板材單點增量成形夾具設計【含4張CAD圖】
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I板材單點增量成形夾具設計板材單點增量成形夾具設計摘要：單點增量成形作為一種新型板材柔性無模成形技術，其基于分層制造思想，通過工具頭一層一層加工金屬板料，柔性化程度高，利用局部變形實現(xiàn)金屬板料零件的加工。和傳統(tǒng)沖壓成形相比，不需要專用設備和模具，能夠縮短產品研發(fā)周期，降低產品研發(fā)成本，特別適用于多品種、小批量以及個性化生產，在汽車、船舶、家電、航天航空等領域有廣泛的應用前景。當前單點增量成形過程中一般采用上下壓板和螺栓對板料進行夾持，其過程需要人工輔助， 加工 ，為 一 ，需要設計一種具有 壓 能的新型板材單點增量成形夾具。采用有 和實 相 的 ， 單點增量成形過程中 變形?的變化￠￡，對其成形?、層￥?、板料§度及工具頭currency1'對變形?的進行研“， 不?工??fi下成形過程的fl 變形?–?? 的fl 變形?· 成形夾具的壓板??和壓 ?，分別利用AutoCAD和Solidworks?件進行成形夾具的”?和…?設計，‰對夾具的 行性進行…? ?模 ，fl` 一種 以 ′度?高?夾 的成形夾具。ˉ?˙¨單點增量成形–fi 分?? 模–變形?–夾具設計–Abstract¨ Single point incremental forming is a new type of sheet metalflexible dieless forming technology. Based on the idea of layered manufacturing, themetal sheet is processed one layer at a time through the tool head. The degree offlexibility is high, and the metal sheet part is realized by local deformation.Processing. Compared with traditional press forming, it does not require specialequipment and molds, which can shorten the product development cycle and reducethe cost of product development. It is especially applicable to many varieties, smallbatches, and individualized production. It has applications in automobiles, ships,home appliances, aerospace and other fields. Wide application prospects. In thecurrent single-point incremental forming process, upper and lower press plates andbolts are generally used to clamp the sheet material, and the process needs manualassistance, which seriously affects the processing efficiency. To solve this problem, anew type of automatic pressing and positioning function needs to be designed. Sheetsingle point incremental forming fixture.In this paper, finite element simulation and experimental methods are used toobtain the variation law of the isotropic deformation force in the single-pointincremental forming process. The effects of forming angle, layer spacing, sheetthickness, and tool head diameter on the deformation force are studied. Themaximum deformation force of the forming process under different processparameters is obtained; the platen size and compression method of the formingfixture are selected according to the obtained maximum deformation force, and thetwo-dimensional and three-dimensional design of the forming fixture arerespectively performed using AutoCAD and Solidworks software, and the fixture isThe feasibility of three-dimensional animation simulation, and ultimately get afixture can greatly increase the clamping efficiency.IIIII板材單點增量成形夾具設計Keywords: single point incremental forming; numerical analysis and modeling;deformation force; fixture design;目 錄?要????????????????????????????????????????????????????????????????? ˇAbstract ¨?????????????????????????????????????????????????????????? ˇˇ— ????????????????????????????????????????????????????????????? ——?—單點增量成形的 ?????????????????????????????????????????? ——? 單點增量成形的 研“現(xiàn) ???????????????????????????????? —? 本 研“ 要 ???????????????????????????????????????????? 單點增量成形過程變形?分??????????????????????????????????????????? ?—單點增量成形變形? ???????????????????????????????????? ? 單點增量成形變形?fi 模 ??????????????????????????????????? ? ?— 有 fi 模 ?fi設 ?????????????????????????????? ? ? 變形?模 ???????????????????????????????????????? — ? ? 工??fi對變形?的 ?????????????????????????????? — 單點增量成形過程變形?實 研“ ????????????????????????????????????? —??— 實 設備 a ??????????????????????????????????????????????? —?? 基于 的 ??生成 ???????????????????????????????????????? ?? ?— 成形件實o 模???????????????????????????????????????? —? ? 單點增量成形過程加工 的生成 ??????????????????????? —? ? 程 的生成 ???????????????????????????????? ? 實 和模型 ? ?????????????????????????????????????????? 單點增量成形夾具設計 ??????????????????????????????????????????????? ??????????????????????????????????????????????????????????????? ??????????????????????????????????????????????????????????????? ? ? ?????????????????????????????????????????????????????????? ?? 及?? ????????????????????????????????????????????????? ???????????????????????????????????????????????????????? mability in single p int inc emental f ming: A c mpa ative analysis f the state f the a t??????????????????????????????????? 中 ?? ???????????????????????????????????????????????????????? —單點增量成形過程中成形性的研“現(xiàn) ????????????????????????? —IV1板材單點增量成形夾具設計1緒 論1.1單點增量成形的原理隨著加工制造業(yè)的發(fā)展需求，傳統(tǒng)的制造 ?也發(fā)生著改變。金屬板料的加工從有模成形變化 無模柔性， 些都是適應現(xiàn)?制造業(yè)柔性，綠色等要求特點而發(fā)展起來的金屬板料的成形技術?，F(xiàn)已經出現(xiàn)的板料柔性成形技術 要有¨單點增量成形、多點無模成形、激光熱應?成形、旋壓成形、噴丸成形等[1] 。上述無模成形技術都是借助fi控機床來實現(xiàn)對金屬板料的無模柔性加工，克服 傳統(tǒng)成形技術依靠模具成形的不足，對新產品的研發(fā)試制及小批量個性化的產品生產有非常 要的意義 [2] 。上世紀 90 年?初，日本學者松 茂夫?出一種新型的金屬板料成形 ，即板料單點增量成形技術。通過計算機輔助制造?fi控機床相 的 ，通過 CAD/CAM 輔助制造技術完成待加工產品模型的 立，生成的 NC ?? 高精度fi控機床的運行來實現(xiàn)[3-4]，其成形 如圖 1-1 所示。因為CAD/CAM 技術的發(fā)展， 以完成較復雜的模型加工，現(xiàn)?fi控機床加工精度的?高，使 復雜 模 以在fi控機床上實現(xiàn)。該技術在板料成形時不需要專用模具或僅需要簡單的支撐工具，其所需的成行?小，適 零件的試制及小批量生產，滿足 市場對產品的多樣化和個性化需求。鑒于fi控單點增量成形技術的優(yōu)點， 學者已經開始ˉ注 種興起的先進柔性塑性成形技術，‰對它進行 很多研“工作‰取 量的研“成 。工具頭上壓板板料下壓板圖1-1 單點增量成形 1.2單點增量成形的國內外研究現(xiàn)狀金屬板料單點增量成形技術 ?出以來，也受 學者的ˉ注，‰取喜人的成就。從板料拉伸減薄的?度分?， 出成形過程屬于變薄拉延類型 [5] –‰通過計算分?及實 ? 出變形?的計算公? [6] 。從成形性能分?，南京航空航天 學的崔震，高霖等 [7] ，采用fi控單點漸進成形技術對鈑金浮雕字進行 成形研“，完成 高質量鈑金浮雕字的成形。 前對板料增量成形技術的分?工作取 一些進展，對板料變形過程中 部 材料的變形 及 ?fi下的成形性能進行研“，對于?高產品的成形質量、工?的制 以及 廣有 要的 意義和工程應用 。單點增量成形過程中的成形?研“是研“單點增量成形的 要 成部分，單點增量成形是通過工具頭?板料的相 壓，局部成形 o成形，成形過程中，成形?的 小 板料是 發(fā)生 ，而 以計算成形過程的能量 ? 。在研“工具頭高 下板料 現(xiàn) 中，Bagudanch等[8] 對工具頭 度、工具頭currency1'?成形?￥的ˉ 進行 研“。通過對金屬板料成形 的研“，Gabriel Centeno 等 [9] 分? 工具頭 和T/R對成形?的 。Belchior等[10]通過有 ?件 立的金屬板料 性模型，分?成形?對機 人成形板料過程中 的 。 Martins 等[11]在研“ ?對成形過程的 中，通過應? ? 板料 和其局部￠縮的現(xiàn) 。Duflou等[12]通過對金屬板料進行局部加熱，使 金屬板料塑性?高，成形?降低，￡ 減?。 Eyckens 等[13]在單點增量成形中使用不?的￥?§對加工過程￥?，分?研“ currency1 ?和' ?在不? fi下的變化 。Durante等[14]使用有 ?件 ? 實 中工具頭 對 fi的 ，進而分?出不? 對于成形?的 。Henrard等[15]使用有 ?件 ? 實 中不?成形?對成形?的 。Aerens[16]等分?計算出成形?“?的經 公?，通過對??下currency1 ?的計算， ? fi公?的fl 性。板料單點增量成形的過程–及 ? 、材料、高等fi學、機?等多個學·，以及復雜的?學 ??，運用 計算成形過程中的應?場和應變場是非常??的，“?成形過程中的 種變形也需要 量的實 研“， ”?… 實 成本的 量? [17-20]。隨著計算機的發(fā)展，fi 分?對學術研“非常要，‰多學者研“ 板料單點漸進成形過程中的fi 分?。C. Bouffioux[21-22]等使用實o單 對成形過程使用有 的模 ，通過實 的對比從而 ?fi 分?的fl 性，‰ 分? 不?成形?對成形?造成的 ， 出 ¨成形? ，成形? 。 學者? `[23]等運用有 的 對板料成形過程進行 fi 模 ，分? 成形過程中應?分′和?§的變化?ˉ，分? 不??fi對成形過程中造成的 ，?出金字˙形工件的fl 應?和fl§度減薄都¨發(fā)生在 ? ，在成形過程中，螺旋?運 以?高板料的成形的能?和成形的質量。? [24]使用ABAQUS/Explicit有 ?件 立 ??ˇ 模型，分? — ?、層￥?、工具頭currency1'等?fi在成形過程中對板料?§和成形質量的 。本 有 fi 和實 研“相 的 ，研“成形過程的變形?，?? 的變形?進行夾具設計，以期 一種 作 、 簡單的單點增量成形板料 夾持? 。 23板材單點增量成形夾具設計1.3本文研究主要內容利用 計算、有 fi 和成形實 相 的 ，研“工??fi 成形?、層￥?、板料§度及工具頭currency1' 對變形?的 ￠￡， 成形過程中的fl 變形?，?? 的變形?· 適的上下壓板形?和夾 ?，設計出滿足fl 變形?要求的成形夾具，利用”? 圖?件AutoCAD和…? 圖?件Solidworks 制所設計夾具的”?和…?圖，‰ 對夾具的 行性進行…? ?的模 。具o的研“ 如下¨1 板材單點增量成形過程變形?的 研“ 相ˉ 料， 板料單點增量成形 ，分?成形過程材料變形特點，立單點增量成形過程產生變形?的模型，fl 對變形?進行分?。 2 板材單點增量成形fi 進行 模?分? 利用fi 分??件ABAQUS 立單點增量成形的有 模型，以??ˇ件為 成形過程中變形?的變化￠￡，‰通過研“成形?、層￥?、板料§度和工具頭currency1'對變形?的 ￠￡， 工? ? 的fl 變形?。 3 板材成形實 的研“ 通過fi控 床來a 增量成形的 ˇ， ??ˇ件的fi控加工??，利用… ?? 變形過程的變形?，和 進行對比，對所 立模型進行 ?。 4 成形夾具的設計??已 的fl 變形?，利用”? 圖?件AutoCAD和…? 圖?件Solidworks 制所設計夾具的”?和…?圖，用…? ?模 夾具的 行性。2 單點增量成形過程變形力分析2.1單點增量成形變形力理論解析為簡化分?計算，?設單點增量成形過程中板料單 進行??'變化，如圖2-1所示，σz是o板料? ce 的拉應?，σx是?' cd 所受的' 應?，τ0是作用于?' cd 的?應?，板料…?變形 域受? 如下¨圖2-1 單點增量成形 域應?分?示意圖于o? ?為0， ? 程為¨0( sin ) ( cos ) 0z ec cd x cdS S Ss t a s a- - =cos ,ec cdS S a= ? 上? 0 0tan xz a sst t= +45板材單點增量成形夾具設計于?currency1于成形 的 ?為0， 在該 的? 程為¨00( cos ) ( sin ) 0 cotxcd x cda S a S ast s t- = =， 即 0cot tanz a ast = + 立以上 ?， ¨ 單點增量 成形和fl成形受? 完?相?，為簡 ? 成形分?￥的??ˉ ，簡化變形?的計算，在分?變形???ˉ 時統(tǒng)一采用fl成形模型，如圖2-2和圖2-3所示。圖2-2 單點增量變形?分 示意圖板料變形過程中 單 o的§度取為dx，工具頭下壓層￥?為Z，?單 o'應變γ 如下求 ¨= tanZ adxg =?單 材料的塑性變形 為¨tan0 00 0 0axW d d W dg xt g t g s x= = = ， 改 為 x g 變形能量 ，等 應 ?'應變的變 ˉ 為¨1 1 tan3 3 ax g= =取??ˇ成形件 一高度的截 —'為Rc，變形 域寬度為dRc，工具頭—'為R，成形?為α，如圖2-5中??ˉ 求 該加工層板料變形o 為¨2 2 ( cot sin )c c cV R tdR R t Z a R ap p= = +?該層的o 變能為¨1 02 ( cot sin )CW WV R t Z R dxp a a s x= = +' ?在加工該層所做的 為¨2 2 c yW R Fp=于是??'變形， W1=W2， 立以上 試¨0( cot sin )yF t Z R xa a sx= +??Mises屈服準?， 上?簡化為¨( cot sin )y sF t Z Ra a s x= +相ˉ ??? 上?，?¨( tan sin )3y st Z RF a a s+=圖2-3 工具頭接觸 ??ˉ 示意圖設工具頭?板料接觸 均壓?均為P，接觸 在' 、currency1 和' 的投為Sx、Sz、Sy，?' ?和currency1 ??' ?的ˉ 分別為¨x zx y z yy yS SF F F FS S= =，??ˉ 求 個投 為¨2 21 sin cos360 2yS R Ra p a a= -2 22 21 1cos ( sin ) cos4 41 1sin ( sin ) sin4 4zxS RS Rpa a p a apa a p a a= == =相ˉ ??? ¨67板材單點增量成形夾具設計( cot sin )( cot sin )zz syxx sySF t Z RSSF t Z RSa a s xa a s x= += +fl`求 變形?的 ??為:3 230 3 sin ( cos sin )cos ( 180sin cos )x st Z RF p a a a sa ap a a+=- (2.1)( tan sin )3y st Z RF a a s+= (2.2)230 3 sin ( cos sin )180sin cosz st Z RF p a a a sap a a+=- (2.3)2.2 單點增量成形變形力數(shù)值模擬2.2.1 有限元數(shù)值模擬參數(shù)設定有 分?(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)作為工程技術領域進行·學計算的極為 要的 之一，利用有 分?，我們 以獲 部分復雜工程 的 的機?性能信息，‰對其工程設計進行評判，也 以對 種工程事 進行技術 的分?。有 分?所 的fl 載o是利用技術集成的有 分?的?件，對于 部分有 分??件，ABAQUS是 際比較通用的，它是 能強 的眾多有 分??件之一，尤其是在非?性分?的領域，它不僅 以分?復雜的工程?學 ，而 具有駕馭龐 求 ￠模的能?。其中ABAQUS的基本 作包含前 、網(wǎng)格劃分、相 作用 義、分?及 等 ，設計 接觸 、材料非?性顯?非?性、多步驟分?、用戶子程 、復雜工程分?等 。鑒于ABAQUS在分?非?性 時的 靠性和模 過程中強的fi? 能?，本 采用 有 ?件ABAQUS作為fi ˇ。一般 下 立有 模型需要 立??模型、劃分網(wǎng)格‰ 義材料屬性、義相 作用、加載運 、?交作業(yè) ?個 要步驟，下 具o分? 步過程¨1 ??模型 立用于夾 板料的壓板為?筒形壓板，包括上壓板和下壓板，其 圈currency1'55mm， 圈currency1'70mm，創(chuàng) 部件上下壓板均為 ?剛o、旋 殼 部件。板料為 變形殼o，板料 小為實際成形板料 小 140 mm×140 mm×1 mm 。成形工具頭也為 ?剛o，工具頭—'為 4mm ，旋 殼 。創(chuàng) 完部件之順 義??點。為?配是 分上、下壓板，設 上壓板的??點為?筒形壓板的 側，下壓板的??點為?筒形壓板的 側，fl` 立的??模型如圖2-4所示。圖2-4 單點增量成形??模型2 材料屬性?網(wǎng)格劃分在 模部分 壓板和工具頭設為 ?剛o，成形過程中不¨發(fā)生任?變形，因fi不需要?慮其材料屬性。只須對 變形的板料進行材料屬性 義，以Q235 鐵板為 ，其材料屬性如下 2-1和 2-2所示。2-1 Q235 的?學性能Tab.2-1 Mechanical property of Q235材料名稱密度? ?3/mmg?性 模 量E Gpa 泊松比?屈 服 強 度)(Mpas?Q235板7.85 210 0.31 912-2 Q235 的應? - 應變Tab.2-2 The stress and strain rate of Q235應?Mpa91 131 171 211251 291 311 391塑性應變 0 0.0159 0.06490.1770.3950.776 1.39 2.95按照實際的要求，板料應該采用C3D8R實o網(wǎng)格劃分。當 一個 的??(§度)遠小于其它 的??，‰忽略o§度 的應?時，一般就 以用S4R殼o網(wǎng)格?替C3D8R實o網(wǎng)格進行模 ，如圖2-5所示。89板材單點增量成形夾具設計圖 2-5 S4R 殼o單 和C3D8R實o單 ABAQUS中有 種殼單 ，一種是常￠的殼單 ，另一種是基于連續(xù)o的殼單 。依靠 義單 的 ??、 和初始曲 ，?！榈臍?¨對?? 進行離散。但是殼的§度不能通過常￠殼單 的節(jié)點 義–它 以通過截 性質 義。另 ，因為連續(xù)o的殼單 相似于…?實o單 ，它們對 個…??o 立fi學描述和進行離散，它的 ?學和本 行為和?！闅?類似。對于模 接觸 ，因為連續(xù)o的殼單 比?！榈臍?更加精 ，它 以在雙 接觸中?慮 §度的變化。但是相對于薄殼 ，?！榈臍?又 以?供更優(yōu)良的性能。本 的 所采用的是常￠殼單 ， 義殼的§度即為板料的實際§度。需要特別注意的是?實o單 不?，每個殼o單 所使用的都是局部材料。 種異型材料的fi? 如纖?增強復 材料 和單 輸出變量 如應?和應變 都是??局部材料 的形?來 義的。 移分? ，隨著分點上材料的 均運 ，殼 上的局部材料坐 currency1 。3 相 作用 義單點增量成形中設計 的接觸有板料?工具頭接觸，上、下壓板?板料的接觸。 需要 義…個相ˉ作用。在 義相 作用之前，首先的 義相 作用屬性¨創(chuàng) 相 作用屬性，· 接觸類型，· ?學' 行為， 公?· 罰 ， 義工具頭?板料的 fi。創(chuàng) 工具頭、板料、上下壓板之￥的相 作用如圖。工具頭?板料設 為? 接觸 Explicit ，板料的上 ?工具頭的 接觸。上壓板的下 ?板料的上 接觸，下壓板的上 ?板料的下 接觸， 者的接觸類型都是 ? 接觸 Explicit ，如圖2-6所示。圖2-6 相 作用 義 4 運 的加載進 分?步 能模塊，ABAQUS/CAE默認創(chuàng) 初始分?步 (Initial), 于所有分?步之前， 以在初始分?步中設 邊界條件和相 作用，使之在 個分?步中起作用，但不能 輯、替 、 命名和刪除初始分?步。通過計算機輔助制造?件UG 立要成形的 件，UG中 帶的加工 以生成對應的 NC ??。單點增量成形沒有專門的試 機床，也沒有特 的刀具，但是在UG模 加工中，以球頭 刀分層 削加工 以很好的模 單點增量成形的成形過程。 樣就 以生成fi控 NC ??。UG 模如圖。UG生成的 NC ??在MATLAB中能依?成形時￥對應的 移， 成加工 如圖2-7所示。圖2-7 單點增量成形 MATLAB 的 workspace 窗口?供 fi?查看 能， fi 以 X，Y，Z…個坐 currency1對應的時￥? 移ˉ 。找 …坐 currency1時￥? 移的ˉ，是為之 在ABAQUS分?步中設 分?步對應的頻 ?′ ˉ ?！?currency1的時￥- 移圖如圖2-8所示。1011板材單點增量成形夾具設計- 4 0 - 2 00 2 04 0- 4 0- 2 002 04 0- 3 0- 2 0- 1 00X / m m刀 路 圖Y / m mZ / m m0 1 0 0 2 0 0- 4 0- 2 002 04 0/ s時 ￥X / m m X 的 移 時 ￥ 曲 ?0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0- 4 0- 2 002 04 0/ s時 ￥Y / m m Y 的 移 時 ￥ 曲 ?0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0- 2 5- 2 0- 1 5- 1 0- 50/ s時 ￥Z / m m Z 的 移 時 ￥ 曲 ?- 4 0 - 2 00 2 04 0- 5 005 0- 3 0- 2 0- 1 00X / m m刀 路 圖Y / m m 0 1 0 0 2 0 0- 4 0- 2 002 04 0/ s時 ￥X / m m X 的 移 時 ￥ 曲 ?0 1 0 0 2 0 0- 4 0- 2 002 04 0/ s時 ￥Y / m m Y 的 移 時 ￥ 曲 ?0 1 0 0 2 0 0- 2 5- 2 0- 1 5- 1 0- 50/ s時 ￥Z / m m Z 的 移 時 ￥ 曲 ?- 4 0 - 2 00 2 04 0- 5 005 0- 3 0- 2 0- 1 00X / m m刀 路 圖Y / m m 0 1 0 0 2 0 0- 4 0- 2 002 04 0/ s時 ￥X / m m X 的 移 時 ￥ 曲 ?0 1 0 0 2 0 0- 4 0- 2 002 04 0/ s時 ￥Y / m m Y 的 移 時 ￥ 曲 ?0 1 0 0 2 0 0- 2 5- 2 0- 1 5- 1 0- 50/ s時 ￥Z / m m Z 的 移 時 ￥ 曲 ?圖2-8 成形 在X、Y、Z坐 ?時￥的ˉ 完成前期的準備工作 ，在分?步模塊中創(chuàng) 通用， ?、顯?Dynamic Explicit 分?步，使用縮放 義 新創(chuàng) 質量縮放 fi，基本信息設 成形時￥，成形時￥的設 即為UG模型中，模 成形件完成的時￥。創(chuàng)分?步中的′ ，分?步中的′ 用X，Y，Z…個坐 currency1對應的時￥- 移ˉ 。在′ 管 分別創(chuàng) X，Y，Z…個 ?分?步，′ 的頻 -′fi?及為…個坐 currency1在MATLAB中的時￥- 移fi?，分?步設 完成。2.2.2變形力模擬結果如圖2-9 為成形過程中變形? 義，其中 xF 、 yF 為水 ?zF 為currency1 ?。圖2-9 變形? 義成形過程中的變形?? 工具頭對板料的作用?，在一個分增量?步中取200個點， 如圖2-10所示成形過程currency1 變形?的變化￠￡。圖 2-10 currency1 變形?變化￠￡以看出，變形?呈波 ?變化，在經歷一段上 過程 ， 約經歷 10層 ? ? ?，取每層 上變形?均 ， 如圖2-11所示currency1 變形?隨層fi的變化￠￡。1213板材單點增量成形夾具設計圖2-11變形?隨層fi的變化在fi基礎上， xF 、 yF 、 zF 的變化￠￡如圖2-12所示。圖2-12 xF 、 yF 、 zF 的變化￠￡圖中顯示 xF 、 yF 、 zF 呈波 ?變化，均是存在一個逐漸上 時￥，在 約 10 層 保持。 是因為在初始階段，成形工具頭的 壓使 板料發(fā)生拉彎變形，fi時彎曲占? …地 ，造成板料的拉伸減薄不夠顯著，隨著成形的進行，彎曲所需的?逐漸增 ，fl`板料的拉伸減薄開始占? …地，板料§度變薄，但 于成形過程存在加工 化的 ，變形?變化‰不 。圖2-13為成形中取 層 時 xF 、 yF 、 zF 的變化￠￡， 以看出xF 、 yF 在fl 和fl小 之￥呈現(xiàn)一個類似于fl 曲?的變化￠￡， 為 500N ， 者? 的時￥不?。能看出 zF 在成形完一層 ， 分為…個階段¨ 一階段 zF 保持為零， 對應著加工過程中工具頭從上一層 `點對刀 下一層 起點的過程，該過程工具頭不?板材接觸，所以成形?為零– ”階段 zF 增 個成形過程的fl ， 約為2400N，所經歷的時￥很短， 對應著成形過程的currency1 進 時 – …階段變形?基本保持不變， 和成形過程 等高?時 相對應，在 個 等高?的過程中變形?? 不變。圖 2-13 31 、 32 層的成形?2.2.3工藝參數(shù)對變形力的影響對成形過程有顯著 的工??fi 要包含¨成形?、層￥?、板料§度以及工具頭currency1'， 些工??fi都對變形?有著currency1接的 ，因fi分別研“ 個工??fi對變形?的 ￠￡。1 成形?對變形?的 為 研“成形?對變形?的 ，本 · 成形?的度fi分別為 ?15 、?30 、 ?45 、 ?60 ，其 工??fi保持不變。在fi基礎上，對不?模型進行模模， currency1 ?的 小和變化￠￡。在每一層等高? 上·取200個點，取其 均 ， 不?成形?下currency1 變形?隨層fi的變化曲?如圖2-14所示。1415板材單點增量成形夾具設計圖 2-14 不?成形?的變形?從圖中 以看出隨著成形?的增 ，currency1 變形?增 ，不過當成形?為?60 時，currency1 ?先增 1900N，? 減小fl ? 在1670N 。為 研“不?成形?對currency1 ?的 ，分別取currency1 進 時的 和 等高?時的 均 ， 不?成形?對currency1 ?的 如圖2-15所示。圖 2-15 成形?度對變形?的 2 層￥?對變形?的 為 研“層￥?對變形?的 ，以成形 度為30mm為 ，對不??fi下的模型進行模 ，在每一層等高? 上·取200個點，取其 均 ，不?currency1 進 量時currency1 變形?隨層fi的變化曲?如圖 16-2 所示。圖 2-16 不?層￥?的變形?在不?層￥?下，分別取? ? ? currency1 進 時的 和 等高?時的 均 ， 不?currency1 進 量對變形?的 如圖 17-2 所示。圖 2-17 變形?隨層￥?的變化曲?3 板料§度對變形?的 本節(jié)·取板料§度為0.5mm、 1mm 、1.5mm、 2mm 、2.5mm，在其 工??fi不變的 下研“板材§度對變形?的 。在每一層等高? 上·取200個點，取其 均 ， 不?板§度下currency1 ?隨層fi變化的曲?如圖2-18所示。1617板材單點增量成形夾具設計圖 2-18 不?板料§度的成形?分別取? ? ? currency1 進 時的 和 等高?時的 均 ， 不?板材§度對currency1 變形?的 如圖2-19所示。圖2-19變形?隨板材§度的變化曲?4 工具頭currency1'對變形?的 為 研“工具頭currency1'對變形?的 ，本節(jié)· 工具頭currency1'分別為6mm 、 8mm 、10mm、12mm、14mm，板材§度 1mm 、currency1 進 量1mm 、成形? ?45 、 fi0.1保持不變。在fi基礎上，對不?模型進行模 ， currency1 變形?的 小和變化￠￡。在每一層等高? 上·取200個點，取其 均 ， 不?工具頭currency1'時currency1 變形?隨層fi的變化曲?如圖 20-2 所示。 以看出currency1'為 6mm 時，等高?的currency1 ?? 在1460N ，而currency1'為14mm時? 在1870N ，者相 較 ，因fi 出 ¨工具頭currency1'對變形?的 非常 。圖 2-20 不?工具頭currency1'的變形?在不?工具頭currency1'下，分別取? ? ? currency1 進 時的 和 等高?時的 均 ， 工具頭currency1'對變形?的 如圖2-21所示。從圖2-21 以看出，?變形?隨currency1 進 量的變化曲?類似， 和均 都隨工具頭currency1'的增 而增 ，‰ 似于一個?性增 ?ˉ。圖2-21變形?隨工具頭currency1'的變化曲?3單點增量成形過程變形力實驗研究金屬板料單點增量成形刀路是逐點逐層 成形復雜的空￥ ，對機床的剛度、精度和? 性都有較高要求，但對實 ˇ 造要求簡單，不需專用成形設備，在立?…currency1fi控 床即 完成相應成形。本 利用… ??以?量成形過程中的變形?，對有 模型進行 ?。1819板材單點增量成形夾具設計3.1 實驗設備介紹本 實 ˇ采用HASS-VFfi控加工中 ，如圖3-1所示。該機床具有加工質量? ，加工精度高， 復精度高等特點，?時它 具有較高的 ?特性，?剛度、 精度、 性和 熱變形性能，適應單點增量成形 種連續(xù)持的 化加工。板料的夾 ? 分為支撐板和壓板， 板料放 于支撐板上，通過螺栓 壓板 于支撐板以保?板料 ，如圖3-2所示，? 具相連的?? 是KISTLER 9257B… ??傳 ，傳 采集 的?傳 電 放 ，經電 放 輸 fi?采集 ，? 在 ? 專用?件 Vib′SYS 的` 電 上顯示。工具頭采用高 削而成，以? 較高的 度，如圖3-3所示。圖3-1 HASS-VF加工中 圖3-2 ?夾? 圖3-3 成形工具3.2 基于 UG的 NC代碼生成單點增量成形是依靠 NC ?? 機床進行漸進成形，成形 非常復雜，采用傳統(tǒng)的?工 程已無 滿足單點增量成形的基本要求，當前單點增量成形已?計算機技術 密 ，利用CAE?件進行 程，不僅經￠和時￥成本低，而 精度高，已成為復雜型 加工的首· ￡。UG Unigraphics NX 是Siemens PLM Software公?出品的一個產品工程 ￡，為用戶的產品設計及加工過程?供 fi字化造型和 ??段。它 以￥松實現(xiàn) 種復雜實o及造型的 成。我們 以通過UG的加工 模塊 地 立 ?的加工 程 ，該模塊已經廣泛作用于世界上 §的CNC機床和加工中 ，已成為應用fl廣泛的CAE?件之一。單點增量成形技術?CAE技術和 NC 技術的 過程如圖3-4所示，基于UG?件生成 NC ??的步驟也依fi§程。始模型 工?￠劃 ￠劃精度、機床、刀具、夾具等進 加工currency1'NC 作生成刀具路'NC程 創(chuàng) 程 創(chuàng) ??o創(chuàng) 刀具義加工 加工 機床不“ 要求“ 要求圖 3-4 CAE 技術? NC 技術 §程圖3.2.1 成形件實體建模????ˇ的實 ?fi進行 模。在UG?件中新 模型，? 進 任?currency1'中的?圖模?，??示 ?? ?出所需?圖，通過拉伸和?殼等 作，創(chuàng) 出所需 想零件的實o模型，如圖3-5所示。圖3-5 模型創(chuàng) 2021板材單點增量成形夾具設計3.2.2 單點增量成形過程加工軌跡的生成于UG沒有fi對單點增量成形 的分?模塊， 本 采用等高?fl 來?替單點增量的層進 成形。進 UG的加工模塊 ， 加工currency1'設 為fl mill_contour 。依 按照創(chuàng) 程 、創(chuàng) 刀具、創(chuàng) ??o、創(chuàng) 工 和加工 生成等步驟完成 個刀 的生成過程。在fi控 程中，加工 ??工具頭的中 生成G??。對于 削加工，于刀具帶有'削–， 種 程 ?非常 ，如圖3-6所示，利用UG生成的程 控制機床進行 削加工， 出的fl ?設計fl 一 。而單點增量成形是依靠成形工具頭fl低點進行?壓?的逐點加工， 利用等高fl 生成的NC 程 ‰不“ 單點增量成形的實際加工要求。 使用球頭成形工具生成的G??在… 機床中，加工出的成品fl ?currency1'?是小于設計的fl ?currency1'，如圖3-7所示。??單點增量是依靠工具fl低點加工的 一特點，采用 頭刀具?替球頭刀進行刀 生成，‰在生成的G??中·加刀 ， “單點增量成形過程的 NC ??。圖3-6 削加工示意圖 圖3-7 單點增量成形示意圖以上分? ，· 頭刀進行刀具創(chuàng) 生成的G??fl“ 單點增量的成形 。加工坐 點 即機床的對刀點 在創(chuàng) ??o中設 ，·取 個成形件模型為? 部件，采用 塊 ?， MCS_MILL中的坐 0點設 在成形件加工時的起始點，即完成成形前的對刀工作。為 保在加工過程中?刀時刀具不¨?夾具??，在成形時”須設 ? ，其高度應 于夾具上壓板的高度，fi ? 高度設為15mm。單點增量成形是以 等高?的形?進行成形，所以進行工 創(chuàng) 時，·取等高層進 削 ZLEVEL 進行工 創(chuàng) ，‰·用已創(chuàng) 的成形工具，對已創(chuàng)??o采用精 (MILL_FINISH)的 ?進行成形?！と〕尚渭? 為'削 域，進行刀 輸出設 ，在fl ?離·”中設 層進 量，在'削?fi中設 進刀 ?，在進 和 度中設 進 度，完成 ”設 生成成形 ，如圖3-8所示。圖3-8刀路 3.2.3 后處理 NC程序的生成UG中帶有的 以生成不?fi控 統(tǒng)所需的 NC ??，本 ·用的實 ˇ為HASS-VF加工中 ，采用 HASS …currency1 床的 進行程 生成。 于UG在 想加工條件下生成G??，有‰多不”要的?? 如…‰、刀 ， 在實際加工過程中UG生成的 NC ??不 currency1接運用 fi控機床中，在使用前”須要經過相應的 改，刪除不”要的??，?時為 “ 單點增量成形 ， 需增加一個刀 ??， 改前 的??如圖3-9和3-10所示。 改 的程 ? 機床 存中即 進行單點增量成形。圖3-9 改前的G?? 圖 3-10 改 的G??3.3 實驗結果和模型驗證不??fi成形實 的成形如圖3-11所示。2223板材單點增量成形夾具設計(a) Q235 D12 Z1 ?45?(b) AL D12 Z1 ?45?(c) AL D12 Z1 ?34? (d) AL D8 Z0.5 ?63?圖 3-11 不??fi的成形制件為 ?有 模型的fl 性，保持其 工??fi和 模型一 的 下?量實 中的變形?， 的 如圖3-12所示。圖 3-12 變形?變化曲??樣的實 進行5 ，取每層 上變形?的均 ，如圖3-13所示。2425板材單點增量成形夾具設計圖 3-13 復性實 取5 成形實 變形?的 均 ，計算 不?層fi下，currency1 變形?如 3-1所示。3-1 不?層fi的成形?層fi currency1 ? N 層fi currency1 ? N 1 561 18 18292 681 19 17983 1150 20 18504 1256 21 18575 1490 22 18786 1601 23 18477 1640 24 18398 1678 25 18299 1683 26 186610 1730 27 186811 1753 28 183912 1798 29 187613 1815 30 185614 1780 31 182915 1828 32 185816 1799 33 183917 1839實 的成形? ?有 的 進行對比，所 如圖所示。從圖3-14 以看出 的currency1 ?隨圈fi的變化曲??實 的currency1 ?隨圈fi的變化曲?基本 ，fl 為7.49%，` 上 節(jié)所 立的單點增量成形過程的有 模型 以較好的模 成形過程。圖 3-14 實 和 對比4單點增量成形夾具設計前，板料漸進成形技術′??在實 階段，壓 板料的上下壓板 要采用螺栓或壓ˉ等需人工輔助 ?連接， 不僅 加工的 不利于零件成形的 化生產。??之前單點增量成形過程變形?的研“ ?，成形過程的變形?相比沖壓成形小很多，一般在3000N以 ，因fi在設計 化夾具時 以?˙傳統(tǒng)夾具中的螺栓連接，利用壓ˉ即 對板料進行 ，為 使夾持更加? ，應¨量增加夾持壓ˉ的fi量。上所述，本 設計一種單點增量成形用板料 夾持? ，其 的是改變在單點增量成形過程中，板料的?夾和?載需要? 作的現(xiàn) 。降低板料單點增量成形在非加工的時￥。?出一種 簡單、 作 、 ?的板料 壓 漸單點增量成形? 。該? 用于對壓 ?沒有特?要求的其它加工領域。2627板材單點增量成形夾具設計fl`的設計 ￡包括工業(yè)機 人、支撐板、 服電機、螺旋 降 、螺??、…ˇ、下壓板、 塊、上壓板、currency1—、 —、…?支 、通—、連接—、?塊、currency1?… 、單作用 、 模、 ˉ，圖 4-1為板料單點增量成形壓 夾具的 圖–圖4-2是板料單點增量成形 壓 夾具的側 圖–圖4-3板料單點增量成形 壓 夾具的上壓板工作示意圖。圖中，1.支撐板，2. 服電機，3.螺旋 降 ，4.螺??，5.…ˇ，6.下壓板，7. 塊，8.上壓板，9.currency1—，10. —，11.…?支 ，12.通—，13.連接—， 14 ?塊，15. currency1?… ，16. 單作用 ， 17. 模， 18. ˉ。利用…??件Solidworks 立單點增量成形夾具的…??配圖如圖4-4所示。65827193圖4-1板料單點增量成形 壓 夾具的 圖5128101314 151712 346 1118圖4-2板料單點增量成形 壓 夾具的側 圖8616 1011149121315171成形 圖4-3 板料單點增量成形 壓 夾具的上壓板工作示意圖圖4-4 成形夾具的…??配圖在fi基礎上對其進行運 行性模 ? 其夾具的 行性，如圖4-5所示分別為夾具的開 ?， 以看出所設計夾具能夠滿足的板料?夾需求。a 夾具 ?2829板材單點增量成形夾具設計b 夾具開 ?圖4-5 成形夾具的運 行性模 具o的技術 ￡是使用工業(yè)機 人′局于成形? ?載料 之￥，通過 板料 移 成形? 上。零件成形 ，通過 成形件取出，支撐板 在機床上，是成形夾具? 的載o。 服電機為下壓板的 降?供 ?來 ， 服電機的￡ 運 通過螺旋 降 和螺旋ˇ 化成下壓板的 降運 。螺旋 降 是 服電機￡ 運 化成下壓板 降運 的中￥? 。螺旋ˇ是供螺旋 降 服電機￡ 運 化成下壓板 降運 的中￥? 。…ˇ用于保?下壓板 過程? 的? 。 塊 在下壓板上，是板料 的?。下壓板用于板料的支撐和上壓板 作–及? 的支撐 ˇ，上壓板實現(xiàn)?起和下壓的 作，currency1—用于上壓板和 —的連接， —借助…?支 是實現(xiàn) —工作，使 上壓板能?起和 下，…?支 供 —起支點作用，通—? —連接， —?供 ?，連接—在?塊?通過之￥起連接作用，?塊 ?在currency1?? 上，連接在單作用 的伸縮—生， 單作用 的伸縮運 通過—件化成上壓板的?起和 下運 。currency1?… 在下壓板上，作為?塊運 的… ? ，單作用 ?currency1?… ?塊連接，?塊?—件連接，—件?上壓板連接的 ?，實現(xiàn)上壓板?起和下壓的 作， 模是板料漸進成形過程需要的模具，其通過 和 ˉ 支撐板上， ˉ用于 模在支撐板水的運 。成形夾具具o的實 ￡是¨支撐板1 的 服電機2?螺旋 降 相連， 服電機2的 化成螺?ˇ4的運 ，螺?ˇ4?上壓板6連接，上壓板6的 ?運 通過…ˇ5保?。上壓板6上的 塊7用于板料 載過程的 ，?下壓板一?夾持板料的是上壓板8，上壓板上?接currency1—9，currency1—9? — 10 使用雙 a和螺 連接。上壓板8的?起? 下 起支點作用的…?支 11 和 — 10 ?? — 實現(xiàn)。 — 10 ?通— 12 連接，通—12 ?連接— 13 ，連接— 13 ??塊 14 使用雙頭螺—連接，?塊 14在currency1?… 15 上? ，currency1?… 15 使用螺 在下壓板6上，?塊 14連接單 作用 16 的伸縮—，單作用 16 的伸縮 作通過?塊 14 、連接— 13 、通— 12 和 — 10 連接 ?作用實現(xiàn)上壓板8?下壓板6對板料的夾持 作。 模 17 ?在支撐板1上，通過配 和 ˉ 18 ，模 17 在漸進成形中 ??不?的成形件形 進行更 。板料的?夾過程需要一ˇ機 ? 待加工板料從?料 取出，夾具? 成形 沒有板料和上壓板?起的 下，機?? 按照設計的 作 夾持的板料放 下壓板6和上壓板8之￥的成形 ，機?? 移除本發(fā) ? 域， 塊對板料進行 ，單作用 16 伸出，上壓板8下壓實現(xiàn)對板料