金属板材数字化渐进成形技术的应用

金属板材数字化渐进成形技术的应用

0渐进成形技术金属板材广泛应用于制造业。然而，传统的工艺需要使用模具，周期长，成本高，因此很难适应小批量产品和样品的需要。20世纪90年代初,松原茂夫提出了一种新型的金属板材数字化渐进成形技术,为新产品的快速开发提供了一种先进手段。板材数字化渐进成形技术具有无需专用模具、可提高板材成形极限、可用于加工变形程度大、形状非常复杂的板材零件、易于实现板材成形自动化等特点,适用于航空航天、汽车工业和民用产品的小批量、多品种、难成形的钣金件加工及相应的新品研制,具有广泛的应用前景,是一项很有发展前途的先进制造技术。本文综合分析了近年来板材数字化渐进成形技术的研究成果,对该技术的主要研究领域、最新应用成果以及设备进行探讨和归纳,提出了数字化渐进成形技术急待解决的重要问题,以期为该技术的进一步深入研究与发展提供参考。1渐进成形过程金属板材渐进成形是引入快速原型制造技术(rapidprototyping)的分层制造(layeredmanufacturing)的思想,将复杂的三维数字模型沿高度方向离散成许多断面层(即分解成一系列等高线层),并生成各等高线层面上的加工轨迹,成形工具在计算机控制下沿该等高线层面上的加工轨迹运动,使板材沿成形工具轨迹包络面逐次变形,即以工具头的运动所形成的包络面来代替模具的型面,以对板材进行逐次局部变形代替整体成形,最终将板材成形为所需的工件,其成形过程如图1所示。首先将被成形板材置于一个顶支撑模型上(图1a),在板材四周用压板和托板夹紧板材,托板可沿导柱自由上下滑动。成形时,工具头先走到指定位置,并对板材设定压下量,然后根据控制系统的指令,按照第一层截面轮廓的成形轨迹要求,以走等高线的方式对板材实行渐进塑性加工(图1b);形成所需的第一层截面轮廓后,工具头压下设定高度,再按第二层截面轮廓轨迹要求运动,并形成第二层轮廓;如此重复,使板材逐次进行局部变形最终成形为所需要的工件。在成形简单形状零件时,只需在板材底部进行简单支撑;在成形复杂曲面形状的工件时,需要一个类似工件形状的支撑。这种成形过程是对板材进行渐进变薄拉延的过程,工件成形区域的材料的厚度将会减薄(图1中A部分),其减薄后的厚度t与成形半锥角θ(图1)有关,它们符合正弦规律,即t=t0sinθ(1)式中,t为板料成形区厚度;t0为板料成形前的厚度;θ为板料成形面与垂直方向的夹角。由正弦定律可知,成形半锥角θ越大,变形区厚度t越大,因而板材越不容易破裂;成形半锥角越小,则变形区厚度t越小,板材容易发生破裂。当θ达到某一值时,板材变形区发生破裂,故此时夹角θ的大小可作为板料成形是否破裂的判断值,称其为成形极限半锥角。数字化渐进成形包括正向成形(有模成形)和反向成形(无模成形)两种方式。正向渐进成形如图2a所示,正向渐进成形工具头沿着模型的外表面成形,板材的边缘随着工具头的下降而下降,直至成形完成;反向渐进成形如图2b所示,通常不需要模具,板材的边缘固定而不下降,工具头由边缘向心部逐层辗压板材,直至成形完成。2有限元分析及制定金属板材数字化渐进成形的整个工作过程如图3所示,以汽车覆盖件车门的成形为例,其过程如下:①首先在计算机上用三维CAD软件建立工件的三维数字模型;②进行成形工艺分析、工艺规划,制造工艺辅助装置;③用专用的切片软件对三维模型进行分层(切片)处理,并进行成形路径规划;④生成成形轨迹文件,进行成形速度规划,最终对加工轨迹源文件进行处理并产生NC代码;⑤将NC代码输入控制用计算机,控制板料成形机成形出所需工件形状;⑥对成形件进行后续处理,形成最终产品。3智能化制造技术金属板材数字化渐进成形技术将快速成形技术和塑性成形技术有机结合,是涉及力学、摩擦学、塑性成形技术、数控技术、CAD/CAM等综合性、跨学科的先进智能化制造技术,是目前塑性加工领域的研究前沿,在理论上也具有重要的研究意义。世界各国学者都对该新工艺表现出了浓厚的兴趣,近期的研究主要集中在以下四个方面。3.1渐进成形工艺空间的优化工艺规划和成形轨迹的优化是金属板材数字化渐进成形技术能否成功地成形工件、提高成形精度的重要一环,是金属板材数字化渐进成形技术中需要解决的重要课题。板材渐进成形中壁厚的减薄应符合式(1)所示的正弦定律,因此对于那些含有小成形角部分的工件,需要对成形过程进行规划,用多次预成形的方法使该部分的形状逐渐逼近所需要的形状尺寸。北泽君义等在半球壳体的渐进成形过程中,通过检测不同加载轨迹对应变分配的影响进行渐进成形过程对金属流动控制方面的实验,得出渐进成形是一个近似平面应变状态的变形且加载轨迹的不同能影响最终的应变分布的结论。吉川腾幸主要以方形直壁件为例研究了直壁件成形的路径规划问题,系统地规划了各道次的成形轨迹及工艺方案,并通过实验分析了直壁件角部过渡圆角半径对直壁成形的影响。他的研究成果使直接通过调整加工轨迹完成难以成形的直壁件成形成为可能,更加体现了渐进成形工艺的柔性,对于路径规划研究具有重要的借鉴作用。Shim等认为剪应力在渐进成形的板材变形中起决定作用,他们对板厚方向发生的应变进行了预测,并依次对成形工艺进行了规划,采用两次成形、螺旋进给方式进行加工。丁勇、莫健华等主要围绕板材数字化渐进成形技术工艺规划的一般原则的建立和成形轨迹优化方法及其软件实现展开研究,针对采用现有UG软件生成的切削加工轨迹在板材加工中的不适用性,即进退点集中所造成的成形工件压痕与破裂问题进行分析,提出通过软件处理使进退点均布化处理,从而解决了上述问题。金属板材数字化渐进成形过程中,若成形方向总是一致的,则由于工具头和金属板材之间存在很大的摩擦力,在成形比较深的零件时容易造成成形后零件材料单方向的堆积,甚至整体扭曲,影响成形后的精度和质量,毛锋采用轨迹环正逆相间的加工方式以疏散材料的流动累积和单方向堆积,避免形状扭转。3.2渐进成形极限应变值的确定数字化渐进成形是板材局部辗压变形的连续积累而达到整体成形的一种成形方法,它比传统成形技术更充分地利用了材料的成形潜力,可以大幅度提高板材的成形极限。北泽君义等认为成形极限是由成形工具移动方向上板材发生破裂所决定的,据此,他们通过相应实验方法来确定渐进成形极限,发现破裂发生在图2b中的圆弧顶端,并沿球头移动的方向蔓延;对不同厚度的硬铝板以及软铝、钛等材料,通过改变压下量Δh所测得的渐进成形极限应变比普通压力成形的极限应变要大,而且渐进成形极限应变受Δh的影响比较大,它随着Δh的减小而增大,因而他们得出了压下量Δh、增量应变对成形极限有着重要影响的结论。戴昆等对多道次成形能提高成形极限的问题进行了详细分析。图4所示是Filice等使用不同方法成形方锥台形件(材料AA1050-0,板厚1.21mm)后测得的板材的成形极限曲线(forminglimitcurve,FLC),可见,与常规成形方法相比,渐进成形可大幅度提高板材塑性变形能力。3.3渐进成形数值模拟有限元法与其他模拟方法相比,有限元法模拟精度高,信息丰富,并能考虑多因素的影响,是一种可靠性高的工艺设计方法,适用于对成形过程的精确模拟。近年来,随着计算机技术和有限元技术的发展,有限元法在数字化渐进成形中逐步得到了应用。常用于渐进成形模拟分析的有限元商用软件有ANSYS、PAM-STAMP、MARC、ABAQUS等。Iseki使用有限元方法对渐进成形中所存在的独特的平面应变现象进行了数值模拟,较好地解释了试验中铝板成形的一些变形问题。文献分别对板材成形过程的应力应变分布、板厚变化以及成形过程中工具头对板材的成形力进行了模拟分析。Bambach等模拟了多道次成形直壁件中圆角部位的起皱并进行了试验验证。Bambach等还利用显式算法和隐式算法对工件成形后的回弹和残余应力分布进行了模拟,图5所示为通过有限元计算的方锥台形件渐进成形后的板厚分布。渐进成形数值模拟中的关键问题就是工具头运动轨迹的设置,Bambach等提出将渐进成形中的NC代码通过转换算法变为点坐标的形式,在模拟中使工具头沿点的坐标运动,使模拟和实际加工的工况一致。虽然目前对数字化成形的数值模拟研究还不完善,主要集中于轴对称的圆锥台和方锥台形件的模拟,并且采用商用软件进行模拟的居多,但已显示了其无比的优越性和强大的生命力。3.4渐进成形回弹控制金属板材数字化渐进成形过程中存在着回弹变形问题。板材经历从回弹前与工具头保持接触时的内应力平衡状态过渡到工具头卸载、接触外力去除之后内应力重新平衡的过程,工具头从接触点移开后坯料立刻产生回弹,表现为随着工具头的运动,工件已成形部分会产生鼓凸,因此,渐进成形工件的最后形状是其整个成形和局部回弹历史的累积效应的结果,从而使成形工件与其设计目标形状之间产生差异,工件的形状和尺寸将达不到所需要的精度,而成形精度也成为制约渐进成形工艺推广的关键问题。目前,渐进成形的回弹控制也是该工艺国内外的研究热点之一,甘文星提出,通过使用背压板以及增大成形角度θ的方法来改变板材应力应变状态,使工件发生充分的塑性变形,减小成形时的弯曲成分,就可以达到抑制或减小回弹的目的。工具头运动路径修正是板材渐进成形回弹控制的有效方法。为提高渐进成形精度,Bambach等进行了成形路径的实验迭代修正方法的研究,其基本算法是,经测量后的实际成形形状与目标形状配准,以目标形状为镜面做相应节点的反向镜像,从而生成新的补偿形状,目的是希望通过较少的实验迭代次数完成板壳件成形形状的快速有效修正。Ambrogio等通过建立简化的二维有限元计算模型计算出回弹结果,然后根据回弹结果产生修形信息,直接修改有限元模型中工具头运动型线的节点坐标,再进行有限元计算,修正过程反复进行,直到回弹误差达到要求。北泽君义等提出利用神经网络进行板材渐进成形形状的智能控制,工件在反向成形后出现回弹,再进行正向成形来补偿回弹,在此过程中运用神经网络来预测需补偿的回弹量,经过多次迭代成形可接近目标形状。4塑性加工技术金属板材数字化渐进成形是针对现代社会要求产品日益多样化、产品的设计不断创新、产品更新换代快等特点而提出的的塑性加工技术,它适应产品的创新设计,适应多品种、少批量生产,适应交货时间短、快速响应用户需要等要求,该技术可以直接应用于汽车工业、航空航天飞行器、医疗器具、家居装饰品、厨房用具、洁具、工艺美术品等产品的制造上,对提高我国相关企业的市场竞争力有重要的意义。4.1数字化渐进成形技术目前,国际市场上每年都有大批新车型问世,必须快速、低成本和高质量地开发出新车型。但传统工艺需要采用模具加工,而传统模具的设计和试制过程周期长、费用高,在很大程度上影响了新产品的开发周期和成本。数字化渐进成形技术用于汽车覆盖件的制造,省去了产品开发过程中因模具设计、制造、实验修改等复杂过程所耗费的时间和资金,缩短了新产品开发的周期,降低了成本。它不仅适合于新车型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。华中科技大学对汽车覆盖件的数字化渐进成形工艺展开了研究,加工了汽车门及翼子板等部件,图6所示为车辆工业中的各种数字化渐进成形零件。本田汽车公司已经利用数字化渐进成形技术进行了FitHB型概念车覆盖件的成形,并已投入设计生产。4.2渐进成形工艺在骨折修复体中的应用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。板材数字化渐进成形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。Douflou等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,工艺过程如图7所示:首先根据多张CT断层图像三维重建颅骨模型,得到颅骨缺损部位的三维模型(图7a),最终实现缺损修复体的数字化渐进成形加工(图7b、图7c)。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(图8a),Ambrogio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(图8b)。可见渐进成形可以根据患者口腔以及身体的特点、尺寸、结构专门设计、专门制造,实现个性化制作。4.3复杂曲面金属薄板成形工艺利用渐进成形的方法相比一次拉伸成形的传统工艺能成形出曲面更复杂、延伸率更高的成形件,不仅可成形一般的金属薄板成形件,还可成形那些用传统工艺加工不出来的具有复杂曲面的工件。图9所示为渐进成形工艺加工的各种工艺品及生活用品。5渐进成形设备三维非轴对称零件的渐进成形通常可以在数控立铣加工机床上进行(将数控铣床的的切削刀具换成成形工具),但其承载能力受到限制,其成形工具在成形过程中速度慢且不可变,不满足板材分层加工需要的高速度和变速成形。日本AMINO公司制造了专用的数控渐进成形机,并已实现了设备的系列化。莫健华等自主研制了金属板料数字化渐进成形设备,与湖北省三环集团黄石锻压机床有限公司合作研制了国内第一台数控无模成形机,并开发了相应的系统控制软件,该设备的最大加工范围为800mm×500mm×300mm,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。