专利名称：板料点压渐进成形锥台形零件的方法
技术领域：
本发明涉及板料柔性成形方法，具体是一种板料点压渐进成形锥台形零件的方法。
背景技术：
钣金零件的柔性制造技术在现代产品日益多样化的趋势下越来越受到研究机构和制造行业的重视。在旋压基础上发展而来的板料渐进成形(增量成形)方法就是一种钣金零件的柔性制造技术。2001年日本人R田智仙和川村涉申请了中国发明专利“增量成形方法及其设备”(公开号CN 1320497A,
公开日期2001. 11. 7)，提出将预定形状的板料安装在模具上，板料上方的成形工具沿模具内周连续移动而挤压板料，使材料增量成形。近年来许多学者对板料渐进成形方法进行了深入研究。 目前，普遍研究的板料渐进成形方法仍有很多与旋压成形方法相似的地方，值得注意的是，它们的成形轨迹都是连续的，成形工具在数控机床的带动下沿着连续的成形轨迹运动，同时挤压板料而成形零件。成形工具沿着成形轨迹连续向前运动的时候，成形工具不仅将局部的板料向垂直于成形轨迹的方向拉扯，同时也推动局部材料在成形轨迹方向移动产生周向变形，这种变形是不必要的，这种沿着成形轨迹的变形叠加，最终会在成形零件上以零件扭曲的形式反映出来，而降低了零件成形质量。比利时学者J. R. Duflou等2010年发表文章专门分析了连续轨迹渐进成形零件的扭曲变形问题，指出其扭曲变形是因为成形工具连续运动过程中对板料有向前的推挤作用，而产生了不必要的变形(Duflou J R, Vanhove H, Verbert J, et al. Twist revisited: Twistphenomena in single point incremental forming[J] · CIRP Annals-ManufacturingTechnology. 2010, 59(1) :307-310.)。因此，提出一种可以使板料不产生这种非必要变形的渐进成形方法是有必要的。
发明内容
为克服现有技术中存在的成形零件扭曲变形的不足，本发明提出了一种板料点压渐进成形锥台形零件的方法。本发明所述锥台形零件的几何尺寸包括锥台大端的直径D、锥台的高度H及成形角Θ ;所选用成形工具头的半径为r;所述成形角Θ等于90°减去二分之一锥角；具体步骤是第一步，根据零件形状确定成形轨迹；确定成形轨迹的具体过程是a.成形轨迹的坐标原点为与成形工具头相邻的预成形板料的表面的几何中心；建立成形轨迹的坐标系；b.确定成形工具头下压参数；所述的成形工具头下压参数包括成形工具头下压的高度e、第η个周向轨迹Qn与第η + I个周向轨迹Qn+1之间的轴向间距Λ hn、第η个周向轨迹Qn与第η + I个周向轨迹Qn+1之间的径向间距Λ Rn,以及第O个周向轨迹Qtl与第N-I个周向轨迹Qjm之间的轴向距离H。；所述的Δ Rn= Δ hncot Θ，H0=H- Δ hN_1；式中Δ hN_!为成形工具头在第N-I个周向轨迹Qim上的下压高度；C.确定周向轨迹的参数；所述周向轨迹的参数包括第O个周向轨迹Qtl的直径Dp
第η个周向轨迹Qn的直径Dn，以及周向轨迹的数量N，iV=& + l=!，其中H为锥台的高度，
ee
e为成形工具头每次的下压高度；d.确定成形工具头与预成形板料的接触面的参数；所述成形工具头与预成形板料的接触面的参数包括成形工具头与预成形板料周向接触的长度<、径向接触的长度K;所述成形工具头在第η个周向轨迹Qn上第m个点压位置 T压下后与板料的周向接触长度< =+ a2 - rMi / S: + rAhn / S2 = 4rAhn IS減形工具头在第n个周向轨迹Qn上第m个 点压位置C压下后与板料的径向接触长度C = +Kz - rAh IRn +τ ηθ ；e.确定第η个周向轨迹Qn上压点的数量Mn，以及各压点的位置Γ之间的参数；所述各压点位置之间的参数包括第η个周向轨迹Qn上第m-Ι个压点位置ΤΓ—1到第m个压点位置J；M的间距4C、间距Af所对应的中心角为、第η个周向轨迹Qn上的第O个压点位置I；"与第η个周向轨迹Qn的中心Cn点的连线与X轴的夹角夕所述第η个周向轨迹Qn的中心角《C满足of+<+...+ tff =2;τ的条件；f.确定成形工具头点压位置的参数；所述成形工具头在第η个周向轨迹Qn上第m个点压位置TT的参数包括成形工具头在每个压点位置ΓΒ"顶压板料时的起始点Pn(TJ)及终止点6(C)的坐标；第二步，使成形工具沿设计的成形轨迹顶压板料成形零件；成形中，成形工具沿成形轨迹依次逐点成形，或者该成形工具沿成形轨迹隔点成形；成形工具沿成形轨迹依次逐点成形的具体过程是a.成形工具头4的球头中心位于戽(7；°)点，使成形工具头顶点与板料接触；使工具头顶压板料，工具头的球头中心到达6(灯)点，板料局部变形；工具头的球头中心退回戽(<)点，一次顶压动作完成，点压位置T处的点压成形完成；移动成形工具头，使工具头球头中心到达巧( )点；工具头球头顶压板料至€(2;1)点；工具头球头退回到巧(K)点，完成对Te1点压位置的点压成形；重复上述过程，依次完成点压位置/到的点压成形，则周向轨迹Qtl完成，板料从初始位置变到Btl位置；b.重复上述成形过程，依次完成周向轨迹(V1的冲顶，使板料变形至Bim位置，零件成形完成；该成形工具沿成形轨迹隔点成形的具体过程是a.判断周向轨迹Qn上压点位置总数Mn的奇偶(m=0，I，…，Mn-I )，奇数时用M' n=Mn表示，偶数时用M" n = Mn表示；将零件周向分为4个区域，分别处于第一、第二、第三、第四象限，有飞'η=(Μ/ η-1)/4，τ" η=Μ" η/4；成形时，成形工具头4的中心位于戽(2；1')点，使成形工具头顶点与板料接触；使工具头顶压板料，工具头的球头中心到达点，板料局部变形；工具头的球头中心退回戽(U)点，一次顶压动作完成，点压位置；处的点压成形完成；移动成形工具头，当周向轨迹Q0上压点位置总数Mtl为奇数时，工具头球头中心到达/UH，顶压板料，工具头球头退回到所述/^7^)，完成对rf点压位置的点压成形；当周向轨迹％上压点位置总数Mtl为偶数时，工具头球头中心到达Pet(Tf)点；工具头球头退回到所述iurf)点，完成对Γ占压位置的点压成形；重复上述成形过程，依次完成/,点压位置的点压成形，#中的上标j表示周向轨迹上的第j个压点位置；b.重复上述成形过程，依次直到完成周向轨迹(V1的冲顶，使板料变形至Bim位置，零件成形完成；第三步，取下零件；得到锥台形零件。所述第一步中所述成形轨迹坐标系的原点O与成形轨迹的坐标原点重合；成形轨迹坐标系的z轴与工具头的中心线平行，并且所述z轴的方向与工具头下压的方向一致；所述成形轨迹是指在零件成形过程中工具头移动的路径。所述周向轨迹是指在零件成形过程中工具头在预成形板料上所作的圆周运动的路径 ’第O个周向轨迹Qtl的直径Dtl=DIrsin Θ，其中D为锥台零件大端的直径；第η个周向轨迹Qn的直
权利要求
1.一种板料点压渐进成形锥台形零件的方法，其特征在于，所述锥台形零件的几何尺寸包括锥台大端的直径D、锥台的高度H及成形角Θ ;所选用成形工具头的半径为r;所述成形角Θ等于90°减去二分之一锥角； 具体步骤是 第一步，根据零件形状确定成形轨迹；确定成形轨迹的具体过程是 a.成形轨迹的坐标原点为与成形工具头相邻的预成形板料的表面的几何中心；建立成形轨迹的坐标系； b.确定成形工具头下压参数；所述的成形工具头下压参数包括成形工具头下压的高度e、第η个周向轨迹Qn与第η+1个周向轨迹Qn+1之间的轴向间距Δ hn、第η个周向轨迹Qn与第η + I个周向轨迹Qn+1之间的径向间距Λ Rn,以及第O个周向轨迹Qtl与第N-I个周向轨迹Qjm之间的轴向距离Hci ;所述的
2.如权利要求I所述板料点压渐进成形锥2台形零件的方法，其特征在于，第一步中所述成形轨迹坐标系的原点O与成形轨迹的坐标原点重合；成形轨迹坐标系的z轴与工具头的中心线平行，并且所述z轴的方向与工具头下压的方向一致；所述成形轨迹是指在零件成形过程中工具头移动的路径。
3.如权利要求I所述板料点压渐进成形锥台形零件的方法，其特征在于，所述周向轨迹是指在零件成形过程中工具头在预成形板料上所作的圆周运动的路径；第O个周向轨迹Q0的直径Dtl=DIrsin Θ，其中D为锥台零件大端的直径； n—\ 第η个周向轨迹Qn的直彳丫 G = IX，其中Dtl为第O个周向轨迹Qtl的直径； /=0 所述第O个周向轨迹Qtl的中心Ctl位于所成形锥台形零件的中心线上；(；的坐标为(0，O,-r);所述各周向轨迹Qn的中心Cn均位于所成形锥台形零件的中心线上；Qn的中心Cn的 / -ιΛ坐标为，其中n=l，2，…，N_l，r为成形工具头的半径。
V1=0J
4.如权利要求I所述板料点压渐进成形锥台形零件的方法，其特征在于，所述周向接触的长度<为成形工具头在第η个周向轨迹Qn上第m个压点位置压下后成形工具头与预成形板料的周向接触长度；周向接触长度<以成形工具头顶点为界分为和<；两部分，a: 0
5.如权利要求I所述板料点压渐进成形锥台形零件的方法，其特征在于，所述径向接触的长度C为成形工具头在第η个周向轨迹Qn上第m个压点位置压下后成形工具头与预成形板料的径向接触长度；径向接触长度K以成形工具头顶点为界分为％和<2两部分，K =b
6.如权利要求I所述板料点压渐进成形锥台形零件的方法，其特征在于，影响工具头与板料接触区域的刚度区为扇形，工具头位于戽( )点，在z轴投影方向，与第η个周向轨迹.9 相切于戽(O点的直线在第n-Ι个周向轨迹Qlri内的长度为C C-巧分别表示戽(C)点两侧线段的长度；所述巧0Γ)为成形工具头在第η个周向轨迹Qn上第m个点压位置处的起始点。
7.如权利要求ι所述板料点压渐进成形锥台形零件的方法，其特征在于，所述间距4/7等于成形工具头与板料的周向接触长度< Af:= <;所述中心角α,Γ=4/Γ/凡=</凡；所述夹角汉*的取值分两种情况当下标η为偶数时,戍° = O ;当下标η为奇数时,允=OfU /2，其中Ct1为第n-Ι个周向轨迹Qlri上第O个压点位置到第I个压点位置H1的间距Δ/^所对应的中心角。
8.如权利要求I所述板料点压渐进成形锥台形零件的方法，其特征在于，所述第η个周向轨迹1上各中心角相等，of =4 =…= f";使0^ =al = (Xin=…=a ，先给出α n的近似值< =a / R11 = 4rAh I SRn = IrMin / RnRll-R，则= 2πΙαη，将 Mn取整，再计算 α η 的准确值a n=2 /Mn,则第η个周向轨迹Qn上各中心角为< =;其中m=0，I，…，Mn-I，η=1，.2 ... j N-1 ο
9.如权利要求I所述板料点压渐进成形锥台形零件的方法，其特征在于，所述起始点巧(C)的坐标
10.如权利要求I所述板料点压渐进成形锥台形零件的方法，其特征在于，所述成形工具沿成形轨迹隔点成形时，当Mn为奇数时，j依次为(O, I ' η,2τ 1 η,3τ 1 η, 4 τ ' η ；.1，1+τ' η, 1+2 τ ' η, 1+3 τ ' η ；. . . ；τ ' η~1,2 τ ' η-1,3 τ ' η~1,4 τ ' η_1) , Mn 为偶数时，j 依次为(O, τ " η，2 τ " η，3 τ " η ；1, 1+ τ ;/ η, 1+2 τ " η，1+3 τ " η ；. . . ； τ " η_1，.2τ" η_1，3τ" η_1，4τ" η_1);周向轨迹Qtl完成，板料从初始位置变到Btl位置。
全文摘要
一种板料点压渐进成形锥台形零件的方法，成形工具头对板料逐点顶压而成形零件，板料在受一次顶压动作后，成形工具头周围的板料产生局部变形，主要变形方向与成形工具头顶压方向相同，这个方向的变形是成形零件需要的；同时局部的变形还包括沿零件周向的变形，周向变形在成形工具两侧等量反向，这个变形是零件成形不需要的，但是由于同时产生等量反向的变形，且相邻的局部变形区域之间的周向变形会相互抑制，不会向同一个方向叠加，成形后的零件就不会产生周向的扭曲变形。与连续轨迹渐进成形的零件相比较，本发明能够消除板料因周向变形而导致的零件扭曲变形，提高零件整体成形质量。
文档编号B21D31/00GK102825130SQ20121033900
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者肖旭东, 王永军, 魏生民, 张纪春, 元振毅 申请人:西北工业大学