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基于并联运动机床的金属板料渐进成形技术基础研究

崔震  
【摘要】:金属板料渐进成形技术是近几年兴起的一种快速无模成形技术,它是根据零件的几何信息产生数控加工程序,并在数控设备上控制成形工具头根据已产生的数控加工程序对板料逐层进行成形,使板料产生局部的塑性变形直至最终成形完所需形状的钣金零件。它具有柔性程度高、生产成本显著降低、产品开发周期显著缩短等特点,在航空航天、汽车家电、船舶等行业的中小批量钣金产品中具有广泛的应用前景。本文在试验研究、数值模拟和理论研究的基础上,对基于串联式机床和并联式机床的渐进成形过程进行了基础性的研究,主要的工作和结论如下: (1)总结了各国使用的渐进成形设备,全面的分类介绍了渐进成形的研究现状。将基于串联式机床的板料渐进成形方式按其成形特点分成负成形和正成形,介绍了两种成形方式的各自成形特点。首次将负成形过程应用于圆孔翻边和异型件的翻边过程;通过成形人面部钣金模型零件,介绍了正成形的成形过程。最后通过分析零件成形中的鼓包现象和成形钣金浮雕字显示了正成形的优点。 (2)将两个Stewart机构的六联杆机器人组合而成为并联运动机床,描述了该机床的控制系统和控制软件,并通过激光测量仪对两个机器人的整体运动空间进行误差测量,实现了加工程序的误差补偿,有效的提高了上下两个机器人的运动精度。基于该并联机床,不仅能实现传统的负成形和正成形,还实现了几种新的渐进成形方式:上下工具头分别成形钣金零件的不同特征,从而实现较复杂零件的成形;在成形过程中一个工具头起成形作用,而另一个起到支撑工具头的作用;两个工具头同步运动从而实现了任意形状复杂零件的成形,在成形过程中完全脱离了支撑模型的需求;两个工具头同步运动,但是成形由板料的内部开始,向外运动。 (3)在渐进成形过程中加工程序占据了很重要的角色,根据几何关系推导了在利用两个工具头同时成形圆锥形零件时,在三种新的成形方式下两个工具头的位置关系。基于EXCEL VBA编制了相关的程序可以简单快速的产生相应的加工程序,并输出适用于机床的数据格式。同时介绍了利用EXCEL VBA对CAM软件中产生的等高线加工程序进行相应的转换,产生螺旋线加工程序,消除了成形零件上的刀具进给痕迹。 (4)对提出的四种新的基于两个并联运动机器人的成形方式进行了试验研究,成形了相应的钣金零件。在两个工具头同时成形的过程中,可以减小两个工具头之间的间隙过度挤压板料从而提高零件的成形精度,发现该挤压系数跟成形角度之间的关系最大,在成形角度较大时单纯使用挤压系数也不能完全成形出相应设计尺寸的零件,因此提出了使用一定的挤压系数和多道次相结合的方法,有效的提高了成形零件的尺寸精度。 (5)基于LS-DYNA对渐进成形过程进行了数值模拟,详细的介绍了模拟的前处理过程。对圆锥形的零件分别使用实体单元和壳单元进行模拟,结果显示使用壳单元模拟时中性层上的应变与实体单元的结果最为接近,而壳单元与实体单元模拟时相比可以大大的缩短模拟时间和减少有限元建模的步骤。对一个工具头的成形过程进行了模拟,首先模拟了圆孔翻边过程,对三种不同尺寸的翻边件分析了不同成形工具头直径下翻边直壁的厚度变化和成形力的变化,最后得出了最优化的成形工具头直径。其次模拟了变薄带现象的影响因素,发现其结果与相关文献中的试验结果符合很好,并提出了在一定成形高度之内增加过渡圆弧的方法有效避免了变薄带现象。最后模拟了多道次成形的方法,发现由于后面成形道次中板料存在的反弯曲现象引起的“凸台”容易引起板料变薄严重,成形道次越多板料的开始阶段厚度越均匀,但是在成形零件底部有更大的变薄,合理安排每一成形道次的高度能得到更加优化的零件壁厚。对两个工具头的成形过程也进行了相应的模拟,其模拟跟试验有相同的结果,主要分析了零件的变形历史,发现零件顶部的弯曲变形主要发生在成形的开始阶段,当成形到一定的深度之后顶部弯曲部分基本不变,将这一现象应用于一个复杂零件的成形中,提高了零件的尺寸精度。 (6)在实际的试验和模拟中,零件壁厚的变化是一个较为重要的参数,根据试验和模拟中的分析经验,在本文的最后,提出了一个计算零件变形后应变分布的数学模型。该数学模型完全基于零件变形的几何关系,并对文献中经常出现的圆锥形零件、双曲线形零件、球形件、斜圆锥件和椭圆锥件进行了具体计算公式的推导。前三种零件的应变计算公式与传统的余弦定理相同,后两种零件的应变计算则与零件的几何参数相关。并将几种形状零件应变结果的试验值、模拟值和理论计算值进行了比较,发现三者符合较好。将该方法应用到任意形状的复杂零件中,结合有限元前处理软件和EXCEL VBA编程方便的根据零件CAD模型显示零件的应变分布。


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