板材单点增量成形夹具设计说明书

本科毕业论文（设计）题目板材单点增量成形夹具设计 板材单点增量成形夹具设计板材单点增量成形夹具设计摘要：单点增量成形作为一种新型板材柔性无模成形技术，其基于分层制 造思想，通过工具头一层一层加工金属板料，柔性化程度高，利用局部变形实 现金属板料零件的加工。和传统冲压成形相比，不需要专用设备和模具，能够 缩短产品研发周期，降低产品研发成本，特别适用于多品种、小批量以及个性 化生产，在汽车、船舶、家电、航天航空等领域有广泛的应用前景。当前单点 增量成形过程中一般采用上下压板和螺栓对板料进行夹持，其过程需要人工辅 助，严重影响加工效率，为了解决这一问题，需要设计一种具有自动压紧定位 功能的新型板材单点增量成形夹具。论文采用有限元仿真和实验相结合的方法，得到单点增量成形过程中各向 变形力的变化规律，对其成形角、层间距、板料厚度及工具头直径对变形力的 影响进行研究，得到不同工艺参数下成形过程的最大变形力；根据得到的最大 变形力选择成形夹具的压板尺寸和压紧方式，分别利用 AutoCAD 和 Solidworks 软件进行成形夹具的二维和三维设计，并对夹具的可行性进行三维动画模拟，最终得到一种可以大幅度提高装夹效率的成形夹具。 关键词：单点增量成形；数值分析与建模；变形力；夹具设计；IAbstract ： Single point incremental forming is a new type of sheet metal flexible dieless forming technology. Based on the idea oflayered manufacturing, the metal sheet is processed one layer at a time through the tool head. The degree of flexibility is high, and the metal sheet part is realized by localdeformation. Processing. Compared with traditional press forming, it does not require special equipment and molds, which can shorten the product development cycle and reduce the cost of product development. It is especially applicable to many varieties, small batches, and individualized production. It has applications in automobiles, ships, home appliances, aerospace and other fields. Wide application prospects. In the current single-point incremental forming process, upper and lower press plates and bolts are generally used to clamp the sheet material, and the process needs manual assistance, which seriously affects the processing efficiency. To solve this problem, a new type of automatic pressing and positioning function needs to be designed. Sheet single point incremental forming fixture.In this paper, finite element simulation and experimental methods are used to obtain the variation law of the isotropic deformation force in the single-point incremental forming process. The effects of forming angle, layer spacing, sheet thickness, and tool head diameter on the deformation force are studied. The maximum deformation force of the forming process under different process parameters is obtained; the platen size and compression method of the forming fixture are selected according to the obtained maximum deformation force, and the two-dimensional and three-dimensional design of the forming fixture are respectively performed using AutoCAD and Solidworks software, and the fixture is The feasibility of three-dimensional animation simulation, and ultimately get a fixture can greatly increase the clamping efficiency.Keywords: single point incremental forming; numerical analysis and modeling; deformation force; fixture design;III目 录摘要IAbstract：II1 绪论11.1 单点增量成形的原理11.2 单点增量成形的国内外研究现状21.3 本文研究主要内容32 单点增量成形过程变形力分析52.1 单点增量成形变形力理论解析52.2 单点增量成形变形力数值模拟82.2.1 有限元数值模拟参数设定82.2.2 变形力模拟结果122.2.3 工艺参数对变形力的影响143 单点增量成形过程变形力实验研究193.1 实验设备介绍193.2 基于 UG 的 NC 代码生成203.2.1 成形件实体建模213.2.2 单点增量成形过程加工轨迹的生成213.2.3 后处理 NC 程序的生成233.3 实验结果和模型验证234 单点增量成形夹具设计27结论32致谢33参 考 文 献34附录外文文献及翻译36外文文献36Formability in single point incremental forming: A comparative analysis of the state of the art 36中文翻译41单点增量成形过程中成形性的研究现状411 绪论1.1 单点增量成形的原理随着加工制造业的发展需求，传统的制造方式也发生着改变。金属板料的 加工从有模成形变化到无模柔性，这些都是适应现代制造业柔性，绿色等要求 特点而发展起来的金属板料的成形技术。现已经出现的板料柔性成形技术主要 有：单点增量成形、多点无模成形、激光热应力成形、旋压成形、喷丸成形等1。 上述无模成形技术都是借助数控机床来实现对金属板料的无模柔性加工，克服 了传统成形技术依靠模具成形的不足，对新产品的研发试制及小批量个性化的 产品生产有非常重要的意义2。上世纪 90 年代初，日本学者松原茂夫提出一种新型的金属板料成形方法，即板料单点增量成形技术。通过计算机辅助制造与数控机床相结合的方法，通 过 CAD/CAM 辅助制造技术完成待加工产品模型的建立，生成的 NC 代码结合高 精度数控机床的运行来实现3-4，其成形原理如图 1-1 所示。因为 CAD/CAM 技 术的发展，可以完成较复杂的模型加工，现代数控机床加工精度的提高，使得 复杂建模得以在数控机床上实现。该技术在板料成形时不需要专用模具或仅需 要简单的支撑工具，其所需的成行力小，适合零件的试制及小批量生产，满足 了市场对产品的多样化和个性化需求。鉴于数控单点增量成形技术的优点，国 内外学者已经开始关注这种兴起的先进柔性塑性成形技术，并对它进行了很多 研究工作并取得大量的研究成果。图 1-1 单点增量成形原理91.2 单点增量成形的国内外研究现状金属板料单点增量成形技术自提出以来，也受到了国内学者的关注，并取 得了喜人的成就。从板料拉伸减薄的角度分析，得出成形过程属于变薄拉延类 型5；并通过计算分析及实验验证方法得出变形力的计算公式6。从成形性能 分析，南京航空航天大学的崔震，高霖等7，采用数控单点渐进成形技术对钣 金浮雕字进行了成形研究，完成了高质量钣金浮雕字的成形。到目前对板料增 量成形技术的分析工作取得一些进展，对板料变形过程中各部位材料的变形情 况及各参数下的成形性能进行研究，对于提高产品的成形质量、工艺的制定以 及推广有重要的理论意义和工程应用价值。单点增量成形过程中的成形力研究是研究单点增量成形的重要组成部分， 单点增量成形是通过工具头与板料的相互挤压，局部成形累积到整体成形，成 形过程中，成形力的大小将决定板料是否发生破裂，而且可以计算成形过程的 能量转换与损耗。在研究工具头高速自转下板料升温现象中，Bagudanch 等8 对工具头自转速度、工具头直径与成形力间的关系进行了研究。通过对金属板 料成形破裂的研究，Gabriel Centeno 等9分析了工具头转速和 T/R 对成形力的 影响。Belchior 等10通过有限元软件建立的金属板料弹性模型，分析了成形力 对机器人成形板料过程中误差补偿的影响。Martins 等11在研究摩擦力对成形 过程的影响中，通过应力解释了板料破裂和其局部颈缩的现象。Duflou 等12 通过对金属板料进行局部加热，使得金属板料塑性提高，成形力降低，回弹减 少。Eyckens 等13在单点增量成形中使用不同的润滑剂对加工过程润滑，分析 研究了轴向力和切向力在不同摩擦系数下的变化情况。Durante 等14使用有限 元仿真软件验证了实验中工具头转速对摩擦系数的影响，进而分析出不同转速 对于成形力的影响。Henrard 等15使用有限元仿真软件验证了实验中不同成形 角对成形力的影响。Aerens16等分析计算出成形力预测的经验公式，通过对稳 态下轴向力的计算，验证了此公式的正确性。板料单点增量成形的过程涉及到了物理、材料、高等数学、机械等多个学 科，以及复杂的力学方面知识，运用理论计算成形过程中的应力场和应变场是 非常艰巨的，预测成形过程中的各种变形也需要大量的实验研究，这必然导致 了实验成本的大量提升17-20。随着计算机的发展，数值分析对学术研究非常 重要，许多学者研究了板料单点渐进成形过程中的数值分析。C. Bouffioux21-22 等使用实体单元对成形过程使用有限元的模拟，通过实验的对比从而验证了数值分析的正确性，并且分析了不同成形角对成形力造成的影响，得出了结论： 成形角越大，成形力越大。国内学者李湘吉23等运用有限元的方法对板料成 形过程进行了数值模拟，分析了成形过程中应力分布和壁厚的变化趋势，分析 了不同参数对成形过程中造成的影响，指出金字塔形工件的最大应力和最大厚 度减薄都会发生在拐角处，在成形过程中，螺旋线运动轨迹可以提高板料的成 形的能力和成形的质量。胡建标24使用 ABAQUS/Explicit 有限软件建立了圆锥 台仿真模型，分析了半顶角、层间距、工具头直径等参数在成形过程中对板料 壁厚和成形质量的影响。本课题有限元数值仿真和实验研究相结合的方法，研究成形过程的变形力， 根据得到的变形力进行夹具设计，以期得到一种操作方便、结构简单的单点增 量成形板料自动夹持装置。1.3 本文研究主要内容利用理论计算、有限元数值仿真和成形实验相结合的方法，研究工艺参数（成形角、层间距、板料厚度及工具头直径）对变形力的影响规律，得到成形 过程中的最大变形力，根据得到的变形力选择合适的上下压板形式和夹紧方式， 设计出满足最大变形力要求的成形夹具，利用二维绘图软件 AutoCAD 和三维绘 图软件 Solidworks 绘制所设计夹具的二维和三维图，并且再对夹具的可行性进 行三维动画的模拟。具体的研究内容如下：（1）板材单点增量成形过程变形力的理论研究 阅读相关资料，了解板料单点增量成形原理，分析成形过程材料变形特点，建立单点增量成形过程产生变形力的模型，最后对变形力进行分析。（2）板材单点增量成形数值进行建模与分析利用数值分析软件 ABAQUS 建立单点增量成形的有限元模型，以圆锥台件 为例得到成形过程中变形力的变化规律，并通过研究成形角、层间距、板料厚 度和工具头直径对变形力的影响规律，得到给定工艺范围内的最大变形力。（3）板材成形实验的研究 通过数控铣床来搭建增量成形的平台，编写圆锥台件的数控加工代码，利用三向测力仪得到变形过程的变形力，和仿真结果进行对比，对所建立模型进 行验证。（4）成形夹具的设计根据已得到的最大变形力，利用二维绘图软件 AutoCAD 和三维绘图软件Solidworks 绘制所设计夹具的二维和三维图，用三维动画模拟夹具的可行性。2 单点增量成形过程变形力分析2.1 单点增量成形变形力理论解析为简化分析计算，假设单点增量成形过程中板料单元进行纯剪切变化，如 图 2-1 所示，z 是沿板料壁向 ce 面的拉应力，x 是剪切面 cd 面所受的径向应 力，0 是作用于剪切面 cd 面的剪应力，板料三角变形区域受力情况如下：图 2-1 单点增量成形区域应力分析示意图 由于沿壁向合力为 0，故力平衡方程为：sz Sec - (t0 sina)Scd - (sx cosa)Scd = 0将Sec = Scd cos a, 代入上式得sz = tan a + sxt0t0由于垂直于成形面的合力为 0，故在该方向的力平衡方程为：sx(t0 cos a)Scd -(sx sin a)Scd = 0， 即= cot at0联立以上两式，可得：sz = cot a + tan at0单点增量负成形和正成形受力情况完全相同，为简明表达各成形分力间的 几何关系，简化变形力的计算，在分析变形力几何关系时统一采用正成形模型， 如图 2-2 和图 2-3 所示。图 2-2 单点增量变形力分解示意图 板料变形过程中各单元体的厚度取为 dx，工具头下压层间距为 Z，则单元体切应变可如下求得：则单元材料的塑性变形功为：g= Zdx= tan agtan axW = 0 t0dg = 0t0dg，可改写为 W = 0 sxdx由变形能量守恒可得，等效应变x与切应变g的关系为x = 1 g = 1 tan a33取圆锥台成形件某一高度的截面半径为 Rc，变形区域宽度为 dRc，工具头 半径为 R，成形角为，如图 2-5 中几何关系可求得该加工层板料变形体积为：V = 2pRctdRc = 2pRct(Z cot a + R sin a)则该层的体积变能为：xW1 = WV = 2pRCt (Z cota+ R sina) 0 sdx切向力在加工该层所做的功为：W2 = 2pRc Fy由于是纯剪切变形，故 W1=W2，联立以上两试：xFy = t (Z cota+ R sina) 0 sx根据 Mises 屈服准则，可将上式简化为：Fy = t (Z cota+ R sina)ss x将相关表达式代入上式，则：F = t(Z + R tanasina) sys图 2-3 工具头接触面几何关系示意图 设工具头与板料接触面平均压力均为 P，接触面在径向、轴向和切向的投影面积为 Sx、Sz、Sy，则径向力和轴向力与切向力的关系分别为：F = FSx ，F = F SzSSxyzyyy由几何关系可求得各个投影面积为：Sy =a pR 2 - 1 R 2 sinacosa3602S= 1pa2 cosa= 1 p(R sina)2 cosa z44S x= 1pa2 sina= 1 p(R sina)2 sina 44将相关表达式代入得：F= t(Z cota+ R sina)sx SzSyzsF = t(Z cota+ R sina)sx Sxy xsS最终求得变形力的表达式为:Fx =scosa(ap-180 sinacosa)s(2.1)F = t(Z + R tanasina) s(2.2)ysFz =sap-180 sinacosas(2.3)2.2 单点增量成形变形力数值模拟2.2.1 有限元数值模拟参数设定有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)作为工程技术领域进行科学计算的 极为重要的方法之一，利用有限元分析，我们可以获得大部分复杂工程结构的 各方面的机械性能信息，并对其工程设计进行评判，也可以对各种工程事故进 行技术方面的分析。有限元分析所得的最后载体是利用技术集成的有限元分析 的软件，对于大部分有限元分析软件，ABAQUS 是国际比较通用的，它是功能 强大的众多有限元分析软件之一，尤其是在非线性分析的领域，它不仅可以分 析复杂的工程力学问题，而且具有驾驭庞大求解规模的能力。其中 ABAQUS 的 基本操作包含前处理、网格划分、相互作用定义、分析及后处理等内容，设计 到接触问题、材料非线性显式非线性、多步骤分析、用户子程序、复杂工程分 析等内容。鉴于 ABAQUS 在分析非线性问题时的可靠性和模拟仿真过程中强大 的数据处理能力，本课题采用了有限元软件 ABAQUS 作为数值仿真平台。一般情况下建立有限元模型需要建立几何模型、划分网格并定义材料属性、 定义相互作用、加载运动轨迹、提交作业这几个主要步骤，下面具体分析各步 过程：（1）几何模型建立 用于夹紧板料的压板为圆筒形压板，包括上压板和下压板，其内圈直径55mm，外圈直径 70mm，创建部件上下压板均为解析刚体、旋转壳得到部件。 板料为可变形壳体，板料大小为实际成形板料大小 140 mm140 mm1 mm。成 形工具头也为解析刚体，工具头半径为 4mm，旋转壳得到。创建完部件之后顺 便定义参考点。为装配是区分上、下压板，设置上压板的参考点为圆筒形压板 的内侧，下压板的参考点为圆筒形压板的外侧，最终建立的几何模型如图 2-4 所示。图 2-4 单点增量成形几何模型（2）材料属性与网格划分 在建模部分将压板和工具头设为解析刚体，成形过程中不会发生任何变形，因此不需要考虑其材料属性。只须对可变形的板料进行材料属性定义，以 Q235铁板为例，其材料属性如下表 2-1 和表 2-2 所示。表 2-1 Q235 的力学性能Tab.2-1 Mechanical property of Q235材料名称密度 r(g / mm3 )弹性模量 E（Gpa）泊松比g屈服强度d (Mpa) sQ235 板7.852100.3191表 2-2 Q235 的应力-应变Tab.2-2 The stress and strain rate of Q235应力（Mpa）91131171211251291311391塑性应变00.01590.06490.1770.3950.7761.392.95按照实际的要求，板料应该采用 C3D8R 实体网格划分。当结构一个方向的 尺寸(厚度)远小于其它方向的尺寸，并忽略沿厚度方向的应力时，一般就可以 用 S4R 壳体网格代替 C3D8R 实体网格进行模拟，如图 2-5 所示。图 2-5 S4R 壳体单元和 C3D8R 实体单元ABAQUS 中有两种壳单元，一种是常规的壳单元，另一种是基于连续体的 壳单元。依靠定义单元的平面尺寸、表面法向和初始曲率，常规的壳单元会对 参考面进行离散。但是壳的厚度不能通过常规壳单元的节点定义；它可以通过 截面性质定义。另外，因为连续体的壳单元相似于三维实体单元，它们对整个三维物体建立数学描述和进行离散，它的动力学和本构行为和常规壳单元类似。 对于模拟接触问题，因为连续体的壳单元比常规的壳单元更加精确，它可以在 双面接触中考虑到厚度的变化。但是相对于薄壳问题，常规的壳单元又可以提 供更优良的性能。本课题的仿真所采用的是常规壳单元，定义壳的厚度即为板 料的实际厚度。需要特别注意的是与实体单元不同，每个壳体单元所使用的都是局部材料 方向。各种异型材料的数据（例如纤维增强复合材料）和单元输出变量（例如 应力和应变）都是根据局部材料方向的形式来定义的。大位移分析方面，随着 各积分点上材料的平均运动，壳面上的局部材料坐标轴转动。（3）相互作用定义 单点增量成形中设计到的接触有板料与工具头接触，上、下压板与板料的接触。故需要定义三个相关作用。在定义相互作用之前，首先的定义相互作用 属性：创建相互作用属性，选择接触类型，选择力学切向行为，摩擦公式选择 罚摩擦，定义工具头与板料的摩擦系数。创建工具头、板料、上下压板之间的相互作用如图。工具头与板料设置为 表面与表面接触（Explicit），板料的上表面与工具头的外表面接触。上压板的 下表面与板料的上表面接触，下压板的上表面与板料的下表面接触，两者的接 触类型都是表面与表面接触（Explicit），如图 2-6 所示。图 2-6 相互作用定义（4）运动轨迹的加载进入分析步功能模块，ABAQUS/CAE 默认创建初始分析步(Initial),位于所有 分析步之前，可以在初始分析步中设置边界条件和相互作用，使之在整个分析 步中起作用，但不能编辑、替换、重命名和删除初始分析步。通过计算机辅助制造软件 UG 建立要成形的目标件，UG 中自带的加工可以19生成对应的 NC 代码。单点增量成形没有专门的试验机床，也没有特定的刀具， 但是在 UG 模拟加工中，以球头铣刀分层铣削加工可以很好的模拟单点增量成 形的成形过程。这样就可以生成数控 NC 代码。UG 建模如图。UG 生成的 NC 代码在 MATLAB 中能依据成形时间对应的位移，合成加工轨迹如图 2-7 所示。图 2-7 单点增量成形轨迹MATLAB 的 workspace 窗口提供了数据查看功能，由此可以得到 X，Y，Z 三个坐标轴对应的时间与位移关系。找到三坐标轴时间与位移的关系，是为之 后在 ABAQUS 分析步中设置分析步对应的频率与幅值关系。三坐标轴的时间- 位移图如图 2-8 所示。X/mm X方向的位移时间曲线 40200-20-400100200时间/sY/mm Y方向的位移时间曲线 40200-20-400100200时间/sZ/mm Z方向的位移时间曲线 0-5-10-15-20-250100200时间/s图 2-8 成形轨迹在 X、Y、Z 坐标与时间的关系 完成前期的准备工作后，在分析步模块中创建通用，动力、显式（DynamicExplicit）分析步，使用缩放定义重新创建质量缩放系数，基本信息设置成形时 间，成形时间的设置即为 UG 模型中，模拟成形件完成的时间。创建分析步中 的幅值，分析步中的幅值用 X，Y，Z 三个坐标轴对应的时间-位移关系。在幅值 管理器分别创建 X，Y，Z 三个平滑分析步，幅值的频率-幅值数据及为三个坐标 轴在 MATLAB 中的时间-位移数据，分析步设置完成。2.2.2 变形力模拟结果如图 2-9 为成形过程中变形力方向定义，其中 Fx 、 Fy 为水平方向力 Fz 为 轴向力。图 2-9 变形力方向定义 成形过程中的变形力代表工具头对板料的作用力，在一个分增量析步中取200 个点，得到如图 2-10 所示成形过程轴向变形力的变化规律。图 2-10 轴向变形力变化规律可以看出，变形力呈波动式变化，在经历一段上升过程后，大约经历 10层轨迹后达到稳定状态，取每层轨迹上变形力均值，得到如图 2-11 所示轴向变 形力随层数的变化规律。图 2-11 变形力随层数的变化 在此基础上，得到 Fx 、 Fy 、 Fz 的变化规律如图 2-12 所示。图 2-12Fx 、 Fy 、 Fz 的变化规律图中显示 Fx 、 Fy 、 Fz 呈波动式变化，均是存在一个逐渐上升时间，在大 约 10 层轨迹后保持。这是因为在初始阶段，成形工具头的挤压使得板料发生 拉弯变形，此时弯曲占据了主导地位，造成板料的拉伸减薄不够显著，随着成形的进行，弯曲所需的力逐渐增大，最终板料的拉伸减薄开始占据主导地位， 板料厚度变薄，但由于成形过程存在加工硬化的问题，变形力变化并不大。图 2-13 为成形中取两层轨迹时 Fx 、Fy 、Fz 的变化规律，可以看出 Fx 、Fy 在最大值和最小值之间呈现一个类似于正弦曲线的变化规律，峰值为 500N，两 者达到峰值的时间不同。能看出 Fz 在成形完一层后，可分为三个阶段：第一阶 段 Fz 保持为零，这对应着加工过程中工具头从上一层轨迹终点对刀到下一层轨 迹起点的过程，该过程工具头不与板材接触，所以成形力为零；第二阶段 Fz 迅速增大到整个成形过程的最大值，大约为 2400N，所经历的时间很短，这对应 着成形过程的轴向进给时刻；第三阶段变形力基本保持不变，这和成形过程走 等高线时刻相对应，在整个走等高线的过程中变形力稳定不变。图 2-13 第 31、32 层的成形力2.2.3 工艺参数对变形力的影响对成形过程有显著影响的工艺参数主要包含：成形角、层间距、板料厚度 以及工具头直径，这些工艺参数都对变形力有着直接的影响，因此分别研究这 四个工艺参数对变形力的影响规律。（1）成形角对变形力的影响 为了研究成形角对变形力的影响，本次选择成形角的度数分别为15 、30 、45、 60 ，其余工艺参数保持不变。在此基础上，对不同模型进行模拟建模， 得到轴向力的大小和变化规律。在每一层等高线轨迹上选取 200 个点，取其平均值，得到不同成形角下轴向变形力随层数的变化曲线如图 2-14 所示。图 2-14 不同成形角的变形力 从图中可以看出随着成形角的增大，轴向变形力增大，不过当成形角为 60时，轴向力先增大到 1900N，然后减小最后稳定在 1670N 左右。为了方便研究 不同成形角对轴向力的影响，分别取轴向进给时的峰值和走等高线时的平均值， 得到不同成形角对轴向力的影响如图 2-15 所示。图 2-15 成形角度对变形力的影响（2） 层间距对变形力的影响 为了研究层间距对变形力的影响，以成形深度为 30mm 为例，对不同参数下的模型进行模拟仿真，在每一层等高线轨迹上选取 200 个点，取其平均值，得到不同轴向进给量时轴向变形力随层数的变化曲线如图 2 -16 所示。图 2-16 不同层间距的变形力 在不同层间距下，分别取达到稳定状态后轴向进给时的峰值和走等高线时的平均值，得到不同轴向进给量对变形力的影响如图 2 -17 所示。图 2-17 变形力随层间距的变化曲线（3）板料厚度对变形力的影响本节选取板料厚度为 0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm，在其余工艺 参数不变的情况下研究板材厚度对变形力的影响。在每一层等高线轨迹上选取 200 个点，取其平均值，得到不同板厚度下轴向力随层数变化的曲线如图 2-18 所示。图 2-18 不同板料厚度的成形力 分别取达到稳定状态后轴向进给时的峰值和走等高线时的平均值，得到不同板材厚度对轴向变形力的影响如图 2-19 所示。图 2-19 变形力随板材厚度的变化曲线（4）工具头直径对变形力的影响 为了研究工具头直径对变形力的影响，本节选择工具头直径分别为 6mm、8mm、10mm、12mm、14mm，板材厚度 1mm、轴向进给量 1mm、成形角 45、 摩擦系数 0.1 保持不变。在此基础上，对不同模型进行模拟，得到轴向变形力 的大小和变化规律。在每一层等高线轨迹上选取 200 个点，取其平均值，得到不同工具头直径 时轴向变形力随层数的变化曲线如图 2 - 20 所示。可以看出直径为 6mm 时，走等高线的轴向力稳定在 1460N 附近，而直径为 14mm 时稳定在 1870N 附近，两 者相差较大，因此得出结论：工具头直径对变形力的影响非常大。图 2-20 不同工具头直径的变形力 在不同工具头直径下，分别取达到稳定状态后轴向进给时的峰值和走等高线时的平均值，得到工具头直径对变形力的影响如图 2-21 所示。从图 2-21 可 以看出，同变形力随轴向进给量的变化曲线类似，峰值和均值都随工具头直径 的增大而增大，并且近似于一个线性增大趋势。图 2-21 变形力随工具头直径的变化曲线3 单点增量成形过程变形力实验研究金属板料单点增量成形刀路是逐点逐层累积成形复杂的空间轨迹，对机床 的刚度、精度和稳定性都有较高要求，但对实验平台构造要求简单，不需专用 成形设备，在立式三轴数控铣床即可完成相应成形。本章利用三向测力以测量 成形过程中的变形力，对有限元模型进行验证。3.1 实验设备介绍本文实验平台采用 HASS-VF 数控加工中心，如图 3-1 所示。该机床具有加 工质量稳定，加工精度高，重复精度高等特点，同时它还具有较高的动态特性， 动态刚度、阻尼精度、耐磨性和抗热变形性能，适应单点增量成形这种连续持 久的自动化加工。板料的夹紧装置分为支撑板和压板，将板料放置于支撑板上， 通过螺栓将压板紧定于支撑板以保证板料固定，如图 3-2 所示，与卡具相连的 测力仪是 KISTLER 9257B 三向测力传感器，传感器采集到的力传递到电荷放大器 后，经电荷放大器输入到数据采集仪，然后在安装了专用软件 VibSYS 的终端 电脑上显示。工具头采用高速钢磨削而成，以达到较高的硬度，如图 3-3 所示。图 3-1 HASS-VF 加工中心图 3-2 装夹装置图 3-3 成形工具3.2 基于 UG 的 NC 代码生成单点增量成形是依靠 NC 代码驱动机床进行渐进成形，成形轨迹非常复杂， 采用传统的手工编程已无法满足单点增量成形的基本要求，当前单点增量成形 已与计算机技术紧密结合，利用 CAE 软件进行自动编程，不仅经济和时间成本 低，而且精度高，已成为复杂型面加工的首选方案。UG（Unigraphics NX）是 Siemens PLM Software 公司出品的一个产品工程解决方案，为用户的产品设计 及加工过程提供了数字化造型和验证手段。它可以轻松实现各种复杂实体及造 型的结构建成。我们可以通过 UG 的加工后置处理模块方便地建立自己的加工 后置处理程序，该模块已经广泛作用于世界上主流的 CNC 机床和加工中心，已 成为应用最广泛的 CAE 软件之一。单点增量成形技术与 CAE 技术和 NC 技术的 结合过程如图 3-4 所示，基于 UG 软件生成 NC 代码的步骤也依此流程。图 3-4 CAE 技术与 NC 技术结合流程图293.2.1 成形件实体建模根据圆锥台的实验参数进行建模。在 UG 软件中新建模型，然后进入任务 环境中的草图模式，根据示例尺寸绘画出所需草图，通过拉伸和抽壳等操作， 创建出所需理想零件的实体模型，如图 3-5 所示。图 3-5 模型创建3.2.2 单点增量成形过程加工轨迹的生成由于 UG 没有针对单点增量成形轨迹的分析模块，故本文采用等高线轮廓 铣来代替单点增量的层进给成形。进入 UG 的加工模块后，将加工环境设定为 轮廓铣（mill_contour）。依次按照创建程序、创建刀具、创建几何体、创建工 序和加工轨迹生成等步骤完成整个刀轨的生成过程。在数控编程中，加工轨迹根据工具头的中心生成 G 代码。对于铣削加工， 由于刀具带有切削刃，这种编程方式非常合理，如图 3-6 所示，利用 UG 生成 的程序控制机床进行铣削加工，得出的轮廓与设计轮廓一致。而单点增量成形 是依靠成形工具头最低点进行碾压式的逐点加工，故利用等高轮廓铣生成的 NC 程序并不符合单点增量成形的实际加工要求。将使用球头成形工具生成的 G 代 码在导入机床中，加工出的成品最大外圆直径总是小于设计的最大外圆直径， 如图 3-7 所示。根据单点增量是依靠工具最低点加工的这一特点，采用平头刀 具代替球头刀进行刀轨生成，并在生成的 G 代码中添加刀补，便可得到符合单 点增量成形过程的 NC 代码。图 3-6 铣削加工示意图图 3-7 单点增量成形示意图 由以上分析可得，选择平头刀进行刀具创建生成的 G 代码最符合单点增量的成形轨迹。加工坐标原点（即机床的对刀点）在创建几何体中设置，选取整 个成形件模型为指定部件，采用自动块毛坯，将 MCS_MILL 中的坐标 0 点设置 在成形件加工时的起始点，即完成成形前的对刀工作。为确保在加工过程中抬 刀时刀具不会与夹具碰撞，在成形时必须设置安全平面，其高度应大于夹具上 压板的高度，此处安全平面高度设为 15mm。单点增量成形是以走等高线的形式进行成形，所以进行工序创建时，选取 等高层进给铣削（ZLEVEL）进行工序创建，并选用已创建的成形工具，对已创 建几何体采用精铣(MILL_FINISH)的方式进行成形。选取成形件内表面为切削区 域，进行刀轨输出设置，在最大距离选项中设置层进给量，在切削参数中设置 进刀方式，在进给率和速度中设置进给速度，完成各项设置后便可生成成形轨 迹，如图 3-8 所示。图 3-8 刀路轨迹3.2.3 后处理 NC 程序的生成UG 中带有的后处理器可以生成不同数控系统所需的 NC 代码，本文选用的 实验平台为 HASS-VF 加工中心，采用 HASS 三轴铣床的后处理器进行程序生成。 由于 UG 在理想加工条件下生成 G 代码，有许多不必要的指令（如冷却、换刀）， 故在实际加工过程中 UG 生成的 NC 代码不可直接运用到数控机床中，在使用前 必须要经过相应的修改，删除不必要的指令，同时为了符合单点增量成形轨迹， 还需增加一个刀补指令，修改前后的指令如图 3-9 和 3-10 所示。将修改后的程 序拷贝到机床内存中即可进行单点增量成形。图 3-9 修改前的 G 代码图 3-10 修改后的 G 代码3.3 实验结果和模型验证不同参数成形实验得到的成形如图 3-11 所示。 (a) Q235 D12 Z1a45 (b) AL D12 Z1a45 (c) AL D12 Z1a34 (d) AL D8 Z0.5a63图 3-11 不同参数的成形制件 为验证有限元模型的正确性，保持其余工艺参数和仿真模型一致的情况下测量实验中的变形力，得到的结果如图 3-12 所示。图 3-12 变形力变化曲线同样的实验进行 5 次，取每层轨迹上变形力的均值，如图 3-13 所示。图 3-13 重复性实验取 5 次成形实验变形力的平均值，计算得到不同层数下，轴向变形力如表3-1 所示。表 3-1 不同层数的成形力层数轴向力（N）层数轴向力（N）1561181829268119179831150201850412562118575149022187861601231847716402418398167825182991683261866101730271868111753281839121798291876131815301856141780311829151828321858161799331839171839将实验得到的成形力结果同有限元仿真得到的结果进行对比，所得结果如 图所示。从图 3-14 可以看出仿真得到的轴向力随圈数的变化曲线同实验得到的 轴向力随圈数的变化曲线基本重合，最大误差为 7.49%，说明上章节所建立的 单点增量成形过程的有限元模型可以较好的模拟成形过程。图 3-14 实验和仿真结果对比4 单点增量成形夹具设计目前，板料渐进成形技术仍停留在实验阶段，压紧板料的上下压板主要采 用螺栓或压扣等需人工辅助方式连接，这不仅影响加工的效率还不利于零件成 形的自动化生产。根据之前单点增量成形过程变形力的研究可知，成形过程的变形力相比冲 压成形小很多，一般在 3000N 以内，因此在设计自动化夹具时可以去掉传统夹 具中的螺栓连接，利用压扣即可对板料进行固定，为了使夹持更加稳固，应尽 量增加夹持压扣的数量。综上所述，本文设计一种单点增量成形用板料自动夹持装置，其目的是改 变在单点增量成形过程中，板料的装夹和卸载需要手动操作的现状。降低板料 单点增量成形在非加工的时间。提出一种结构简单、操作方便、安全的板料自 动压紧渐单点增量成形装置。该装置还可用于对压紧力没有特殊要求的其它加 工领域。最终的设计方案包括工业机器人、支撑板、伺服电机、螺旋升降器、螺纹 住、导柱、下压板、定位块、上压板、直杆、杠杆、三角支架、通杆、连接杆、 滑块、直线导轨、 单作用气缸、凸模、锁紧扣，图 4-1 为板料单点增量成形自 动压紧夹具的主视图；图 4-2 是板料单点增量成形自动压紧夹具的侧视图；图4-3 板料单点增量成形自动压紧夹具的上压板工作示意图。图中，1.支撑板，2.伺服电机，3.螺旋升降器，4.螺纹柱，5.导柱，6.下压板，7.定位块，8.上压板，9.直杆，10.杠杆，11.三角支架，12.通杆，13.连接杆，14 滑块，15. 直线导轨，16. 单作用气缸，17.凸模，18.锁紧扣。利用三维软件 Solidworks 建立单点增量 成形夹具的三维装配图如图 4-4 所示。 5图 4-1 板料单点增量成形自动压紧夹具的主视图 5 6 811 4 2 31415131210 11817图 4-2 板料单点增量成形自动压紧夹具的侧视图9成形区图 4-3 板料单点增量成形自动压紧夹具的上压板工作示意图图 4-4 成形夹具的三维装配图在此基础上对其进行运动可行性模拟证明其夹具的可行性，如图 4-5 所示 分别为夹具的开合状态，可以看出所设计夹具能够满足的板料装夹需求。（a）夹具闭合状态（b）夹具开合状态图 4-5 成形夹具的运动可行性模拟具体的技术方案是使用工业机器人布局于成形装置与载料盘之间，通过吸 盘将板料转移到成形装置上。零件成形结束后，通过吸盘将成形件取出，支撑 板固定在机床上，是成形夹具装置的载体。伺服电机为下压板的升降提供动力 来源，伺服电机的回转运动通过螺旋升降器和螺旋柱转化成下压板的升降运动。 螺旋升降器是伺服电机回转运动转化成下压板升降运动的中间装置。螺旋柱是 供螺旋升降器将伺服电机回转运动转化成下压板升降运动的中间装置。导柱用 于保证下压板升级过程稳定的装置。定位块固定在下压板上，是板料定位的装 置。下压板用于板料的支撑和上压板操作涉及装置的支撑平台，上压板实现抬 起和下压的操作，直杆用于上压板和杠杆的连接，杠杆借助三角支架是实现杠 杆工作，使得上压板能抬起和落下，三角支架供杠杆起支点作用，通杆与杠杆 连接，给杠杆提供动力，连接杆在滑块与通过之间起连接作用，滑块安装在直 线滑轨上，连接在单作用气缸的伸缩杆生，将单作用气缸的伸缩运动通过杆件 转化成上压板的抬起和落下运动。直线导轨固定在下压板上，作为滑块运动的 导向装置，单作用气缸与直线导轨滑块连接，滑块与杆件连接，杆件与上压板 连接的方式，实现上压板抬起和下压的操作，凸模是板料渐进成形过程需要的 模具，其通过卡槽和锁紧扣固定到支撑板上，锁紧扣用于限定凸模在支撑板水 平方向的运动。成形夹具具体的实施方案是：支撑板 1 固定的伺服电机 2 与螺旋升降器相连，将伺服电机 2 的转动转化成螺纹柱 4 的运动，螺纹柱 4 与上压板 6 连接，上压板 6 的平稳运动通过导柱 5 保证。上压板 6 上的定位块 7 用于板料转载过 程的定位，与下压板一同夹持板料的是上压板 8，上压板上焊接直杆 9，直杆 9 与杠杆 10 使用双垫片和螺母连接。上压板 8 的抬起与落下由起支点作用的三39角支架 11 和杠杆 10 根据杠杆原理实现。杠杆 10 与通杆 12 连接，通杆 12 与连接杆 13 固定，连接杆 13 与滑块 14 使用双头螺杆连接，滑块 14 在直线导轨15 上滑动，直线导轨 15 使用螺钉固定在下压板 6 上，滑块 14 连接单向作用气缸 16 的伸缩杆，单作用气缸 16 的伸缩动作通过滑块 14、连接杆 13、通杆 12和杠杆 10 连接共同作用实现上压板 8 与下压板 6 对板料的夹持操作。凸模 17安装在支撑板 1 上，通过配合槽和锁定扣 18 固定，凸模 17 在渐进成形中可根 据不同的成形件形状可进行更换。板料的装夹过程需要一台机器手臂将待加工板料从物料区取出，夹具装置 成形区没有板料和上压板抬起的情况下，机械手臂按照设计的动作将夹持的板 料放到下压板 6 和上压板 8 之间的成形区，机械手臂移除本发明装置区域，定位块对板料进行定位，单作用气缸 16 伸出，上压板 8 下压实现对板料的加紧。成形夹具中使用了 8 个单作用气缸 18 和 8 个电磁换向阀及 2 个伺服电机，PLC控制器作为成形夹具的控制单元被应用于伺服电机 2 转速的控制，伺服电机 2的转速确定下压板 6 的升降速度。结论单点增量成形夹具是单点增量成形过程中必不可少的一种工艺设备，其作 用是将板料固定于工作台面，以便于成形的可操作性。该夹具装置的设计必须 满足工艺要求，最终满足产品的形状、尺寸和精度的要求，夹具装置的质量直 接影响成形制件的表面质量、尺寸精度等，产品的质量。本次毕业设计主要进行的是成形夹具的设计，利用理论计算、有限元仿真 和成形实验相结合的方法，得到成形过程变形力的变化规律；研究了工艺参数： 成形角、层间距、板料厚度及工具头直径对变形力的影响规律，得到成形过程 中的最大变形力；根据最大变形力设计了单点成形自动装夹夹具，绘制二维和 三维装配图，进行了夹具可行性验证；最后具体介绍了夹具的工作原理和操作 方法。本设计为单点增量成形夹具的设计提供了一种方法，改变在传统单点增量 成形过程中，板料的装夹和卸载需要手动操作的现状，降低板料单点增量成形 的非加工时间，同时该装置不仅适用板料单点增量成形还可用于对压紧力没有 特殊要求的其它加工领域。致谢在本科生毕业论文即将完成之际,我想向曾经给我帮助和支持的老师、学长 和好朋友们表示衷心的感谢。本论文的研究工作是在导师姚梓萌老师的亲切关 怀和悉心指导下完成的。在学习和论文研究期间，导师严谨的治学态度、敏锐的洞察力和对学生的 高标准、严要求，使我在学术上和思想上受到许多的启迪，让我毕生难忘。老 师的殷切指导，孜孜不倦的精神也让我受益匪浅。值此论文完成之际，向姚老 师表示崇高的敬意和衷心的感谢！最后，我要感谢我的父母，他们对我的关怀和鼓励，让我朝自己的理想去 奋斗！在此，我送上我最美好的祝福，我会以我的成绩给他们一份满意的答卷。谨以此文献给我亲爱的家人及我的老师、同学和朋友们。参 考 文 献1 李明哲, 付文智, 依卓. 板料柔性成形技术的现状与发展趋势J. 锻造与冲压, 2016(14):20-24.2朱胜. 柔性增材再制造技术J. 机械工程学报, 2013, 49(23):1-5.3 张 伟 , 朱 虎 , 杨 忠 凤 . 金 属 板 材 单 点 渐 进 成 形 技 术 的 研 究 进 展 J. 工 具 技 术,2009,43(5):29-33.4 Jeswiet J. Asymmetric Incremental Sheet FormingJ. Advanced Materials Research, 2005, 522(6): 35-58.5 宋修成, 陆彬, 陈军. 基于预拉伸与数控渐进成形复合的轿车翼子板样件制造技术 J. 上海交通大学学报, 2013, 47(5):754-7596