CN107617672A - 一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法：一、选择成形方法和工艺参数。二、垫层材料的选择：根据所需成形零件的最小成形角度和表面质量要求，选择垫层的材质和厚度。三、垫层和成形板料的放置：根据成形方法确定刚性垫层和柔性垫层的放置位置，将刚性垫层材料和柔性垫层放置于成形板料表面。四、成形零件：利用数控渐进成形设备，根据步骤一确定的工艺参数成形零件；成形完成之后，将刚性垫层和柔性垫层与成形板料所成形的零件分离，加工结束。本发明解决了成形工具与成形板料局部直接接触造成的表面质量问题，在合适的工艺参数条件下，避免零件表面产生摩擦痕迹和波浪形凹痕等表面质量问题，有利于数控渐进成形工艺的推广和运用。

Description

一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法

【技术领域】

本发明涉及一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，可以有效解决成形零件的表面质量问题，属于数控渐进成形加工制造领域。

【技术背景】

金属板材在航空、航天、汽车、船舶等制造业有着广泛的应用，传统的板材冲压成形方法适用于大批量的生产加工，而针对小批量、多品种以及样品的试制加工，近年来兴起了一种板材的数控渐进成形方法。数控渐进成形通过成形工具与板料的局部接触使板料产生局部变形，随着成形工具的不断移动，局部形变的不断累积，进而形成零件的最终形状。该方法可以实现零件在没有模具的情况下成形或使用简易的木质模具成形，具有加工方式灵活、成形极限高、加工成本低等特点，特别适合小批量金属板材的低成本快速加工生产。

由于成形工具与成形材料局部在直接接触的情况下相对滑动，造成零件表面产生摩擦痕迹和波浪形凹痕，影响零件的使用和美观，并且这些表面质量问题使使用者对零件的性能产生疑虑，严重影响了数控渐进成形工艺的推广和运用。国内外学者主要通过改善工艺参数或改进成形工具来提高成形零件的表面质量，但仍然无法改变成形过程中成形板料与成形工具直接接触的情况，从而无法避免成形工具对零件表面的破坏。因此，本文提出了一种新的数控渐进成形方法，通过在零件与成形工具之间放置垫层，根据圣维南原理，成形工具通过刚性垫层间接接触成形板料，增加了接触面积从而有效消除波浪形的凹痕，另一方面，由于刚性垫层相对于成形板料没有发生相对移动，在此基础上添加柔性垫层，避免成形板料表面发生刚性接触，有效提高零件的表面质量。

【发明内容】

1.目的：本工艺的发明旨在针对成形工具与成形板料直接接触造成零件表面产生摩擦痕迹和波浪形凹痕等问题，提出一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，避免成形工具与成形板料直接接触，从而提高零件表面质量。

2.技术方案：本发明的主要原理如下：首先，根据成形板料选择合适的刚性垫层和柔性垫层。然后，选择成形方式和合适的数控渐进成形工艺参数。接下来，将刚性垫层和柔性垫层放置于成形工具与成形板料之间，其中，刚性垫层靠近成形工具一侧，柔性垫层靠近成形板料一侧。最后利用数控渐进成形设备成形零件。该方法中使用的数控渐进成形设备采用市场已有设备，不限具体型号，能满足零件制造要求即可。

本发明的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，具体步骤为：

步骤一、选择成形方法和工艺参数：根据实际加工条件选择合适的成形方法；根据选择的成形方法和成形板料的尺寸、材料性能和厚度，选择合适的工艺参数；

步骤二、垫层材料的选择：根据所需成形零件的最小成形角度和表面质量要求，选择垫层的材质和厚度，具体可以采用试验方法或仿真方法；方法一，试验方法，选择半球形零件作为标准件，通过放置不同垫层，在步骤一确定的工艺参数条件下成形标准件，通过测量标准件对应的成形零件最小成形角度位置的表面质量，获得不同垫层组合的表面质量，选择适合成形的垫层组合，在综合考虑垫层成本的基础上，确定合适垫层组合；方法二，仿真方法，根据最小成形角度建立简化的数控渐进成形仿真模型，对不同垫层组合进行仿真并获得表面质量结果，选择适合成形的垫层组合，在综合考虑垫层成本的基础上，确定合适的垫层组合；

步骤三、垫层和成形板料的放置：根据成形方法确定刚性垫层和柔性垫层的放置位置，将刚性垫层材料和柔性垫层放置于成形板料表面，其中，刚性垫层靠近成形工具一侧，柔性垫层靠近成形板料一侧；将刚性垫层、柔性垫层和成形板料放置到数控渐进成形设备上；

步骤四、成形零件：利用数控渐进成形设备，根据步骤一确定的工艺参数成形零件；成形完成之后，将刚性垫层和柔性垫层与成形板料所成形的零件分离，加工结束。

其中，步骤一中的成形方法包括单点数控渐进成方法，双点数控渐进成形方法和运动渐进成形方法等；

其中，步骤一中的工艺参数主要为步进深度，成形工具类型及成形工具尺寸等工艺参数；

其中，步骤二中的垫层指刚性垫层和柔性垫层；刚性垫层和柔性垫层分别可以是一层，也可以是多层；

其中，步骤二或步骤三中，刚性垫层和柔性垫层的放置位置根据成形方法而定，如果板料两个表面均会对成形板料造成表面质量问题的接触，则需要在两侧均放置刚性垫层和柔性垫层，否则只需要对成形板料造成表面质量问题的接触的一侧放置刚性垫层和柔性垫层即可；

其中，步骤二的成形角度指成形零件任一点的切平面与成形工具步进深度方向所成角度的补角；成形角度越小，表面质量越差，因此如果在最小成形角度下表面质量满足要求，则表明刚性垫层材料和柔性垫层满足需求；

其中，步骤二中的刚性垫层一方面需要具有良好的成形性能，从而可以保证刚性垫层能够利用数控渐进成形方法成形出零件的形状，另一方面刚性垫层的材料性能和厚度能够保证其有效的提高零件的表面质量；

其中，步骤二中的刚性垫层的厚度一般为成形板料厚度的0.5至1.5倍；刚性垫层材质的抗拉强度一般不低于成形板料的抗拉强度，其材质可以是仅能成形一次的低成本金属材料，如DC04、DC06等深冲钢，或AA2024、AA6061等变形铝合金，也可以是可重复利用的材质，如环氧树脂、聚碳酸脂或聚苯乙烯等塑料；

其中，步骤二中的柔性垫层用来避免刚性垫层与成形板料直接接触，柔性垫层可以为整块材料也可以是离散分布的材料，但需要能够有效的减小刚性垫层与成形板料之间的摩擦并保护零件表面，保证零件的表面质量；

其中，步骤二中的柔性垫层的厚度一般高于成形板料厚度的5％；柔性垫层的材质可以是塑料、润滑脂或橡胶等；

其中，步骤二的标准件为直径为180mm的半球形零件，标准件的材料与成形板料相同；半球形零件为变角度零件，一方面可以能够满足与成形零件相对应最小成形角度的不同成形角度需求，另一方面也能够检验刚性垫层材料能否满足成形性能要求；

其中，步骤二的试验方法的成形工艺采用双点数控渐进成形方法，成形过程中，刚性垫层材料和柔性垫层位于成形板料表面，其中，刚性垫层靠近成形工具一侧，柔性垫层靠近成形板料一侧；

其中，步骤二的标准件的表面质量可以通过任意粗糙度测量设备测量获得；

本工艺的主要优点：本发明有效的解决成形工具与成形板料的局部直接接触造成的表面质量问题，在合适的工艺参数条件下，可以有效避免零件表面产生摩擦痕迹和波浪形凹痕等表面质量问题，有利于数控渐进成形工艺的推广和运用。

【附图说明】

图1是本发明一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法的工艺流程图。

图2是本发明标准件的模型。

图3是本发明成形零件的模型。

图4是本发明双点数控渐进成方法的原理图。

图5是本发明单点数控渐进成方法的原理图。

图6是本发明运动数控渐进成方法的原理图。

图中符号说明如下：

1成形板料；2柔性垫层；3刚性垫层；4成形工具；

5机床夹具；6木质模具；

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例一

拟采用1.5mm的铝合金AA2024作为成形零件的成形板料材料，采用双点渐进成形方式成形零件，使用铝合金作为刚性垫层，塑料作为柔性垫层。成形零件的模型如图3所示，其中成形零件长a＝300mm，宽b＝300mm，高c＝60mm。制造目标为成形该零件。下面结合图2，3和4说明本发明的具体实施步骤：

步骤一、选择成形方法和工艺参数：根据实际加工条件选择双点数控渐进成形方法；由于双点渐进成形过程中使用木质模具6，木质模具对成形板料表面造成的摩擦可以忽略，因此只需要在成形工具4与成形板料1之间放置刚性垫层3和柔性垫层2；根据选择的成形方法和成形板料的尺寸，材料性能和厚度，选择工艺参数为步进深度1.0mm，成形工具为直径30mm的半球，成形工具材料为硬质合金YG15；

步骤二、垫层材料的选择：采用试验方法，选用不同的垫板材料，使用图4所示双点渐进成形方法在步骤一的工艺参数条件下成形标准件，由于成形零件最小成形角度为90°-β＝60°，因此测量标准件成形角度为60°位置的表面质量获得不同垫层组合的表面质量，选择适合成形的垫层组合，在综合考虑垫层成本的基础上，最后选择1mm的铝合金AA2024作为刚性垫层，0.1mm的聚四氟乙烯薄膜作为柔性垫层；

步骤三、垫层和成形板料的放置。将刚性垫层铝合金AA2024和柔性垫层聚四氟乙烯薄膜放置于板料表面，其中，铝合金AA2024靠近成形工具一侧，聚四氟乙烯薄膜靠近成形板料一侧；将刚性垫层材料，柔性垫层和成形板料放置到数控渐进成形设备上；

步骤四、成形零件：利用数控渐进成形设备，根据图4所示的双点渐进成形原理图，在步骤一确定的工艺参数条件下成形零件；成形完成之后，将刚性垫层和柔性垫层与成形板料所成形的零件分离，加工结束。

实施例二

拟采用1mm的钛合金TC01作为成形零件的成形板料材料，采用单点渐进成形方式成形零件，使用钢板作为刚性垫层，润滑脂作为柔性垫层。成形零件的模型如图3所示，其中成形零件长a＝300mm，宽b＝300mm，高c＝60mm。制造目标为成形该零件。下面结合图2，3，4和5说明本发明的具体实施步骤：

步骤一、选择成形方法和工艺参数：根据实际加工条件选择单点数控渐进成形方法；根据选择的成形方法和成形板料的尺寸，材料性能和厚度，选择工艺参数为步进深度0.1mm，成形工具为直径20mm的半球，成形工具材料为硬质合金YG15；

步骤二、垫层材料的选择：采用试验方法，选用不同的垫板材料，使用图4所示双点渐进成形方法在步骤一的工艺参数条件下成形标准件，由于成形零件最小成形角度为90°-β＝60°，因此测量标准件成形角度为60°位置的表面质量获得不同垫层组合的表面质量，选择适合成形的垫层组合，在综合考虑垫层成本的基础上，最后选择1mm的钢板DC04作为刚性垫层，0.1mm厚的二硫化钼锂基润滑脂作为柔性垫层；

步骤三、垫层和成形板料的放置。将刚性垫层钢板DC04和柔性垫层聚四氟乙烯薄膜放置于板料表面，其中，钢板DC04靠近成形工具一侧，二硫化钼锂基润滑脂靠近成形板料一侧；将刚性垫层材料，柔性垫层和成形板料放置到数控渐进成形设备上；

步骤四、成形零件：利用数控渐进成形设备，根据图5所示的单点渐进成形原理图，在既定的工艺参数条件下成形零件；成形完成之后，将刚性垫层和柔性垫层与成形板料所成形的零件分离，加工结束。

实施例三

拟采用0.5mm的不锈钢AISI304为成形零件的成形板料材料，采用运动渐进成形方式成形零件，使用塑料作为刚性垫层，橡胶作为柔性垫层。成形零件的模型如图3所示，其中成形零件长a＝300mm，宽b＝300mm，高c＝60mm。制造目标为成形该零件。下面结合图2，3，4和6说明本发明的具体实施步骤：

步骤一、选择成形方法和工艺参数：根据实际加工条件选择运动数控渐进成形方法；由于运动渐进成形过程中使用两个成形工具分别作用于零件的两个表面，因此需要在成形板料两面放置刚性垫层和柔性垫层；根据选择的成形方法和成形板料的尺寸，材料性能和厚度，选择工艺参数为步进深度0.25mm，成形工具为直径30mm的半球，成形工具材料为硬质合金YG15；

步骤二、垫层材料的选择：采用仿真方法，根据成形零件最小成形角度为90°-β＝60°建立仿真模型，选用不同的垫板组合对不同垫层组合进行仿真并获得表面质量结果，选择适合成形的垫层组合，在综合考虑垫层成本的基础上，最后选择0.5mm的环氧树脂CYD-011作为刚性垫层，0.1mm的硅橡胶板HG/T4070-60-D作为柔性垫层；

步骤三、垫层和成形板料的放置。将刚性垫层环氧树脂CYD-011和柔性垫层硅橡胶板HG/T4070-60-D放置于板料表面，其中，环氧树脂CYD-011靠近成形工具一侧，硅橡胶板HG/T4070-60-D靠近成形板料一侧；将刚性垫层材料，柔性垫层和成形板料放置到数控渐进成形设备上；

步骤四、成形零件：利用数控渐进成形设备，根据图6所示的运动渐进成形原理图，在既定的工艺参数条件下成形零件；成形完成之后，将刚性垫层和柔性垫层与成形板料所成形的零件分离，加工结束。

Claims (14)

1.一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：

步骤一、选择成形方法和工艺参数：根据实际加工条件选择合适的成形方法；根据选择的成形方法和成形板料的尺寸、材料性能和厚度，选择合适的工艺参数；

步骤二、垫层材料的选择：根据所需成形零件的最小成形角度和表面质量要求，选择垫层的材质和厚度，具体可以采用试验方法或仿真方法；

步骤三、垫层和成形板料的放置：根据成形方法确定刚性垫层和柔性垫层的放置位置，将刚性垫层材料和柔性垫层放置于成形板料表面，其中，刚性垫层靠近成形工具一侧，柔性垫层靠近成形板料一侧；将刚性垫层、柔性垫层和成形板料放置到数控渐进成形设备上；

步骤四、成形零件：利用数控渐进成形设备，根据步骤一确定的工艺参数成形零件；成形完成之后，将刚性垫层和柔性垫层与成形板料所成形的零件分离，加工结束。

2.根据权利要求1所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：步骤一中的成形方法包括单点数控渐进成方法，双点数控渐进成形方法和运动渐进成形方法。

3.根据权利要求1所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：步骤二中的试验方法，具体是选择半球形零件作为标准件，通过放置不同垫层，在步骤一确定的工艺参数条件下成形标准件，通过测量标准件对应的成形零件最小成形角度位置的表面质量，获得不同垫层组合的表面质量，选择适合成形的垫层组合，在综合考虑垫层成本的基础上，确定合适垫层组合。

4.根据权利要求3所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：所述的标准件为直径为180mm的半球形零件，标准件的材料与成形板料相同；半球形零件为变角度零件，一方面可以能够满足与成形零件相对应最小成形角度的不同成形角度需求，另一方面也能够检验刚性垫层材料能否满足成形性能要求。

5.根据权利要求3所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：所述的试验方法的成形工艺采用双点数控渐进成形方法，成形过程中，刚性垫层和柔性垫层位于成形板料表面，其中，刚性垫层靠近成形工具一侧，柔性垫层靠近成形板料一侧。

6.根据权利要求1所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：步骤二中的仿真方法，具体是根据最小成形角度建立简化的数控渐进成形仿真模型，对不同垫层组合进行仿真并获得表面质量结果，选择适合成形的垫层组合，在综合考虑垫层成本的基础上，确定合适的垫层组合。

7.根据权利要求1所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：所述的刚性垫层和柔性垫层的放置位置根据成形方法而定，如果板料两个表面均会对成形板料造成表面质量问题的接触，则需要在两侧均放置刚性垫层和柔性垫层，否则只需要对成形板料造成表面质量问题的接触的一侧放置刚性垫层和柔性垫层。

8.根据权利要求1所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：所述的刚性垫层和柔性垫层分别可以是一层，也可以是多层。

9.根据权利要求1所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：所述的刚性垫层的厚度为成形板料厚度的0.5至1.5倍。

10.根据权利要求1所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：所述的刚性垫层材质的抗拉强度不低于成形板料的抗拉强度，其材质可以是仅能成形一次的低成本金属材料，也可以是可重复利用的材质。

11.根据权利要求10所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：所述的仅能成形一次的低成本金属材料，为深冲钢DC04、DC06或变形铝合金AA2024、AA6061。

12.根据权利要求10所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：所述的可重复利用的材质，为环氧树脂、聚碳酸脂或聚苯乙烯。

13.根据权利要求1所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：所述的柔性垫层用来避免刚性垫层与成形板料直接接触，柔性垫层可以为整块材料也可以是离散分布的材料，但需要能够有效的减小刚性垫层与成形板料之间的摩擦并保护零件表面，保证零件的表面质量；柔性垫层的厚度一般高于成形板料厚度的5％。

14.根据权利要求1所述的一种提高数控渐进成形零件表面质量的方法，其特征在于：所述的柔性垫层的材质可以是塑料、润滑脂或橡胶。