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金属板材无模成形技术发展综述.pdf

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金属 板材 成形 技术发展 综述
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 Vol. 4 No. / Feb.  010 金属板材无模成形技术发展综述 杜如虚 何凯 李赳华 罗远新 摘 要 金 属 板 材 无 模 成 形 技 术 是 近 二 十 年 来 薄 板 成 形 领 域 的 研 究 热 点 之 一 。 介 绍 了 该 技 术 的 发 展 状 况 , 从 无 模 成 形 概 念 的 提 出 , 到 无 模 多 点 成 形 , 再 发 展 到 数 字 化 无 模 渐 进 成 形 , 阐 述 了 数 字 化 渐 进 成 形 技 术 的 原 理 、 特 点 及 应 用 , 重 点 对 数 字 化 渐 进 成 形 技 术 的 发 展 和 国 内 外 研 究 现 状 进 行 了 较 为 系 统 的 归 纳 和 总 结 , 特 别 介 绍 了 冲 压 式 无 模 渐 进 成 形 这 一 新 技 术 , 最 后探讨了金属板材无模成形技术的发展趋势和研究方向。 关键词 金属板材;无模成形;渐进成形;冲压 1 引言金 属 板 料 成 形 与 切 削 加 工 等 方 法 相 比 , 不 仅 具 有 更 高 的 生 产 效 率 , 而 且 能 获 得 更 高 的 材 料 利 用 率 , 因 而 在 制 造 业 中 有 着 广 泛 的 应 用 , 特 别 是 在 汽 车 、 宇 航 、 船 舶 、 兵 工 、 家 电 和 日 用 品 等 工 业 部 门 , 对 国 民 经 济 的 发 展 起 着 十 分 重 要 的 作 用 。在 传 统 板 料 成 形 方 法 中 , 模 具 成 形 方 法 生 产 效 率 高 、 加 工 件 的 精 度 高 、 适 合 大 批 量 生 产 , 多 年 来 一 直 占 据 着 主 导 地 位 。 但 缺 点 是 模 具 设 计 制 造 周 期 长 , 维 护 费 用 高 , 往 往 成 形 一 个 零 件 需 要 多 个 模 具 , 造 成 新 产 品 开 发 周 期 长 , 成 本 高 , 而 且 缺 乏 柔 性 , 产 品 稍 作 改 变 后 模 具 需 要 重 新 设 计 更 换 。 以 汽 车 覆 盖 件 为 例 , 需 要 经 过 模 具 设 计 、 制 造 、 试 验 、 修 改 等 一 系 列 过 程 才 能 投 入 生 产 , 试 制 过 程 耗 时 、 耗 资 , 新 车 型 开 发 的 周 期 拉 长 、 成 本 增 加 , 不 利 于 汽 车 厂 家 迅 速 推 广 新 产 品 和 占 领 市 场 。 特 别 是 我 国 的 一 些 汽 车 厂 家 不 得 不 从 国 外 购 置 新 车 型 的 汽 车 覆 盖 件 模 具 , 价 格 不 菲 ; 或 者 由 熟 练 技 师 手 工 制 作 模 具 , 效 率 低 而 且 精 度 难 以 保 证 。目 前 , 在 市 场 需 求 不 断 变 化 的 驱 动 下 , 制 造 业 的 生 产 规 模 沿 着 “ 小 批 量 - 少 品 种 大 批 量 - 多 品 种 变 批 量 ” 的 方 向 发 展 。 作 为 广 泛 应 用 于 制 造 业 的 板 料 成 形 技 术 , 我 们 需 要 不 断 探 索 其 新 方 法 和 新 工 艺 , 缩 短 新 产 品 的 开 发 周 期 , 满 足 多 品 种 小 批 量 和 样 品 试 制 的 需 求 , 实 现 板 料 的 高 效 、 快 速 、 柔 性 成 形 , 这 是 板 料 成 形 技 术 的 发 展 趋 势 。因 此 , 一 些 新 型 的 板 料 成 形 技 术 应 运 而 生 , 如 : 喷 丸 成 形 [ 1 ] 、 激 光 成 形 [ 2 ] 、 无 模 多 点 成 形 [ 3 ] 、 水 射 流 无 模 成 形 技 术 [ 4 ] 、 数 字 化 渐 进 成 形 [ 5 ] 等 。 这 些 技 术 都 实 现 了 板 料 的 无 模 成 形 , 具 有 很 大 的 柔 性 , 极 大 地 降 低 了 新 产 品 开 发 的 周 期 和 成 本 。 2 金属板材无模成形技术的发展与研究 2.1 金属板材无模成形概念的提出上 世 纪 6 0 年 代 , 美 国 人 E d w a r d L e s z a k 发 明 了 一 种 可 以 加 工 回 转 类 零 件 的 渐 进 无 模 成 形 装 置 , 也 是 首 次 提 出 渐 进 式 无 模 成 形 的 概 念 [ 6 ] 。 近 二 十 多 年 来 , 国 内 外 许 多 学 者 对 板 料 无 模 成 形 技 术 进 行 了 大 量 的 研 究 , 并 取 得 了 一 些 重 要 的 成 果 。上 个 世 纪 7 0 年 代 末 , 日 本 学 者 开 发 出 一 种 成 形 锤 成 形 法 , 用 刚 性 冲 头 和 弹 性 下 模 对 板 料 进 行 局 部 锤 击 成 形 , 如 图 1 ( a ) 所 示 [ 7 ] 。 2 0 世 纪 9 0 年 代 , 日 本 学 者 T a n a k a 对 这 种 方 法 做 了 改 进 , 板 材 被 机 械 臂 夹 持 固 定 , 机 械 臂 带 动 板 材 沿 X 轴 和 Y 轴 旋 转 , 如 图 1 ( b ) 所 示 [ 8 ] 。 这 种 方 法 成 形 速 度 快 , 只 能 成 形 形 状 简 单 的 零 件 , 并 且 成 形 后 留 有 锤 击 压 痕 , 表 面 质 量 较 差 , 必 须 进 行 后 续 处 理 。(a) (b) 图1 成形锤成形法 2.2 金属板材无模多点成形技术无 模 多 点 成 形 技 术 , 是 把 模 具 曲 面 离 散 成 有 限 个 高 度 分 别 可 调 的 基 本 单 元 , 用 多 个 基 本 单 元 代 替 传 统 的 模 具 进 行 板 材 的 三 维 曲 面 成 形 , 如 图 2 所 示 。 我 国 吉 林 大 学 李 明 哲 教 授 课 题 组 对 多 点 成 形 技 术 的 成 形 机 金属板材无模成形技术发展综述 理 、 过 程 模 拟 、 变 形 反 弹 等 进 行 了 较 为 系 统 的 研 究 , 并 设 计 制 造 了 板 材 无 模 多 点 成 形 设 备 , 实 现 了 多 点 成 形 技 术 的 实 际 应 用 [ 9 ] , 如 图 3 所 示图2 多点成形技术 图3 多点成形技术加工马鞍形曲面 2.3 金属板材数字化渐进成形技术2 0 世 纪 9 0 年 代 日 本 学 者 松 原 茂 夫 提 出 一 种 金 属 板 料 数 字 化 渐 进 成 形 技 术 , 采 用 快 速 原 型 技 术 中 “ 分 层 制 造 ” 的 思 想 , 将 复 杂 的 三 维 钣 金 件 的 整 体 成 形 分 解 成 为 一 系 列 二 维 局 部 塑 性 成 形 , 实 现 手 段 一 般 是 在 数 控 铣 床 上 利 用 成 形 工 具 压 头 旋 转 压 延 逐 层 依 次 成 形 [ 5 ] , 如 图 4 所 示 。 这 是 一 种 无 模 单 点 渐 进 成 形 技 术 , 按 照 成 形 过 程 中 所 需 支 撑 的 形 式 不 同 , 可 以 分 成 三 类 : 无 支 撑 , 部 分 支 撑 和 全 支 撑 [ 1 0 ] 。 日 本 A M I N O 公 司 根 据 这 种 成 形 思 想 开 发 了 无 模 渐 进 式 成 形 系 统 [ 1 1 ] , 该 系 统 是 采 用 C N C 运 动 控 制 系 统 来 控 制 球 形 工 具 头 的 运 动 轨 迹 逐 步 地 成 形 板 材 , 并 在 成 形 过 程 中 采 用 了 全 支 撑 。 A M I N O 公 司 研 制 出 了 样 机 , 可 以 用 来 加 工 汽 车 覆 盖 件 等 复 杂 制 件 , 如 图 5 所 示图4 基于CNC机床的单点渐进成形系统原理图图5 AMINO公司单点渐进成形系统及成形的零件比 利 时 D u f l o u 教 授 在 C N C 加 工 中 心 上 用 单 点 渐 进 成 形 的 方 法 制 造 出 医 疗 所 用 的 零 件 , 并 针 对 零 件 精 度 和 表 面 粗 糙 度 还 不 够 理 想 的 情 况 , 通 过 轨 迹 规 划 和 误 差 补 偿 的 方 法 做 出 了 改 进 [ 1 2 ] 。 如 加 工 图 6 所 示 设 计 的 漏 斗 形 工 件 ( 尺 寸 : 1 8 0 × 1 7 8 . 4 × 3 9 . 3 m m ) , 采 用 二 次 成 形 和 工 具 头 逆 向 成 形 组 合 的 方 法 , 成 形 的 零 件 的 几 何 误 差 为 - 2 m m 到 + 1 m m , 大 大 优 于 未 进 行 轨 迹 规 划 前 成 形 的 零 件 ( 几 何 误 差 为 - 1 . 8 m m 到 + 5 . 4 m m ) , 图 7 是 经 过 轨 迹 规 划 后 成 形 的 零 件 实 物 照 片 。图6 零件3D设计图 图7零件实物照片加 拿 大 皇 后 大 学 的 J e s w i e t 等 人 设 计 试 验 台 , 用 单 点 渐 进 成 形 的 方 法 制 造 出 一 系 列 零 件 , 测 量 出 加 工 过 程 中 载 荷 的 变 化 , 并 运 用 B o x - B e h n k e n 统 计 方 法 , 研 究 了 成 形 工 艺 参 数 , 如 材 料 类 型 、 厚 度 、 工 具 头 尺 寸 、 层 进 步 长 等 对 成 形 工 件 尺 寸 精 度 的 影 响 。 但 是 对 试 验 的 影 响 因 素 考 虑 不 够 全 面 , 试 验 数 量 也 较 少 , 没 有 能 从 塑 性 力 学 角 度 分 析 具 体 零 件 几 何 形 状 对 成 形 过 程 的 影 响 [ 1 3 ] 。 英 国 剑 桥 大 学 的 A l l w o o d 教 授 等 人 设 计 制 作 三 轴 C N C 实 验 台 , 进 行 一 系 列 实 验 , 测 量 出 加 工 过 程 中 的 载 荷 变 化 , 并 分 析 特 定 零 件 的 成 形 极 限 ; 还 在 柔 性 支 撑 下 进 行 实 验 , 但 是 试 制 零 件 精 度 不 够 理 想 [ 1 4 ] 。美 国 西 北 大 学 和 坎 布 尔 印 度 理 工 学 院 也 对 渐 进 成 形 技 术 进 行 了 研 究 , 为 了 提 高 工 件 的 精 度 和 表 面 粗 糙 度 还 提 出 了 一 种 双 边 渐 进 成 形 技 术 , 用 两 个 工 具 头 在 工 件 的 两 面 进 行 成 形 , 尽 管 实 施 有 一 定 的 局 限 性 , 但 提 供 了 一 种 新 的 思 路 [ 1 5 ] , 如 图 8 所 示图8 双边渐进成形技术以 上 这 些 渐 进 成 形 技 术 都 是 基 于 C N C 机 床 , 并 利 用 高 速 旋 转 的 球 形 或 半 球 形 工 具 头 , 对 工 件 进 行 渐 进 塑 性 成 形 。 针 对 这 种 工 作 方 式 , 还 有 许 多 学 者 对 成 形 的 过 程 进 行 了 建 模 仿 真 和 优 化 , 对 成 形 过 程 中 工 具 头 的 受 力 和 工 艺 参 数 与 润 滑 之 间 的 关 系 也 进 行 了 实 验 研 究 。 I s e k i [ 1 6 ] 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 [ 1 7 ] 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4 Vol. 4 No. / Feb.  010 工 具 头 对 板 材 的 成 形 力 进 行 了 模 拟 分 析 。 B a m b a c h 等 [ 1 8 ] 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 。还 有 一 类 的 渐 进 成 形 研 究 不 是 基 于 C N C 机 床 , 而 是 在 一 台 机 器 人 上 装 一 个 特 殊 的 加 工 系 统 , 按 给 定 的 运 动 轨 迹 , 对 工 件 进 行 逐 步 的 成 形 , 如 图 9 所 示 。 德 国 F r a u h o f e r 制 造 及 自 动 化 研 究 所 的 S c h a f e r 和 S c h a f t 设 计 了 相 应 的 试 验 平 台 [ 1 9 ] 。 它 所 采 用 的 是 一 个 小 型 的 曲 柄 滑 块 结 构 来 冲 压 板 料 , 使 它 局 部 变 形 。 芬 兰 和 德 国 学 者 还 研 究 了 基 于 机 器 人 的 两 种 不 同 渐 进 成 形 方 式 , 一 种 是 用 工 具 头 挤 压 工 件 成 形 , 另 一 种 是 工 具 头 冲 压 工 件 成 形 , 但 对 成 形 机 理 缺 乏 深 入 探 讨 。图9 基于机器人的单点渐进成形系统国 内 多 家 研 究 机 构 对 基 于 C N C 机 床 的 渐 进 成 形 技 术 进 行 了 理 论 和 实 验 研 究 , 并 取 得 了 丰 硕 的 成 果 。 哈 尔 滨 工 业 大 学 和 青 岛 大 学 对 板 材 渐 进 成 形 的 工 艺 进 行 了 分 析 , 提 出 了 渐 进 成 形 轨 迹 设 计 的 变 形 均 匀 化 原 则 和 板 料 面 内 压 应 力 最 小 原 则 [ 2 0 ] 。 华 中 科 技 大 学 莫 健 华 课 题 组 对 此 项 技 术 进 行 了 深 入 系 统 地 研 究 , 包 括 单 点 渐 进 成 形 的 机 理 、 工 艺 、 加 工 轨 迹 优 化 和 数 控 系 统 开 发 及 实 际 应 用 , 尤 其 是 特 别 研 究 了 汽 车 大 型 覆 盖 件 的 数 字 化 成 形 技 术 [ 2 1 ] 。 图 1 0 是 华 中 科 技 大 学 研 发 的 板 材 渐 进 成 形 机 床 , 图 1 1 是 通 过 此 渐 进 成 形 机 床 成 形 的 汽 车 车 门 零 件 。 南 京 航 空 航 天 大 学 、 西 北 工 业 大 学 、 吉 林 大 学 等 对 复 杂 钣 金 件 的 成 形 方 法 、 渐 进 成 形 的 可 行 性 和 成 形 机 理 也 做 了 大 量 研 究 [ 2 2 - 2 4 ] 。图10 板材渐进成形机床 图11渐进成形的汽车车门 3 冲压式渐进无模成形技术香 港 中 文 大 学 和 中 科 院 深 圳 先 进 技 术 研 究 院 提 出 一 种 冲 压 式 渐 进 无 模 成 形 技 术 , 是 在 成 形 锤 成 形 法 中 引 入 “ 分 层 制 造 ” 和 “ 活 动 支 撑 ” 的 思 想 , 与 数 字 化 渐 进 成 形 技 术 相 结 合 , 在 C N C 机 床 上 用 成 形 工 具 头 以 冲 压 的 方 式 逐 层 成 形 。 不 同 的 是 球 形 成 形 工 具 头 不 是 以 高 速 旋 转 的 方 式 对 工 件 进 行 塑 性 加 工 , 而 是 采 用 高 速 冲 压 的 方 式 。 这 种 方 式 能 加 大 层 进 深 度 , 明 显 提 高 效 率 , 同 时 还 避 免 了 成 形 工 具 头 和 工 件 之 间 的 摩 擦 而 引 起 的 问 题 。 这 种 成 形 技 术 是 数 字 化 渐 进 成 形 的 一 种 新 方 法 , 所 能 成 形 的 工 件 复 杂 程 度 和 延 伸 率 比 传 统 模 具 成 形 工 艺 高 , 为 多 品 种 小 批 量 产 品 的 生 产 和 新 产 品 的 试 制 提 供 了 一 种 新 的 思 路 和 途 径 。香 港 中 文 大 学 和 中 科 院 深 圳 先 进 技 术 研 究 院 已 做 了 大 量 的 研 究 [ 2 5 , 2 6 ] , 图 1 2 、 1 3 是 开 发 的 冲 压 式 渐 进 成 形 机 床 和 该 机 床 加 工 的 零 件 。 目 前 的 研 究 集 中 于 以 下 几 个 方 面 : ( 1 ) 通 过 有 曲 面 能 量 模 型 以 及 逆 限 元 数 值 模 拟 方 法 , 在 成 形 前 对 零 件 最 终 形 状 , 应 变 和 应 力 进 行 预 测 和 优 化 加 工 路 径 ; ( 2 ) 研 究 零 件 的 成 形 极 限 和 回 弹 ; ( 3 ) 研 究 边 界 条 件 、 冲 压 深 度 、 以 及 成 形 冲 头 的 形 状 和 速 度 等 对 材 料 的 局 部 流 动 规 律 、 硬 化 、 以 及 应 力 和 应 变 的 影 响 ; ( 4 ) 建 立 动 态 支 撑 结 构 , 进 一 步 提 高 零 件 的 精 度 和 表 面 质 量 。图12 冲压式渐进成形机床(a) (b) 图13 冲压式渐进成形的零件:(a)盒子;(b)人脸面具 金属板材无模成形技术发展综述 4 结论从 国 内 外 研 究 现 状 可 以 看 出 , 金 属 板 料 无 模 成 形 技 术 是 当 前 研 究 的 热 点 之 一 。 尤 其 是 其 中 的 渐 进 成 形 技 术 , 从 原 理 上 看 , 这 种 方 法 可 以 加 工 任 意 形 状 复 杂 的 工 件 , 所 以 对 于 飞 机 、 卫 星 等 多 品 种 、 小 批 量 的 产 品 以 及 用 于 其 它 薄 壳 类 新 产 品 的 开 发 , 都 具 有 巨 大 的 经 济 价 值 。 而 且 所 能 成 形 工 件 的 复 杂 程 度 和 延 伸 率 比 传 统 工 艺 高 , 它 可 以 对 板 材 成 形 工 艺 产 生 革 命 性 的 影 响 , 也 将 引 起 板 壳 类 零 件 设 计 概 念 的 更 新 , 使 新 产 品 设 计 思 想 得 到 更 大 的 发 挥 。 该 技 术 的 发 展 可 推 动 相 关 学 科 尤 其 是 塑 性 加 工 理 论 的 发 展 , 既 有 重 要 的 理 论 意 义 又 有 广 阔 的 应 用 前 景 。结 合 目 前 的 研 究 状 况 , 笔 者 认 为 金 属 板 材 无 模 成 形 技 术 要 实 现 真 正 意 义 上 的 工 业 应 用 , 至 少 还 需 在 以 下 方 面 进 行 深 入 的 研 究 : ( 1 ) 提 高 工 件 的 精 度 。 一 些 金 属 板 材 无 模 成 形 技 术 本 身 是 一 种 近 似 拟 合 的 加 工 方 法 , 带 来 一 定 的 精 度 误 差 ; 板 材 成 形 后 存 在 翘 曲 和 回 弹 , 工 件 的 形 状 和 尺 寸 将 达 不 到 所 需 要 的 精 度 , 必 须 采 取 相 应 措 施 抑 制 回 弹 的 发 生 , 提 高 产 品 精 度 。 ( 2 ) 提 高 成 形 效 率 。 目 前 的 许 多 无 模 成 形 技 术 , 比 如 数 字 化 渐 进 成 形 技 术 , 与 传 统 的 模 具 成 形 相 比 , 非 常 耗 时 。 因 此 需 要 进 行 高 速 无 模 成 形 技 术 的 研 究 。 ( 3 ) 有 限 元 数 值 模 拟 技 术 的 应 用 。 有 限 元 数 值 模 拟 技 术 能 为 数 字 化 渐 进 成 形 工 艺 优 化 提 供 强 有 力 的 工 具 。 但 目 前 为 止 , 对 板 材 数 字 化 渐 进 成 形 有 限 元 数 值 模 拟 的 研 究 还 处 于 初 步 阶 段 , 仅 仅 停 留 在 简 单 零 件 的 成 形 性 和 应 力 、 应 变 等 分 析 上 。 在 对 复 杂 零 件 的 回 弹 预 测 、 加 工 路 径 优 化 、 精 度 控 制 等 方 面 的 模 拟 研 究 还 远 远 不 够 。 参考文献 [1] 康 小 明 , 马 泽 恩 , 何 涛 等. 机 翼 整 体 壁 板 喷 丸 成 形CAD/ CAM/CAE 系统[J]. 航空制造工程,1998 ,6 :35-36. 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