CN110695196A - 一种壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法 - Google Patents

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    • B21D51/10—Making hollow objects characterised by the structure of the objects conically or cylindrically shaped objects

Abstract

本发明公开了一种壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，该方法包括以下步骤：(1)确定目标筒形件的尺寸；(2)根据目标筒形件的尺寸确定原始板料厚度t0；(3)第1道次采用三段式成形路径加工出半径为R、深度为H1的三台阶锥桶件；(4)第2道次采用二段式成形路径加工出半径为R、深度为H1的二台阶锥桶件；(5)第3道次采用二段式成形路径加工出半径为R、深度为H3的圆弧底锥桶件；(6)第4道次加工出半径为R、深度为H、圆弧半径为r的制件；(7)目标制件高径比H/D＝0.5时，步骤(6)所得即为目标制件；目标制件高径比0<H/D<0.5时，将多余高度去除，即得目标制件。利用该方法能够成形出壁厚均匀的直壁筒形件，成形方法简单，成本低，成形周期短。

Description

一种壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法
技术领域
本发明涉及一种直壁筒形件的成形方法，更具体地，涉及一种壁厚相对均匀的直壁筒形件的成形方法。
背景技术
金属板料制件壁厚相对均匀是板材成形加工重要的难点之一，每种制件的加工工艺选择和性能要求，多数情况下都是基于制件壁厚均匀的要求。传统的筒形件是通过板料拉深成形的，根据圆筒的尺寸并参照相关手册计算出拉深次数及中间的过渡形状，然后设计出每次拉深的模具，加工出来的筒形件壁厚不均匀，加工过程成本大、周期长，不能适应当今市场多元化、个性化的发展方向。渐进成形工艺采用了快速制造技术中的分层制造的思想，将待成形的零件离散为一系列二维平面进行逐层成形，通过预先编制的数控程序驱动成形设备对板料进行分层逐点成形，加工过程周期短，成本低，但是多道次成形得到壁厚均匀的制件仍然是个难题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，利用该方法能够制得壁厚均匀的直壁筒形件。
技术方案：本发明所述一种直壁筒形件的成形方法，包括以下步骤：
(1)确定目标筒形件的尺寸：直径D、深度H、圆弧半径r、厚度t，其中高径比0<H/D≤0.5；
(2)根据目标筒形件的尺寸直径D、深度H、圆弧半径r、厚度t确定原始板料厚度t0；
(3)第1道次采用三段式成形路径加工出半径为R、深度为H1的三台阶锥桶件，其中R＝D/2为目标筒形件的半径，0<H1<H：第一段直线成形角为θ1，直线的起点与中心轴的距离为R，直线的末端与中心轴的距离为L2，第二段直线成形角为θ2，直线的末端与中心轴的距离为L1，第三段分为直线和圆弧部分，直线成形角为θ3，圆弧与直线相切，其半径为R1，其中0°<θ2<θ3<θ1<θ临界，θ临界是待加工板材的临界成形角，0<L1<L2<R，0<R1<r；
(4)第2道次采用二段式成形路径加工出半径为R、深度为H1的二台阶锥桶件：第一段直线的成形角为θ4，直线的末端与二台阶锥桶件顶部的距离为H2，第二段分为直线和圆弧部分，直线成形角为θ5，圆弧与直线相切，半径为R2，其中，θ1<θ4<90°，θ2<θ5<θ4；
(5)第3道次采用二段式成形路径加工出半径为R、深度为H3的圆弧底锥桶件，其中H2<H3<H1：第一段直线成形角为θ6，直线的末端与圆弧底锥桶件顶部距离为H4，圆弧与直线相切，其半径为R3，其中，θ4<θ6<90°；
(6)第4道次加工出半径为R、深度为H、圆弧半径为r的制件；
(7)当目标制件高径比H/D＝0.5时，步骤(6)所得制件即为目标制件；当目标制件高径比0<H/D<0.5时，按照目标制件的高径比将步骤(6)中制件多余高度的部分去除，即得目标制件。
其中，步骤(2)中根据体积不变原理计算出原始板料厚度t0，成形过程中参与变形的初始坯料面积为πD2/4，成形后的直壁圆筒件表面积分为底面、圆角、直壁三个部分，各部分的面积为：
底面：S1＝π(D/2-r)2
圆角：S2＝(πr)2/2+2πr(D/2-r)
直壁：S3＝πD(H-r)
根据体积不变原理：t0×πD2/4＝t×(S1+S2+S3)
得到：t0＝4t×(S1+S2+S3)/πD2＝t/[D2/(D2-2(4-π)Dr)+4(3-π)r2+4DH]。
其中，步骤(3)中：
H1＝0.515D+0.0001667(D-58)(D-78)-5.291e-7(D-118)(D-58)(D-78)+0.83
L2＝0.365D+0.0002083(D-58)(D-78)-1.918e-6(D-118)(D-58)(D-78)-0.37
L1＝0.235D+0.0002083(D-58)(D-78)-3.505e-6(D-118)(D-58)(D-78)-1.13
Figure BDA0002198673710000021
其中，步骤(3)中第1道次的加工方式是自上而下的，能够保证生成的轨迹均匀，满足制件表面光洁度的要求。
其中，步骤(4)中：
H2＝0.32D-0.00025(D-58)(D-78)+3.571e-6(D-118)(D-58)(D-78)+1.64
其中，步骤(4)中第2道次的加工方式为为自下而上，第2道次主要使底部和圆角部分的材料变形，促进底部锥角变大，采用自下而上的加工方式，有助于底部变形减薄，同时不会使直壁区域有明显减薄。
其中，步骤(5)中：
H3＝0.52D+4.167e-5(D-58)(D-78)-8.598e-7(D-118)(D-58)(D-78)-0.26
H4＝0.4D-8.333e-5(D-58)(D-78)+9.127e-6(D-118)(D-58)(D-78)+1.7
Figure BDA0002198673710000031
其中，步骤(5)中第3道次的加工方式为自下而上，且螺旋加工轨迹与第2道次相反，能够避免制件出现扭曲现象。
其中，步骤(6)中第4道次在成形筒形件直壁区域时采用自上而下的加工方式，成形圆筒底部区域时采用自下而上的加工方式，直壁区域通过自上而下加工方式成形，生成的轨迹比较均匀，有利于直壁部分的材料向难成形的圆角区域流动，圆筒底部成形通过自下而上的加工方式，有利于底部平面的成形，使底部中心的材料由内向外流动，避免圆角部分产生破裂现象。
有益效果：1、能够得到壁厚均匀的直壁筒形件；2、成形周期短，成本低。
附图说明
图1是目标直壁筒形件示意图；
图2是直壁筒形件成形路径示意图；
图3是直壁筒形件壁厚分布曲线图。
具体实施方式
目标直壁筒形件几何参数示意图如图1所示，D＝78mm、H＝39mm、r＝12mm、t＝0.3mm，根据体积不变原则，t0＝t/[D2/(D2-2(4-π)Dr)+4(3-π)r2+4DH]＝0.84mm，选择厚度为0.84mm的1060铝作为原始板料，其成形极限角为67°，轴向进给量为0.4mm。
第1道次采用三段式成形路径，自上而下地顺序成形出半径为R＝D/2＝39mm，深度H1＝0.515D+0.0001667(D-58)(D-78)-5.291e-7(D-118)(D-58)(D-78)+0.83＝41mm的三台阶锥桶件：第一段直线的成形角为θ1＝64°，直线的起点与中心轴的距离为R＝39mm，第一段直线的末端与中心轴的距离为L2＝0.365D+0.0002083(D-58)(D-78)-1.918e-6(D-118)(D-58)(D-78)-0.37＝29.4mm；第二段直线的成形角为θ2＝25°，直线的末端与中心轴的距离为L1＝0.235D+0.0002083(D-58)(D-78)-3.505e-6(D-118)(D-58)(D-78)-1.13＝16.6mm；第三段的成形角为θ3＝45°，分为直线和圆弧，底部圆弧与直线相切，其尺寸R1＝9.7mm：
Figure BDA0002198673710000032
第2道次采用二段式成形路径，自下而上地逆铣出半径为R＝D/2＝39mm、深度为H1＝0.515D+0.0001667(D-58)(D-78)-5.291e-7(D-118)(D-58)(D-78)+0.83＝41mm的二台阶锥桶件：第一段直线的成形角为θ4＝80°，直线的末端与二台阶锥桶件顶部的距离为H2＝0.32D-0.00025(D-58)(D-78)+3.571e-6(D-118)(D-58)(D-78)+1.64＝24.95mm，第二段分为直线和圆弧部分，直线成形角为θ5＝27°，圆弧与直线相切，半径为R2＝17.4mm：
第3道次采用二段式成形路径，自下而上地顺铣出半径为R＝D/2＝39mm、深度为H3＝0.52D+4.167e-5(D-58)(D-78)-8.598e-7(D-118)(D-58)(D-78)-0.26＝40mm的圆弧底锥桶件：第一段直线成形角为θ6＝88°，直线的末端与圆弧底锥桶件顶部距离为H4＝0.4D-8.333e-5(D-58)(D-78)+9.127e-6(D-118)(D-58)(D-78)+1.7＝28.22mm，圆弧与直线相切，其半径为R3＝100mm：
第4道次在成形筒形件直壁区域时采用自上而下的加工方式，成形圆筒底部区域时采用自下而上的加工方式，逆铣出半径为R＝D/2＝39mm、深度为H＝39mm、圆弧半径为r＝12mm的目标制件。
借助ANSYS软件对上述路径进行数值模拟，以板料中心为起点，沿径向方向选取一系列单元，输出成形最终时刻的单元平均壁厚值，绘制如图3所示单元壁厚分布曲线，其值大致分布于理论壁厚t＝0.3mm左右，所取单元厚度均在设定范围之内。对于实体实验加工采用UG软件对锥形件进行三维建模，在UG的CAM模块中进行加工参数的设置，从而得到成形路径与相应的G代码，该代码可导入渐进成形专用机床进行实验。将G代码导入机床进行实验，实验时首先需将三轴坐标均回零，然后进行对刀，在X、Y方向上设定工具头中心位于外轮廓支撑板及压板的中心时的坐标为0，在Z方向上设定工具头的最低点刚好与板料接触时坐标为0。对刀完成后便可运行程序进行实验，多道次的实验应分步完成，最终成形出壁厚相对均匀的直壁筒形件。

Claims (9)

1.一种壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定目标筒形件的尺寸：直径D、深度H、圆弧半径r、厚度t，其中高径比0<H/D≤0.5；
(2)根据目标筒形件的尺寸直径D、深度H、圆弧半径r、厚度t确定原始板料厚度t0；
(3)第1道次采用三段式成形路径加工出半径为R、深度为H1的三台阶锥桶件，其中R＝D/2为目标筒形件的半径，0<H1<H：第一段直线成形角为θ1，直线的起点与中心轴的距离为R，直线的末端与中心轴的距离为L2，第二段直线成形角为θ2，直线的末端与中心轴的距离为L1，第三段分为直线和圆弧部分，直线成形角为θ3，圆弧与直线相切，其半径为R1，其中0°<θ2<θ3<θ1<θ临界，θ临界是待加工板材的临界成形角，0<L1<L2<R，0<R1<r；
(4)第2道次采用二段式成形路径加工出半径为R、深度为H1的二台阶锥桶件：第一段直线的成形角为θ4，直线的末端与二台阶锥桶件顶部的距离为H2，第二段分为直线和圆弧部分，直线成形角为θ5，圆弧与直线相切，半径为R2，其中，θ1<θ4<90°，θ2<θ5<θ4，；
(5)第3道次采用二段式成形路径加工出半径为R、深度为H3的圆弧底锥桶件，其中H2<H3<H1：第一段直线成形角为θ6，直线的末端与圆弧底锥桶件顶部距离为H4，圆弧与直线相切，其半径为R3，其中，θ4<θ6<90°；
(6)第4道次加工出半径为R、深度为H、圆弧半径为r的制件；
(7)当目标制件高径比H/D＝0.5时，步骤(6)所得制件即为目标制件；当目标制件高径比0<H/D<0.5时，按照目标制件的高径比将步骤(6)中制件多余高度的部分去除，即得目标制件。
2.根据权利要求1所述的壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据体积不变原理计算出原始板料厚度t0，成形过程中参与变形的初始坯料面积为πD2/4，成形后的直壁圆筒件表面积分为底面、圆角、直壁三个部分，各部分的面积为：
底面：S1＝π(D/2-r)2
圆角：S2＝(πr)2/2+2πr(D/2-r)
直壁：S3＝πD(H-r)
根据体积不变原理：t0×πD2/4＝t×(S1+S2+S3)
得到：t0＝4t×(S1+S2+S3)/πD2＝t/[D2/(D2-2(4-π)Dr)+4(3-π)r2+4DH]。
3.根据权利要求1所述的壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，其特征在于，所述步骤(3)中：
H1＝0.515D+0.0001667(D-58)(D-78)-5.291e-7(D-118)(D-58)(D-78)+0.83
L2＝0.365D+0.0002083(D-58)(D-78)-1.918e-6(D-118)(D-58)(D-78)-0.37
L1＝0.235D+0.0002083(D-58)(D-78)-3.505e-6(D-118)(D-58)(D-78)-1.13
4.根据权利要求1所述的壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，其特征在于，所述步骤(3)中第1道次的加工方式是自上而下的。
5.根据权利要求1所述的壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，其特征在于，所述步骤(4)中：
H2＝0.32D-0.00025(D-58)(D-78)+3.571e-6(D-118)(D-58)(D-78)+1.64
Figure FDA0002198673700000021
6.根据权利要求1所述的壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，其特征在于，所述步骤(4)中第2道次的加工方式为为自下而上。
7.根据权利要求1所述的壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，其特征在于，所述步骤(5)中：
H3＝0.52D+4.167e-5(D-58)(D-78)-8.598e-7(D-118)(D-58)(D-78)-0.26
H4＝0.4D-8.333e-5(D-58)(D-78)+9.127e-6(D-118)(D-58)(D-78)+1.7
Figure FDA0002198673700000022
8.根据权利要求1所述的壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，其特征在于，所述步骤(5)中第3道次的加工方式为自下而上，且螺旋加工轨迹与第2道次相反。
9.根据权利要求1所述的壁厚均匀的直壁筒形件的成形方法，其特征在于，所述步骤(6)中第4道次在成形筒形件直壁区域时采用自上而下的加工方式，成形圆筒底部区域时采用自下而上的加工方式。
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