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數(shù)控技術(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
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一、數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)介紹
學(xué)者Schmoeckel在他的著作中預(yù)言隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，板料成形設(shè)備將會(huì)變得更加靈活。Leszak在其申請(qǐng)的專利中首次提出了利用簡(jiǎn)單成形工具對(duì)板件進(jìn)行加工的板料無模成形思想，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平這種技術(shù)沒有進(jìn)一步向前發(fā)展。后來隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，直到上個(gè)世紀(jì)90年代，松原才正式提出了板料數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)。
板料數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)引入“分層制造”的思想，首先將要加工的零件在高度上離散成若干層，再由CAD/CAM軟件在每層沿零件輪廓生成相應(yīng)的加工軌跡，簡(jiǎn)單的成形工具頭沿著該軌跡對(duì)板件進(jìn)行逐層加工，得要想要加工的零件。由于數(shù)控漸進(jìn)成形是對(duì)板料進(jìn)行逐層逐點(diǎn)進(jìn)行加工，靠局部變形的積累獲得整個(gè)零件，因此具有加工方式靈活、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠成形出形狀復(fù)雜的鈑金零件。
數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)從零件的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到零件的加工軌跡生成再到零件最終成形都具有很強(qiáng)的靈活性，零件的尺寸或者形狀變動(dòng)時(shí)只需在CAD/CAM軟件里改動(dòng)零件模型即可。因此，該技術(shù)特別適合用于鈑金類新產(chǎn)品的開發(fā)、試制及小批量生產(chǎn)。
板料數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)按其加工方式分為單點(diǎn)（負(fù)）漸進(jìn)成形和雙點(diǎn)（正）漸進(jìn)成形。單點(diǎn)漸進(jìn)成（Single Point Incremental Forming—SPIF）是一種不需要任何模具支撐的漸進(jìn)成形方式。金屬板被夾具固定在支架上，板下面懸空，工具頭沿特定的軌跡由金屬板四周向中心逐漸加工，此時(shí)金屬板在力的拉伸作用下變形。零件成形過程中金屬板料只跟工具頭接觸，成形過程中不需要模具支撐，因此單點(diǎn)漸進(jìn)成形具有加工方式靈活、加工范圍廣、對(duì)設(shè)備依賴性不強(qiáng)、占用生產(chǎn)資源少等特點(diǎn)。此外，只需要在CAD軟件里改變零件幾何模型就可以獲得不同的成形軌跡，進(jìn)而加工出相應(yīng)形狀的零件，所以單點(diǎn)漸進(jìn)成形的操作性較好，但是因?yàn)槌尚芜^程中只是工具頭和金屬板的接觸，系統(tǒng)剛度相對(duì)較小，成形后零件容易發(fā)生回彈，導(dǎo)致零件成形精度較差。
二、數(shù)控漸進(jìn)成形優(yōu)缺點(diǎn)
不同與沖壓等塑性加工工藝，數(shù)控漸進(jìn)成形是金屬板件塑性加工的一種新的成形方式，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、無模加工
漸進(jìn)成形不需要專門的成形模具即可對(duì)金屬板進(jìn)行加工，特別是單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了無模具加工；即使是雙點(diǎn)漸進(jìn)成形也僅僅需要簡(jiǎn)單的模具，而且模具的制作可以是代木、纖維等材料，相對(duì)于沖壓模的制作能大大節(jié)省時(shí)間成本和資金成本。
2、成形設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低
漸進(jìn)成形技術(shù)對(duì)設(shè)備的依賴性不高，普通的數(shù)控銑床進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造后就可以達(dá)到專用漸進(jìn)成形機(jī)床的加工效果，對(duì)板料的漸進(jìn)成形可以在普通數(shù)控銑床、漸進(jìn)成形專用機(jī)床、數(shù)控加工中心等設(shè)備上實(shí)現(xiàn)；用來進(jìn)行漸進(jìn)成形刀具只是簡(jiǎn)單的圓形成形工具頭，工具頭不需要特殊的加工處理，只需保證硬度和表面粗糙度即可，這也降低了加工成本。
3、適合新產(chǎn)品的開發(fā)
市場(chǎng)上常見的商用CAD/CAM軟件里就可實(shí)現(xiàn)從零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到加工參數(shù)優(yōu)化再到成形軌跡生成整個(gè)過程的無縫銜接；當(dāng)零件尺寸需要改動(dòng)時(shí)，只需在軟件中改動(dòng)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型就可以實(shí)現(xiàn)成形軌跡的改變。
4、復(fù)雜板料零件成形
由于漸進(jìn)成形是對(duì)板料進(jìn)行逐點(diǎn)逐層成形因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜鈑金類零件的成形且成形精度高。
5、成形力小
零件漸進(jìn)成形過程中只有工具頭底部很小的區(qū)域與板料相接觸，每層板料變形區(qū)域也僅限于該區(qū)域，且工具頭在相鄰加工層之間的進(jìn)給量Δz一般為0、2mm—1mm，因此所受成形力較小。
6、成形過程無噪音污染，對(duì)環(huán)境友好
零件漸進(jìn)成形時(shí)，特別是進(jìn)行單點(diǎn)漸進(jìn)加工時(shí)，金屬板和工具頭的接觸區(qū)域很小，加工過程中不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)、沖擊等現(xiàn)象，整個(gè)加工過程中幾乎無噪聲污染。
數(shù)控漸進(jìn)成形的缺點(diǎn)
漸進(jìn)成形的缺點(diǎn)主要包括：
1、零件尺寸精度差
金屬板料在工具頭的擠壓下發(fā)生彈塑性變形，加工完成后，塑性變形部分被保留下來，而彈性變形部分產(chǎn)生回彈，再加上零件成形后的殘余應(yīng)力等因素，導(dǎo)致實(shí)際得到的零件形狀跟設(shè)計(jì)的零件形狀之間存在誤差。特別是對(duì)于單點(diǎn)漸進(jìn)成形，系統(tǒng)剛度較小，回彈更嚴(yán)重。此外，相關(guān)成形參數(shù)（增量步長(zhǎng)Δz、成形角度θ、運(yùn)動(dòng)軌跡、工具頭直徑D等）的改變，也會(huì)影響到零件最終成形精度。
2、減薄嚴(yán)重，零件壁厚分布不均勻
零件壁厚跟金屬板初始厚度和成形角度有關(guān)，理論上，近似符合正弦定理。但在現(xiàn)實(shí)成形時(shí)，由于板材變形過程的復(fù)雜性和金屬塑性流動(dòng)不確定性等因素，正弦定理并不能很好的用來進(jìn)行板料厚度變化的預(yù)測(cè)，零件壁厚在某些位置減薄嚴(yán)重，其余位置厚度也不均勻，較薄的厚度往往達(dá)不到零件使用要求。
3、單件零件成形時(shí)間長(zhǎng)，成形效率低
漸進(jìn)成形所用時(shí)間跟零件尺寸大小、成形軌跡、進(jìn)給速度等因素有關(guān)。由漸進(jìn)成形原理可知，相對(duì)于沖壓成形，單個(gè)零件的成形效率要低很多。特別是當(dāng)零件尺寸較大，采用增量步長(zhǎng)較小的情況下，成形效率更會(huì)大大降低。
三、數(shù)控漸進(jìn)成形研究現(xiàn)狀
板料數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)是在現(xiàn)代社會(huì)消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品多樣化、個(gè)性化需求越來越多的背景下提出的，是一種新型的適合新產(chǎn)品開發(fā)、試制的制造技術(shù)，該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展不僅可以豐富塑性加工理論的知識(shí)體系，還具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用空間。數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)自被提出以來，便憑借自身的優(yōu)點(diǎn)引起國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，對(duì)該技術(shù)的研究主要集中在下幾個(gè)方面：
1、成形機(jī)理和性能
成形極限圖（FLC）通常用來描述一種工藝的成形性能。大量研究表明漸進(jìn)成形技術(shù)的成形極限圖大致是一條位于第一象限負(fù)斜率的直線，而傳統(tǒng)的成形極限圖是一條V線，如圖1、6所示。因此，漸進(jìn)成形技術(shù)能顯著提升材料的加工潛力，成形出大應(yīng)變的零件。Hagan和Jeswiet對(duì)比研究了旋轉(zhuǎn)成形、旋壓成形和漸進(jìn)成形三種板料成形技術(shù)的成形特征和成形機(jī)理，凸顯了板料漸進(jìn)成形技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。Jackson和Allwood對(duì)拼焊銅板進(jìn)行了漸進(jìn)成形，研究零件成形過程中金屬板的變形過程和變形機(jī)理。作者分別測(cè)量了單點(diǎn)漸進(jìn)成形和雙點(diǎn)漸進(jìn)成形后零件厚度方向上的應(yīng)變分布，發(fā)現(xiàn)在與工具頭運(yùn)動(dòng)方向相切的方向上，板料主要發(fā)生拉伸和剪切變形，與在工具頭運(yùn)動(dòng)平行的方向上，板料主要發(fā)生剪切變形；作者還發(fā)現(xiàn)隨著拉伸和剪切作用的不斷加劇，零件實(shí)際測(cè)量厚度跟正弦曲線預(yù)測(cè)厚度之間的誤差會(huì)逐漸增大。
S、 Gatea等研究了主要成形參數(shù)對(duì)板件成形性能的影響，發(fā)現(xiàn)零件經(jīng)多道次漸進(jìn)成形后壁厚分布更均勻；增量步長(zhǎng)對(duì)板件成形性能的影響還不十分明確；增加主軸轉(zhuǎn)速或者減小工具頭進(jìn)給速度都能使板件成形性能提高；小尺寸圓形工具頭螺旋軌跡加工時(shí)，板件極限成形角較大。
C、Raju等將幾個(gè)薄銅板疊加在一起進(jìn)行單點(diǎn)漸進(jìn)成形，分別得到每塊薄銅板的成形極限圖，研究每塊薄銅板的成形性能。
劉兆兵等通過試驗(yàn)驗(yàn)證了板料的成形性能跟成形角度和刀具軌跡的垂直進(jìn)給量有關(guān)，作者還研究了不同成形參數(shù)對(duì)工具頭與金屬板之間成形力的影響。馬琳偉等數(shù)值模擬不同成形軌跡下零件漸進(jìn)成形過程，作者將零件分成四個(gè)不同的變形區(qū)，探討每個(gè)變形區(qū)的變形特點(diǎn)和變形過程。
2、數(shù)值模擬研究
Duou等數(shù)值模擬了零件多道次單點(diǎn)漸進(jìn)成形的成形過程，在零件尺寸精度、厚度分布等方面與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。Arfa等通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比研究了板料初始厚度、成形角度、成形零件形狀和刀具軌跡等因素對(duì)成形過程中力的大小的影響。D、 M、 Neto等采用實(shí)體單元數(shù)值模擬了AA7075—O鋁合金圓錐零件單點(diǎn)漸進(jìn)成形過程，分析了板料變形機(jī)理和板料與工具頭接觸區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)。
李超等對(duì)同一截面圓錐零件分別進(jìn)行單道次和兩道次漸進(jìn)成形數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)兩道次漸進(jìn)成形比單道次漸進(jìn)成形零件厚度分布更加均勻。范國(guó)強(qiáng)等模擬了自阻電加熱的情況下鈦合金板進(jìn)行漸進(jìn)成形的過程，并分析了成形過程中的溫度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)自阻電加熱單點(diǎn)漸進(jìn)成形存在很大的內(nèi)應(yīng)力。李瓏果等借鑒數(shù)控加工中COPY銑的思想提出虛擬靠模法，獲得復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)軌跡，成形路徑可直接用于后續(xù)的數(shù)值模擬分析。李磊等應(yīng)用韌性準(zhǔn)則，基于有限元數(shù)值模擬技術(shù)，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了硬鋁板的成形極限。
3、成形軌跡優(yōu)化
Hu Zhu等提出一種基于零件三角網(wǎng)格模型，利用固定殘余波峰高度原理的螺旋路徑生成方法。這種螺旋路徑不僅使成形后零件厚度更均勻還能提高零件成形尺寸精度，且零件表面更加光滑。B、 Taleb Araghi等把傳統(tǒng)的拉伸成形同漸進(jìn)成形結(jié)合起來，大大提高了零件加工的可操作性，且有效改善了零件的使用性能。Rauch等討論了加工路徑類型和其他工藝參數(shù)對(duì)零件漸進(jìn)成形質(zhì)量的影響，提出一種智能生成和控制加工軌跡的方法，該方法根據(jù)對(duì)成形過程的實(shí)時(shí)評(píng)估來設(shè)計(jì)、控制加工路徑。
莫建華等基于VC++編程思想利用程序?qū)崿F(xiàn)了工具頭壓入點(diǎn)均勻分布，消除了零件表面壓痕現(xiàn)象，提高了板料數(shù)控漸進(jìn)成形的質(zhì)量。李湘吉等把多點(diǎn)成形與漸進(jìn)成形結(jié)合起來，利用兩種不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高成形效率和成形精度，改善零件成形性能。周六如采用平行線形軌跡路徑法，多道次成形出直壁零件，發(fā)現(xiàn)影響直壁矩形零件漸進(jìn)成形的主要參數(shù)是成形半錐角。史曉帆等通過自阻電阻加熱方法提高了板料的成形性能。
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