声污染 属于绿色加工范畴 5 设计制造周期短 能够快速响应市场的需求 6 金属板材数控渐进成形技术是一种无切削工艺 因此 材料利用率高 材料成 本低 金属板材单点渐进成形技术还可以与其他技术结合起来加工工件 比如 首先采用 多点渐进成形进行预成形 成形大致形状之后 再采用单点渐进成形进行后续的精加工 再次成形 这样既可以避免直接采用单点渐进成形效率低的问题 也避免了多点成形在 一些复杂的局部位置成形精度不高的问题 还有把单点渐进成形技术与水射流技术结合 的金属板材水射流渐进成形技术 2 5 它用高压水射流代替成形工具头作用于板材 并使 板材产生局部塑性变形 该技术既具有数控渐进成形高柔性的特点 又兼有水射流无污 染 成本低的特点 和所有其它技术方法一样 金属板材数控渐进成形技术也存在一些缺点 1 成形件精度不高 2 生产效率低 金属板材数控渐进成形是通过数字控制设备 采用预先编制好的控制程序数控渐进 成形工件的柔性加工方法 目前 用于金属板材数控渐进成形的设备主要分为两种 一 种属于为数控渐进成形技术专门设计的商用数控渐进成形设备 日本的a m i n o 公司 2 6 首先开发出了的数控渐进成形样机 如图2 4 所示 并在近几年来实现了数控渐进成 形设备的系列化 另外我国的华中科技大学 冽也自主研发了数控渐进成形机 如图2 5 所示 并开发了相应的系统控制软件 通过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 这类设备一般价格比较昂贵 对于一些以样品试制 维修工件 制作 单件生产为目的的中小企业来说难以承受 1 2 沈圈i 航一划 业学院颂i 学f t 论文 一 一 图2 4 1 奉a m i n o 公司的数控渐进成形设备 瞽 t i翻 图2 5 华中科技大学自主研发的数控渐进成形机 j 外一种方式足借助j i j e 它数控设备束进行数控渐进成形 如数控4 i 床或铣床 l 于数控 f i 床一般j i 能川米加 j2 轴对称工件 现在 般都在三轴数控立 j 弋铣床 将数控铣 j 未的切削 j 换成成形 i i 其头 进行渐进成形加工 2 7 这科 方j l i 叮以利j j 企业现订的i 殳 备完成数控渐进成形加i l 从而町以节约生产成本 世其承载能力受到i 艇制 j 乓成形一j 一 飞在成形过程中速度慢f l 4 妇 变 1 i 满足板材分层加t 瘩要的高j 速度和变速成形口驯 另 外近螳年来i i k o l 器下越来越多的被心用到数控渐进成形技术l i 2 引 榭比常规渐进成形 设符 e 成形一1 j 棚彳r 殳人的 可以进行形状更复杂的板材成形 利j j j 能够殳盘 的实 现制造的柔性化 j 自动化 j u l 纠2 6 所乃 沈 航审l 1 1 4 学院颂十 f i v 论文 图2 61 f 业机器 在数控渐进成形中的应用 2 4 金属板材数控渐进成形工艺及应用 会属板材数控渐进成形整个工艺流稚曲i 图2 7 所乃j 步骤如下 1 在计算机上用j 三维软件建矗 二l 件的三维数字模型 2 x t j f t 的ji 维数字模型迸i r j 一 艺分析 对不符合工z 要求部分进行修改 如对 纠f l 进行填允及难成形而修丑i 等 从而叮得到符合数控渐进成形要求的工艺模互 3 通过埘工艺模型得到力 j 所需要的支撑模型 4 利j j 史撑模型得到支撑的加 i i 轨迹 并在数控铣床l 加 l 支撑 5 对工艺模型进行分层 切 处理 得到渐进成形的加二 轨迹 并对加二l 轨迹 源文件进行处理 产生n c 代码 6 将n c 代铲5 输入控制计算机 控制扳材成形机力 工出所需工件形状 7 对成彤件进行后续处理 如根抛切 谚 别出的轨迹对切l1 进行加t 等 蜮终形 成产 i l k 沈 航空i 业学院硕l 学 口论文 一 一l 一 0 i 0 卿联喇 c s h 文f 1 切口诀嬲 一 一一一 切口填充 难 e 葭形噙i l d 直壁 i j j 硝与惨证 一 l 工2 攥躐 一一 一l f 支搏换塑 i i i i i i i i i 笺 环i 加 i l l i i i i l i i i l 成彤 搿然成形 i 铣昧i 加1 1 支摊 7 i 以 0 u i i i i 完成 图2 7 金属板材数控渐进成形工艺流程 会 懈皈材数控渐进成形是引 刈 现代社会要求产小ii t i 益多样化 产t i f l 的设计刁 断刨 新 产r 5 殳新换代快等特点i m 挺i l 的啦性加工技 术 它适应产 f j 创新设汁 通艟多 1 种 少批m f t i 山二 适心交货时m 短 快速响应刚 皤婴等受求 该技术可以 接j 圳玎 j i 7 i 业 航空航天匕行器 阪j 7 器具 家j 鼻装饰 1 垃f 房j j t 消j i 艺火术 i 州f j 制造i 对提岛我lk 1 引天食 i k 的f l i 场竞争力订难嘤的意义 i j i 1 琊0 造力 面 l 口 i 列岛川 场i 母年酃 仃人批亲 i p 型m i j 必须快速 饭成小 和 0 赝l t 地 1 发出新 弘 f 传统l 艺需蜓采圳模j j 力 j i 丽传统 萸j f 勺波汁和试制过 程i i 用 t i 删j 长 赞j j 矗 舀i f 艇人 度1 影蹿 新产 5 的 1 发心 朔和成术 数轮渐进成形投术 川0 7 i z l 什的制造 省上了产 f jj l 发过科 i l k 模j l 设 卜 制遗 实验蟛改等复杂过 程所 e 赞的叫 问取l 资金 缩觚 厂新产 t i f 发的心期 降低了成本 它4 i 泌适f 门 新 j 瞍 1 s 一 一 一 卜 一 一 一 轨逊小陂 一 一 一 一 小 憾 列 一 一 峭 蚶 一 沈阳航空工业学院硕士学位论文 的快速开发和对概念车设计的验证 也可将这种方法加工的覆盖件作为原型来翻制简易 模具 并用这些模具进行小批量生产 日本的本田汽车公司 已经采用数控渐进成形技 术进行了f i th b 型概念车覆盖件的成形 并已投入设计生产 a m i n o 公司用该技术成形 加工了6 m 长的新干线火车头覆盖件例 韩国庆南大学 制作了汽车防尘罩等零件 我 国的华中科技大学 对汽车覆盖件的数控渐进成形技术也展开了研究 加工了汽车门 座椅及翼子板等部件 在医学方面 由于人体颅骨形状各不相同 在医疗领域的颅骨修补术中 与患者缺 损部位形状相吻合的修复体的快速成形一直是难以解决的问题 目前国外的颅骨损伤修 补术中 一种是采用铸造方法 另一种是采用液压成形的方法制作修复体 但这种方法 制备时间长 费用昂贵 一般患者难以接受 金属板材数控渐进成形技术的一种可能应 用领域就是利用生物钛合金板进行颅骨修复 d o u f l o u 等跚利用渐进成形技术对颅骨修 补进行了初步研究 并利用铝板进行了成形 此外 田中繁一等利用渐进成形对纯钛板 进行加工得到义齿基托 a m b r o g i o 等 对人体脚模进行三维激光反求得到脚踝的实体 数字化模型 再利用渐进成形得到踝足矫形器 我国南京航空航天大学的崔震 3 5 1 利用该 技术成功的加工出了质量较高的人面部模型 说明其可以为不同病人定制金属的治疗面 罩 可见渐进成形可以根据患者身体的特点 尺寸 结构专门设计 专门制造 实现个 性化制作 该技术还可以用来制造微成形件 应用于电子和i c 产业 日本的s a o t o m e 3 6 1 等使 用厚度只有1 0l tm 箔材料 在不使用支撑的情况下制作出了长6 0 0l tm 宽4 0 01 tm 高1 0 0 um 的三位立体微型汽车模型 其尺寸大小与蚂蚁相当 h i r 0 1 i 通过对废旧板 材与普通板材的成形极限进行对比 表明了数控渐进成形技术可应用于废旧板材的加工 成形 实现废旧板材的冷再生 2 5 本章小结 由于金属板材数控渐进成形是一个新兴的技术 本章对其成形原理 特点 工艺及 应用等方面进行了介绍 1 6 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第3 章s t l 模型的读入与可视化平台建立 3 1 引言 s t l 文件格式是快速成形技术中应用最广泛的数据交换文件格式 它也是快速成 形系统与c a d 系统及反求工程系统的接口之一 在快速成形系统中 普遍采用s t l 格 式文件来表示c a d 实体数据模型 s t l 文件是用一系列小三角形面片对c a d 模型表面 进行三角化离散得到的 该文件具有数据结构简单并与三维c a d 系统无关的优点 已 经成了c a d 系统与快速成形系统之间数据交换的事实上的标准 现已广泛应用于反求 工程 数控加工等领域 目前大多数商用三维c a d c a m 系统软件 女h u g p r o e s o l i d w b r k s c a t i a 及a u t o c a d 等 都支持s t l 文件的输出 通过s t l 模型的可视化 可将s t l 模型在计算机的屏幕上真实的展现出来 同时通 过旋转 缩放 虚实线框来进一步的查看模型的细节 3 2s t l 文件 由于不同的c a d c a m c a e 系统采用不同的方式来描述零件的几何形状 因此需 要一个标准的接口将实体几何描述在不同的c a d c a c c a e 数据包中进行转换 现有 的标准 i g e s 还不能完全 精确地定义实体几何信息 为了降低这种数据处理的难度 美国3 ds y s t e m s 公司 于1 9 8 7 年制定 s t l s t e r e ol i t h o g r a p h y 文件格式 s t l 模型以小三角形面片为基本描述单元来离散地近似描述模型的表面 是三维 模型单元表达法的一种应用形式 三角形的网络化就是用小三角形面片去逼近自由曲 面 逼近的精度通常由曲面到三角形面的距离误差或者是曲面到三角形边的弦高差控 制 误差越小 曲面越不规则 所需的三角形面片的数目就越多 s t l 文件就越大 3 8 1 s t l 文件最初来源于快速原型领域 并迅速成为r p 领域事实上的工业标准 作为 c a d c a m 系统与r p 系统之间数据交换的准标准格式 它极大地推动了快速原型技术 的发展 随后 各商用三维c a d c a m 系统软件 如u g p r o e s o l i dw b r k s c a t i a 及a u t o c a d 等 纷纷推出带有s t l 文件输出功能的软件包 都提供了从c a d 实体 数据模型转换成快速原型输入数据模型的接口 近些年来 s t l 文件在各种需要三维 1 7 沈阳航空工业学院硕士学位论文 模型描述的诸如有限元分析 医学成像系统 反求工程等领域中也都有了广泛的应用 s t l 文件是对c a d 实体模型或曲面模型进行表面三角化离散得到的 相当于用一 种全由小三角形面片构成的多面体来表示c a d 模型 每个三角形面片用三角形的三个 顶点和指向模型外部的三角形面片的法向量组成 如图3 1 所示 正确的实体数据模 型要满足四条法则 v 2 图3 1 三角面片的法向量与顶点的关系 法则1 右手法则三角形面片的法向量方向和它的三个顶点的排列顺序符合右 手法则 也就是说 每个三角面片的法向量方向和其三个顶点的次序相对应 用以区 分实体的内部和外部 且每个三角形面片的法向量均为单位向量 图3 2 为右手法则 示例图 其中尾部带虚线的箭头表示方向向内 a 正确表达b 正确表达c 错误表达 图3 2 右手法则示例图 法则2 顶点法则每相邻的两个三角形面片只能共享两个顶点 一个三角形面 片与其相邻的三角面片有且只有一条公共边 一个三角形面片的顶点不能落在另一个 三角形面片的边上或内部 如图3 3 所示 1 8 沈阳航空工业学院硕士学位论文 a 正确表达 b 错误表达 图3 3 顶点法则示例 法则3 边法则三角形面片的每一条边必须而且只能有两个三角形面片所共有 法则4 充满法则在三维s t l 模型的所有表面上必须布满三角面片 不允许有 任何的遗漏 s t l 文件有二进制格式和文本格式 a m e r i c a ns t a n d a r dc o d ef o ri n f o r m a t i o n i n t e r c h a n g e a s c i i 两种 二进制格式所占用的文件空间一般是文本格式占用空问的 1 5 左右 但文本格式可以直接阅读和检查 比二进制码格式文件的可读性好 从文件 中可以直接读取节点的坐标及法向量信息 在数据处理中 较常用的还是文本格式 3 9 4 0 所以本课题也采用文本格式作为s t l 模型的读入格式 下面给出s t l 文件的具体描述 s o l i de n t i t y n a m e 模型实体名称 f a c e tn o r m a l 三角形面片外法向量坐标 o u t e rl o o p v e r t e x 三角形面片第一点坐标 v e r t e x 三角形面片第二点坐标 v e r t e x 三角形面片第三点坐标 e n d l o o p e n d f a c e t 一个三角面片结束 e n d s o l i d e n t i t y n a m e 整个s t l 文件结束 s t l 文本格式的数据格式是用字符串来描述三角面片的定义及其它信息的 这里合 1 9 沈阳航空工业学院硕士学位论文 法的关键字有 s o l i d f a c e tn o r m