不规则曲面钣金工件的成形分析

本文介绍了一种不规则曲面钣金工件的成形分析、加工以及检测工装设计方法，解决了不规则曲面的成形问题，为复杂钣金件成形提供了思路。同时从车间生产实际出发，运用合理的加工手段，提高了工作效率，降低了制造成本。钣金件作为机车钢结构的重要组成部分，制件种类多，数量大，钣金件的成形质量直接影响后工序机车钢结构焊接的顺利开展和焊接质量能否达到技术要求。随着机车流线形车体的运用，出现了一类存在不规则曲面的工件。在近期试制的160km/h动力集中式动车组动力车中，就有这类工件，而传统的钣金加工方式，一方面难以判断曲面形状，为变形加工带来困难；另一方面需要进行多次工艺试验，才能确定展开外形尺寸，不能满足车间生产需要。本文主要以动力车底架中工件AJC1029081G030边立板2为例，利用三维软件CATIA，对此不规则曲面钣金成形工件进行成形分析，为此类工件的成形问题提供解决思路。工件分析与加工工件难点分析图1AJC1029081G030边立板2设计图如图1所示，工件选用材料为Q460E，厚度为5mm，未注公差标准执行ISO2768-cL。工件难点如下：(1)曲面未知，常规手段无法确定曲面参数，若采用压型模整体成形成本太高；(2)工件曲面较为不规则，若采用传统工艺方法，必须多次试验确定展开尺寸；(3)工件与以往制件不同，传统检测手段无法实现对工件外形曲面的检测。工件成形分析(1)模型提取。建立此工件的三维模型，但其模型无参数与建模过程，无法直接使用，必须进行提取（图2），并确定图3所示的合理的工件成形基准，设置工件与基准面的相对位置，为工件成形与检测工装设计提供基础。图2模型提取后的曲面图3设置合理的成形基准(2)模型曲面曲率分析。从图2中可以看出，直接从模型中无法看到曲面的具体形状，因此利用提取后的三维模型，通过CATIA分析的曲率分析功能，对曲面曲率进行初步分析。曲率分析云图如图4所示，由图可知，工件待成形曲面在Y与Z两个方向上均存在曲率变化，与以往加工过的单一方向曲率变化的工件有明显不同。通过曲率分析，可以确定工件曲率变化的大致走向，在该类工件的变形加工中，必须利用曲率分析得到的结果，采用合理的成形方式，服务于加工过程，才能得到符合设计要求的合格工件。图4曲面曲率分析(3)成形方法选择。在成形方法的选择上，车间一般的变形成形方法有折弯机成形，压力机整体成形以及三辊卷板机成形等，结合曲面分析的结果，可以判断出大致的变形路线，考虑车间生产实际以及经济因素后，决定采用三辊卷板机成形与手工热变形调整相结合的办法，对工件进行成形加工，加工示意图如图5所示，三辊卷板机两动辊驱动着工件进入卷板机，工件被定辊挤压，通过不断调整定辊位置，逐渐将板材在卷板机中形成Z方向的大致曲面形状，而由于Y方向工件长度较短，通过手工修形，比对检测工具，进一步调整Y方向曲面形状，边比对，边修形，最终达到设计要求。图5三辊加工示意图工件展开工件展开指的是通过计算将钣金工件从设计图转化为展开图，也就是未经变形的工件样式，确定所需板材的形状以及所需板材的大小，如果使用传统的钣金工件展开方法，一般通过经验计算，得出大致的展开尺寸，但是运用传统方法会带来诸多问题：(1)经验展开方式效率低，无法准确计算展开尺寸，需要多次试验才能得到一个大致样式，使物料和人工造成大量浪费；(2)利用传统方法，由于展开尺寸并不准确，势必要在工件边缘留工艺余量，待成形结束后，再通过检测工具，确定需要去除的多余材料。通常的切割手段包括手动等离子以及氧乙炔手工火焰切割，使用手工切割手段，一方面增加了工件加工工时；另一方面手动切割方法得到的切割断面粗糙，如果切割面处有坡口或其他工艺结构，变形后再加工，可能会为后工序的铣削或刨削加工带来很大困难，或者因为定位和装卡问题，根本无法进行后续机加工。由此可以看出，传统的展开方法不适用于这种不规则曲面钣金工件的成形准备，必须采用一种经济又准确的方法，在展开下料阶段，就准确确定待成形工件的展开尺寸，才能满足产品质量要求和经济要求。基于以上分析，在CATIA中利用钣金模块GenerativeSheetMetalDesign中的Hopper功能，对提取出的曲面钣金化后，对钣金工件进行展开，然后生成二维平面展开图（图6）。利用CATIA进行的工件展开操作，速度快，计算机自动计算得到的展开图，精度高，展开操作简便，激光、等离子或数控火焰排料可直接运用，经过长期的生产检验，展开精度完全能够符合工艺要求。图6展开后的工件工件检测工装设计这种不规则曲面工件，如果使用车间常用的样板、钢卷尺等检测工具进行检测，难以满足要求，必须设计制造一种用于检测工件曲面是否符合三维模型的专用工装。通过运用CATIA关联设计的思路，以提取后的工件模型为工装三维设计的骨架文件，考虑检测精度、工装重量以及经济性，利用四个位置的截面曲线作为检测位置，激光切割出四个曲线样板，焊接组成一个整体工装，如图7所示。将待检测工件放置到图7所示的检测工装上，根据工件与工装之间的贴合度，判断工件曲面是否与设计模型相符合。图7检测工装模型结束语通过三维软件对不规则形状的钣金工件