CN109909364A - 一种金属钣金件无模加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属钣金件无模加工方法，包括以下步骤：步骤一、将长方形金属板料的四个边界均通过夹具固定在成形机床上；步骤二、构建一个半椭球形状的模型作为第一中间构型，该中间构型的表面积为最终成形制件表面积的60‑80%；第一道次加工成形出所述第一中间构型；步骤三、从第一中间构型下方正中心向上构建反向的隆起鼓包作为第二中间构型，所述隆起鼓包的面积为第一中间构型表面积的30‑40%；第二道次加工采用下方成形工具沿预设的第二成形轨迹成形出所述第二中间构型；步骤四、第三道次加工将第二中间构型成形至最终成形制件的形状。本发明无需专用模具，加工周期短，能成形出大壁角或直角件、结构复杂件等难加工零件。

Description

一种金属钣金件无模加工方法

技术领域

本发明涉及一种金属钣金件无模加工方法，属于金属钣金件制造技术领域。

背景技术

金属钣金加工在汽车、船舶、航空航天、军事兵器、日用五金的等工业领域有着广泛的应用，具有效率高、成本低、可大批量生产等特点。

近年来，随着科学技术和国民经济的快速发展，工业产品的需求趋于个性化，设计更新的周期缩短，使得传统的钣金成形如冲压成形已无法满足许多实际生产加工的需求。为了适应灵活的市场需求，许多无模钣金成形技术应运而生。其中数控渐近成形技术作为近年来新兴的一种柔性制造成形技术，无需采用专用模具，可用于加工变形程度大、形状非常复杂的板材零件，同时耗能较低属于绿色加工。其适用于航空航天、汽车工业和民用产品等的小批量、多品种、难成形的钣金件加工及相应的新品研制，具有广泛的应用前景，是属于当前塑性加工领域的前沿方向之一。

对现有的板料渐进成形技术，加工过程中由于板料的壁厚变化受制于正弦规律的约束(即式中，t₀为成形前板料厚度、t为成形后板料厚度、为板料成形面与垂直方向的夹角，即成形壁角)，若成形角较大，会造成壁厚减薄严重，甚至制件的破裂。一般采用多道次渐近成形的工艺可以增大板料的成形角、提高成形极限，但仍难以解决加工过程中板料厚度不均匀、差距大的情况。

发明内容

本发明要解决技术问题是：提供一种提高金属钣金件成形极限同时保持一定的板料厚度均匀的加工方法，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：一种金属钣金件无模加工方法，包括以下步骤：

步骤一、将长方形金属板料的四个边界均通过夹具固定在成形机床上；

步骤二、构建一个半椭球形状的模型作为第一中间构型，所述第一中间构型的两个赤道半径分别为所述长方形金属板料长边和短边的一半，该中间构型的表面积为最终成形制件表面积的60-80％；第一道次加工采用上方成形工具沿预设的第一成形轨迹成形出所述第一中间构型；

步骤三、在第一中间构型的基础上，从椭球面下方正中心向上构建反向的隆起鼓包作为第二中间构型，所述隆起鼓包呈半椭球形状，所述隆起鼓包的面积为第一中间构型表面积的30-40％；第二道次加工采用下方成形工具沿预设的第二成形轨迹成形出所述第二中间构型；

步骤四、第三道次加工采用上方成形工具沿预设的第三成形轨迹将第二中间构型成形至最终成形制件的形状。

本发明采用三道次加工金属钣金件，在第一道次加工成形第一中间构型，使用上方工具头加工，作为过渡构型，成形壁角比最终构型小，保证材料不会破裂，且留有充足的余量可以进行后续的道次加工。在第二道次加工成形第二中间构型，第二道次加工是在第一中间构型的基础上，使用下方工具头沿与第一道次加工成形相反的工具轨迹方向成形出反向的隆起鼓包。第二道次加工成形的鼓包可以将毛料预先拉入并储存，因此在进入第三道次加工的成形时，鼓包储存的材料即可顺利地补充到减薄率最大的零件壁部，避免了板料壁部过度变薄与拉裂的现象。

根据塑性成形的体积不变原理可知，由于原本成形中减薄率最大的壁部板料得到了补充，使得整体的板料分布得到了改善，最终成形件的壁厚更加均匀。本发明将储料工艺引入多道次加工渐近成形(第二道次加工作为储料)中，既能保持渐近成形无需模具的特点，同时也使得成形的零件壁厚变均匀和成形极限提高。相邻两个道次加工时相反的加工轨迹方向也有利于板料壁厚分布的均匀。本发明第三道次加工使用的是上方工具和与第二道次加工相反的工具轨迹方向成形出最终目标构型。板料成形使用上下两个工具头，使得整个过程无需拆装、反转板料，便于实现自动化操作。

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。

本发明无需专用模具，能成形出大壁角或直角件、结构复杂件等难加工零件，满足各类产品的研发设计创新需求，在快速原型制造、汽车以及航空航天等领域具有良好的发展前景。

本发明中第一、二、三道次加工的成形过程均由CAM软件直接生成成形工具的运动轨迹(即第一、第二、第三成形轨迹)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：还包括第五步、将最终成形制件进行退火处理。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例成形过程中的第一中间构型的示意图。

图2是本发明实施例成形过程中的第二中间构型的示意图。

图3是本发明实施例最终成形制件的示意图。

图4a是第一成形轨迹的示意图。

图4b是第二成形轨迹的示意图。

图4c是第三成形轨迹的示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例中待成形的制件为半椭球面，其开口长度用A表示，宽度用B表示，高度用H表示。

本实施例的金属钣金件无模加工方法，包括以下步骤：

步骤一、将长方形板料的四个边界均通过夹具固定在成形机床上，为了方便加工成形，可以在长方形金属板料上涂上一层润滑油。

步骤二、构建一个如图1所示的半椭球形状的第一中间构型，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，第一中间构型的表面积为最终金属钣金件表面积的60-80％，本实施例优选70％左右。

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＝0.7*S_制件,得出极半径h(即图2中用H₁表示)的值，即求出钣金制件成形过程中间构型Ⅰ的几何形状。

第一道次采用单个上方成形工具成形出第一中间构型。与现有技术相似，第一道次加工中利用CAM软件直接驱动第一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，在成形时上方成形工具的工具头始终保持竖直，采用由外向内的等高线逐层加工，第一成形轨迹如图4a所示。

第一中间构型作为过渡构型，避免了因一次加工过大壁角零件致使板料破裂的情况，并留有一定余量为第二中间构型的成形做准备。

步骤三、在第一中间构型的基础上，即在半椭球面模型的基础上，从椭球面下方正中心成形出反向的隆起鼓包，此为第二中间构型，如图2所示，第二中间构型的中心深度变为H₁-H₂。此鼓包的形状为半椭球形状，面积为第一中间构型表面积的30-40％。第二中间构型的总体表面积约为最终成形制件表面积的70-90％。此阶段模型参数的计算在三维软件中完成更加简便。第二道次加工采用下方成形工具的工具头沿预设的第二成形轨迹成形出所述第二中间构型。

第二道次加工时利用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，成形工具位于板料下方，在成形时下方成形工具的工具头始终保持竖直，采用由内向外的等高线逐层加工，第二成形轨迹如图4b所示。

步骤四、第三道次加工采用上方成形工具沿预设的第三成形轨迹将第二中间构型成形至最终成形制件的形状。第三道次加工采用上方工具头，借助第二道次成形后第二中间构型鼓包的储料，以与第二道次工具轨迹相反的方向将其成形至如图3所示的最终成形制件，最终成形制件中心深度变为H₀。上方成形工具的工具头在加工中保持竖直，采用由外向内的等高线逐层加工，第三成形轨迹如图4c所示。该道次与第一道次类似，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。此处工具的成形轨迹方向再次反转，保持成形零件的壁厚均匀。

本实施例中板料成形使用上下两个工具头，使得整个过程无需拆装、反转板料，便于实现自动化操作。

本实施例的成形方法无需专用模具，相较于普通的无模成形，成形极限提高，成形质量提升，零件的壁厚更加均匀。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。

本实施例中第一、第一、第三道次加工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、第二、第三道次加工的成形过程中，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。

本实施例还可以作以下改进：1)为了改善残余应力对制件成形精度的影响，可以在三道次加工成形操作完成后，将最终成形制件取出，进行退火处理。2)执行第一道次和第三道次加工时使用的上方成形工具的工具头比执行第二道次加工时使用的下方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)

1.一种金属钣金件无模加工方法，包括以下步骤：

步骤一、将长方形金属板料的四个边界均通过夹具固定在成形机床上；

步骤二、构建一个半椭球形状的模型作为第一中间构型，所述第一中间构型的两个赤道半径分别为所述长方形金属板料长边和短边的一半，该中间构型的表面积为最终成形制件表面积的60-80%；第一道次加工采用上方成形工具沿预设的第一成形轨迹成形出所述第一中间构型；

步骤三、在第一中间构型的基础上，从椭球面下方正中心向上构建反向的隆起鼓包作为第二中间构型，所述隆起鼓包呈半椭球形状，所述隆起鼓包的面积为第一中间构型表面积的30-40%；第二道次加工采用下方成形工具沿预设的第二成形轨迹成形出所述第二中间构型；

步骤四、第三道次加工采用上方成形工具沿预设的第三成形轨迹将第二中间构型成形至最终成形制件的形状。

2.根据权利要求1所述的金属钣金件无模加工方法，其特征在于：执行步骤二之前，在长方形金属板料上涂上一层润滑油。

3.根据权利要求1所述的金属钣金件无模加工方法，其特征在于：执行步骤二中第一道次加工以及步骤四中第三道次加工时，所述上方成形工具的工具头在加工过程中保持竖直，采用由外向内的等高线逐层加工。

4.根据权利要求1所述的金属钣金件无模加工方法，其特征在于：执行步骤三中的第二道次加工时，所述下方成形工具的工具头始终保持竖直状态，采用由内向外的等高线逐层加工。

5.根据权利要求1-4之任一项所述的金属钣金件无模加工方法，其特征在于：执行第一道次和第三道次加工时使用的上方成形工具的工具头比执行第二道次加工时使用的下方成形工具的工具头直径更大。

6.根据权利要求1-4之任一项所述的金属钣金件无模加工方法，其特征在于：所述方法还包括：步骤五、将最终成形制件进行退火处理。