金屬板材數(shù)字化漸進(jìn)成形技術(shù)的應(yīng)用

金屬板材數(shù)字化漸進(jìn)成形技術(shù)的應(yīng)用

0漸進(jìn)成形技術(shù)金屬板材廣泛應(yīng)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(yīng)小批量產(chǎn)品和樣品的需要。20世紀(jì)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(jìn)成形技術(shù),為新產(chǎn)品的快速開發(fā)提供了一種先進(jìn)手段。板材數(shù)字化漸進(jìn)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(fù)雜的板材零件、易于實(shí)現(xiàn)板材成形自動(dòng)化等特點(diǎn),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(yīng)的新品研制,具有廣泛的應(yīng)用前景,是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的先進(jìn)制造技術(shù)。本文綜合分析了近年來板材數(shù)字化漸進(jìn)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(yīng)用成果以及設(shè)備進(jìn)行探討和歸納,提出了數(shù)字化漸進(jìn)成形技術(shù)急待解決的重要問題,以期為該技術(shù)的進(jìn)一步深入研究與發(fā)展提供參考。1漸進(jìn)成形過程金屬板材漸進(jìn)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(fù)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(jì)算機(jī)控制下沿該等高線層面上的加工軌跡運(yùn)動(dòng),使板材沿成形工具軌跡包絡(luò)面逐次變形,即以工具頭的運(yùn)動(dòng)所形成的包絡(luò)面來代替模具的型面,以對板材進(jìn)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(gè)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(dǎo)柱自由上下滑動(dòng)。成形時(shí),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(shí)行漸進(jìn)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(yùn)動(dòng),并形成第二層輪廓;如此重復(fù),使板材逐次進(jìn)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(shí),只需在板材底部進(jìn)行簡單支撐;在成形復(fù)雜曲面形狀的工件時(shí),需要一個(gè)類似工件形狀的支撐。這種成形過程是對板材進(jìn)行漸進(jìn)變薄拉延的過程,工件成形區(qū)域的材料的厚度將會(huì)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(dāng)θ達(dá)到某一值時(shí),板材變形區(qū)發(fā)生破裂,故此時(shí)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(jìn)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(jìn)成形如圖2a所示,正向漸進(jìn)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(jìn)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(jìn)成形的整個(gè)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(jì)算機(jī)上用三維CAD軟件建立工件的三維數(shù)字模型;②進(jìn)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(jìn)行分層(切片)處理,并進(jìn)行成形路徑規(guī)劃;④生成成形軌跡文件,進(jìn)行成形速度規(guī)劃,最終對加工軌跡源文件進(jìn)行處理并產(chǎn)生NC代碼;⑤將NC代碼輸入控制用計(jì)算機(jī),控制板料成形機(jī)成形出所需工件形狀;⑥對成形件進(jìn)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(jìn)成形技術(shù)將快速成形技術(shù)和塑性成形技術(shù)有機(jī)結(jié)合,是涉及力學(xué)、摩擦學(xué)、塑性成形技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM等綜合性、跨學(xué)科的先進(jìn)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(xué)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(gè)方面。3.1漸進(jìn)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(jìn)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(jìn)成形技術(shù)中需要解決的重要課題。板材漸進(jìn)成形中壁厚的減薄應(yīng)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(jìn)行規(guī)劃,用多次預(yù)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(jìn)成形過程中,通過檢測不同加載軌跡對應(yīng)變分配的影響進(jìn)行漸進(jìn)成形過程對金屬流動(dòng)控制方面的實(shí)驗(yàn),得出漸進(jìn)成形是一個(gè)近似平面應(yīng)變狀態(tài)的變形且加載軌跡的不同能影響最終的應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(rèn)為剪應(yīng)力在漸進(jìn)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(yīng)變進(jìn)行了預(yù)測,并依次對成形工藝進(jìn)行了規(guī)劃,采用兩次成形、螺旋進(jìn)給方式進(jìn)行加工。丁勇、莫健華等主要圍繞板材數(shù)字化漸進(jìn)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(shí)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(jìn)退點(diǎn)集中所造成的成形工件壓痕與破裂問題進(jìn)行分析,提出通過軟件處理使進(jìn)退點(diǎn)均布化處理,從而解決了上述問題。金屬板材數(shù)字化漸進(jìn)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(shí)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(dòng)累積和單方向堆積,避免形狀扭轉(zhuǎn)。3.2漸進(jìn)成形極限應(yīng)變值的確定數(shù)字化漸進(jìn)成形是板材局部輾壓變形的連續(xù)積累而達(dá)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(rèn)為成形極限是由成形工具移動(dòng)方向上板材發(fā)生破裂所決定的,據(jù)此,他們通過相應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法來確定漸進(jìn)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(dòng)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(jìn)成形極限應(yīng)變比普通壓力成形的極限應(yīng)變要大,而且漸進(jìn)成形極限應(yīng)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(yīng)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(jìn)行了詳細(xì)分析。圖4所示是Filice等使用不同方法成形方錐臺(tái)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(jìn)成形可大幅度提高板材塑性變形能力。3.3漸進(jìn)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(jì)方法,適用于對成形過程的精確模擬。近年來,隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)成形中逐步得到了應(yīng)用。常用于漸進(jìn)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(jìn)成形中所存在的獨(dú)特的平面應(yīng)變現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬,較好地解釋了試驗(yàn)中鋁板成形的一些變形問題。文獻(xiàn)分別對板材成形過程的應(yīng)力應(yīng)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(jìn)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(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)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(yīng)力分布進(jìn)行了模擬,圖5所示為通過有限元計(jì)算的方錐臺(tái)形件漸進(jìn)成形后的板厚分布。漸進(jìn)成形數(shù)值模擬中的關(guān)鍵問題就是工具頭運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)置,Bambach等提出將漸進(jìn)成形中的NC代碼通過轉(zhuǎn)換算法變?yōu)辄c(diǎn)坐標(biāo)的形式,在模擬中使工具頭沿點(diǎn)的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng),使模擬和實(shí)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(tái)和方錐臺(tái)形件的模擬,并且采用商用軟件進(jìn)行模擬的居多,但已顯示了其無比的優(yōu)越性和強(qiáng)大的生命力。3.4漸進(jìn)成形回彈控制金屬板材數(shù)字化漸進(jìn)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(shí)的內(nèi)應(yīng)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(yīng)力重新平衡的過程,工具頭從接觸點(diǎn)移開后坯料立刻產(chǎn)生回彈,表現(xiàn)為隨著工具頭的運(yùn)動(dòng),工件已成形部分會(huì)產(chǎn)生鼓凸,因此,漸進(jìn)成形工件的最后形狀是其整個(gè)成形和局部回彈歷史的累積效應(yīng)的結(jié)果,從而使成形工件與其設(shè)計(jì)目標(biāo)形狀之間產(chǎn)生差異,工件的形狀和尺寸將達(dá)不到所需要的精度,而成形精度也成為制約漸進(jìn)成形工藝推廣的關(guān)鍵問題。目前,漸進(jìn)成形的回彈控制也是該工藝國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)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(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),使工件發(fā)生充分的塑性變形,減小成形時(shí)的彎曲成分,就可以達(dá)到抑制或減小回彈的目的。工具頭運(yùn)動(dòng)路徑修正是板材漸進(jìn)成形回彈控制的有效方法。為提高漸進(jìn)成形精度,Bambach等進(jìn)行了成形路徑的實(shí)驗(yàn)迭代修正方法的研究,其基本算法是,經(jīng)測量后的實(shí)際成形形狀與目標(biāo)形狀配準(zhǔn),以目標(biāo)形狀為鏡面做相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的反向鏡像,從而生成新的補(bǔ)償形狀,目的是希望通過較少的實(shí)驗(yàn)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(jì)算模型計(jì)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(yùn)動(dòng)型線的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),再進(jìn)行有限元計(jì)算,修正過程反復(fù)進(jìn)行,直到回彈誤差達(dá)到要求。北澤君義等提出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行板材漸進(jìn)成形形狀的智能控制,工件在反向成形后出現(xiàn)回彈,再進(jìn)行正向成形來補(bǔ)償回彈,在此過程中運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測需補(bǔ)償?shù)幕貜椓?經(jīng)過多次迭代成形可接近目標(biāo)形狀。4塑性加工技術(shù)金屬板材數(shù)字化漸進(jìn)成形是針對現(xiàn)代社會(huì)要求產(chǎn)品日益多樣化、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新、產(chǎn)品更新?lián)Q代快等特點(diǎn)而提出的的塑性加工技術(shù),它適應(yīng)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì),適應(yīng)多品種、少批量生產(chǎn),適應(yīng)交貨時(shí)間短、快速響應(yīng)用戶需要等要求,該技術(shù)可以直接應(yīng)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(jìn)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(jì)和試制過程周期長、費(fèi)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(jìn)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(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)修改等復(fù)雜過程所耗費(fèi)的時(shí)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(jì)的驗(yàn)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(jìn)行小批量生產(chǎn)。華中科技大學(xué)對汽車覆蓋件的數(shù)字化漸進(jìn)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(jìn)成形零件。本田汽車公司已經(jīng)利用數(shù)字化漸進(jìn)成形技術(shù)進(jìn)行了FitHB型概念車覆蓋件的成形,并已投入設(shè)計(jì)生產(chǎn)。4.2漸進(jìn)成形工藝在骨折修復(fù)體中的應(yīng)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(bǔ)術(shù)中,與患者缺損部位形狀相吻合的修復(fù)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(bǔ)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(fù)體,但這種方法制備時(shí)間長、費(fèi)用昂貴,一般患者難以接受。板材數(shù)字化漸進(jìn)成形的一種可能應(yīng)用領(lǐng)域就是利用生物鈦合金板進(jìn)行顱骨修復(fù)。Douflou等利用漸進(jìn)成形技術(shù)對顱骨修補(bǔ)進(jìn)行了初步研究,并利用鋁板進(jìn)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(shí)現(xiàn)缺損修復(fù)體的數(shù)字化漸進(jìn)成形加工(圖7b、圖7c)。此外,田中繁一等利用漸進(jìn)成形對純鈦板進(jìn)行加工得到義齒基托(圖8a),Ambrogio等對人體腳模進(jìn)行三維激光反求得到腳踝的實(shí)體數(shù)字化模型,再利用漸進(jìn)成形得到踝足矯形器(圖8b)?？梢姖u進(jìn)成形可以根據(jù)患者口腔以及身體的特點(diǎn)、尺寸、結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)、專門制造,實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制作。4.3復(fù)雜曲面金屬薄板成形工藝?yán)脻u進(jìn)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(fù)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(fù)雜曲面的工件。圖9所示為漸進(jìn)成形工藝加工的各種工藝品及生活用品。5漸進(jìn)成形設(shè)備三維非軸對稱零件的漸進(jìn)成形通常可以在數(shù)控立銑加工機(jī)床上進(jìn)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(jìn)成形機(jī),并已實(shí)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(jìn)成形設(shè)備,與湖北省三環(huán)集團(tuán)黃石鍛壓機(jī)床有限公司合作研制了國內(nèi)第一臺(tái)數(shù)控?zé)o模成形機(jī),并開發(fā)了相應(yīng)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(shí)驗(yàn)及汽車覆蓋件的產(chǎn)品試制,取得了良好的效果。