金属板材单点渐进成形技术的研究进展

万方数据

２００９年第４３卷№５

器手越来越多的被应用到数控渐进成形技术中，更好地实现了制造的柔性化与自动化【５】（如图２所示）。

图２工业机器手在数控渐进成形中的应用

２．１金属板材单点渐进成形工艺及精度的研究

成形工件尺寸精度不高是金属板材单点渐进成形技术难以得到广泛应用的主要原因【６，７｜，也是目前该技术国内外研究的热点，现行的大部分的成形工艺研究也正是围绕如何提高成形精度而展开。

由于成形力越小越有利于提高工件的成形精度，而成形力又随着步长、成形角、工具头半径和板材厚度的减少而减小，因此可以通过控制工艺参数达到提高成形精度的目的。为得到确切的工艺参数与工件成形精度的关系，意大利的Ａｍｂｒｏｇｉｏ【８Ｊ通过调整工艺参数对工件进行多次试验成形，然后利用统计分析方法对试验数据进行分析总结，从而得到了工艺参数与工件尺寸精度的关系表达式。但该方法适用范围有限，一般只适合于简单的零件，对于复杂零件很难找到工艺参数与工件尺寸精度的确切关系表达式。另外，工艺参数中板材厚度的选定并不能只根据成形力的需要而随意更改，而其它工艺参数对成形力的影响并不显著，而且还会降低成形效率【７．９１。

工具头与板材接触区域附近不必要的塑性变形和回弹是成形件几何尺寸精度不高的主要原因№Ｊ。为了获得良好的成形精度，一般希望在成形区（即板材与工具头接触的区域）内的金属板材具有较低的屈服强度和较好的延伸性，这样有益于板材在较小的成形力下加工成形，并且还能防止板材卸载后的回弹；但与此同时又希望在成形区域外的金属板材具有较高的屈服强度，这样有助于避免成形区外板材产生不必要的塑性变形，从而达到板材的准确成形。对金属板材的上述两个要求看起来有些冲突，因为同一金属板材很难同时具备相互矛盾冲突的两

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种属性。通过改变装置可以达到提高成形区外材料刚度、并由此提高成形精度的目的，但该方法会降低工艺的柔性［１０］。比利时的Ｄｕｆｌｏｕ［６，７］利用激光对板材成形区域进行局部动态加热，从时间和空间上改变材料性质，达到了减小成形区材料屈服强度的目的。试验结果表明，这种方法不但可以改善尺寸精度和增加板材的可成形性，而且还可以减少残余应力和提高材料的成形极限，但采用该方法会增加设备（激光源、机械手及其它辅助设备）成本。为此，Ｆ锄【１１Ｊ提出了电热渐进成形技术，该技术所需设备简单（直流电源、电缆、绝缘垫圈），只需将工具头与金属板材通上直流电，根据焦耳定律，当直流电从工具头流人金属板材时电流产生热量，从而达到提高成形区附近金属板材延展性的目的。

在渐进成形中，板材厚度变化和工艺也会导致工件的尺寸偏差。为得到准确的加工轨迹，需要对原始模型进行偏置处理，传统的方法只是通过一些ＣＡＤ工具对模型的表面进行统一的偏置处理。由于板材成形时，变形后的板材厚度ｔ．跟板材初始厚度ｔ。以及板材变形面与成形工具轴线方向的夹角的关系符合正弦定律，即ｔｌ－ｔｏｓｉｎ０，可知对模型进行统一的偏置处理这种方法显然不合适，会使得工具头与支撑间的间隙不合理，导致成形尺寸的不准确甚至失败。为此，德国的Ｔｅｋｋａｙａ［１２Ｊ提出了根据板材厚度正弦变化规律来重构模型，对模型进行偏置处理，使工具头与支撑的间隙合理，从而达到改进成形精度的目的。

对于因装置、工具和板材回弹等工艺因素所导致的偏差（ｐｒｏｃｅｓｓ．ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｄｅｖｉａｔｉｏｎ，ＰＤＤ），ＨｉｒｔｄＬｌ３Ｊ提出了对具有简单几何外形工件进行基本ＰＤＤ的修正方法：通过加工得到的模型与参考模型进行对比，然后对参考模型进行处理来得到修改模型；为了扩大ＰＤＤ修改方法的适用范围，德国的Ｔｅｋｋａｙａ【１２ｊ还使用有限元分析和实验方法获得相关补偿因素的信息，然后通过局部修正（１０ｃａｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓ）与整体修正（ｇｌｏｂａｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓ）的方式对工件进行ＰＤＤ补偿修正。

金属板材单点渐进成形技术还可以与其他技术结合起来加工工件。比如，首先采用多点渐进成形进行预成形，形成大致形状之后，再采用单点渐进成形进行后续的精加工再次成形。这样既可避免直接采用单点渐进成形效率低的问题，也避免了多点成形在一些复杂的局部位置成形精度不高的问题。还

有把单点渐进成形技术与水射流技术结合的金属板万方数据

材水射流渐进成形技术ｍＪ。它用高压水射流代替成形工具头作用于板材，并使板材产生局部塑性变形。该技术既具有数控渐进成形高柔性的特点，又兼有水射流无污染、成本低的优点。

２．２金属板材单点渐进成形轨迹生成的研究

金属板材单点渐进成形中的一个很重要的内容是需要生成成形加工轨迹。目前普遍采用等高线轨迹，这种成形加工轨迹可用两种方式生成：一种方法是直接利用通用ＣＡＤ／ＣＡＭ软件（如ＵＧ、Ｐｒｏ／Ｅ和ＣＡＴＩＡ等）来生成。如吴春明［１５，１６］研究了利用通用ＣＡＤ／ＣＡＭ软件生成等高线成形加工轨迹的方法。但由于这些通用软件不是针对单点渐进成形的专用软件，因而并不能完全满足单点渐进成形的工艺要求１１６］。莫建华【１７Ｊ研究了成形加工轨迹优化和成形压头压人点沿工件轮廓均布处理的方法，从而解决了工件局部的凹陷和破裂问题。

另一种方法是直接对三维数字模型进行切片并生成加工轨迹。Ｌｉｕ［１８Ｊ研究了基于ＳＴＬ数据模型的金属板材单点渐进成形等高线加工轨迹的生成方法。ＳＴＬ数据模型最早是作为快速成形技术领域的数据格式，现已广泛应用于反求工程、数控加工等领域，大部分商用三维ＣＡＤ／ＣＡＭ软件都支持ＳＴＬ文件的输入输出文件格式，具有格式简单、跨平台性好的特点。但是其缺点也十分明显：如缺少三角面片之间的拓扑信息，可修改性差，如果用户提供的ＳＴＬ文件不符合工艺要求则很难对其修改。方景春【１９Ｊ研究了一种基于ＮＵＲＢＳ的加工轨迹人机交互修改和优化的方法，实现了用户可以在屏幕上通过手工拖动修改加工轨迹，解决了工件尖角处和直壁部分易发生破裂和塌陷的问题。

２．３金属板材单点渐进成形支撑制造的研究

在正向成形方式中，需要在板材下方放置支撑来保证工件的顺利成形和一定的成形精度…。由单点渐进成形的性质所决定，支撑表面承受着相当大的局部作用力，而且其作用点沿进给方向变化，同时金属板材变形时沿支撑模接触面流动产生很大摩擦。因此，要求支撑具有足够的强度、刚度、硬度、精度和良好的耐磨性。

华中科技大学啪］采用了利用实体分层制造技术（ＬｏＭ）制作的纸基支撑模型。这种纸基模型制作快速、修改方便、操作简单，既缩短了工作周期又降低了加工成本，然而需要实体分层制造设备。

毛峰旧１Ｊ提出了用顶杆在关键部位支撑板材的点支撑工艺。点支撑的形式更为简单，无需单独为

工具技术

成形零件制作相应的复杂模型，从而可代替模型支撑实现真正意义上的无模成形，并且允许成形加工工具头有一定的偏移，使工具头的校准更为容易。这种方法对加工曲率和尺寸较小的工件更具优势，但其缺点是容易出现形状失稳现象，且导致失稳的因素较多，影响了零件尺寸精度和表面质量；另外在加工较大零件时，顶杆之间的距离（点距）不易确定，若点距过大易出现塌陷无法成形，点距过小则会大大增加顶杆的数量，降低了工件成形的效率。

朱虎【２Ｊ提出了以化学木材为原材料，利用分层叠加与数控铣削结合的快速原型制造方法制作支撑。这种化学木材不仅具有足够的强度和硬度而且具有良好的切削性能，适合高速切削。支撑的制作方法不需要特殊的设备和辅助的夹具，依靠现有数控机床就可快速地实现，操作简单易于修改，可降低制作成本并能缩短制作周期，同时具有较高的精度和表面质量，能够很好地保证复杂工件的成形质量。

Ｍｉｃ撕［２２］为提高成形精度提出了弹性支撑的方法。该方法是在板材底部放置弹性支撑（一般为橡胶材料），从而减小了回弹和破裂的危险，且一种弹性支撑可用于不同工件的成形，但与简单的数控渐进成形工艺相比也增加了工件的制造成本。

在局部支撑方面，Ｆ黜ｎ【２３Ｊ通过利用机器手，采用了动态支撑，使支撑和工具头保持同步运动，从而进行动态渐进成形加工（如图３所示）。

图３局部动态支撑示意图

３金属板材单点渐进成形的应用研究

金属板材单点渐进成形技术为小批量、形状复杂的板材件成形开辟了一条新路，可用于航空航天、汽车、船舶等行业以及民用产品制造。

华中科技大学的赵忠［２４］成功地将该技术应用于汽车座椅的无模成形；韩国庆南大学［２５］制作了汽车防尘罩等零件；日本的本田汽车公司已经尝试采用这种技术进行汽车覆盖件的设计与制造；ＡＩｎｉｉｌｏ公司利用该技术成形加工了６ｍ长的新干线火车头覆盖件【２６Ｊｏ

意大利的ＡｍｂｒｏｇｉｏＥ

２７ｊ首先将数控渐进成形技

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