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金属板材增量成形 张弘斌 目录 ⑴金属板材数控增量技术介绍 ⑵金属板材单点渐进成形技术 ⑶金属板材单点渐进成形的应用研究 金属板材数控增量技术介绍 金属板料数控增量成形是20世纪90年代日本者松原茂夫提出的一种金属板料成形新工艺，它应用快速原型制造(Rapid Prototyping，RP)技术中“分层制造(Layered Manufacturing)”理论，将复 杂零件的三维整体成形方式分解成一系列二维层面的局部逐点塑性成形。 金属板材渐进成形是一种柔性化的板材数控加工技术，与传统的冲压成形不同，它在成形中不需要专用的模具，而且板料具有更高的成形性能，可以在局部区域内成形出用常规手段无法加工的复杂曲面造型，同时由于局部渐进成形所需的成形力小，设备的能耗低，不仅节能而且无噪声污染，属于绿色加工的范畴。因此，渐进成形技术引起世界各国的广泛关注，日本、韩国、意大利等各国学者对此纷纷展开研究。 增量成形的分类 ① 增量成形根据成形时接触点的数目分为TPIF和SPIF，右图中A、B为TPIF，C为SPIF。 ②在TPIF中板料和工具头、支撑板同时接触。 ③在SPIF中没有支撑板，完全无模成形。 板料增量成形又可分为单次成形和多道次成形两种方式。单次成形是指工具头沿目标工件轮廓自上而下逐层加工的成形方法。该方法工序简单, 成形速度快, 成形前后壁厚t0 , t 与成形角θ 呈正弦关系, 即t = t0 sinθ。 单次成形有两个主要缺点: 其一, 工件形状确定后, 各处θ角就确定了, 根据上述关系则工件壁厚就随之确定了, 无法合理调整工件各处厚度以符合均匀性原则；其二, 单次成形角度θ存在极限, 一般在22°左右, 小于其成形极限角度时(比如较大深度的直壁件) , 此方法难以加工。 多次成形工艺弥补了单次成形的不足, 通过对不同道次成形形状以及每一道次加工参数的合理规划, 可分别调整工件各部分壁厚, 以达到均匀性原则的要求, 从而提高成形极限。 右图中 所示为筒形件的一种多道次加工路径规划: 第1 道次使加工区域板料作整体变形; 第2 道次从底部开始加工, 控制底部厚度; 第3 步自上而下加工减薄侧壁。 金属板材单点渐进成型技术 金属板材单点渐进成形技术是一种新的金属板材无模成形加工技术，该技术直接加工薄壳类工件，并且由于加工时对金属板材局部加压，使变形连续积累而达到整体成形，因此加工工件精度较高，该技术是一项很有发展前途的先进制造技术。 上述系统可利用三轴数控立式铣床为平台来实现，也可通过专门设计的商用数控渐进成形设备来实现。日本的率先开发出渐进成形机，我国的华中科技大学也自主研发成功渐进成形机。 此外，近年来工业机器手越来越多的被应用到数控渐进成形技术中，更好地实现了制造的柔性化与自动化。 单点渐进成形技术流程 金属板材单点渐进成形工艺及精度的研究 由于成形力越小越有利于提高工件的成形精度，而成形力又随着步长、成形角、工具头半径和板材厚度的减少而减小，因此可以通过控制工艺参数达到提高成形精度的目的。 工艺参数中板材厚度的选定并不能只根据成形力的需要而随意更改，而其它工艺参数对成形力的影响并不显著，而且还会降低成形效率。 工具头与板材接触区域附近不必要的塑性变形和回弹会造成形件几何尺寸精度不高。外国学者提出的解决方案： ①利用激光对板材成形区域进行局部动态加热，从时间和空间上改变材料性质，达到了减小成形区材料屈服强度的目的。 ②将工具头与金属板材通上直流电，根据焦耳定律，当直流电从工具头流入金属板材时电流产生热量，从而达到提高成形区附近金属板材延展性的目的。 单点渐进成形技术与其他技术的结合 采用多点渐进成形进行预成形，形成大致形状之后，再采用单点渐进成形进行后续的精加工再次成形。这样既可避免直接采用单点渐进成形效率低的问题，也避免了多点成形在一些复杂的局部位置成形精度不高的问题。 单点渐进成形技术与水射流技术结合的金属板材水射流渐进成形技术。它用高压水射流代替成形工具头作用于板材，并使板材产生局部塑性变形。该技术既具有数控渐进成形高柔性的特点，又兼有水射流无污染、成本低的优点。 金属板材单点渐进成形支撑制造的研究 在正向成形方式中，需要在板材下方放置支撑来保证工件的顺利成形和一定的成形精度。由单点渐进成形的性质所决定，支撑表面承受着相当大的局部作用力，而且其作用点沿进给方向变化，同时金属板材变形时沿支撑模接触面流动产生很大摩擦。因此，要