复杂钣金零件渐进成形方法

　　前言

　　为了适应市场的需要，各种无模成形方法不断涌现出来，如成形锤渐进成形、喷丸成形、无模多点成形、激光热应力成形、旋压成形、CNC高压水喷射成形和金属板料单点渐进成形等。近年来，国内外愈来愈多的学者致力于金属板料单点渐进成形技术的研究。渐进成形技术是根据工件形状的几何信息，在数控设备上控制成形工具头沿特定轨迹对板料进行局部的塑性加工，使板料逐渐成形为所需工件。渐进成形不需要专用的模具，重复性好，可控制金属流动，能加工出形状复杂的工件，对于飞机等多种小批量产品、家用电器等新产品的开发以及汽车新型样车试制等具有较大的经济价值和广阔的发展前景。

　　本文在对金属板料数控单点渐进成形技术进行了一些研究的基础上，利用现有的资源，将计算机、数控成形机床以及成形工具、结构简单的夹具组成一个数控成形系统，采用预先编制好的控制程序逐点进行板料零件的加工，成功成形出人面部形状的钣金零件。

　　1 渐进成形分类及特点

　　1.1 渐进成形的分类

　　渐进成形分为负成形与正成形。负成形可以成形一些形状比较简单的零件，它不需要支撑模型，只需要简单的夹具，板料由夹具夹紧，然后成形工具头按设定好的程序实现分层加工，每加工一层，成形工具头便下降一定距离，进行第二层的加工，如此直至结束，在加工过程中夹具夹紧板料始终不动。渐进成形(负成形)及板料成形角原理示意图如

　　图1所示。

　　图1 渐进成形(负成形)及板料成形角原理示意图

　　形状复杂的零件要用正成形的方法。在正成形方法中，需要支撑模型，支撑模型的形状要与所成形的零件的形状一致，这种支撑模型与冲压成形中的模具有很大差别，支撑模型的精度要求不是很高，并且材料的选择比较灵活。在这种成形方法中，首先加工支撑模型，支撑模型加工完毕后再放上板料，以后的加工步骤与负成形基本相同，所不同的是正成形中成形工具头每走完一层的路径，托板都要带动板料与成形工具头共同向下移动相同距离。渐进角度大于成形极限角的特征，则尽可能减小其高度，成形(正成形)原理示意图如图2所示。

　　图2 渐进成形(正成形)原理示意图

　　1.2 渐进成形方法的特点

　　渐进成形过程中板料的成形能力有所提高，从成形极限图上可以看出(图3)，成形极限可以用‰+‰表示，因此，渐进成形中板料可以有更大的变形量。渐进成形的缺点主要是成形效率较低，成形单个零件所需要的相对时间比较长，因此如何提高其成形效率也

　　图3 传统成形方法与渐进成形方法的成形极限曲线

　　2人面部模型渐进成形试验过程人面部模型是相对较为复杂的零件，在成形人面部模型的过程中，采用以下步骤：建模及生成加工代码、制造支撑模型、加工人面部模型。

　　2.1 建模及生成加工代码

　　渐进成形中，板料的厚度变化遵循如下规律：(皖为板料的初始厚度)，秒称为板料成形角(图1)。每种材料有其相对应的最大成形角度，称为成形极限角。试验用的LYl2M材料的成形极限角在650～700之间，超过此角度材料在成形过程中极易出现裂纹等失效形式，因此在建模时必须考虑这一点。用于加工成形的零件其板料成形角度尽量控制在成形极限角度之内，对于某些要求最终要成形的人面部模型

　　首先考虑支撑模型的做法。支撑模型应该省时、经济、实用，试验中采用代木作为支撑模型，在加工人面部模型之前首先要在机床上加工出支撑模型。考虑到板料的厚度，直接对建立的人面部模型内偏置一个板料厚度，用于生成支撑模型的加工代码模型，然后生成加工代码。加工支撑模型的程序只需要三轴的加工程序即可，具体加工信息如表l所示。

　　表1支撑模型加工程序信息

　　然后生成用于人面部渐进成形加工的刀具轨迹。渐进成形的刀具轨迹的产生思想是模拟模型的精加工，即加工余量设为零。UG中的CAM模块没有专门用于模拟板料挤压成形的刀轨，根据渐进成形的过程特点要求程序要按照层加工进行，只有加工完上一层后才能进入下一层进行加工，因此在加工选项里面要选择“层优先”，这与铣削加工的深度优不一样。生成的三轴加工程序详细信息如表2所示。其他的加工代码信息与三轴铣中的设置相似。

　　表2 人面部渐进成形加工程序详细信息

　　由UG Nx3中生成的三轴加工代码并不能直接用于人面部模型的渐进成形，这是因为在正成形中除了成形工具对板料进行层加工以外，板料还要随着托板的下降而下降，就要求在加工代码中有一个指令可以通过计算机控制托板的移动。在数控机床上，假设托板被命为4轴，显然在程序中应该有关于的信息。仔细分析渐进成形的过程可以看出，在程序的第一层板料是紧贴在模型上面的，当程序要下降一个距离进行第二层加工时，装夹板料的托板也要下降一个相同的距离。这样可以编制一个转换程序，程序的具体原理是逐行分析由UG Nx3中生成的加工代码，找到成形工具进入下一层进行加工的语句，这里成形工具下降的方向为z轴负方向，并在z轴的值后面加入彳轴的值，从渐进成形过程分析知道这个值与z轴相同。本试验中利用软件VB6.0编制的转换软件，很方便把UG里面生成的三轴加工程序转换成渐进成形所需要的程序。转换后的加工程序即可用于板料的渐进成形。

　　2.2 试验过程

　　首先加工支撑模型，将代木装夹到机床夹具上面，进行粗、精加工，加工完的支撑模型如图5所示。

　　因此在换刀后有一个重新定位的问题，要使渐并且要在z轴方向上向上移动一个板料厚度的距离。如果存在误差，在渐进成形过程中成形工具在某些地方过度挤压板料;如果支撑模型的硬度比较高，成形工具、板料、支撑模型之间的力会非常大，对板料的成形性能影响也很大，而在有的地方板料与支撑模型之间的贴合程度就很小。定位了加工程序的原点后，升起托板，把板料装夹到托板上。图6为试验设计的装夹装置。

　　图6 试验设计的装夹装置

　　调入加工程序进行渐进成形。试验中使用普通润滑油，使用的LYl2M板料的实际厚度为0.923，板料尺寸为290 Inm×180 mm，待加工的人面部模型的尺寸：长度为168 mm、宽度为96 mm、高度为27 mm。按此加工两个人面部零件，为了证明定位精度对零件加工结果的影响，零件l有比较高的定位精度，并特意在零件2定位时故意向x轴负方向移动1 nlIn，两个零件的其他加工方法完全相同。最终成形的人面部零件1与零件2如图7所示。

　　图7 最终成形的人面部零件1与零件2

　　3 渐进成形试验结果分析

　　零件1原点定位精度比较高，可以成功地成形出需要的零件，零件的表面质量比较好，对零件的一个断面进行厚度分析(图8、9)，可以看出，材料的厚度基本符合万=磊cos护的规律，并且在x轴的正负对称方向厚度变薄一致。

　　图9 零件1实际厚度与理论厚度分布比较示意图

　　对于零件2，从图10～12可以看出，由于定位误差的原因，根本不能成形出设计的人面部零件，对于没有受到挤压的一侧，由于板料的贴模性不好，材料变薄与艿=磊cos秒有较大误差，并在有的地方材料发生堆积，使板料的厚度不但没有减薄，反而有所加厚;板料在过度挤压侧材料变薄严重，并很快发生了破裂。

　　图ll 零件2非挤压侧板料实际厚度与理论厚度比较图

　　图12 零件2过度挤压侧板料实际厚度与理论厚度比较图

　　4 结论

　　(1)渐进成形正成形方法可以成形形状复杂的钣金零件，成形只需要简单的支撑模型，成形出的零件精度较高，表面质量较好，对于小批量零件花费时间少，节省资金，可以满足产品不断创新设计、多品种、小批量的要求。

　　(2)UG软件可以生成用于渐进成形的三轴加工代码，不能完全符合渐进成形正成形过程的要求，必须通过转换程序对uG软件产生的加工代码进行转换，使托板带动板料实现随着加工工具逐层下降的功能。

　　(3)渐进成形正成形中定位精度非常重要，如果定位精度误差达到一定程度，就会导致板料的贴模性不好，从而严重影响成形的质量，甚至不能够成功成形出零件。