一种采用工程拼焊板实现复杂零件渐进成形的加工方法
【专利摘要】本发明公开了一种采用工程拼焊板实现复杂零件渐进成形的加工方法，包括：（1）建立零件三维模型，并确定其主法线方向；（2）确定工程拼焊板板材的等厚度参数曲线；（3）确定工程拼焊板的焊缝轮廓线；（4）确定差厚的工程拼焊板板材中厚板的料厚尺寸；（5）加工工程拼焊板，并进行焊缝的后期表面光洁及热处理；（6）完成渐进成形加工。本发明能有效加工常规板材不易渐进成形的钣金件，且在成形角不变的情况下提高成形件局部厚度、改善零件强度及刚度，可较好改善加工过程中焊缝的偏移、充分发挥拼焊板的成形性能，且可有效弥补渐进成形过程中料厚减薄导致的不足，提高了渐进成形工艺的适应性，有助于渐进成形技术在实际生产中的推广使用。
【专利说明】一种采用工程拼焊板实现复杂零件渐进成形的加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钣金件的拼焊板成形方法，尤其是涉及一种采用工程拼焊板实现复杂零件渐进成形的加工方法，属于机械加工【技术领域】。
【背景技术】
[0002]金属板料数控渐进成形技术是一种基于计算机技术、数控技术和塑性成形技术基础之上的先进制造技术，它采用快速原型制造技术“分层制造”的思想，将复杂的三维形状沿z轴方向离散化，即分解成一系列二维层，在这些二维层上进行局部的加工。这种对板料进行分层渐进成形的方法，无需一一对应的模具，零件的形状和结构也相应不受约束，是一种无模渐进成形，比传统成形方法能更充分地利用材料的成形潜力，可以大幅度提高板材的成形极限，具有高柔性、低成本、高效率等特点，是近年来发展迅速的一种板材成形技术。
[0003]由于渐进成形的厚度尺寸遵循余弦定理减薄原则，即δ = δ 0*cos Θ (其中δ 0是板材初始厚度，δ是成形后与Θ角位置的理论厚度)，板材在成形过程中会受到成形极限角的影响，其体现缺陷主要有:一是当成形角θ > θ_会发生破裂；二是虽然θ < Θ _没有发生破裂，但是根据δ = Sfcose，材料减薄到一定程度后发生失稳，导致零件强度、刚度达不到要求。对于难成形零件目前常采用的加工方法:对于零件成形角Θ大于板材极限角的，采用多道次渐进成形完成加工；对结构复杂零件先分块渐进成形，最后将各单元进行焊接(粘结)组装。上述方法存在如下问题:多道次渐进成形材料壁厚减薄严重，虽然勉强成形，但在强度、刚度等力学、机械性能等方面达不到零件的要求；分块成形虽然可以有效规避板材成形极限角的约束，但是由于各部分成形后在切割加工时因内应力释放会产生较大的弹性扭曲变形，必须通过工装进行强制矫形焊接，焊接后的零件会存在较复杂的内应力，影响零件的使用性能及外形美观；同时焊接部位因为厚度不同切减薄厉害，焊缝质量很难得到保证。
[0004]拼焊板(简称TWB)是指由不同厚度、不同材质或不同表面涂层的板料焊接在一起形成的平板坯料，特点是可以在零件的不同部位获得不同的使用性能，同时采用拼焊板成形技术，可以实现轻量化、省材料等，有利于改善产品整体质量。利用拼焊板中不同渐进成形性能板材或者同质差厚板进行渐成形加工，可以有效规避上述问题，但是，到目前为止，还没有一种用拼焊板加工渐进成形零件的系统工艺，限制了渐进成形工艺的推广使用。
【发明内容】
[0005]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种针对结构复杂、使用整体板材无法一次成形的钣金件，或者可以成形、但零件壁厚减薄厉害，无法满足零件强度及刚度要求、同时可以实现复杂钣金件成形的轻量化的工程拼焊板的渐进成形方法。
[0006]为了达到上述发明的目的，本发明所采用的技术方案为:
[0007]一种采用工程拼焊板实现复杂零件渐进成形的加工方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0008](I)建立零件的三维模型，并确定零件的成形主法线方向；
[0009](2)在三维CAD设计平台上对工程拼焊板板材的极限成形角Θ _作出初步判定，根据δ ^ Smin设定工程拼焊板渐进成形的最小厚度，所述的δ为工程拼焊板中薄板在渐进成形后的指定最小厚度，而Smin为工程拼焊板板材渐进成形的理论最小厚度，且δ min=δ 0*cos Θ max，所述的δ ^为工程拼焊板中薄板的原始厚度，然后确定工程拼焊板板材的等厚度参数曲线；
[0010](3)根据工程拼焊板板材渐进成形的厚度遵循余弦定理δ = δ 0*COS θ , θ为三维模型曲面上任意点的法线与Z轴的夹角，即该点的成形角，步骤(2)确定的等厚度参数曲线沿垂直于主法线方向平面的投影线即为工程拼焊板的焊缝轮廓线；
[0011](4)按照δ’彡δ设置拼焊板中厚板的成形最小厚度δ’，并根据δ，0= δ Vcos Θ，确定差厚的工程拼焊板中厚板的原始料厚δ’0;
[0012](5)采用焊接方法加工工程拼焊板，并进行焊缝的后期表面光洁及热处理；
[0013](6)依据零件模型，利用工程拼焊板完成渐进成形加工。
[0014]进一步，由于渐进成形是工具头按照等高线或者螺旋线逐点加工，在步骤(I)和步骤(2)之间还包括添加工艺辅助面的步骤。
[0015]且所述的添加工艺辅助面的步骤具体为:
[0016]①沿垂直零件主法线方向取平面Α，所述的平面A在渐进正成形时位于零件下方，渐进负成形时位于零件上方，平面与零件最低或最高点的垂直距离不小于工具头的直径；
[0017]②对零件模型无法成形的孔洞或沟槽，参照相邻曲面的曲率进行补面；
[0018]③把零件在平面A上进行投影，获取零件边缘轮廓的投影线；
[0019]④在零件边缘轮廓的投影线的外围拟合一条封闭的曲线Q，两曲线的间距与零件边缘至平面A的高度成正比关系；
[0020]⑤通过零件外轮廓和曲线Q，通过三维CAD系统拟合工艺辅助曲面。
[0021]更进一步，上述的等厚度参数曲线的确定步骤为:零件的三维模型上各点对应的成形角Θ为该点法线方向与Z轴的夹角，根据厚度余弦定理，将成形角相同的点连接起来即为等厚度参数曲线。
[0022]本发明的有益效果在于:本发明所述的方法能够有效加工常规渐进成形所不能成形的钣金件，且可以通过差厚拼焊板，在成形角不变的情况下提高成形件局部厚度，改善零件的强度及刚度，可以有效避免常规拼焊板冲压成形中出现的焊缝偏移的问题，可以充分发挥拼焊板的成形性能，且可以有效弥补渐进成形过程中料厚减薄的不足，有效提高了渐进成形工艺的适应性，有助于渐进成形技术在实际生产中的推广使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明所述的工艺流程图；
[0024]图2为本发明所述的任意点成形角示意图；
[0025]图3为本发明所述的渐进成形零件的厚度变化示意图。
[0026]图中主要附图标记含义为:
[0027]1、原始板材2、成形件3、成形件工具头。【具体实施方式】:
[0028]下面结合附图和具体实施例对本发明做具体的介绍。
[0029]实施例1:
[0030]图1为本发明所述的工艺流程图。
[0031]如图1所示:采用工程拼焊板实现复杂零件渐进成形的加工方法，其具体步骤为:
[0032](I)建立零件的三维模型，并确定零件的成形主法线方向；
[0033](2)判断是否需要添加工艺辅助面，如需添加，则首先添加工艺辅助面，然后进入步骤(I)，再进入步骤(3)，如不需要添加，则直接进入步骤(3);
[0034]所述的添加工艺辅助面的步骤具体为:
[0035]①沿垂直零件主法线方向取平面A，所述的平面A在渐进正成形时位于零件下方，渐进负成形时位于零件上方，平面与零件最低或最高点的垂直距离不小于工具头的直径；
[0036]②对零件模型无法成形的孔洞或沟槽，参照相邻曲面的曲率进行补面；
[0037]③把零件在平面A上进行投影，获取零件边缘轮廓的投影线；
[0038]④在零件边缘轮廓的投影线的外围拟合一条封闭的曲线Q，两曲线的间距与零件边缘至平面A的高度成正比关系；
[0039]⑤通过零件外轮廓和曲线Q，通过三维CAD系统拟合工艺辅助曲面。
[0040](3)在三维CAD设计平台上对工程拼焊板板材(原始板材I)的极限成形角Θ _作出初步判定，根据δ ^ 设定工程拼焊板渐进成形的最小厚度，所述的δ为工程拼焊板中薄板在渐进成形后的指定最小厚度，而δ min为工程拼焊板板材渐进成形的理论最小厚度，且Smin= δ ^cosemax，所述的Sci为工程拼焊板中薄板的原始厚度，然后确定工程拼焊板板材的等厚度参数曲线；
[0041]图2为本发明所述的任意点成形角示意图。
[0042]如图2所示，在本步骤中，所述的等厚度参数曲线的确定方式为:
[0043]由半径为R的圆弧绕中心轴旋转得到曲面圆锥体的渐进成形零件模型，模型曲面上各点对应的成形角为该点法线方向与Z轴的夹角，取任意一点P，则P点处成形角θ =arccos((H-h)/R)(式中H为成形件模型高度，h为取点位置高度)。当为曲面零件时，可以依据设定的成形件2的最小厚度δ，通过Θ = arccos( δ / δ J判定与δ对应的成形角Θ，曲面上相同成形角Θ对应的点连接起来即可获得等厚度参数线。
[0044]而对于零件中的平面，由于成形角度Θ相同，则平面内所有的成形料厚均为δ，可以根据需要在平面内手动设置等厚参数线。
[0045](4)根据工程拼焊板板材渐进成形的厚度遵循余弦定理δ = δ 0*cos θ , θ为三维模型曲面上任意点的法线与Z轴的夹角，即该点的成形角，步骤(2)确定的等厚度参数曲线沿垂直于主法线方向平面的投影线即为工程拼焊板的焊缝轮廓线；
[0046]图3为本发明所述的渐进成形零件的厚度变化示意图。
[0047]如图3所示:在渐进成形过程中，板料实际发生的主要是剪切变薄，也即板料由原始板材I中的AB⑶区域变为A1B1C1D1区域而体积没有发生变化，成形件2的成形角为Θ，原始板材I的原始厚度为S ^，成形件2的成形件厚度为δ，二者之间符合余弦定理，gp δ=δ 0*cos Θ，从图3可以看出，原始板材I上的AB⑶区域中的点与成形件2的A1B1C1D1变形区域沿成形主法线向Z轴呈现对应关系，所以如果零件是由拼焊板成形，则渐进成形零件沿主法线向Z轴作投影，就可以确定拼接焊缝的位置及轮廓。
[0048](5)按照δ’彡δ设置拼焊板中厚板的成形最小厚度δ’，并根据δ’。= δ VCOS Θ，确定差厚的工程拼焊板中厚板的原始料厚δ’0。
[0049](6)采用焊接方法加工工程拼焊板，并进行焊缝的后期表面光洁及热处理。
[0050](7)依据零件模型，利用工程拼焊板完成渐进成形加工。
[0051]本发明所述的方法能够有效加工常规渐进成形所不能成形的钣金件，且可以通过差厚拼焊板，在成形角不变的情况下提高成形件局部厚度，改善零件的强度及刚度，可以有效避免常规拼焊板冲压成形中出现的焊缝偏移的问题，可以充分发挥拼焊板的成形性能，且可以有效弥补渐进成形过程中料厚减薄的不足，有效提高了渐进成形工艺的适应性，有助于渐进成形技术在实际生产中的推广使用。
[0052]以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。
【权利要求】
1.一种采用工程拼焊板实现复杂零件渐进成形的加工方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)建立零件的三维模型，并确定零件的成形主法线方向； (2)在三维CAD设计平台上对工程拼焊板板材的极限成形角θ_作出初步判定，根据δ ^ Smin设定工程拼焊板渐进成形的最小厚度，所述的δ为工程拼焊板中薄板在渐进成形后的指定最小厚度，而Smin为工程拼焊板板材渐进成形的理论最小厚度，且δ min=δ 0*cos Θ max，所述的δ ^为工程拼焊板中薄板的原始厚度，然后确定工程拼焊板板材的等厚度参数曲线； (3)根据工程拼焊板板材渐进成形的厚度遵循余弦定理δ= δ 0*cos θ , θ为三维模型曲面上任意点的法线与Z轴的夹角，即该点的成形角，步骤⑵确定的等厚度参数曲线沿垂直于主法线方向平面的投影线即为工程拼焊板的焊缝轮廓线； (4)按照δ’彡δ设置拼焊板中厚板的成形最小厚度δ ’，并根据δ ’ 0= δ ’ /cos θ，确定差厚的工程拼焊板中厚板的原始料厚δ，0; (5)采用焊接方法加工工程拼焊板，并进行焊缝的后期表面光洁及热处理； (6)依据零件模型，利用工程拼焊板完成渐进成形加工。
2.根据权利要求1所述的一种采用工程拼焊板实现复杂零件渐进成形的加工方法，其特征在于，步骤(I)和步骤(2)之间还包括添加工艺辅助面的步骤。
3.根据权利要求2所述的一种采用工程拼焊板实现复杂零件渐进成形的加工方法，其特征在于，所述的添加工艺辅助面的步骤具体为: ①沿垂直零件主法线方向取平面Α，所述的平面A在渐进正成形时位于零件下方，渐进负成形时位于零件上方，平面与零件最低或最高点的垂直距离不小于工具头的直径； ②对零件模型无法成形的孔洞或沟槽，参照相邻曲面的曲率进行补面； ③把零件在平面A上进行投影，获取零件边缘轮廓的投影线； ④在零件边缘轮廓的投影线的外围拟合一条封闭的曲线Q，两曲线的间距与零件边缘至平面A的高度成正比关系； ⑤通过零件外轮廓和曲线Q，通过三维CAD系统拟合工艺辅助曲面。
4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的一种采用工程拼焊板实现复杂零件渐进成形的加工方法，其特征在于，所述的等厚度参数曲线的确定步骤为:零件的三维模型上各点对应的成形角Θ为该点法线方向与Z轴的夹角，根据厚度余弦定理，将成形角相同的点连接起来即为等厚度参数曲线。
【文档编号】B21D5/00GK104438480SQ201410683587
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】查光成, 史晓帆, 赵伟, 周循 申请人:南京工程学院