CN108607917A - 等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法及制品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法及制品，成形方法中由于成形工具的成形轨迹为螺旋形，对板料产生了沿螺旋轨迹切线向上的作用力，增加了未加工区域板料向加工局部的塑性流动，从而减少了加工区板料的局部变薄，因而可更大程度的发挥板料的成形性能，成形具有更陡峭侧壁的产品。

Description

等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法及制品

技术领域

本发明涉及一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法及制品。

背景技术

板料渐进成形技术是一种集计算机技术、数控技术和塑性成形技术于一体的快速制造技术。根据产品三维数据模型，生成加工轨迹，以此控制形状简单的加工工具，使其对金属板料进行连续的局部塑性加工，并最终累积形成产品的几何外形。由于成形过程不需要专用模具，即可成形任意形状的产品，省去了模具设计与制造的环节，适合于薄壳类产品的单件或小批量生产，是对传统冲压成形的有利补充。

通常所说的渐进成形，成形过程中工、具和板料始终保持接触，因此也称为连续接触渐进成形，此时工具轨迹为本道次结束后制品的几何外形。

若工具的加工轨迹为等径螺旋轨迹，即工具不再沿制品外形做简单运动，而是沿原轨迹走向做螺旋运动，与板料表面做周期性接触，则为螺旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形方法。

普通连续接触渐进成形制品厚度符合正弦定律，存在成形极限角。此外，沿进给方向摩擦阻力较大，增大了板料成形所需要的外力。

相对于普通连续接触渐进成形，螺旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形方法由于和板料周期性接触，沿运动水平方向与板料间摩擦很小几乎为零，且工具对板料的沿螺旋轨迹切线向上的作用力可将下部因未加工而未变薄的板料“提拉”上来，减小加工部位板料变薄的程度，从而进一步提升了板料的成形性能，还可以成形网孔板制件。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法及制品。

首先，本发明提供了一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，该方法利用螺旋形的工具运动轨迹，对板料产生了沿螺旋轨迹切线向上的作用力，增加了未加工区域板料向加工局部的塑性流动，从而减少了加工区板料的局部变薄，因而可更大程度的发挥板料的成形性能。

其次，本发明提供基于上述方法制得的成品，由于方法的加工优点，使得该制品具有更陡峭的侧壁。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，包括以下步骤：

建立待制备的制品的三维几何模型；

确定板料初始固定平面和成形工具的下压方向，生成连续接触渐进成形加工轨迹；

将连续接触渐进成形加工轨迹以满足一定成形精度的离散点输出，形成初步加工轨迹点；

根据要引入螺旋的导程和所述导程应满足轨迹点的个数，通过线性插值法对输出的加工轨迹点进行插值，获得新的加工轨迹点；

设置等径螺旋轨迹半径,将新的加工轨迹点沿下压方向上移等径螺旋轨迹半径值的距离；

将上移后的每个轨迹点绕其对应的中心点沿切线方向旋转一定角度，形成最终的等径螺旋轨迹渐进成形的加工轨迹，按照最终的加工轨迹对板料进行加工。

进一步的，采用三维CAD/CAM软件建立制件三维几何模型。

进一步的，设置板料初始固定平面为X-Y平面，Z方向为工具下压方向。

进一步的，定义圆柱螺旋轨迹的导程，且每个导程由多个点表示，则任意相邻两个加工轨迹点之间插入轨迹点的个数为每个导程轨迹点的个数与相邻两个加工轨迹点的距离的乘积与导程的比值。

进一步的，新插入轨迹点的空间坐标采用Lagrange线性插值获得。

进一步的，定义等径螺旋轨迹半径值R，将生成的轨迹点沿成形工具下压方向上移距离R，更新上移后工具轨迹坐标。

进一步的，对于上移后的轨迹点，与之对应的中心点即为上移前的对应轨迹点。

进一步的，某个轨迹点的旋转角度为：

式中，和分别是点(X_i,Y_i,Z_i)和相邻前一个点(X_i-1,Y_i-1,Z_i-1)的转动角度；s_i为点(X_i,Y_i,Z_i)和相邻后一个点(X_i+1,Y_i+1,Z_i+1)之间的距离，S为导程，符号的确定采用右手螺旋准则变换空间坐标，为增加壁厚，初始轨迹为逆时针，取-；初始轨迹为顺时针取+。

进一步的，以数控机床或专用渐进成形机可识别的格式输出等径螺旋轨迹渐进成形的加工轨迹。

进一步的，将待加工件做成平板状结构，使待加工件的几何中心与成形夹具的几何中心重合，压住待加工件的四周；成形工具在数控机床或专用渐进成形机的控制下按照生成的等径螺旋轨迹数据进行逐点渐进成形。

一种制品，采用上述所述的等径螺旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形方法获得。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

现有渐进成形技术中，板料在工具的作用下产生近剪切变形，成形后板料厚度t、原厚度t₀及成形侧壁倾角α基本遵循正弦定律，t＝t₀sin(90°-α)。当成形侧壁倾角较大时，成形后板料厚度值将大幅降低，甚至破裂。因此大侧壁倾角制品需要经多道次反复设计方可成形。

本发明将成形工具的加工轨迹编制为等径板料螺旋加工轨迹，通过数控程序控制板料变形过程中，工具对板料产生沿螺旋轨迹切线向上的作用力，增加了未加工区域板料向加工局部的塑性流动，可将板料下部因未加工而未变薄的板料“提拉”上来，减小加工区域板料局部变薄的程度，从而进一步提升了板料的成形性能，成形具有更大侧壁倾角的产品。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本发明研究的螺旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形方法，将工具加工轨迹编制为等径螺旋加工轨迹，并通过数控程序控制螺旋半径、螺旋导程和旋向，当成形工具按编制好的加工轨迹运动时，即可实现螺等径旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形。采用该成形方法，可减少加工区域板料的局部变薄程度，克服现有渐进成形板厚主要由成形侧壁倾角决定的问题，从而可提高板料的成形性能，提高制品的成形质量，降低成形道次；

如图1所示，包括以下步骤：

(1)采用三维软件建立制件三维几何模型；

(2)假设板料初始固定平面为X-Y平面，Z方向为工具下压方向，采用三维CAD/CAM软件或人工编程方式生成连续接触渐进成形加工轨迹；

(3)将步骤(2)中的连续接触渐进成形加工轨迹以满足一定成形精度的离散点输出；

(4)对步骤(3)输出的加工轨迹点进行插值，获得新的加工轨迹点；

具体的，假设步骤3输出任意相邻两个加工轨迹点，前一个点的空间坐标为(x_A,y_A,z_A)，后一个点的空间坐标为(x_B,y_B,z_B)，它们之间距离为d_i，人为定义圆柱螺旋轨迹的导程为λ，且每个导程由N个点表示，则任意相邻两个加工轨迹点之间插入轨迹点的个数为：

式中，n_i表示由步骤3输出任意相邻两个加工轨迹点之间插入轨迹点的个数；S为导程；N表示每个导程轨迹点的个数。

新插入轨迹点的空间坐标采用Lagrange线性插值获得：

式中，(x_A,y_A,z_A)和(x_B,y_B,z_B)表示步骤3输出任意相邻的空间坐标；(x_j,y_j,z_j)表示新插值轨迹点的空间坐标。

(5)在垂直于水平方向上，调整步骤(4)获得的加工轨迹点，移动螺旋半径的距离；

具体的，定义等径螺旋轨迹半径R,将步骤4生成的轨迹点沿Z轴方向上移距离R，上移后工具轨迹坐标如下：

X_i＝x_i

Y_i＝y_i

Z_i＝z_i+R (3)

式中，(x_i,y_i,z_i)表示步骤4输出的某个工具加工轨迹点i的空间坐标；(X_i,Y_i,Z_i)表示移动后轨迹上某个点i的空间坐标；R为螺旋半径。

(6)将步骤(5)获得轨迹点逐个绕与之对应的步骤(4)获得轨迹点的切线方向旋转一定角度，获得等径螺旋轨迹驱动的非连续接触渐进成形加工轨迹点；

具体的，对于步骤5生成的轨迹点每一个(X_i,Y_i,Z_i)，都有与之对应的中心点(x_i,y_i,z_i)。将每一个点(X_i,Y_i,Z_i)绕中心点(x_i,y_i,z_i)沿切线方向旋转角度(如图1步骤6)，φ_i如式(4)所示：

式中，和分别是点(X_i,Y_i,Z_i)和相邻前一个点(X_i-1,Y_i-1,Z_i-1)的转动角度；s_i为点(X_i,Y_i,Z_i)和相邻后一个点(X_i+1,Y_i+1,Z_i+1)之间的距离。采用右手螺旋准则变换空间坐标，为增加壁厚，初始轨迹为逆时针，取“-”；初始轨迹为顺时针取“+”。

(7)输出等径螺旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形的波动加工轨迹；

(8)成形工具按步骤(7)所述的加工轨迹对待加工件进行等径螺旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形。

将待加工件做成平板状结构，使待加工件的几何中心与成形夹具的几何中心重合，压住待加工件的四周；成形工具在数控机床或专用渐进成形机的控制下按照步骤(7)生成的等径螺旋轨迹数据进行逐点渐进成形。

上述的三维软件可以选择CAD/CAM软件，下面以UGNX8.0软件为例，对本发明进行详细说明：

实施例1

等径螺旋轨迹驱动的非连续接触渐进成形的实施过程具体的如图1所示，如下：

(1)在UGNX8.0软件建立侧壁倾角为60°，半径为100m，开口尺寸为100mm的圆锥杯的三维CAD模型。

(2)在UGNX8.0软件中的加工模块生成连续接触渐进成形加工轨迹。

(3)将该渐进成形加工轨迹的精度设置其成形精度为0.02mm，通过计算，将连续加工轨迹以离散点的形式输出。

(4)对步骤(3)输出的加工轨迹点进行插值，且设定每个螺旋导程应满足轨迹点的个数为18个，通过Lagrange线性插值法，获得新的加工轨迹点i的空间坐标为(x_i,y_i,z_i)；

(5)选择螺旋轨迹半径R为0.5mm，在垂直于水平方向上，调整步骤(4)获得的加工轨迹点，移动螺旋半径的距离，获得新的轨迹；

X_i＝x_i

Y_i＝y_i

Z_i＝z_i+0.5

式中，(x_i,y_i,z_i)表示步骤4输出的某个工具加工轨迹点i的空间坐标；(X_i,Y_i,Z_i)表示移动后轨迹上某个点i的空间坐标；0.5为螺旋半径。

(6)将步骤(5)获得轨迹点逐个绕与之对应的步骤(4)获得轨迹点的切线方向旋转一定角度，获得等径螺旋轨迹驱动的非连续接触渐进成形加工轨迹点；

(7)以数控机床或专用渐进成形机可识别的格式输出等径螺旋轨加工轨迹。

(8)成形工具在机床的控制下按照步骤(7)生成的等径螺旋轨迹数据进行渐进成形。

上述方法中将成形工具的加工轨迹编制为等径螺旋加工轨迹，可实现等径螺旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形。本发明所述的等径螺旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形方法，可降低加工区板料的局部变薄的程度，更大程度的发挥板料的成形性能。

实施例2

一种板状成形件，即所述的制品，采用实施1中所述的等径螺旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形方法获得。采用步骤(1)-(8)得到相应的程序后，然后采用厚度为1mm的工业纯铝1060板，将板料下料成230×230mm，使板料的几何中心与成形夹具的几何中心重合，压住板料四周15mm装夹；成形工具在机床的控制下按照步骤(8)生成的等径螺旋轨迹数据进行逐点渐进成形；获得最终的产品。

上述实施例中提到的参数，都只作为一种具体实施例给出，并不限定于此，在其他实施例中，本领域技术人员可以根据代加工的制品的参数或其他参数进行调整，在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，其特征是：包括以下步骤：

建立待制备的制品的三维几何模型；

确定板料初始固定平面和成形工具的下压方向，生成连续接触渐进成形加工轨迹；

将连续接触渐进成形加工轨迹以满足一定成形精度的离散点输出，形成初步加工轨迹点；

根据要引入螺旋的导程和所述导程应满足轨迹点的个数，通过线性插值法对输出的加工轨迹点进行插值，获得新的加工轨迹点；

设置等径螺旋轨迹半径,将新的加工轨迹点沿下压方向上移等径螺旋轨迹半径值的距离；

将上移后的每个轨迹点绕其对应的中心点沿切线方向旋转一定角度，形成最终的等径螺旋轨迹渐进成形的加工轨迹，按照最终的加工轨迹对板料进行加工。

2.如权利要求1所述的一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，其特征是：采用三维CAD/CAM软件建立制件三维几何模型。

3.如权利要求1所述的一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，其特征是：设置板料初始固定平面为X-Y平面，Z方向为工具下压方向。

4.如权利要求1所述的一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，其特征是：定义圆柱螺旋轨迹的导程，且每个导程由多个点表示，则任意相邻两个加工轨迹点之间插入轨迹点的个数为每个导程轨迹点的个数与相邻两个加工轨迹点的距离的乘积与导程的比值。

5.如权利要求1所述的一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，其特征是：进一步的，新插入轨迹点的空间坐标采用Lagrange线性插值获得。

6.如权利要求1所述的一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，其特征是：定义等径螺旋轨迹半径值R，将生成的轨迹点沿成形工具下压方向上移距离R，更新上移后工具轨迹坐标。

7.如权利要求1所述的一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，其特征是：对于上移后的轨迹点，与之对应的中心点即为上移前的对应轨迹点。

8.如权利要求1所述的一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，其特征是：某个轨迹点的旋转角度为：

式中，和分别是点(X_i,Y_i,Z_i)和相邻前一个点(X_i-1,Y_i-1,Z_i-1)的转动角度；s_i为点(X_i,Y_i,Z_i)和相邻后一个点(X_i+1,Y_i+1,Z_i+1)之间的距离，S为导程，符号的确定采用右手螺旋准则变换空间坐标，为增加壁厚，初始轨迹为逆时针，取-；初始轨迹为顺时针取+。

9.如权利要求1所述的一种等径螺旋轨迹驱动的板料非连续接触渐进成形方法，其特征是：将待加工件做成平板状结构，使待加工件的几何中心与成形夹具的几何中心重合，压住待加工件的四周；成形工具在数控机床或专用渐进成形机的控制下按照生成的等径螺旋轨迹数据进行逐点渐进成形。

10.一种制品，其特征是：采用如权利要求1-9中任一项所述的等径螺旋轨迹驱动的非连续接触板料渐进成形方法获得。