金屬板材數(shù)字化漸進成形技術(shù)的應用

金屬板材數(shù)字化漸進成形技術(shù)的應用

0漸進成形技術(shù)金屬板材廣泛應用于制造業(yè)。然而，傳統(tǒng)的工藝需要使用模具，周期長，成本高，因此很難適應小批量產(chǎn)品和樣品的需要。20世紀90年代初,松原茂夫提出了一種新型的金屬板材數(shù)字化漸進成形技術(shù),為新產(chǎn)品的快速開發(fā)提供了一種先進手段。板材數(shù)字化漸進成形技術(shù)具有無需專用模具、可提高板材成形極限、可用于加工變形程度大、形狀非常復雜的板材零件、易于實現(xiàn)板材成形自動化等特點,適用于航空航天、汽車工業(yè)和民用產(chǎn)品的小批量、多品種、難成形的鈑金件加工及相應的新品研制,具有廣泛的應用前景,是一項很有發(fā)展前途的先進制造技術(shù)。本文綜合分析了近年來板材數(shù)字化漸進成形技術(shù)的研究成果,對該技術(shù)的主要研究領(lǐng)域、最新應用成果以及設(shè)備進行探討和歸納,提出了數(shù)字化漸進成形技術(shù)急待解決的重要問題,以期為該技術(shù)的進一步深入研究與發(fā)展提供參考。1漸進成形過程金屬板材漸進成形是引入快速原型制造技術(shù)(rapidprototyping)的分層制造(layeredmanufacturing)的思想,將復雜的三維數(shù)字模型沿高度方向離散成許多斷面層(即分解成一系列等高線層),并生成各等高線層面上的加工軌跡,成形工具在計算機控制下沿該等高線層面上的加工軌跡運動,使板材沿成形工具軌跡包絡面逐次變形,即以工具頭的運動所形成的包絡面來代替模具的型面,以對板材進行逐次局部變形代替整體成形,最終將板材成形為所需的工件,其成形過程如圖1所示。首先將被成形板材置于一個頂支撐模型上(圖1a),在板材四周用壓板和托板夾緊板材,托板可沿導柱自由上下滑動。成形時,工具頭先走到指定位置,并對板材設(shè)定壓下量,然后根據(jù)控制系統(tǒng)的指令,按照第一層截面輪廓的成形軌跡要求,以走等高線的方式對板材實行漸進塑性加工(圖1b);形成所需的第一層截面輪廓后,工具頭壓下設(shè)定高度,再按第二層截面輪廓軌跡要求運動,并形成第二層輪廓;如此重復,使板材逐次進行局部變形最終成形為所需要的工件。在成形簡單形狀零件時,只需在板材底部進行簡單支撐;在成形復雜曲面形狀的工件時,需要一個類似工件形狀的支撐。這種成形過程是對板材進行漸進變薄拉延的過程,工件成形區(qū)域的材料的厚度將會減薄(圖1中A部分),其減薄后的厚度t與成形半錐角θ(圖1)有關(guān),它們符合正弦規(guī)律,即t=t0sinθ(1)式中,t為板料成形區(qū)厚度;t0為板料成形前的厚度;θ為板料成形面與垂直方向的夾角。由正弦定律可知,成形半錐角θ越大,變形區(qū)厚度t越大,因而板材越不容易破裂;成形半錐角越小,則變形區(qū)厚度t越小,板材容易發(fā)生破裂。當θ達到某一值時,板材變形區(qū)發(fā)生破裂,故此時夾角θ的大小可作為板料成形是否破裂的判斷值,稱其為成形極限半錐角。數(shù)字化漸進成形包括正向成形(有模成形)和反向成形(無模成形)兩種方式。正向漸進成形如圖2a所示,正向漸進成形工具頭沿著模型的外表面成形,板材的邊緣隨著工具頭的下降而下降,直至成形完成;反向漸進成形如圖2b所示,通常不需要模具,板材的邊緣固定而不下降,工具頭由邊緣向心部逐層輾壓板材,直至成形完成。2有限元分析及制定金屬板材數(shù)字化漸進成形的整個工作過程如圖3所示,以汽車覆蓋件車門的成形為例,其過程如下:①首先在計算機上用三維CAD軟件建立工件的三維數(shù)字模型;②進行成形工藝分析、工藝規(guī)劃,制造工藝輔助裝置;③用專用的切片軟件對三維模型進行分層(切片)處理,并進行成形路徑規(guī)劃;④生成成形軌跡文件,進行成形速度規(guī)劃,最終對加工軌跡源文件進行處理并產(chǎn)生NC代碼;⑤將NC代碼輸入控制用計算機,控制板料成形機成形出所需工件形狀;⑥對成形件進行后續(xù)處理,形成最終產(chǎn)品。3智能化制造技術(shù)金屬板材數(shù)字化漸進成形技術(shù)將快速成形技術(shù)和塑性成形技術(shù)有機結(jié)合,是涉及力學、摩擦學、塑性成形技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM等綜合性、跨學科的先進智能化制造技術(shù),是目前塑性加工領(lǐng)域的研究前沿,在理論上也具有重要的研究意義。世界各國學者都對該新工藝表現(xiàn)出了濃厚的興趣,近期的研究主要集中在以下四個方面。3.1漸進成形工藝空間的優(yōu)化工藝規(guī)劃和成形軌跡的優(yōu)化是金屬板材數(shù)字化漸進成形技術(shù)能否成功地成形工件、提高成形精度的重要一環(huán),是金屬板材數(shù)字化漸進成形技術(shù)中需要解決的重要課題。板材漸進成形中壁厚的減薄應符合式(1)所示的正弦定律,因此對于那些含有小成形角部分的工件,需要對成形過程進行規(guī)劃,用多次預成形的方法使該部分的形狀逐漸逼近所需要的形狀尺寸。北澤君義等在半球殼體的漸進成形過程中,通過檢測不同加載軌跡對應變分配的影響進行漸進成形過程對金屬流動控制方面的實驗,得出漸進成形是一個近似平面應變狀態(tài)的變形且加載軌跡的不同能影響最終的應變分布的結(jié)論。吉川騰幸主要以方形直壁件為例研究了直壁件成形的路徑規(guī)劃問題,系統(tǒng)地規(guī)劃了各道次的成形軌跡及工藝方案,并通過實驗分析了直壁件角部過渡圓角半徑對直壁成形的影響。他的研究成果使直接通過調(diào)整加工軌跡完成難以成形的直壁件成形成為可能,更加體現(xiàn)了漸進成形工藝的柔性,對于路徑規(guī)劃研究具有重要的借鑒作用。Shim等認為剪應力在漸進成形的板材變形中起決定作用,他們對板厚方向發(fā)生的應變進行了預測,并依次對成形工藝進行了規(guī)劃,采用兩次成形、螺旋進給方式進行加工。丁勇、莫健華等主要圍繞板材數(shù)字化漸進成形技術(shù)工藝規(guī)劃的一般原則的建立和成形軌跡優(yōu)化方法及其軟件實現(xiàn)展開研究,針對采用現(xiàn)有UG軟件生成的切削加工軌跡在板材加工中的不適用性,即進退點集中所造成的成形工件壓痕與破裂問題進行分析,提出通過軟件處理使進退點均布化處理,從而解決了上述問題。金屬板材數(shù)字化漸進成形過程中,若成形方向總是一致的,則由于工具頭和金屬板材之間存在很大的摩擦力,在成形比較深的零件時容易造成成形后零件材料單方向的堆積,甚至整體扭曲,影響成形后的精度和質(zhì)量,毛鋒采用軌跡環(huán)正逆相間的加工方式以疏散材料的流動累積和單方向堆積,避免形狀扭轉(zhuǎn)。3.2漸進成形極限應變值的確定數(shù)字化漸進成形是板材局部輾壓變形的連續(xù)積累而達到整體成形的一種成形方法,它比傳統(tǒng)成形技術(shù)更充分地利用了材料的成形潛力,可以大幅度提高板材的成形極限。北澤君義等認為成形極限是由成形工具移動方向上板材發(fā)生破裂所決定的,據(jù)此,他們通過相應實驗方法來確定漸進成形極限,發(fā)現(xiàn)破裂發(fā)生在圖2b中的圓弧頂端,并沿球頭移動的方向蔓延;對不同厚度的硬鋁板以及軟鋁、鈦等材料,通過改變壓下量Δh所測得的漸進成形極限應變比普通壓力成形的極限應變要大,而且漸進成形極限應變受Δh的影響比較大,它隨著Δh的減小而增大,因而他們得出了壓下量Δh、增量應變對成形極限有著重要影響的結(jié)論。戴昆等對多道次成形能提高成形極限的問題進行了詳細分析。圖4所示是Filice等使用不同方法成形方錐臺形件(材料AA1050-0,板厚1.21mm)后測得的板材的成形極限曲線(forminglimitcurve,FLC),可見,與常規(guī)成形方法相比,漸進成形可大幅度提高板材塑性變形能力。3.3漸進成形數(shù)值模擬有限元法與其他模擬方法相比,有限元法模擬精度高,信息豐富,并能考慮多因素的影響,是一種可靠性高的工藝設(shè)計方法,適用于對成形過程的精確模擬。近年來,隨著計算機技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展,有限元法在數(shù)字化漸進成形中逐步得到了應用。常用于漸進成形模擬分析的有限元商用軟件有ANSYS、PAM-STAMP、MARC、ABAQUS等。Iseki使用有限元方法對漸進成形中所存在的獨特的平面應變現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬,較好地解釋了試驗中鋁板成形的一些變形問題。文獻分別對板材成形過程的應力應變分布、板厚變化以及成形過程中工具頭對板材的成形力進行了模擬分析。Bambach等模擬了多道次成形直壁件中圓角部位的起皺并進行了試驗驗證。Bambach等還利用顯式算法和隱式算法對工件成形后的回彈和殘余應力分布進行了模擬,圖5所示為通過有限元計算的方錐臺形件漸進成形后的板厚分布。漸進成形數(shù)值模擬中的關(guān)鍵問題就是工具頭運動軌跡的設(shè)置,Bambach等提出將漸進成形中的NC代碼通過轉(zhuǎn)換算法變?yōu)辄c坐標的形式,在模擬中使工具頭沿點的坐標運動,使模擬和實際加工的工況一致。雖然目前對數(shù)字化成形的數(shù)值模擬研究還不完善,主要集中于軸對稱的圓錐臺和方錐臺形件的模擬,并且采用商用軟件進行模擬的居多,但已顯示了其無比的優(yōu)越性和強大的生命力。3.4漸進成形回彈控制金屬板材數(shù)字化漸進成形過程中存在著回彈變形問題。板材經(jīng)歷從回彈前與工具頭保持接觸時的內(nèi)應力平衡狀態(tài)過渡到工具頭卸載、接觸外力去除之后內(nèi)應力重新平衡的過程,工具頭從接觸點移開后坯料立刻產(chǎn)生回彈,表現(xiàn)為隨著工具頭的運動,工件已成形部分會產(chǎn)生鼓凸,因此,漸進成形工件的最后形狀是其整個成形和局部回彈歷史的累積效應的結(jié)果,從而使成形工件與其設(shè)計目標形狀之間產(chǎn)生差異,工件的形狀和尺寸將達不到所需要的精度,而成形精度也成為制約漸進成形工藝推廣的關(guān)鍵問題。目前,漸進成形的回彈控制也是該工藝國內(nèi)外的研究熱點之一,甘文星提出,通過使用背壓板以及增大成形角度θ的方法來改變板材應力應變狀態(tài),使工件發(fā)生充分的塑性變形,減小成形時的彎曲成分,就可以達到抑制或減小回彈的目的。工具頭運動路徑修正是板材漸進成形回彈控制的有效方法。為提高漸進成形精度,Bambach等進行了成形路徑的實驗迭代修正方法的研究,其基本算法是,經(jīng)測量后的實際成形形狀與目標形狀配準,以目標形狀為鏡面做相應節(jié)點的反向鏡像,從而生成新的補償形狀,目的是希望通過較少的實驗迭代次數(shù)完成板殼件成形形狀的快速有效修正。Ambrogio等通過建立簡化的二維有限元計算模型計算出回彈結(jié)果,然后根據(jù)回彈結(jié)果產(chǎn)生修形信息,直接修改有限元模型中工具頭運動型線的節(jié)點坐標,再進行有限元計算,修正過程反復進行,直到回彈誤差達到要求。北澤君義等提出利用神經(jīng)網(wǎng)絡進行板材漸進成形形狀的智能控制,工件在反向成形后出現(xiàn)回彈,再進行正向成形來補償回彈,在此過程中運用神經(jīng)網(wǎng)絡來預測需補償?shù)幕貜椓?經(jīng)過多次迭代成形可接近目標形狀。4塑性加工技術(shù)金屬板材數(shù)字化漸進成形是針對現(xiàn)代社會要求產(chǎn)品日益多樣化、產(chǎn)品的設(shè)計不斷創(chuàng)新、產(chǎn)品更新?lián)Q代快等特點而提出的的塑性加工技術(shù),它適應產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計,適應多品種、少批量生產(chǎn),適應交貨時間短、快速響應用戶需要等要求,該技術(shù)可以直接應用于汽車工業(yè)、航空航天飛行器、醫(yī)療器具、家居裝飾品、廚房用具、潔具、工藝美術(shù)品等產(chǎn)品的制造上,對提高我國相關(guān)企業(yè)的市場競爭力有重要的意義。4.1數(shù)字化漸進成形技術(shù)目前,國際市場上每年都有大批新車型問世,必須快速、低成本和高質(zhì)量地開發(fā)出新車型。但傳統(tǒng)工藝需要采用模具加工,而傳統(tǒng)模具的設(shè)計和試制過程周期長、費用高,在很大程度上影響了新產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本。數(shù)字化漸進成形技術(shù)用于汽車覆蓋件的制造,省去了產(chǎn)品開發(fā)過程中因模具設(shè)計、制造、實驗修改等復雜過程所耗費的時間和資金,縮短了新產(chǎn)品開發(fā)的周期,降低了成本。它不僅適合于新車型的快速開發(fā)和對概念車設(shè)計的驗證,也可將這種方法加工的覆蓋件作為原型來翻制簡易模具,并用這些模具進行小批量生產(chǎn)。華中科技大學對汽車覆蓋件的數(shù)字化漸進成形工藝展開了研究,加工了汽車門及翼子板等部件,圖6所示為車輛工業(yè)中的各種數(shù)字化漸進成形零件。本田汽車公司已經(jīng)利用數(shù)字化漸進成形技術(shù)進行了FitHB型概念車覆蓋件的成形,并已投入設(shè)計生產(chǎn)。4.2漸進成形工藝在骨折修復體中的應用由于人體顱骨形狀各不相同,在醫(yī)療領(lǐng)域的顱骨修補術(shù)中,與患者缺損部位形狀相吻合的修復體的快速成形一直是難以解決的問題。目前國外的顱骨損傷修補術(shù)中,一種是采用鑄造方法,另一種是采用液壓成形的方法制作修復體,但這種方法制備時間長、費用昂貴,一般患者難以接受。板材數(shù)字化漸進成形的一種可能應用領(lǐng)域就是利用生物鈦合金板進行顱骨修復。Douflou等利用漸進成形技術(shù)對顱骨修補進行了初步研究,并利用鋁板進行了成形,工藝過程如圖7所示:首先根據(jù)多張CT斷層圖像三維重建顱骨模型,得到顱骨缺損部位的三維模型(圖7a),最終實現(xiàn)缺損修復體的數(shù)字化漸進成形加工(圖7b、圖7c)。此外,田中繁一等利用漸進成形對純鈦板進行加工得到義齒基托(圖8a),Ambrogio等對人體腳模進行三維激光反求得到腳踝的實體數(shù)字化模型,再利用漸進成形得到踝足矯形器(圖8b)?？梢姖u進成形可以根據(jù)患者口腔以及身體的特點、尺寸、結(jié)構(gòu)專門設(shè)計、專門制造,實現(xiàn)個性化制作。4.3復雜曲面金屬薄板成形工藝利用漸進成形的方法相比一次拉伸成形的傳統(tǒng)工藝能成形出曲面更復雜、延伸率更高的成形件,不僅可成形一般的金屬薄板成形件,還可成形那些用傳統(tǒng)工藝加工不出來的具有復雜曲面的工件。圖9所示為漸進成形工藝加工的各種工藝品及生活用品。5漸進成形設(shè)備三維非軸對稱零件的漸進成形通?？梢栽跀?shù)控立銑加工機床上進行(將數(shù)控銑床的的切削刀具換成成形工具),但其承載能力受到限制,其成形工具在成形過程中速度慢且不可變,不滿足板材分層加工需要的高速度和變速成形。日本AMINO公司制造了專用的數(shù)控漸進成形機,并已實現(xiàn)了設(shè)備的系列化。莫健華等自主研制了金屬板料數(shù)字化漸進成形設(shè)備,與湖北省三環(huán)集團黃石鍛壓機床有限公司合作研制了國內(nèi)第一臺數(shù)控無模成形機,并開發(fā)了相應的系統(tǒng)控制軟件,該設(shè)備的最大加工范圍為800mm×500mm×300mm,通過一系列的工藝實驗及汽車覆蓋件的產(chǎn)品試制,取得了良好的效果。