一种网孔板的渐进成形极限测试方法与流程

本发明涉及一种网孔板的渐进成形极限测试方法，属于数控渐进成形技术领域。

背景技术：

金属板料渐进成形技术是一种适用于单件、小批量钣金件的快速无模柔性制造技术，该技术引入快速原型制造技术的分层制造的思想，将复杂的三维模型沿高度方向离散成若干层，成形工具头沿等高线在二维层面上进行塑性加工，将板料逐层成形。该成形方法省去了昂贵的模具设计与制造费用，实现了钣金产品数字化和定制化生产。

由于渐进成形其特殊的加工方式，如图1所示，成形工具头在成形力的作用下对原始板料进行变薄拉延，成形区域的材料在工具头的作用下沿着工件轴向作剪切流动，板料厚度会减薄，减薄规律遵循余弦定理δ＝δ0cosθ(其中δ0为板材的原始厚度，θ为成形角，δ为成形角θ位置的理论厚度)，板料在成形过程中会受到成形极限角θmax的约束，当成形角θ＞θmax板材就会发生破裂。

目前，对于板材渐进成形极限判判定方法主要有如下三种，第一种是王进等人提出的圆弧沟槽测试法，该方法通过圆弧沟槽和十字交叉圆弧沟槽分别测试渐进成形中板料的平面应变单向拉伸应变状态和双向拉伸应变状态来绘制渐进成形极限图(fld)，但由于圆弧沟槽加工中网孔板中的网孔会发生剧烈变形甚至破裂，因此该方法不适用于网孔板的成形极限测试；第二种是g.hussain等人提出的采用变角度球台形曲面模型来测量渐进成形中板料的成形极限，如图2所示，该方法普遍应用于无孔板料渐进成形极限角θmax的判断；第三种是专利(cn201610244097.x)中提出的一种高分子板料渐进成形极限角θmax测试的方法，该方法将高分子板料起皱作为板料失效的准则，并给出了测试方法。研究表明，金属网孔板由于在渐进成形过程中网孔会发生变形及材料流动，其渐进成形机理及料厚分布规律与普通板材有很大不同，因此前述方法均不能直接应用于金属网孔板的渐进成形极限测试，也直接制约了渐进成形技术在金属网孔板加工中的推广应用。

与传统金属板料在制件底部发生破裂不同(初始破裂位置发生在当前加工的区域)，网孔板在成形时网孔和板料都会发生变形，该破裂是由相邻两孔之间拉应力引发的微裂纹扩展撕裂而成，对拉应力很敏感，其初始破裂位置往往发生在制件中间部位(初始破裂位置发生在已成形区域)，若采用如图2所示的变角度球台形曲面模型来测量网孔板的成形极限角θmax，由于传统的变角度球台形曲面模型随着制件加工深度的增加，成形角度不断提高，当前加工区域对已成形区域产生的牵连效应会越来越严重(即拉应力会越来越大)，这就导致已成形区域的网孔会提前发生破裂，因此无法通过传统的变角度球台形曲面模型计算出网孔板的成形极限角θmax。目前金属网孔板的渐进成形极限测试主要还是利用多个不同角度的圆锥模型多次逼近来测量，不仅测试效率低下，且测量出的成形极限角经过多次逼近，操作随机性较大、其结果误差也大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种网孔板的渐进成形极限测试方法，以解决现有技术中导致的上述测试效率低下，且测量出的成形极限角经过多次逼近，操作随机性较大、其结果误差也大的缺陷。

一种网孔板的渐进成形极限测试方法，所述方法包括如下步骤：

1)建立变角度锥形模型，并且依据模型生成渐进成形数控代码；

2)启动渐进成形机床并输入数控代码；

3)执行渐进成形数控代码开始加工该变角度锥形模型，记录下此时机床x、z轴的读数x0和z0得到初次破裂点三维空间坐标p(x0，y0，z0)；

4)将初次破裂点三维空间坐标p(x0，y0，z0)代入变角度锥形模型求得成形极限角θmax。

优选地，所述步骤2中还包括，在渐进成形机床上装夹需要测试的网孔板，安装成形刀具，移动渐进成形x、y、z轴进行对刀操作，使得初始加工坐标系原点为q(0，0，h)。

优选地，所述建立变角度锥形模型包括如下步骤：

在xy平面内建立直径为d的圆；

在xz平面内在圆的两侧分别建立与z轴正方向夹角为α和β引导线，其引导线在z轴方向上高度为h；

使用特征扫掠操作以直径为d的圆为截面沿着两条高度相同的引导线进行扫掠得到该变角度锥形模型。

优选地，所述变角度锥形模型的空间方程为：

其中，α，β分别为变角度锥形模型与z轴正方向的最小夹角和最大夹角，且

β＝β0+10°，

β0为采用变角度球台形曲面模型测量的无孔板渐进成形极限；d为变角度锥形模型下开口圆的直径；(x、y、z)为变角度锥形模型上任意点的空间坐标。

优选地，所述空间方程边界的约束条件为：z∈[0，h]，h为变角度锥形模型的高度；其空间曲面上任一点的法向量为：

其中，其空间曲面上任一点的成形角θ为：为变角度锥面模型的空间方程在x方向的偏导数；为变角度锥面模型的空间方程在y方向的偏导数；为变角度锥面模型的空间方程在z方向的偏导数。

优选地，所述初次破裂点三维空间坐标p(x0，y0，z0)代入空间曲面法向量和空间曲面上成形角θ的计算公式求出成形极限角θmax。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明提出了一种网孔板渐进成形极限的测试模型及测试方法，采用变角度锥形模型可以一次性成形出网孔板在成形角θ∈[α，β]的所有定角度圆锥形模型，通过一个模型就可以快速测试出网孔板的成形极限角θmax，具有操作简便、测试效率高、测试结果准确性好的特点；另外本发明将有利于渐进成形技术在网孔板加工中的推广应用。

附图说明

图1为背景技术中成形角示意图；

图2为背景技术中变角度球台形曲面模型示意图；

图3为变角度锥形模型示意图；

图4为变角度锥形模型三维示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

根据图3-图4所示，公开了一种网孔板的渐进成形极限测试方法，包括如下步骤：

(1)建立变角度锥形模型如图3所示，在三维造型软件中，首先在xy平面内建立直径为d＝20mm的圆，然后再在xz平面内在圆的两侧分别建立与z轴正方向夹角为α＝15°和β＝75°引导线，其引导线在在z轴方向上高度为h＝50mm，然后使用特征扫掠操作以直径为d＝20mm的圆为截面沿着两条高度相同的引导线进行扫掠得到该变角度锥形模型，，并且依据模型生成渐进成形数控代码；

该变角度锥形模型的空间方程为：f(x，y，z)＝x²+y²-tan15°tan75°z²+(tan15°-tan75°)xz-10(tan15°+tan75°)z-100＝0

其中，α，β分别为变角度锥形模型与z轴正方向的最小夹角和最大夹角，且β＝β0+10°，β0为采用变角度球台形曲面模型测量的无孔板(材料与金属网孔板一致)渐进成形极限，这里取采用变角度球台形曲面模型测量的无孔板成形极限角β0＝65°的无孔al板β；d为变角度锥形模型下开口圆的直径，这里取d＝20mm；空间方程边界约束条件为：z∈[0，h]，h为变角度锥形模型的高度，这里取h＝50mm；(x、y、z)为变角度锥形模型上任意点的空间坐标。

其空间曲面上任一点的法向量为：

其中，

其空间曲面上任一点的成形角θ为：

为变角度锥面模型的空间方程在x方向的偏导数；为变角度锥面模型的空间方程在y方向的偏导数；为变角度锥面模型的空间方程在z方向的偏导数。

(2)启动渐进成形机床，在渐进成形机床上装夹需要测试的金属网孔al板，安装直径为的球头成形刀，移动机床x、y、z轴进行对刀操作，使得初始加工坐标系原点为q(0，0，50)，并将步骤(1)生成的渐进成形数控代码输入渐进成形机床控制系统；

(3)执行渐进成形数控代码开始加工该变角度锥形模型，当金属网孔al板加工件首次发生破裂时立即停止加工，并移动工具头到破裂点处，记录下此时机床x、z轴的读数x0和z0，并带入步骤(1)中的变角度锥形模型的空间方程，如图4所示，得到网孔板初次破裂点的三维空间坐标为p(x0，y0，z0)；

(4)将步骤(3)中的网孔板初次破裂点p(x0，y0，z0)带入步骤(1)的空间曲面上任一点的法向量和空间曲面上任一点的成形角θ的计算公式即可求出该金属网孔板的成形极限角θmax。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。