CN112517746B - 一种自适应控制渐进成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应控制渐进成形方法，该方法根据局部应变改变加工参数，包括实时地改变工具头直径、工具头运行速度以及逐层进给量，在最短的加工时间内，改善加工零件的成形精度和成形质量，充分利用渐进成形加工工艺的灵活性和可操作性，该方法通过参考不同的成形材料，制定不同的自适应渐进成形加工方案，其基本参数包括材料的抗拉强度和抗剪切强度。

Description

一种自适应控制渐进成形方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，具体是利用数控机床工具头对板料进行逐层挤压变形从而达到所需的零件形状的自适应控制渐进成形方法。
背景技术
渐进成形技术其优点是可以在不需要复杂和高成本工具或设备的情况下使料板成形，大大减小新品开发成本与周期。但在渐进成形加工过程中，板料有时会因不同原因发生局部减薄或者破裂，降低了成形件的成形精度与成形质量。而在其中，工具头直径、工具头运行速度和逐层进给量是影响成形件质量的关键工艺参数。
工具头直径影响制件的表面质量，较大的工具头直径表面质量较低，但成形性能好，成形极限大；反之，较小的工具头直径表面质量较高，但制件成形过程中局部应力较大，成形性能不佳，成形极限较小。
对于工具头的运行速度和逐层进给量，使用较快的工具头运行速度或者更大的进给量可以缩短加工时间，但会导致成形件精度和成形件质量降低。加工过程中需要在时间成本和制件的可成形性之间进行权衡。
板料的局部减薄或者破裂往往由于其所受局部应力过大，导致局部的变形过度。对于难成形的零件，可以通过增大工具头直径、减小工具头的运行速度或者减小工具头的逐层进给量来达到局部的应力缓解，改善零件的可成形性能。但同时，零件表面质量降低，加工时间和成本也相应的提高，不符合板料渐进成形的灵活性和可操作性，为此开发出一种自适应控制的渐进成形加工方法来改善这一情况。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种自适应控制渐进成形方法，该方法在板料的渐进成形加工过程中，实时地检测局部应变。
技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种自适应控制渐进成形方法，它包括以下步骤：
步骤一：将带有球状工作表面的成形工具装入数控机床上的刀具架上，成形工具上带有球状的一端与待加工金属板料相抵；
步骤二：成形工具工作时，球状工作表面向金属板料方向压入，深度为轴向进给量ν；
步骤三：沿着金属板料的圆锥体截面走等高线，在完成整个截面路径后，成形工具再次压入深度为轴向进给量ν，来进行下一步等高线加工；
步骤四：下压过程中成形工具头在机床作用下对板料施加的轴向力为FZ， FZ分解为弯曲力FZ1和沿壁向力FZ2，机床为工具头提供反作用力，定义为径向力FR，FR分解为沿壁向力FR2和弯曲力FR1，实时检测机床的轴向力FZ大小，根据不同的材料弹性模量E，不同的成形角α，不同的板料厚度t，其对应的局部的实时应变量
Figure 343929DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 261070DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤五：当局部应变大于限定值时，减小工具头运行速度或减小轴向进给量ν或减小螺旋线升角，直到局部应变恢复到限定值；当局部应变小于限定值时，增大工具头运行速度或增大轴向进给量ν或增大螺旋线升角，直至应变增大到限定值；
作为本发明的进一步优选，步骤一中，在成形工具端部安装用于实时检测加工过程中成形工具头的轴向力与径向力变化的压电传感器。
作为本发明的进一步优选，所述的传感器安装在成形工具头与传动系统之间，以保证感应到的工具所承受到力的精准度，传感器将收到的信号控制成形工具头的运行速度和进给量通过以下两种方式实现：1）当应变越过限定范围时，计算机停止渐进成形机床的运行，并发出警告，由人工手动调整工艺参数；2）当应变越过限定范围时，计算机自动调整工艺参数，当调整工艺参数无法取得效果时，计算机停止渐进成形机床运行，并发出警报。
作为本发明的进一步优选，所述的轴向进给量ν的范围为0.5mm~1.5mm。
作为本发明的进一步优选，步骤四中，当局部的实时应变
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
＞1.0时，局部的实时应变的合理应变范围不应该过大，否则导致板料减薄现象加剧甚至破裂，严重影响成形件的成形精度和成形质量；应变范围如果过小也会导致加工时间过长，时间成本增大，失去了渐进成形加工方法的灵活性和可操作性的特点。
加工过程需要中止，在成形工具的球状端部下压过程中，其与板料接触区域在轴向力和径向力的作用下产生拉弯变形，此过程中轴向力占主导地位，也可认为下压过程中主要是由于轴向力的作用板料产生剪切变形，成形工具在加工过程中，轴向力FZ与径向力FR越大，板料中变形区域的局部应力就越大，应变也就越大，也就是说，在加工过程中，成形工具的球状端部施加的轴向力FZ和径向力FR应与材料的变形程度有相对应的关系。
作为本发明的进一步优选，步骤五中，螺旋线升角变化范围为0.6°~1.6°，成形工具的加工轨迹分为两种：等高线轨迹与螺旋线轨迹，正常加工时，加工轨迹为等高线轨迹，如遇到局部的实时应变过大或过小时，通过调整轴向进给量ν或螺旋线升角来进行加工，调整轴向进给量ν时，也就是将等高线轨迹作为加工轨迹进行加工，调整螺旋线升角时，就是通过将螺旋线轨迹作为加工轨迹进行加工。
有益效果：本发明所述的一种自适应控制渐进成形方法，与现有技术相比，具有以下优点：
1、在板料的渐进成形加工过程中，实时地检测局部应变；
2、通过参考不同的成形材料，制定不同的自适应渐进成形加工方案，其基本参数包括材料的抗拉强度和抗剪切强度；
3、在渐进成形加工过程中，依据局部应变改变加工参数，包括实时地改变工具头直径、工具头运行速度以及逐层进给量；
4、在最短的加工时间内，改善加工零件的成形精度和成形质量，充分利用渐进成形加工工艺的灵活性和可操作性。
附图说明
图1为金属板料数控渐进成形的示意图；
图2为渐进成形加工轨迹示意图；
图3为成形工具在下压过程中工具头作用力的分解图；
图4为等高线轨迹示意图；
图5为螺旋线轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明所述的一种自适应控制渐进成形方法，该方法根据局部应变改变加工参数，包括实时地改变工具头直径、工具头运行速度以及逐层进给量，在最短的加工时间内，改善加工零件的成形精度和成形质量，充分利用渐进成形加工工艺的灵活性和可操作性。
实施例
步骤一：将带有球状工作表面的成形工具装入数控机床上的刀具架上，成形工具上带有球状的一端与待加工金属板料相抵，在成形工具端部安装用于实时检测加工过程中成形工具头的轴向力与径向力变化的压电传感器；
步骤二：成形工具工作时，球状工作表面向金属板料方向压入，深度为轴向进给量ν；
步骤三：沿着金属板料的圆锥体截面走等高线，在完成整个截面路径后，成形工具再次压入深度为轴向进给量ν，来进行下一步等高线加工，如图1、图2所示，成形工具端部球状表面压入金属板料中一定深度，其大小等于所设计的轴向进给量ν，如图2中路径1所示，之后沿着圆锥体截面走等高线，如图2中路径2所示，在完成整个截面路径后，成形工具将移至更深处，即图2中所示的路径3，来进行下一步等高线加工，这一阶段如同下楼梯一般，每次进给的调整都是通过进给量ν和成形角α决定的。
步骤四：下压过程中成形工具头在机床作用下对板料施加的轴向力为FZ， FZ分解为弯曲力FZ1和沿壁向力FZ2，机床为工具头提供反作用力，定义为径向力FR，FR分解为沿壁向力FR2和弯曲力FR1，实时检测机床的轴向力FZ大小，根据不同的材料弹性模量E，不同的成形角α，不同的板料厚度t，其对应的局部的实时应变量
Figure 103124DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 498333DEST_PATH_IMAGE004
；
如图3所示，从受力分析的角度来看，下压过程中渐进成形机床提供给成形工具轴向力，板料在垂直于平面方向的轴向力的作用下应产生剪切应力，板料发生变形，变形包括了塑性变形以及弹性变形，板料斜壁区域的弹性变形以及轨迹内侧板料对变形区域的拉伸作用对工具头也产生径向方向上的反作用力，所以成形工具对板料也应施加径向力。
FZ表示下压过程中工具头在机床作用下对板料施加的轴向力， FZ2产生拉伸作用使板料发生拉伸变形，板料斜壁区域的弹性变形将对工具头在径向方向上产生阻力，机床为工具头提供反作用力，定义为径向力FR，因此下压过程中板料接触区域在轴向力和径向力的作用下产生拉弯变形，此过程中轴向力占主导地位，也可认为下压过程中主要是由于轴向力的作用板料产生剪切变形。在加工过程中，轴向力FZ与径向力FR越大，板料中变形区域的局部应力就越大，应变也就越大。在加工过程中，机床工具头施加的轴向力FZ和径向力FR应与材料的变形程度有相对应的关系。
步骤五：当局部应变大于限定值时，减小工具头运行速度或减小轴向进给量ν或减小螺旋线升角，直到局部应变恢复到限定值，以此保持成形件的成形精度和成形质量；当局部应变小于限定值时，增大工具头运行速度或增大轴向进给量ν或增大螺旋线升角，直至应变增大到限定值，以此在较易成形区域达到较快成形的效果，在保持零件精度和质量的同时，最大限度缩短加工时间，如图4、图5所示，轴向进给量ν的范围为0.5mm~1.5mm，螺旋线升角变化范围为0.6°~1.6°，当局部应变
Figure 375022DEST_PATH_IMAGE005
＞1.0时，加工过程需要中止，对于不同的加工板料，在使用自适应渐进成形加工方法的过程中，其局部应变范围应当控制在1.0以内，在自适应渐进成形方法中，定义的合理应变范围不应该过大，否则导致板料减薄现象加剧甚至破裂，严重影响成形件的成形精度和成形质量；应变范围如果过小也会导致加工时间过长，时间成本增大，失去了渐进成形加工方法的灵活性和可操作性的特点。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种自适应控制渐进成形方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：将带有球状工作表面的成形工具装入数控机床上的刀具架上，成形工具上带有球状的一端与待加工金属板料相抵；
步骤二：成形工具工作时，球状工作表面向金属板料方向压入，深度为轴向进给量ν；
步骤三：沿着金属板料的圆锥体截面走等高线，在完成整个截面路径后，成形工具再次压入深度为轴向进给量ν，来进行下一步等高线加工；
步骤四：下压过程中成形工具头在机床作用下对板料施加的轴向力为FZ， FZ分解为弯曲力FZ1和沿壁向力FZ2，机床为工具头提供反作用力，定义为径向力FR，FR分解为沿壁向力FR2和弯曲力FR1，实时检测机床的轴向力FZ大小，根据不同的材料弹性模量E，不同的成形角α，不同的板料厚度t，其对应的局部的实时应变量
Figure 713070DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 630211DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤五：当局部应变大于限定值时，减小工具头运行速度或减小轴向进给量ν或减小螺旋线升角，直到局部应变恢复到限定值；当局部应变小于限定值时，增大工具头运行速度或增大轴向进给量ν或增大螺旋线升角，直至应变增大到限定值；
步骤一中，在成形工具端部安装用于实时检测加工过程中成形工具头的轴向力与径向力变化的压电传感器；
所述的传感器安装在成形工具头与传动系统之间；
所述的轴向进给量ν的范围为0.5mm~1.5mm；
步骤四中，当局部应变
Figure DEST_PATH_IMAGE005
＞1.0时，加工过程需要中止。
2.根据权利要求1所述的一种自适应控制渐进成形方法，其特征在于：步骤五中，螺旋线升角变化范围为0.6°~1.6°。
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