CN108941318A - 一种金属钣金件镜像无模加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属钣金件镜像无模加工方法，包括以下步骤：第一步、将长方形板料固定在成形机床上，所述板料的两条对角线将板料分隔为四个区域；第二步、第一道次采用单个成形工具成形出所述中间构型，该中间构型的表面积为最终金属钣金件表面积的40‑60%；当成形工具的工具头运动到板料的其中某一区域时，该区域板料所对应边界的柔性夹具的夹紧力减小；第三步、第二道次中采用上、下两个成形工具同时对板料进行镜像无模成形至最终形状，下成形工具的工具头始终位于该工具头与板料接触点的法线方向上。本发明无需专用模具，加工周期短，能满足如今社会产品的创新设计要求，在快速原型制造及新车型开发等领域具有良好的发展前景。

Description

一种金属钣金件镜像无模加工方法

技术领域

本发明涉及一种金属钣金件镜像无模加工方法，属于金属钣金件制造技术领域。

背景技术

通过钣金工艺加工出来的钣金件产品由于具有强度高、轻量化、成本低、能够实现大规模生产等特点，在汽车工业、航空航天、医疗器械、日用五金等行业获得了广泛应用。

近年来，随着国民经济的快速发展，现代社会产品要求日益多样化、个性化，产品设计不断创新，更新换代速度不断加快。在这种环境下，产品生产已有向小批量、多品种发展的趋势，而传统冲压工艺由于模具设计周期长、一次性投入大和柔性度不够等制约，在个性化产品生产方面已失去优势，因此，一些适合小批量、多品种生产的柔性制造技术应运而生。其中板料数控渐进成形技术是近些年新兴起的一种柔性加工成形技术，能够适应产品的创新设计，适应多品种、少批量生产、交货时间短、快速响应用户需要等要求。

钣金件的数控渐进成形依据成形道次的数目分为单道次和多道次渐进成形，单道次渐进成形即一次成形出目标制件，多道次渐进成形涉及每个道次变形量的合理分配问题。钣金件的数控渐进成形过程简述如下：首先将被加工板料(通常为正方形或长方形)置于一个顶支撑装置上，板料的四周被压板紧压在托板上，托板可带动板材沿导柱滑动，然后将该装置固定于渐进成形设备上。成形时，成形工具由数控***控制，先走到指定位置，并对板料压下设定下压量，按照第一层轮廓的加工轨迹要求，以走等高线的方式对板料进行塑性加工。成形第一层轮廓后，成形工具再次压下设定下压量，按照第二层轮廓的轨迹要求运动，如此反复直至整个板料成形完毕。

然而现有的数控渐进成形工艺，板料在成形过程中发生了渐进变薄拉延变形，导致板料厚度减薄，并且其成形制件壁厚受正弦规律约束(即式中t为成形后板料厚度、t₀为成形前板料厚度、为板料成形面与垂直方向的夹角，称为半锥角)，无法成形出壁厚均匀的侧壁陡峭制件。此外根据以往板料渐进成形加工工况，加工时板料四周通过压板固定，材料无法流动，当加工成形角较大的零件时，板料会产生过度减薄甚至破裂的情况。

发明内容

本发明要解决技术问题是：提供一种成型后的金属钣金件壁厚均匀的无模加工方法，从而可以制得成形精度高的复杂钣金件。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种金属钣金件镜像无模加工方法，包括以下步骤：

第一步、将长方形板料的四个边界均通过柔性夹具固定在成形机床上，所述板料的两条对角线将板料分隔为四个区域，所述柔性夹具可以调整夹紧力大小；

第二步、构建一个半椭球形状的中间构型，该中间构型的表面积为最终金属钣金件表面积的40-60％；第一道次采用单个成形工具成形出所述中间构型，该中间构型的长轴、短轴分别为所述板料长度和宽度的一半，当成形工具的工具头运动到板料的其中某一区域时，该区域板料所对应边界的柔性夹具的夹紧力减小为预设夹紧力的30％-60％，其他区域板料所对应边界的柔性夹具的夹紧力保持为预设夹紧力；所述预设夹紧力可根据渐进成形工艺中一般成形力大小得到，刚好能夹住板料但又不至于过大，此为本领域技术人员的公知常识，可根据计算或试验获得，不再赘述。

第三步、第二道次中采用上、下两个成形工具同时对板料进行镜像无模成形至最终形状，两个成形工具分别位于板料的上方和下方，此阶段中柔性夹具的夹紧力保持为预设夹紧力，上成形工具的工具头保持竖直，下成形工具的工具头始终位于该工具头与板料接触点的法线方向上。

本发明针对采用两道次加工钣金件，在第一道次成形中间构型时，将长方形板料分成四个区域，通过柔性夹具减小正在成形区域的板料边界的夹紧力，使板料的边界可以在成形时向板料中心流动，使更多材料参与变形，解决了以往渐进成形加工过程中板料无法流动的问题，从而有效改善渐进成形制件时厚度分布不均，过度减薄等问题；在第二道次成形最终制件时，通过下成形工具同时起到成形和支撑作用，这样就可以成形同时具有凸凹特征的零件，不仅成形精度良好，而且可以在成形大成形角零件时保证最终制件的壁厚均匀。

本发明方法无需专用模具，加工周期短，能满足如今社会产品的创新设计要求，在快速原型制造及新车型开发等领域具有良好的发展前景。该加工方法同样适应多品种、小批量生产，能够满足产品创新设计要求并能够快速响应市场需求。

优选的，第一道次和第二道次的成形过程中，由CAM软件直接生成成形工具的运动轨迹并驱动成形工具沿其相应运动轨迹运动。

为了改善残余应力对制件成形精度的影响，上述技术方案的进一步改进是：所述方法还包括第四步、最终成形制件取出，进行退火处理。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例待成形的制件示意图。

图2是本发明实施例成形过程中的中间构型示意图。

图3是板料的四个区域的示意图。

图4是第二道次上、下成形工具的步进示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例中待成形的制件为斜壁方形盒件，具体形状如图1所示，其开口长度用A表示，宽度用B表示，侧壁圆角半径用R表示，高度用H表示。

本实施例的金属钣金件镜像无模加工方法，包括以下步骤：

第一步、如图3所示，将长方形板料的四个边界均通过柔性夹具1固定在成形机床上，所述板料的两条对角线将板料分隔为四个区域，在图中分别记为I、II、III、IV区域，所述柔性夹具1可以调整夹紧力大小。

第二步、构建一个如图2所示的半椭球形状的中间构型，该半椭球的两个赤道半径(长轴和短轴)分别为所述板料长度和宽度的一半，该中间构型的表面积为最终金属钣金件表面积的40-60％，本实施例优选50％。

半椭球的表面积公式为a、b、h为该半椭球的长轴、短轴和极半径，其中a、b数值大小分别等于待成形制件斜壁方盒件长、宽的一半，即a＝A/2，b＝B/2。已知最终钣金制件表面积S_制件，令S_半椭球＝0.5*S_制件,得出极半径h的值，即求出钣金制件成形过程中间构型的几何形状。

该中间构型使得原本应该在制件底部(非变形区域或者小变形区域)的材料，转移到零件的大变形区域，使更多的材料参与塑性变形，根据塑性变形体积不变原理，零件成形区域的增加可以降低厚度的减小，可以改善制件板料厚度分布不均，过度减薄问题。

第一道次采用单个成形工具成形出所述中间构型，当成形工具的工具头运动到板料的其中某一区域时，该区域板料所对应边界的柔性夹具的夹紧力减小为预设夹紧力的30％-60％，其他区域板料所对应边界的柔性夹具的夹紧力保持为预设夹紧力。具体来说，当成形工具的工具头运动到I区域时，该部分板料所对应夹具的夹紧力减小为预设夹紧力，其他边的夹紧力保持为预设夹紧力。相应地，当成形工具运动的工具头到II、III或IV区域时，该部分板料所对应的夹紧力减小，其他边的夹紧力保持为预设夹紧力不变。

所述预设夹紧力可根据渐进成形工艺中一般成形力大小得到，此为本领域技术人员的公知常识，通常可设置为800N～1200N。

与现有技术相似，第一道次中利用CAM软件直接驱动中间构型的三维模型生成成形工具的数控加工代码，成形工具位于板料上方，在成形时工具头始终保持竖直。对现有技术的改进之处在于，本实施例将板料分隔成多个区域，在成形时，减小了正在成形区域的边界压紧力，使板料能够向板料中心流动，使更多材料参与变形。该中间构型使得原本应该在非变形区域或者小变形区域的材料，转移到零件的大变形区域，使更多的材料参与塑性变形，根据塑性变形体积不变原理，零件成形区域的增加可以降低厚度的减小，从而可以改善制件板料厚度分布不均，过度减薄问题。

第三步、第二道次中采用上、下两个成形工具同时对板料进行镜像无模成形至最终形状，两个成形工具分别位于板料的上方和下方，此阶段中柔性夹具的夹紧力保持为预设夹紧力，上成形工具的工具头保持竖直，下成形工具的工具头始终位于该工具头与板料接触点的法线方向上。在第二道次的成形过程中，上成形工具仅用于成形，而下成形工具则同时起到成形和支撑作用。

在第二道次的成形过程中，上成形工具与下成工具的运动轨迹与现有技术中采用上、下成工具的成型方法中的运动轨迹一致，如图4所示，通常根据算法驱动上成形工具的轴向进给量ΔZ1以及下成形工具的轴向进给量ΔZ2。本实施例对现有技术的改进之处在于，现有技术中下成形工具的工具头始终保持竖直，而本实施例中下成形工具的工具头的方向随着目标制件的成形角度的大小而发生变化，正因为如此，常规的下成形工具的驱动方法可能不再适用于本发明，本实施例采用机械手驱动，从而可以精准地根据需要调整下成形工具的工具头的方向。

本实施例的成形方法无需专用模具，相较于单成形工具，成形精度良好，可以同时具有凸凹特征的零件。同时，本实施例的方法可以适应多品种、小批量生产，能够满足产品创新设计要求、快速响应市场需求。

本实施例中两道次的成形工具轨迹可以通过根据中间构型以及最终制件的形状采用NX、CATIA、Creo或Power Mill等商业软件生成，此为现有技术，不再赘述。即在第一道次和第二道次的成形过程中，由CAM软件直接生成成形工具的运动轨迹并驱动成形工具沿其相应运动轨迹运动。

优选的，为了改善残余应力对制件成形精度的影响，可以在两道次成形操作完成后，将最终成形制件取出，进行退火处理。

优选的，第一道次采用的成形工具的工具头比第二道次中的上成形工具的工具头直径更大。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属钣金件镜像无模加工方法，包括以下步骤：

第一步、将长方形板料的四个边界均通过柔性夹具固定在成形机床上，所述板料的两条对角线将板料分隔为四个区域，所述柔性夹具可以调整夹紧力大小；

第二步、构建一个半椭球形状的中间构型，该中间构型的长轴、短轴分别为所述板料长度和宽度的一半，该中间构型的表面积为最终金属钣金件表面积的40-60%；第一道次采用单个成形工具成形出所述中间构型，当成形工具的工具头运动到板料的其中某一区域时，该区域板料所对应边界的柔性夹具的夹紧力减小为预设夹紧力的30%-60%，其他区域板料所对应边界的柔性夹具的夹紧力保持为预设夹紧力；

第三步、第二道次中采用上、下两个成形工具同时对板料进行镜像无模成形至最终形状，两个成形工具分别位于板料的上方和下方，此阶段中柔性夹具的夹紧力保持为预设夹紧力，上成形工具的工具头保持竖直，下成形工具的工具头始终位于该工具头与板料接触点的法线方向上。

2.根据权利要求1所述的金属钣金件镜像无模加工方法，其特征在于：第一道次和第二道次的成形过程中，由CAM软件直接生成成形工具的运动轨迹并驱动成形工具沿其相应运动轨迹运动。

3.根据权利要求1所述的金属钣金件镜像无模加工方法，其特征在于：所述方法还包括第四步、最终成形制件取出，进行退火处理。

4.根据权利要求1所述的金属钣金件镜像无模加工方法，其特征在于：第一道次采用的成形工具位于板料上方，在成形时，工具头始终保持竖直。

5.根据权利要求4所述的金属钣金件镜像无模加工方法，其特征在于：第一道次采用的成形工具比第二道次中的上成形工具直径更大。

6.根据权利要求1所述的金属钣金件镜像无模加工方法，其特征在于：第二道次中的上成形工具由机械手驱动。