金屬板材無模成形

...wd......wd......wd...類型多樣的金屬板材無模成形技術(shù)金屬板材無模成形簡介金屬板材無模成形是指使用非模具的成形工具強(qiáng)迫金屬板材發(fā)生漸進(jìn)的塑性變形，最終得到所需零件的加工方法。由于市場需求的多樣化，機(jī)械和控制技術(shù)的進(jìn)步，促使金屬板材無模成形有了較快的開展，國內(nèi)外許多企業(yè)學(xué)者進(jìn)展了大量的研究。目前比擬典型的板材無模成形方法有成形錘漸進(jìn)成形、旋壓成形、多點(diǎn)成形和數(shù)字化漸進(jìn)成形等。通過不同的板材成形方法來了解各種成形技術(shù)的開展及其優(yōu)缺點(diǎn)。2.無模成形的類型及特點(diǎn)2.1CNC成形錘漸進(jìn)成形法[1]該方法使用剛性沖頭和彈性下模，對(duì)板材各局部區(qū)域分別打擊成形，逐步成形為所需形狀的加工工藝。成形錘漸進(jìn)成形法成形方法簡單，成形速度較快，但是該技術(shù)只能成形形狀比擬簡單的工件，而且成形后留下大量的錘擊壓痕點(diǎn)，影響制品的外表質(zhì)量，因而還必須進(jìn)展后續(xù)處理。成形錘漸進(jìn)成形示意圖2.2噴丸成形[2]噴丸成形是利用高速彈丸撞擊金屬板材的一個(gè)外表，使受撞擊外表及其下一層金屬產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致面內(nèi)產(chǎn)生剩余應(yīng)力，在此應(yīng)力作用下逐步使板材到達(dá)要求外形的一種成形方法。目前其主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，如波音和空中客車等飛機(jī)制造公司在其現(xiàn)代客機(jī)的生產(chǎn)中，都已采用了噴丸成形方法。噴丸成形的主要優(yōu)點(diǎn)：〔1〕零件長度不受噴丸成形方法的限制，現(xiàn)代飛機(jī)蒙皮零件的長度已達(dá)32m，假設(shè)采用其他方法，設(shè)備投資將急劇增加；〔2〕工藝裝備簡單，無需成形模具，只需簡單的夾具，準(zhǔn)備周期短，固定投資少；〔3〕在進(jìn)展成形的同時(shí)，可對(duì)板料起到強(qiáng)化作用；〔4〕可對(duì)變厚度的板料進(jìn)展成形；〔5〕既可成形單曲率外形，又可成形雙曲率外形，如機(jī)翼上下氣動(dòng)彎折區(qū)或非直母線區(qū)。A380飛機(jī)超臨界外翼下翼面整體壁板長度30余m、厚度30余mm，是迄今采用噴丸成形技術(shù)所獲得的長度最長、厚度最大的構(gòu)件，代表了國際噴丸成形工藝技術(shù)的最新成果。2.3旋壓成形[3-5]旋壓成形是一種將金屬坯料裝在芯模的頂部，旋輪通過軸向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)坯料在旋輪滾壓作用下產(chǎn)生局部連續(xù)塑性變形，最終獲得所要求的薄壁回轉(zhuǎn)體零件的塑性加工方法。旋壓原理圖旋壓成形作為金屬塑性加工的一個(gè)重要分支，具有柔性好、本錢低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合加工多種金屬材料，是一種經(jīng)濟(jì)、快速成形薄壁回轉(zhuǎn)體零件的方法。與其他沖壓工藝方法相比，由于它能制造出形狀多樣、尺寸各異的產(chǎn)品，特別是在結(jié)合高效、精細(xì)的數(shù)控技術(shù)后，更具有明顯的優(yōu)越性。因此，不僅在航空、航天、兵器等金屬精細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位，而且在化工、機(jī)械制造、電子及輕工業(yè)等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。但是，旋壓成形只能用于加工軸對(duì)稱零件。旋壓成形輪轂技術(shù)多點(diǎn)成形[6-7]多點(diǎn)成形是由規(guī)則排列的根本體點(diǎn)陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整體模具，通過計(jì)算機(jī)控制根本體的位置形成形狀可變的“柔性模具〞，從而實(shí)現(xiàn)不同形狀板類件的快速成形的方法。多點(diǎn)成形系統(tǒng)的上、下根本體群多點(diǎn)模具成形多點(diǎn)壓機(jī)成形多點(diǎn)成形技術(shù)的特點(diǎn)：〔1〕實(shí)現(xiàn)無模成形，降低了生產(chǎn)本錢，顯著提高了生產(chǎn)效率，成形的產(chǎn)品精度高、質(zhì)量好?！?〕優(yōu)化變形路徑，通過根本體調(diào)整，實(shí)時(shí)控制變形曲面，隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài)，提高材料成形極限，實(shí)現(xiàn)難加工材料的塑性變形，擴(kuò)大加工范圍?！?〕實(shí)現(xiàn)無回彈成形：可采用反復(fù)成形新技術(shù)，消除材料內(nèi)部的剩余應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)少無回彈成形，保證工件的成形精度?！?〕易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：曲面造型、工藝計(jì)算、壓力機(jī)控制、工件測試等整個(gè)過程全部采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CAD／CAM／CAE/CAT一體化生產(chǎn)，工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，極大地改善勞動(dòng)者作業(yè)環(huán)境。多點(diǎn)成形法雖然初步實(shí)現(xiàn)了無?；?，但它存在以下幾個(gè)問題：〔1〕該技術(shù)是將沖頭和下模的形狀離散化為所謂的柔性模具，可是沖頭和下模不能做得很小，不能加工形狀復(fù)雜的工件。〔2〕加工小沖頭和下模、安裝、調(diào)試同樣花費(fèi)大量的時(shí)間?！?〕多點(diǎn)成形法易產(chǎn)生壓痕、起皺等缺陷使加工精度難以保證?！?〕只能加工厚板，對(duì)于薄板成形不適用。列車流線型車頭采用無模成形能更好的符合流線形設(shè)計(jì)，降低空氣動(dòng)力學(xué)阻力和噪聲。2008年北京奧運(yùn)會(huì)國家體育館〔鳥巢工程〕中的彎扭板件2.5激光熱應(yīng)力成形[8-9]激光熱應(yīng)力成形是一種利用激光束照射材料外表時(shí)形成的內(nèi)部非均勻熱應(yīng)力場實(shí)現(xiàn)材料成形的新技術(shù)。通過調(diào)整激光加工工藝參數(shù)和選擇適宜的掃描軌跡就能夠成形任意的彎曲件、異型件和其它復(fù)雜的三維曲面等零件。激光熱應(yīng)力成形示意圖激光熱應(yīng)力成形的特點(diǎn)：〔1〕采用激光源作為成形工具，無需任何形式的外力，因而生產(chǎn)周期短，柔性大；〔2〕因不受模具限制，可容易地復(fù)合成形，制作各類異形件，屬于真正意義上的無模成型；〔3〕屬于熱態(tài)成形，可成形在常溫下難于成形的難變形或脆性材料；〔4〕采用的激光束模式無特殊要求，易于實(shí)現(xiàn)成形、切割、焊接等激光加工工序的復(fù)合化。但熱應(yīng)力成形技術(shù)中還存在許多問題有待于進(jìn)一步深入的研究：影響激光成形的因素較多，目前特別復(fù)雜的三維形狀還難以準(zhǔn)確成形；熱量直接作用于工件外表，形成的熱效應(yīng)負(fù)面影響大，外表品質(zhì)較差；由于成形是靠拉應(yīng)力作用，成形后有害剩余的拉應(yīng)力影響產(chǎn)品的使用性能。2.6板材數(shù)控漸進(jìn)成形金屬板材數(shù)控漸進(jìn)成形的特點(diǎn)是引入快速原型制造技術(shù)“分層制造〞的思想，將復(fù)雜的三維形狀沿Z軸方向離散化，即分解成一系列二維斷面層，并在這些二維斷面層上局部進(jìn)展塑性加工，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造一體化的柔性快速制造[10]。數(shù)控成形的原理是將復(fù)雜的三維數(shù)字模型沿高度方向分層，形成一系列斷面二維數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些斷面輪廓數(shù)據(jù)，從頂層開場逐層對(duì)板材進(jìn)展局部的塑性加工；在計(jì)算機(jī)控制下，安裝在三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控成形機(jī)床上的成形壓頭，先走到模型的頂部設(shè)定位置，對(duì)板材壓下設(shè)定壓下量，然后按照第1層斷面輪廓，以等高線的方式，對(duì)板材施行漸進(jìn)塑性加工。在模型頂部板料加工面形成第1層輪廓曲面后，成形壓頭再壓下一個(gè)設(shè)定高度，沿第2層斷面輪廓運(yùn)動(dòng)，并形成第2層輪廓曲面，如此重復(fù)直到整個(gè)工件成形完畢[11-12]。金屬板材數(shù)控漸進(jìn)成形原理圖從成形過程來看，在成形工具頭作用區(qū)域〔為一個(gè)球冠面〕下〔也可以超出這個(gè)作用區(qū)域〕的金屬板材在成形力的作用下抑制屈服極限，發(fā)生塑性變形，由原來的平面通過變薄拉延延展為外表積較大的曲面，隨著工具頭的不斷碾壓，塑性變形逐層累加，最終板材獲得所需要的形狀。華中科技大學(xué)開發(fā)研制的板材無模漸進(jìn)成形機(jī)與傳統(tǒng)板料成形技術(shù)相比，數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：〔1〕數(shù)控漸進(jìn)成形集CAD和CAM，即零件模型設(shè)計(jì)、加工代碼生成于一體，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，具有較高的生產(chǎn)制造柔性；〔2〕漸進(jìn)成形技術(shù)不需要開發(fā)傳統(tǒng)模具，即使加工復(fù)雜曲面，也只需要簡單支撐模型，能夠節(jié)省本錢，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)；〔3〕漸進(jìn)成形技術(shù)較傳統(tǒng)板料成形技術(shù)有更高的成形極限，能夠加工出高質(zhì)量、高精度的板料零件。由于是分層加工，更能充分利用板料的成形性能，制造出變形程度更大的零件；〔4〕漸進(jìn)成形技術(shù)具有開發(fā)周期短，方便改良，適宜小批量高質(zhì)量零件加工，而且生產(chǎn)過程噪音低，安全性高。航天器鋁合金薄壁構(gòu)造件3.金屬板材無模成形技術(shù)的前景從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，金屬板料無模成形技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。尤其是其中的漸進(jìn)成形技術(shù)，從原理上看，這種方法可以加工任意形狀復(fù)雜的工件，所以對(duì)于飛機(jī)、衛(wèi)星等多品種、小批量的產(chǎn)品以及用于其它薄殼類新產(chǎn)品的開發(fā)，都具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而且所能成形工件的復(fù)雜程度和延伸率比傳統(tǒng)工藝高，它可以對(duì)板材成形工藝產(chǎn)生革命性的影響，也將引起板殼類零件設(shè)計(jì)概念的更新，使新產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想得到更大的發(fā)揮。該技術(shù)的開展可推動(dòng)相關(guān)學(xué)科尤其是塑性加工理論的開展，既有重要的理論意義又有廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合目前的研究狀況，我認(rèn)為金屬板材無模成形技術(shù)要實(shí)現(xiàn)真正意義上的工業(yè)應(yīng)用，至少還需在以下方面進(jìn)展深入的研究：〔1〕提高工件的精度。一些金屬板材無模成形技術(shù)本身是一種近似擬合的加工方法，帶來一定的精度誤差；板材成形后存在翹曲和回彈，工件的形狀和尺寸將達(dá)不到所需要的精度，必須采取相應(yīng)措施抑制回彈的發(fā)生，提高產(chǎn)品精度。〔2〕提高成形效率。目前的許多無模成形技術(shù)，比方數(shù)字化漸進(jìn)成形技術(shù)，與傳統(tǒng)的模具成形相比，非常耗時(shí)。因此需要進(jìn)展高速無模成形技術(shù)的研究?！?〕有限元數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用。有限元數(shù)值模擬技術(shù)能為數(shù)字化漸進(jìn)成形工藝優(yōu)化提供強(qiáng)有力的工具。但目前為止，對(duì)板材數(shù)字化漸進(jìn)成形有限元數(shù)值模擬的研究還處于初步階段，僅僅停留在簡單零件的成形性和應(yīng)力、應(yīng)變等分析上。在對(duì)復(fù)雜零件的回彈預(yù)測、加工路徑優(yōu)化、精度控制等方面的模擬研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。參考文獻(xiàn)[1]田中繁一等．彈性工具を用いた少數(shù)回押入みインクリメンタルフォーミングによる曲面の成形．第48回塑性加工連合講演會(huì)論文集,1997：129～130[2]康小明，馬澤恩，何濤等．機(jī)翼整體壁板噴丸成形CAD/CAM/CAE系統(tǒng)．航空制造工程，1998(6)：35～36[3]劉建華，楊合，李玉強(qiáng)等．旋壓技術(shù)根本原理的研究現(xiàn)狀與開展趨勢．重型機(jī)械學(xué)報(bào)，2002(3)：1～5[4]王成和，劉克璋．旋壓技術(shù)．機(jī)械工業(yè)出版社，1986[5]梁炳文，胡世光等．板料成形塑性理論．機(jī)械工業(yè)出版社，1987[6]程萬軍，李明哲等．板材多點(diǎn)模成形的成形極限及回彈研究．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2001(2)：96～98[7]李東平，李東成。無模多點(diǎn)成型技術(shù)——材料成形的新理念.機(jī)械工人〔冷加工〕，2002〔10〕[8]陳敦軍，向毅斌，李淼泉等．激光成形工藝方法及其開展前景．熱加工工藝，2000(3)：50～51[9]方剛等