板材單點增量成形夾具設(shè)計

板材單點增量成形夾具設(shè)計板材單點增量成形夾具設(shè)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(shù)，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(shè)備和模具，能夠縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低產(chǎn)品研發(fā)成本，特別適用于多品種、小批量以及個性化生產(chǎn)，在汽車、船舶、家電、航天航空等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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，嚴重影響加工效率，為了解決這一問題，需要設(shè)計一種具有自動壓緊定位功能的新型板材單點增量成形夾具。論文采用有限元仿真和實驗相結(jié)合的方法，得到單點增量成形過程中各向變形力的變化規(guī)律，對其成形角、層間距、板料厚度及工具頭直徑對變形力的影響進行研究，得到不同工藝參數(shù)下成形過程的最大變形力；根據(jù)得到的最大變形力選擇成形夾具的壓板尺寸和壓緊方式，分別利用AutoCAD和Solidworks軟件進行成形夾具的二維和三維設(shè)計，并對夾具的可行性進行三維動畫模擬，最終得到一種可以大幅度提高裝夾效率的成形夾具。關(guān)鍵詞：單點增量成形；數(shù)值分析與建模；變形力；夾具設(shè)計；IAbstract：Single point incremental forming is a new type of sheet metal flexible dieless forming technology. Based on the idea of layered manufacturing, the metal sheet is processed one layer at a time through the tool head. The degree of flexibility is high, and the metal sheet part is realized by local deformation. Processing. Compared with traditional press forming, it does not require special equipment and molds, which can shorten the product development cycle and reduce the cost of product development. It is especially applicable to many varieties, small batches, and individualized production. It has applications in automobiles, ships, home appliances, aerospace and other fields. Wide application prospects. In the current single-point incremental forming process, upper and lower press plates and bolts are generally used to clamp the sheet material, and the process needs manual assistance, which seriously affects the processing efficiency. To solve this problem, a new type of automatic pressing and positioning function needs to be designed. Sheet single point incremental forming fixture.In this paper, finite element simulation and experimental methods are used to obtain the variation law of the isotropic deformation force in the single-point incremental forming process. The effects of forming angle, layer spacing, sheet thickness, and tool head diameter on the deformation force are studied. The maximum deformation force of the forming process under different process parameters is obtained; the platen size and compression method of the forming fixture are selected according to the obtained maximum deformation force, and the two-dimensional and three-dimensional design of the forming fixture are respectively performed using AutoCAD and Solidworks software, and the fixture is The feasibility of three-dimensional animation simulation, and ultimately get a fixture can greatly increase the clamping efficiency.Keywords: single point incremental forming; numerical analysis and modeling; deformation force; fixture design;目 錄摘要IAbstract：II1緒 論11.1單點增量成形的原理11.2單點增量成形的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3本文研究主要內(nèi)容32 單點增量成形過程變形力分析52.1單點增量成形變形力理論解析52.2 單點增量成形變形力數(shù)值模擬82.2.1 有限元數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定82.2.2變形力模擬結(jié)果122.2.3工藝參數(shù)對變形力的影響143單點增量成形過程變形力實驗研究193.1 實驗設(shè)備介紹193.2 基于UG的NC代碼生成203.2.1 成形件實體建模213.2.2 單點增量成形過程加工軌跡的生成213.2.3 后處理NC程序的生成233.3 實驗結(jié)果和模型驗證234單點增量成形夾具設(shè)計27結(jié) 論32致 謝33參 考 文 獻34附錄外文文獻及翻譯36外文文獻36Formability in single point incremental forming: A comparative analysis of the state of the art36中文翻譯41單點增量成形過程中成形性的研究現(xiàn)狀41III板材單點增量成形夾具設(shè)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)的制造方式也發(fā)生著改變。金屬板料的加工從有模成形變化到無模柔性，這些都是適應(yīng)現(xiàn)代制造業(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(shù)?，F(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)的板料柔性成形技術(shù)主要有：單點增量成形、多點無模成形、激光熱應(yīng)力成形、旋壓成形、噴丸成形等1。上述無模成形技術(shù)都是借助數(shù)控機床來實現(xiàn)對金屬板料的無模柔性加工，克服了傳統(tǒng)成形技術(shù)依靠模具成形的不足，對新產(chǎn)品的研發(fā)試制及小批量個性化的產(chǎn)品生產(chǎn)有非常重要的意義2。上世紀90年代初，日本學(xué)者松原茂夫提出一種新型的金屬板料成形方法，即板料單點增量成形技術(shù)。通過計算機輔助制造與數(shù)控機床相結(jié)合的方法，通過CAD/CAM輔助制造技術(shù)完成待加工產(chǎn)品模型的建立，生成的NC代碼結(jié)合高精度數(shù)控機床的運行來實現(xiàn)3-4，其成形原理如圖1-1所示。因為CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，可以完成較復(fù)雜的模型加工，現(xiàn)代數(shù)控機床加工精度的提高，使得復(fù)雜建模得以在數(shù)控機床上實現(xiàn)。該技術(shù)在板料成形時不需要專用模具或僅需要簡單的支撐工具，其所需的成行力小，適合零件的試制及小批量生產(chǎn)，滿足了市場對產(chǎn)品的多樣化和個性化需求。鑒于數(shù)控單點增量成形技術(shù)的優(yōu)點，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始關(guān)注這種興起的先進柔性塑性成形技術(shù)，并對它進行了很多研究工作并取得大量的研究成果。圖1-1 單點增量成形原理1.2單點增量成形的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀金屬板料單點增量成形技術(shù)自提出以來，也受到了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，并取得了喜人的成就。從板料拉伸減薄的角度分析，得出成形過程屬于變薄拉延類型5；并通過計算分析及實驗驗證方法得出變形力的計算公式6。從成形性能分析，南京航空航天大學(xué)的崔震，高霖等7，采用數(shù)控單點漸進成形技術(shù)對鈑金浮雕字進行了成形研究，完成了高質(zhì)量鈑金浮雕字的成形。到目前對板料增量成形技術(shù)的分析工作取得一些進展，對板料變形過程中各部位材料的變形情況及各參數(shù)下的成形性能進行研究，對于提高產(chǎn)品的成形質(zhì)量、工藝的制定以及推廣有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。單點增量成形過程中的成形力研究是研究單點增量成形的重要組成部分，單點增量成形是通過工具頭與板料的相互擠壓，局部成形累積到整體成形，成形過程中，成形力的大小將決定板料是否發(fā)生破裂，而且可以計算成形過程的能量轉(zhuǎn)換與損耗。在研究工具頭高速自轉(zhuǎn)下板料升溫現(xiàn)象中，Bagudanch等8對工具頭自轉(zhuǎn)速度、工具頭直徑與成形力間的關(guān)系進行了研究。通過對金屬板料成形破裂的研究，Gabriel Centeno 等9分析了工具頭轉(zhuǎn)速和T/R對成形力的影響。Belchior等10通過有限元軟件建立的金屬板料彈性模型，分析了成形力對機器人成形板料過程中誤差補償?shù)挠绊?。Martins等11在研究摩擦力對成形過程的影響中，通過應(yīng)力解釋了板料破裂和其局部頸縮的現(xiàn)象。Duflou等12通過對金屬板料進行局部加熱，使得金屬板料塑性提高，成形力降低，回彈減少。Eyckens等13在單點增量成形中使用不同的潤滑劑對加工過程潤滑，分析研究了軸向力和切向力在不同摩擦系數(shù)下的變化情況。Durante等14使用有限元仿真軟件驗證了實驗中工具頭轉(zhuǎn)速對摩擦系數(shù)的影響，進而分析出不同轉(zhuǎn)速對于成形力的影響。Henrard等15使用有限元仿真軟件驗證了實驗中不同成形角對成形力的影響。Aerens16等分析計算出成形力預(yù)測的經(jīng)驗公式，通過對穩(wěn)態(tài)下軸向力的計算，驗證了此公式的正確性。板料單點增量成形的過程涉及到了物理、材料、高等數(shù)學(xué)、機械等多個學(xué)科，以及復(fù)雜的力學(xué)方面知識，運用理論計算成形過程中的應(yīng)力場和應(yīng)變場是非常艱巨的，預(yù)測成形過程中的各種變形也需要大量的實驗研究，這必然導(dǎo)致了實驗成本的大量提升17-20。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)值分析對學(xué)術(shù)研究非常重要，許多學(xué)者研究了板料單點漸進成形過程中的數(shù)值分析。C. Bouffioux21-22等使用實體單元對成形過程使用有限元的模擬，通過實驗的對比從而驗證了數(shù)值分析的正確性，并且分析了不同成形角對成形力造成的影響，得出了結(jié)論：成形角越大，成形力越大。國內(nèi)學(xué)者李湘吉23等運用有限元的方法對板料成形過程進行了數(shù)值模擬，分析了成形過程中應(yīng)力分布和壁厚的變化趨勢，分析了不同參數(shù)對成形過程中造成的影響，指出金字塔形工件的最大應(yīng)力和最大厚度減薄都會發(fā)生在拐角處，在成形過程中，螺旋線運動軌跡可以提高板料的成形的能力和成形的質(zhì)量。胡建標24使用ABAQUS/Explicit有限軟件建立了圓錐臺仿真模型，分析了半頂角、層間距、工具頭直徑等參數(shù)在成形過程中對板料壁厚和成形質(zhì)量的影響。本課題有限元數(shù)值仿真和實驗研究相結(jié)合的方法，研究成形過程的變形力，根據(jù)得到的變形力進行夾具設(shè)計，以期得到一種操作方便、結(jié)構(gòu)簡單的單點增量成形板料自動夾持裝置。 1.3本文研究主要內(nèi)容利用理論計算、有限元數(shù)值仿真和成形實驗相結(jié)合的方法，研究工藝參數(shù)（成形角、層間距、板料厚度及工具頭直徑）對變形力的影響規(guī)律，得到成形過程中的最大變形力，根據(jù)得到的變形力選擇合適的上下壓板形式和夾緊方式，設(shè)計出滿足最大變形力要求的成形夾具，利用二維繪圖軟件AutoCAD和三維繪圖軟件Solidworks繪制所設(shè)計夾具的二維和三維圖，并且再對夾具的可行性進行三維動畫的模擬。具體的研究內(nèi)容如下：（1）板材單點增量成形過程變形力的理論研究閱讀相關(guān)資料，了解板料單點增量成形原理，分析成形過程材料變形特點，建立單點增量成形過程產(chǎn)生變形力的模型，最后對變形力進行分析。（2）板材單點增量成形數(shù)值進行建模與分析利用數(shù)值分析軟件ABAQUS建立單點增量成形的有限元模型，以圓錐臺件為例得到成形過程中變形力的變化規(guī)律，并通過研究成形角、層間距、板料厚度和工具頭直徑對變形力的影響規(guī)律，得到給定工藝范圍內(nèi)的最大變形力。（3）板材成形實驗的研究通過數(shù)控銑床來搭建增量成形的平臺，編寫圓錐臺件的數(shù)控加工代碼，利用三向測力儀得到變形過程的變形力，和仿真結(jié)果進行對比，對所建立模型進行驗證。（4）成形夾具的設(shè)計根據(jù)已得到的最大變形力，利用二維繪圖軟件AutoCAD和三維繪圖軟件Solidworks繪制所設(shè)計夾具的二維和三維圖，用三維動畫模擬夾具的可行性。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析計算，假設(shè)單點增量成形過程中板料單元進行純剪切變化，如圖2-1所示，z是沿板料壁向ce面的拉應(yīng)力，x是剪切面cd面所受的徑向應(yīng)力，0是作用于剪切面cd面的剪應(yīng)力，板料三角變形區(qū)域受力情況如下：圖2-1 單點增量成形區(qū)域應(yīng)力分析示意圖由于沿壁向合力為0，故力平衡方程為：由于垂直于成形面的合力為0，故在該方向的力平衡方程為：單點增量負成形和正成形受力情況完全相同，為簡明表達各成形分力間的幾何關(guān)系，簡化變形力的計算，在分析變形力幾何關(guān)系時統(tǒng)一采用正成形模型，如圖2-2和圖2-3所示。圖2-2 單點增量變形力分解示意圖板料變形過程中各單元體的厚度取為dx，工具頭下壓層間距為Z，則單元體切應(yīng)變可如下求得：則單元材料的塑性變形功為：取圓錐臺成形件某一高度的截面半徑為Rc，變形區(qū)域?qū)挾葹閐Rc，工具頭半徑為R，成形角為，如圖2-5中幾何關(guān)系可求得該加工層板料變形體積為：則該層的體積變能為：切向力在加工該層所做的功為：由于是純剪切變形，故W1=W2，聯(lián)立以上兩試：根據(jù)Mises屈服準則，可將上式簡化為：將相關(guān)表達式代入上式，則：圖2-3 工具頭接觸面幾何關(guān)系示意圖設(shè)工具頭與板料接觸面平均壓力均為P，接觸面在徑向、軸向和切向的投影面積為Sx、Sz、Sy，則徑向力和軸向力與切向力的關(guān)系分別為：由幾何關(guān)系可求得各個投影面積為：將相關(guān)表達式代入得：最終求得變形力的表達式為: (2.1) (2.2) (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(shè)定有限元分析(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)作為工程技術(shù)領(lǐng)域進行科學(xué)計算的極為重要的方法之一，利用有限元分析，我們可以獲得大部分復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的各方面的機械性能信息，并對其工程設(shè)計進行評判，也可以對各種工程事故進行技術(shù)方面的分析。有限元分析所得的最后載體是利用技術(shù)集成的有限元分析的軟件，對于大部分有限元分析軟件，ABAQUS是國際比較通用的，它是功能強大的眾多有限元分析軟件之一，尤其是在非線性分析的領(lǐng)域，它不僅可以分析復(fù)雜的工程力學(xué)問題，而且具有駕馭龐大求解規(guī)模的能力。其中ABAQUS的基本操作包含前處理、網(wǎng)格劃分、相互作用定義、分析及后處理等內(nèi)容，設(shè)計到接觸問題、材料非線性顯式非線性、多步驟分析、用戶子程序、復(fù)雜工程分析等內(nèi)容。鑒于ABAQUS在分析非線性問題時的可靠性和模擬仿真過程中強大的數(shù)據(jù)處理能力，本課題采用了有限元軟件ABAQUS作為數(shù)值仿真平臺。一般情況下建立有限元模型需要建立幾何模型、劃分網(wǎng)格并定義材料屬性、定義相互作用、加載運動軌跡、提交作業(yè)這幾個主要步驟，下面具體分析各步過程：（1）幾何模型建立用于夾緊板料的壓板為圓筒形壓板，包括上壓板和下壓板，其內(nèi)圈直徑55mm，外圈直徑70mm，創(chuàng)建部件上下壓板均為解析剛體、旋轉(zhuǎn)殼得到部件。板料為可變形殼體，板料大小為實際成形板料大小140 mm140 mm1 mm。成形工具頭也為解析剛體，工具頭半徑為4mm，旋轉(zhuǎn)殼得到。創(chuàng)建完部件之后順便定義參考點。為裝配是區(qū)分上、下壓板，設(shè)置上壓板的參考點為圓筒形壓板的內(nèi)側(cè)，下壓板的參考點為圓筒形壓板的外側(cè)，最終建立的幾何模型如圖2-4所示。圖2-4 單點增量成形幾何模型（2）材料屬性與網(wǎng)格劃分在建模部分將壓板和工具頭設(shè)為解析剛體，成形過程中不會發(fā)生任何變形，因此不需要考慮其材料屬性。只須對可變形的板料進行材料屬性定義，以Q235鐵板為例，其材料屬性如下表2-1和表2-2所示。表2-1 Q235的力學(xué)性能Tab.2-1 Mechanical property of Q235材料名稱密度彈性模量E（Gpa）泊松比屈服強度Q235板7.852100.3191表2-2 Q235的應(yīng)力-應(yīng)變Tab.2-2 The stress and strain rate of Q235應(yīng)力（Mpa）91131171211251291311391塑性應(yīng)變00.01590.06490.1770.3950.7761.392.95按照實際的要求，板料應(yīng)該采用C3D8R實體網(wǎng)格劃分。當結(jié)構(gòu)一個方向的尺寸(厚度)遠小于其它方向的尺寸，并忽略沿厚度方向的應(yīng)力時，一般就可以用S4R殼體網(wǎng)格代替C3D8R實體網(wǎng)格進行模擬，如圖2-5所示。 圖2-5 S4R殼體單元和C3D8R實體單元ABAQUS中有兩種殼單元，一種是常規(guī)的殼單元，另一種是基于連續(xù)體的殼單元。依靠定義單元的平面尺寸、表面法向和初始曲率，常規(guī)的殼單元會對參考面進行離散。但是殼的厚度不能通過常規(guī)殼單元的節(jié)點定義；它可以通過截面性質(zhì)定義。另外，因為連續(xù)體的殼單元相似于三維實體單元，它們對整個三維物體建立數(shù)學(xué)描述和進行離散，它的動力學(xué)和本構(gòu)行為和常規(guī)殼單元類似。對于模擬接觸問題，因為連續(xù)體的殼單元比常規(guī)的殼單元更加精確，它可以在雙面接觸中考慮到厚度的變化。但是相對于薄殼問題，常規(guī)的殼單元又可以提供更優(yōu)良的性能。本課題的仿真所采用的是常規(guī)殼單元，定義殼的厚度即為板料的實際厚度。需要特別注意的是與實體單元不同，每個殼體單元所使用的都是局部材料方向。各種異型材料的數(shù)據(jù)（例如纖維增強復(fù)合材料）和單元輸出變量（例如應(yīng)力和應(yīng)變）都是根據(jù)局部材料方向的形式來定義的。大位移分析方面，隨著各積分點上材料的平均運動，殼面上的局部材料坐標軸轉(zhuǎn)動。（3）相互作用定義單點增量成形中設(shè)計到的接觸有板料與工具頭接觸，上、下壓板與板料的接觸。故需要定義三個相關(guān)作用。在定義相互作用之前，首先的定義相互作用屬性：創(chuàng)建相互作用屬性，選擇接觸類型，選擇力學(xué)切向行為，摩擦公式選擇罰摩擦，定義工具頭與板料的摩擦系數(shù)。創(chuàng)建工具頭、板料、上下壓板之間的相互作用如圖。工具頭與板料設(shè)置為表面與表面接觸（Explicit），板料的上表面與工具頭的外表面接觸。上壓板的下表面與板料的上表面接觸，下壓板的上表面與板料的下表面接觸，兩者的接觸類型都是表面與表面接觸（Explicit），如圖2-6所示。圖2-6 相互作用定義（4）運動軌跡的加載進入分析步功能模塊，ABAQUS/CAE默認創(chuàng)建初始分析步(Initial),位于所有分析步之前，可以在初始分析步中設(shè)置邊界條件和相互作用，使之在整個分析步中起作用，但不能編輯、替換、重命名和刪除初始分析步。通過計算機輔助制造軟件UG建立要成形的目標件，UG中自帶的加工可以生成對應(yīng)的NC代碼。單點增量成形沒有專門的試驗機床，也沒有特定的刀具，但是在UG模擬加工中，以球頭銑刀分層銑削加工可以很好的模擬單點增量成形的成形過程。這樣就可以生成數(shù)控NC代碼。UG 建模如圖。UG生成的NC代碼在MATLAB中能依據(jù)成形時間對應(yīng)的位移，合成加工軌跡如圖2-7所示。 圖2-7 單點增量成形軌跡MATLAB的workspace窗口提供了數(shù)據(jù)查看功能，由此可以得到X，Y，Z三個坐標軸對應(yīng)的時間與位移關(guān)系。找到三坐標軸時間與位移的關(guān)系，是為之后在ABAQUS分析步中設(shè)置分析步對應(yīng)的頻率與幅值關(guān)系。三坐標軸的時間-位移圖如圖2-8所示。 圖2-8 成形軌跡在X、Y、Z坐標與時間的關(guān)系完成前期的準備工作后，在分析步模塊中創(chuàng)建通用，動力、顯式（Dynamic Explicit）分析步，使用縮放定義重新創(chuàng)建質(zhì)量縮放系數(shù)，基本信息設(shè)置成形時間，成形時間的設(shè)置即為UG模型中，模擬成形件完成的時間。創(chuàng)建分析步中的幅值，分析步中的幅值用X，Y，Z三個坐標軸對應(yīng)的時間-位移關(guān)系。在幅值管理器分別創(chuàng)建X，Y，Z三個平滑分析步，幅值的頻率-幅值數(shù)據(jù)及為三個坐標軸在MATLAB中的時間-位移數(shù)據(jù)，分析步設(shè)置完成。2.2.2變形力模擬結(jié)果如圖2-9為成形過程中變形力方向定義，其中、為水平方向力為軸向力。圖2-9 變形力方向定義成形過程中的變形力代表工具頭對板料的作用力，在一個分增量析步中取200個點，得到如圖2-10所示成形過程軸向變形力的變化規(guī)律。圖2-10 軸向變形力變化規(guī)律可以看出，變形力呈波動式變化，在經(jīng)歷一段上升過程后，大約經(jīng)歷10層軌跡后達到穩(wěn)定狀態(tài)，取每層軌跡上變形力均值，得到如圖2-11所示軸向變形力隨層數(shù)的變化規(guī)律。圖2-11變形力隨層數(shù)的變化在此基礎(chǔ)上，得到、的變化規(guī)律如圖2-12所示。圖2-12 、的變化規(guī)律圖中顯示、呈波動式變化，均是存在一個逐漸上升時間，在大約10層軌跡后保持。這是因為在初始階段，成形工具頭的擠壓使得板料發(fā)生拉彎變形，此時彎曲占據(jù)了主導(dǎo)地位，造成板料的拉伸減薄不夠顯著，隨著成形的進行，彎曲所需的力逐漸增大，最終板料的拉伸減薄開始占據(jù)主導(dǎo)地位，板料厚度變薄，但由于成形過程存在加工硬化的問題，變形力變化并不大。圖2-13為成形中取兩層軌跡時、的變化規(guī)律，可以看出、在最大值和最小值之間呈現(xiàn)一個類似于正弦曲線的變化規(guī)律，峰值為500N，兩者達到峰值的時間不同。能看出在成形完一層后，可分為三個階段：第一階段保持為零，這對應(yīng)著加工過程中工具頭從上一層軌跡終點對刀到下一層軌跡起點的過程，該過程工具頭不與板材接觸，所以成形力為零；第二階段迅速增大到整個成形過程的最大值，大約為2400N，所經(jīng)歷的時間很短，這對應(yīng)著成形過程的軸向進給時刻；第三階段變形力基本保持不變，這和成形過程走等高線時刻相對應(yīng)，在整個走等高線的過程中變形力穩(wěn)定不變。圖2-13 第31、32層的成形力2.2.3工藝參數(shù)對變形力的影響對成形過程有顯著影響的工藝參數(shù)主要包含：成形角、層間距、板料厚度以及工具頭直徑，這些工藝參數(shù)都對變形力有著直接的影響，因此分別研究這四個工藝參數(shù)對變形力的影響規(guī)律。（1）成形角對變形力的影響為了研究成形角對變形力的影響，本次選擇成形角的度數(shù)分別為、，其余工藝參數(shù)保持不變。在此基礎(chǔ)上，對不同模型進行模擬建模，得到軸向力的大小和變化規(guī)律。在每一層等高線軌跡上選取200個點，取其平均值，得到不同成形角下軸向變形力隨層數(shù)的變化曲線如圖2-14所示。圖2-14 不同成形角的變形力從圖中可以看出隨著成形角的增大，軸向變形力增大，不過當成形角為時，軸向力先增大到1900N，然后減小最后穩(wěn)定在1670N左右。為了方便研究不同成形角對軸向力的影響，分別取軸向進給時的峰值和走等高線時的平均值，得到不同成形角對軸向力的影響如圖2-15所示。圖2-15 成形角度對變形力的影響（2） 層間距對變形力的影響為了研究層間距對變形力的影響，以成形深度為30mm為例，對不同參數(shù)下的模型進行模擬仿真，在每一層等高線軌跡上選取200個點，取其平均值，得到不同軸向進給量時軸向變形力隨層數(shù)的變化曲線如圖所示。圖2-16 不同層間距的變形力在不同層間距下，分別取達到穩(wěn)定狀態(tài)后軸向進給時的峰值和走等高線時的平均值，得到不同軸向進給量對變形力的影響如圖所示。圖2-17 變形力隨層間距的變化曲線（3）板料厚度對變形力的影響本節(jié)選取板料厚度為0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm，在其余工藝參數(shù)不變的情況下研究板材厚度對變形力的影響。在每一層等高線軌跡上選取200個點，取其平均值，得到不同板厚度下軸向力隨層數(shù)變化的曲線如圖2-18所示。圖2-18 不同板料厚度的成形力分別取達到穩(wěn)定狀態(tài)后軸向進給時的峰值和走等高線時的平均值，得到不同板材厚度對軸向變形力的影響如圖2-19所示。圖2-19變形力隨板材厚度的變化曲線（4）工具頭直徑對變形力的影響為了研究工具頭直徑對變形力的影響，本節(jié)選擇工具頭直徑分別為6mm、8mm、10mm、12mm、14mm，板材厚度1mm、軸向進給量1mm、成形角、摩擦系數(shù)0.1保持不變。在此基礎(chǔ)上，對不同模型進行模擬，得到軸向變形力的大小和變化規(guī)律。在每一層等高線軌跡上選取200個點，取其平均值，得到不同工具頭直徑時軸向變形力隨層數(shù)的變化曲線如圖所示?？梢钥闯鲋睆綖?mm時，走等高線的軸向力穩(wěn)定在1460N附近，而直徑為14mm時穩(wěn)定在1870N附近，兩者相差較大，因此得出結(jié)論：工具頭直徑對變形力的影響非常大。圖2-20 不同工具頭直徑的變形力在不同工具頭直徑下，分別取達到穩(wěn)定狀態(tài)后軸向進給時的峰值和走等高線時的平均值，得到工具頭直徑對變形力的影響如圖2-21所示。從圖2-21可以看出，同變形力隨軸向進給量的變化曲線類似，峰值和均值都隨工具頭直徑的增大而增大，并且近似于一個線性增大趨勢。圖2-21變形力隨工具頭直徑的變化曲線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累積成形復(fù)雜的空間軌跡，對機床的剛度、精度和穩(wěn)定性都有較高要求，但對實驗平臺構(gòu)造要求簡單，不需專用成形設(shè)備，在立式三軸數(shù)控銑床即可完成相應(yīng)成形。本章利用三向測力以測量成形過程中的變形力，對有限元模型進行驗證。3.1 實驗設(shè)備介紹本文實驗平臺采用HASS-VF數(shù)控加工中心，如圖3-1所示。該機床具有加工質(zhì)量穩(wěn)定，加工精度高，重復(fù)精度高等特點，同時它還具有較高的動態(tài)特性，動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性和抗熱變形性能，適應(yīng)單點增量成形這種連續(xù)持久的自動化加工。板料的夾緊裝置分為支撐板和壓板，將板料放置于支撐板上，通過螺栓將壓板緊定于支撐板以保證板料固定，如圖3-2所示，與卡具相連的測力儀是KISTLER 9257B三向測力傳感器，傳感器采集到的力傳遞到電荷放大器后，經(jīng)電荷放大器輸入到數(shù)據(jù)采集儀，然后在安裝了專用軟件VibSYS的終端電腦上顯示。工具頭采用高速鋼磨削而成，以達到較高的硬度，如圖3-3所示。圖3-1 HASS-VF加工中心 圖3-2 裝夾裝置 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代碼驅(qū)動機床進行漸進成形，成形軌跡非常復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的手工編程已無法滿足單點增量成形的基本要求，當前單點增量成形已與計算機技術(shù)緊密結(jié)合，利用CAE軟件進行自動編程，不僅經(jīng)濟和時間成本低，而且精度高，已成為復(fù)雜型面加工的首選方案。UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一個產(chǎn)品工程解決方案，為用戶的產(chǎn)品設(shè)計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段。它可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜實體及造型的結(jié)構(gòu)建成。我們可以通過UG的加工后置處理模塊方便地建立自己的加工后置處理程序，該模塊已經(jīng)廣泛作用于世界上主流的CNC機床和加工中心，已成為應(yīng)用最廣泛的CAE軟件之一。單點增量成形技術(shù)與CAE技術(shù)和NC技術(shù)的結(jié)合過程如圖3-4所示，基于UG軟件生成NC代碼的步驟也依此流程。圖3-4 CAE技術(shù)與NC技術(shù)結(jié)合流程圖3.2.1 成形件實體建模根據(jù)圓錐臺的實驗參數(shù)進行建模。在UG軟件中新建模型，然后進入任務(wù)環(huán)境中的草圖模式，根據(jù)示例尺寸繪畫出所需草圖，通過拉伸和抽殼等操作，創(chuàng)建出所需理想零件的實體模型，如圖3-5所示。圖3-5 模型創(chuàng)建3.2.2 單點增量成形過程加工軌跡的生成由于UG沒有針對單點增量成形軌跡的分析模塊，故本文采用等高線輪廓銑來代替單點增量的層進給成形。進入UG的加工模塊后，將加工環(huán)境設(shè)定為輪廓銑（mill_contour）。依次按照創(chuàng)建程序、創(chuàng)建刀具、創(chuàng)建幾何體、創(chuàng)建工序和加工軌跡生成等步驟完成整個刀軌的生成過程。在數(shù)控編程中，加工軌跡根據(jù)工具頭的中心生成G代碼。對于銑削加工，由于刀具帶有切削刃，這種編程方式非常合理，如圖3-6所示，利用UG生成的程序控制機床進行銑削加工，得出的輪廓與設(shè)計輪廓一致。而單點增量成形是依靠成形工具頭最低點進行碾壓式的逐點加工，故利用等高輪廓銑生成的NC程序并不符合單點增量成形的實際加工要求。將使用球頭成形工具生成的G代碼在導(dǎo)入機床中，加工出的成品最大外圓直徑總是小于設(shè)計的最大外圓直徑，如圖3-7所示。根據(jù)單點增量是依靠工具最低點加工的這一特點，采用平頭刀具代替球頭刀進行刀軌生成，并在生成的G代碼中添加刀補，便可得到符合單點增量成形過程的NC代碼。 圖3-6 銑削加工示意圖 圖3-7 單點增量成形示意圖由以上分析可得，選擇平頭刀進行刀具創(chuàng)建生成的G代碼最符合單點增量的成形軌跡。加工坐標原點（即機床的對刀點）在創(chuàng)建幾何體中設(shè)置，選取整個成形件模型為指定部件，采用自動塊毛坯，將MCS_MILL中的坐標0點設(shè)置在成形件加工時的起始點，即完成成形前的對刀工作。為確保在加工過程中抬刀時刀具不會與夾具碰撞，在成形時必須設(shè)置安全平面，其高度應(yīng)大于夾具上壓板的高度，此處安全平面高度設(shè)為15mm。單點增量成形是以走等高線的形式進行成形，所以進行工序創(chuàng)建時，選取等高層進給銑削（ZLEVEL）進行工序創(chuàng)建，并選用已創(chuàng)建的成形工具，對已創(chuàng)建幾何體采用精銑(MILL_FINISH)的方式進行成形。選取成形件內(nèi)表面為切削區(qū)域，進行刀軌輸出設(shè)置，在最大距離選項中設(shè)置層進給量，在切削參數(shù)中設(shè)置進刀方式，在進給率和速度中設(shè)置進給速度，完成各項設(shè)置后便可生成成形軌跡，如圖3-8所示。圖3-8刀路軌跡3.2.3 后處理NC程序的生成UG中帶有的后處理器可以生成不同數(shù)控系統(tǒng)所需的NC代碼，本文選用的實驗平臺為HASS-VF加工中心，采用HASS三軸銑床的后處理器進行程序生成。由于UG在理想加工條件下生成G代碼，有許多不必要的指令（如冷卻、換刀），故在實際加工過程中UG生成的NC代碼不可直接運用到數(shù)控機床中，在使用前必須要經(jīng)過相應(yīng)的修改，刪除不必要的指令，同時為了符合單點增量成形軌跡，還需增加一個刀補指令，修改前后的指令如圖3-9和3-10所示。將修改后的程序拷貝到機床內(nèi)存中即可進行單點增量成形。 圖3-9 修改前的G代碼 圖3-10 修改后的G代碼3.3 實驗結(jié)果和模型驗證不同參數(shù)成形實驗得到的成形如圖3-11所示。 (a) Q235 D12 Z1 (b) AL D12 Z1 (c) AL D12 Z1 (d) AL D8 Z0.5圖3-11 不同參數(shù)的成形制件為驗證有限元模型的正確性，保持其余工藝參數(shù)和仿真模型一致的情況下測量實驗中的變形力，得到的結(jié)果如圖3-12所示。圖3-12 變形力變化曲線同樣的實驗進行5次，取每層軌跡上變形力的均值，如圖3-13所示。圖3-13 重復(fù)性實驗取5次成形實驗變形力的平均值，計算得到不同層數(shù)下，軸向變形力如表3-1所示。表3-1 不同層數(shù)的成形力層數(shù)軸向力（N）層數(shù)軸向力（N）1561181829268119179831150201850412562118575149022187861601231847716402418398167825182991683261866101730271868111753281839121798291876131815301856141780311829151828321858161799331839171839將實驗得到的成形力結(jié)果同有限元仿真得到的結(jié)果進行對比，所得結(jié)果如圖所示。從圖3-14可以看出仿真得到的軸向力隨圈數(shù)的變化曲線同實驗得到的軸向力隨圈數(shù)的變化曲線基本重合，最大誤差為7.49%，說明上章節(jié)所建立的單點增量成形過程的有限元模型可以較好的模擬成形過程。圖3-14 實驗和仿真結(jié)果對比4單點增量成形夾具設(shè)計目前，板料漸進成形技術(shù)仍停留在實驗階段，壓緊板料的上下壓板主要采用螺栓或壓扣等需人工輔助方式連接，這不僅影響加工的效率還不利于零件成形的自動化生產(chǎn)。根據(jù)之前單點增量成形過程變形力的研究可知，成形過程的變形力相比沖壓成形小很多，一般在3000N以內(nèi)，因此在設(shè)計自動化夾具時可以去掉傳統(tǒng)夾具中的螺栓連接，利用壓扣即可對板料進行固定，為了使夾持更加穩(wěn)固，應(yīng)盡量增加夾持壓扣的數(shù)量。綜上所述，本文設(shè)計一種單點增量成形用板料自動夾持裝置，其目的是改變在單點增量成形過程中，板料的裝夾和卸載需要手動操作的現(xiàn)狀。降低板料單點增量成形在非加工的時間。提出一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、安全的板料自動壓緊漸單點增量成形裝置。該裝置還可用于對壓緊力沒有特殊要求的其它加工領(lǐng)域。最終的設(shè)計方案包括工業(yè)機器人、支撐板、伺服電機、螺旋升降器、螺紋住、導(dǎo)柱、下壓板、定位塊、上壓板、直桿、杠桿、三角支架、通桿、連接桿、滑塊、直線導(dǎo)軌、 單作用氣缸、凸模、鎖緊扣，圖4-1為板料單點增量成形自動壓緊夾具的主視圖；圖4-2是板料單點增量成形自動壓緊夾具的側(cè)視圖；圖4-3板料單點增量成形自動壓緊夾具的上壓板工作示意圖。圖中，1.支撐板，2.伺服電機，3.螺旋升降器，4.螺紋住，5.導(dǎo)柱，6.下壓板，7.定位塊，8.上壓板，9.直桿，10.杠桿，11.三角支架，12.通桿，13.連接桿，14滑塊，15. 直線導(dǎo)軌，16. 單作用氣缸，17.凸模，18.鎖緊扣。利用三維軟件Solidworks建立單點增量成形夾具的三維裝配圖如圖4-4所示。圖4-1板料單點增量成形自動壓緊夾具的主視圖圖4-2板料單點增量成形自動壓緊夾具的側(cè)視圖圖4-3 板料單點增量成形自動壓緊夾具的上壓板工作示意圖 圖4-4 成形夾具的三維裝配圖在此基礎(chǔ)上對其進行運動可行性模擬證明其夾具的可行性，如圖4-5所示分別為夾具的開合狀態(tài)，可以看出所設(shè)計夾具能夠滿足的板料裝夾需求。 （a）夾具閉合狀態(tài)（b）夾具開合狀態(tài)圖4-5 成形夾具的運動可行性模擬具體的技術(shù)方案是使用工業(yè)機器人布局于成形裝置與載料盤之間，通過吸盤將板料轉(zhuǎn)移到成形裝置上。零件成形結(jié)束后，通過吸盤將成形件取出，支撐板固定在機床上，是成形夾具裝置的載體。伺服電機為下壓板的升降提供動力來源，伺服電機的回轉(zhuǎn)運動通過螺旋升降器和螺旋柱轉(zhuǎn)化成下壓板的升降運動。螺旋升降器是伺服電機回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成下壓板升降運動的中間裝置。螺旋柱是供螺旋升降器將伺服電機回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成下壓板升降運動的中間裝置。導(dǎo)柱用于保證下壓板升級過程穩(wěn)定的裝置。定位塊固定在下壓板上，是板料定位的裝置。下壓板用于板料的支撐和上壓板操作涉及裝置的支撐平臺，上壓板實現(xiàn)抬起和下壓的操作，直桿用于上壓板和杠桿的連接，杠桿借助三角支架是實現(xiàn)杠桿工作，使得上壓板能抬起和落下，三角支架供杠桿起支點作用，通桿與杠桿連接，給杠桿提供動力，連接桿在滑塊與通過之間起連接作用，滑塊安裝在直線滑軌上，連接在單作用氣缸的伸縮桿生，將單作用氣缸的伸縮運動通過桿件轉(zhuǎn)化成上壓板的抬起和落下運動。直線導(dǎo)軌固定在下壓板上，作為滑塊運動的導(dǎo)向裝置，單作用氣缸與直線導(dǎo)軌滑塊連接，滑塊與桿件連接，桿件與上壓板連接的方式，實現(xiàn)上壓板抬起和下壓的操作，凸模是板料漸進成形過程需要的模具，其通過卡槽和鎖緊扣固定到支撐板上，鎖緊扣用于限定凸模在支撐板水平方向的運動。成形夾具具體的實施方案是：支撐板1固定的伺服電機2與螺旋升降器相連，將伺服電機2的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成螺紋柱4的運動，螺紋柱4與上壓板6連接，上壓板6的平穩(wěn)運動通過導(dǎo)柱5保證。上壓板6上的定位塊7用于板料轉(zhuǎn)載過程的定位，與下壓板一同夾持板料的是上壓板8，上壓板上焊接直桿9，直桿9與杠桿10使用雙墊片和螺母連接。上壓板8的抬起與落下由起支點作用的三角支架11和杠桿10根據(jù)杠桿原理實現(xiàn)。杠桿10與通桿12連接，通桿12與連接桿13固定，連接桿13與滑塊14使用雙頭螺桿連接，滑塊14在直線導(dǎo)軌15上滑動，直線導(dǎo)軌15使用螺釘固定在下壓板6上，滑塊14連接單向作用氣缸16的伸縮桿，單作用氣缸16的伸縮動作通過滑塊14、連接桿13、通桿12和杠桿10連接共同作用實現(xiàn)上壓板8與下壓板6對板料的夾持操作。凸模17安裝在支撐板1上，通過配合槽和鎖定扣18固定，凸模17在漸進成形中可根據(jù)不同的成形件形狀可進行更換。板料的裝夾過程需要一臺機器手臂將待加工板料從物料區(qū)取出，夾具裝置成形區(qū)沒有板料和上壓板抬起的情況下，機械手臂按照設(shè)計的動作將夾持的板料放到下壓板6和上壓板8之間的成形區(qū)，機械手臂移除本發(fā)明裝置區(qū)域，定位塊對板料進行定位，單作用氣缸16伸出，上壓板8下壓實現(xiàn)對板料的加緊。成形夾具中使用了8個單作用氣缸18和8個電磁換向閥及2個伺服電機，PLC控制器作為成形夾具的控制單元被應(yīng)用于伺服電機2轉(zhuǎn)速的控制，伺服電機2的轉(zhuǎn)速確定下壓板6的升降速度。結(jié) 論單點增量成形夾具是單點增量成形過程中必不可少的一種工藝設(shè)備，其作用是將板料固定于工作臺面，以便于成形的可操作性。該夾具裝置的設(shè)計必須滿足工藝要求，最終滿足產(chǎn)品的形狀、尺寸和精度的要求，夾具裝置的質(zhì)量直接影響成形制件的表面質(zhì)量、尺寸精度等，產(chǎn)品的質(zhì)量。本次畢業(yè)設(shè)計主要進行的是成形夾具的設(shè)計，利用理論計算、有限元仿真和成形實驗相結(jié)合的方法，得到成形過程變形力的變化規(guī)律；研究了工藝參數(shù)：成形角、層間距、板料厚度及工具頭直徑對變形力的影響規(guī)律，得到成形過程中的最大變形力；根據(jù)最大變形力設(shè)計了單點成形自動裝夾夾具，繪制二維和三維裝配圖，進行了夾具可行性驗證；最后具體介紹了夾具的工作原理和操作方法。本設(shè)計為單點增量成形夾具的設(shè)計提供了一種方法，改變在傳統(tǒng)單點增量成形過程中，板料的裝夾和卸載需要手動操作的現(xiàn)狀，降低板料單點增量成形的非加工時間，同時該裝置不僅適用板料單點增量成形還可用于對壓緊力沒有特殊要求的其它加工領(lǐng)域。43致 謝在本科生畢業(yè)論文即將完成之際,我想向曾經(jīng)給我?guī)椭椭С值睦蠋?、學(xué)長和好朋友們表示衷心的感謝。本論文的研究工作是在導(dǎo)師姚梓萌老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。在學(xué)習(xí)和論文研究期間，導(dǎo)師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敏銳的洞察力和對學(xué)生的高標準、嚴要求，使我在學(xué)術(shù)上和思想上受到許多的啟迪，讓我畢生難忘。老師的殷切指導(dǎo)，孜孜不倦的精神也讓我受益匪淺。值此論文完成之際，向姚老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！最后，我要感謝我的父母，他們對我的關(guān)懷和鼓勵，讓我朝自己的理想去奮斗！在此，我送上我最美好的祝福，我會以我的成績給他們一份滿意的答卷。謹以此文獻給我親愛的家人及我的老師、同學(xué)和朋友們。參 考 文 獻1 李明哲, 付文智, 依卓. 板料柔性成形技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J. 鍛造與沖壓, 2016(14):20-24.2 朱勝. 柔性增材再制造技術(shù)J. 機械工程學(xué)報, 2013, 49(23):1-5.3 張偉,朱虎,楊忠鳳.金屬板材單點漸進成形技術(shù)的研究進展J.工具技術(shù),2009,43(5):29-33.4 Jeswiet J. Asymmetric Incremental Sheet FormingJ. Advanced Materials Research, 2005, 522(6): 35-58.5 宋修成, 陸彬, 陳軍. 基于預(yù)拉伸與數(shù)控漸進成形復(fù)合的轎車翼子板樣件制造技術(shù)J. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2013, 47(5):754-7596 姚梓萌, 李言, 楊明順,等. 金屬板材單點增量成形過程成形力的研究J. 機械科學(xué)與技術(shù), 2015, 34(7):1044-1047.7 崔震, 高霖, 陸啟建,等. 基于數(shù)控單點漸進成形技術(shù)的鈑金浮雕字成形J. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2009, 41(1):91-96.8 Bagudanch I., Centeno G., Vallellano C., et al. Forming Force in Single Point Incremental Forming under Different Bending ConditionsJ.Procedia Engineering,2013,(63)354-360.9 Centeno Gabriel, Bagudanch Isabel, Martnez-Donaire A.J, et al. Critical analysis of necking and fracture limit strains and forming forces in single-point incremental forming J. Materials& Design, 2014, (63):20-29.10 Belchior J., Guillo M., Courteille E., et al. Off-line compensation of the tool path deviations on robotic machining: Application to incremental sheet formingJ.Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 2013, 29(4): 58-69.11 Martins P. A. F., Bay N., Skjoedt M., et al. Theory of single point incremental formingJ. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2008, 57(1): 247-252.12 Duflou J. R., Callebaut B., Verbert J., et al. Improved SPIF performance through dynamic local heatingJ.International Journal of Machine Tools and Manufacture,2008,48(5): 543-549.13 Eyckens P,Duflou J.,Bael A,et al. The significance of friction in the single point incremental forming processJ.International Journal of Material Forming,2010,3(1): 947-950.14 Durante M., Formisano A., Langella A., et al. The influence of tool rotation on an incremental forming processJ.Journal of Materials Processing Technology,2009,209(9): 4621-4626.15 Henrard C.,Bouffioux C.,Eyckens P., et al. Forming forces in single point incremental forming: prediction by finite element simulations, validation and sensitivityJ. ComputationalMechanics, 2010,47(5): 573-590.16 Aerens R., Eyckens P., Bael A., et al. Force prediction for single point incremental forming deduced from experimental and FEM observationsJ.The International Journal of Advanced ManufacturingTechnology,2009,46(12): 969-982.17 樊俊鈴, 郭杏林. 彈塑性疲勞裂紋擴展行為的數(shù)值模擬 J. 機械工程學(xué)報,2015,10:33-40.18 李強, 趙洋, 王振宇. 沖擊荷載下充氣壓力圓鋼管的動態(tài)響應(yīng)研究 J. 科技通報,2016,08:59-62.19 耿盛韋, 王志瑾, 胡秋野. 預(yù)應(yīng)力下空間站柔性太陽翼動力學(xué)特性分析 J. 航天器環(huán)境工程,2016,05:490-496.20 郭世杰, 胡志勇, 范斌, 等. 基于ABAQUS的鎳基合金加工表面殘余應(yīng)力有限元模擬J. 組合機床與自動化加工技術(shù),2013,09:55-58.21Sena J. I. V., De Sousa R. J. Alves,Valente R. A. F.Single point incremental forming simulation