板材單點(diǎn)增量成形夾具設(shè)計(jì)說(shuō)明書

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1、 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 板材單點(diǎn)增量成形夾具設(shè)計(jì) 板材單點(diǎn)增量成形夾具設(shè)計(jì) 板材單點(diǎn)增量成形夾具設(shè)計(jì) 摘要：?jiǎn)吸c(diǎn)增量成形作為一種新型板材柔性無(wú)模成形技術(shù)，其基于分層制 造思想，通過工具頭一層一層加工金屬板料，柔性化程度高，利用局部變形實(shí) 現(xiàn)金屬板料零件的加工。和傳統(tǒng)沖壓成形相比，不需要專用設(shè)備和模具，能夠 縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低產(chǎn)品研發(fā)成本，特別適用于多品種、小批量以及個(gè)性 化生產(chǎn)，在汽車、船舶、家電、航天航空等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前單點(diǎn) 增量成形過程中一般采用上下壓板和螺栓對(duì)板料進(jìn)行夾持，其過程需要人工輔 助，嚴(yán)重影響加工效率，為了解決

2、這一問題，需要設(shè)計(jì)一種具有自動(dòng)壓緊定位 功能的新型板材單點(diǎn)增量成形夾具。 論文采用有限元仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，得到單點(diǎn)增量成形過程中各向 變形力的變化規(guī)律，對(duì)其成形角、層間距、板料厚度及工具頭直徑對(duì)變形力的 影響進(jìn)行研究，得到不同工藝參數(shù)下成形過程的最大變形力；根據(jù)得到的最大 變形力選擇成形夾具的壓板尺寸和壓緊方式，分別利用 AutoCAD 和 Solidworks 軟件進(jìn)行成形夾具的二維和三維設(shè)計(jì)，并對(duì)夾具的可行性進(jìn)行三維動(dòng)畫模擬， 最終得到一種可以大幅度提高裝夾效率的成形夾具。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)吸c(diǎn)增量成形；數(shù)值分析與建模；變形力；夾具設(shè)計(jì)； I Abstract ： S

3、ingle point incremental forming is a new type of sheet metal flexible dieless forming technology. Based on the idea of layered 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 p

4、art is realized by local deformation. 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,

5、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 p

6、rocess 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

7、 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 un

8、der 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 Soli

9、dworks 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 錄

10、摘要 I Abstract： II 1 緒 論 1 1.1 單點(diǎn)增量成形的原理 1 1.2 單點(diǎn)增量成形的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.3 本文研究主要內(nèi)容 3 2 單點(diǎn)增量成形過程變形力分析 5 2.1 單點(diǎn)增量成形變形力理論解析 5 2.2 單點(diǎn)增量成形變形力數(shù)值模擬 8 2.2.1 有限元數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定 8 2.2.2 變形力模擬結(jié)果 12 2.2.3 工藝參數(shù)對(duì)變形力的影響 14 3 單點(diǎn)增量成形過程變形力實(shí)驗(yàn)研究 19 3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹 19 3.2 基于 UG 的 NC 代碼生成 20 3.2.1 成形件實(shí)體建模 21 3.2.2 單點(diǎn)增量成形過程加

11、工軌跡的生成 21 3.2.3 后處理 NC 程序的生成 23 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型驗(yàn)證 23 4 單點(diǎn)增量成形夾具設(shè)計(jì) 27 結(jié) 論 32 致 謝 33 參 考 文 獻(xiàn) 34 附錄Ⅰ外文文獻(xiàn)及翻譯 36 外文文獻(xiàn) 36 Formability in single point incremental forming: A comparative analysis of the state of the art 36 中文翻譯 41 單點(diǎn)增量成形過程中成形性的研究現(xiàn)狀 41 1 緒 論 1.1 單點(diǎn)增量成形的原理 隨著加工制造業(yè)的發(fā)展需求，傳統(tǒng)的制造

12、方式也發(fā)生著改變。金屬板料的 加工從有模成形變化到無(wú)模柔性，這些都是適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)柔性，綠色等要求 特點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的金屬板料的成形技術(shù)。現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)的板料柔性成形技術(shù)主要 有：?jiǎn)吸c(diǎn)增量成形、多點(diǎn)無(wú)模成形、激光熱應(yīng)力成形、旋壓成形、噴丸成形等[1]。 上述無(wú)模成形技術(shù)都是借助數(shù)控機(jī)床來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板料的無(wú)模柔性加工，克服 了傳統(tǒng)成形技術(shù)依靠模具成形的不足，對(duì)新產(chǎn)品的研發(fā)試制及小批量個(gè)性化的 產(chǎn)品生產(chǎn)有非常重要的意義[2]。 上世紀(jì) 90 年代初，日本學(xué)者松原茂夫提出一種新型的金屬板料成形方法， 即板料單點(diǎn)增量成形技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)輔助制造與數(shù)控機(jī)床相結(jié)合的方法，通 過 CAD/CAM 輔助制造技術(shù)

13、完成待加工產(chǎn)品模型的建立，生成的 NC 代碼結(jié)合高 精度數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)[3-4]，其成形原理如圖 1-1 所示。因?yàn)?CAD/CAM 技 術(shù)的發(fā)展，可以完成較復(fù)雜的模型加工，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，使得 復(fù)雜建模得以在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)在板料成形時(shí)不需要專用模具或僅需 要簡(jiǎn)單的支撐工具，其所需的成行力小，適合零件的試制及小批量生產(chǎn)，滿足 了市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的多樣化和個(gè)性化需求。鑒于數(shù)控單點(diǎn)增量成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，國(guó) 內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始關(guān)注這種興起的先進(jìn)柔性塑性成形技術(shù)，并對(duì)它進(jìn)行了很多 研究工作并取得大量的研究成果。 圖 1-1 單點(diǎn)增量成形原理 9 1.2 單點(diǎn)增量成

14、形的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 金屬板料單點(diǎn)增量成形技術(shù)自提出以來(lái)，也受到了國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，并取 得了喜人的成就。從板料拉伸減薄的角度分析，得出成形過程屬于變薄拉延類 型[5]；并通過計(jì)算分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法得出變形力的計(jì)算公式[6]。從成形性能 分析，南京航空航天大學(xué)的崔震，高霖等[7]，采用數(shù)控單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)對(duì)鈑 金浮雕字進(jìn)行了成形研究，完成了高質(zhì)量鈑金浮雕字的成形。到目前對(duì)板料增 量成形技術(shù)的分析工作取得一些進(jìn)展，對(duì)板料變形過程中各部位材料的變形情 況及各參數(shù)下的成形性能進(jìn)行研究，對(duì)于提高產(chǎn)品的成形質(zhì)量、工藝的制定以 及推廣有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 單點(diǎn)增量成形過程中的成形力研究是研

15、究單點(diǎn)增量成形的重要組成部分， 單點(diǎn)增量成形是通過工具頭與板料的相互擠壓，局部成形累積到整體成形，成 形過程中，成形力的大小將決定板料是否發(fā)生破裂，而且可以計(jì)算成形過程的 能量轉(zhuǎn)換與損耗。在研究工具頭高速自轉(zhuǎn)下板料升溫現(xiàn)象中，Bagudanch 等[8] 對(duì)工具頭自轉(zhuǎn)速度、工具頭直徑與成形力間的關(guān)系進(jìn)行了研究。通過對(duì)金屬板 料成形破裂的研究，Gabriel Centeno 等[9]分析了工具頭轉(zhuǎn)速和 T/R 對(duì)成形力的 影響。Belchior 等[10]通過有限元軟件建立的金屬板料彈性模型，分析了成形力 對(duì)機(jī)器人成形板料過程中誤差補(bǔ)償?shù)挠绊憽artins 等[11]在研究摩擦力對(duì)成形 過程的

16、影響中，通過應(yīng)力解釋了板料破裂和其局部頸縮的現(xiàn)象。Duflou 等[12] 通過對(duì)金屬板料進(jìn)行局部加熱，使得金屬板料塑性提高，成形力降低，回彈減 少。Eyckens 等[13]在單點(diǎn)增量成形中使用不同的潤(rùn)滑劑對(duì)加工過程潤(rùn)滑，分析 研究了軸向力和切向力在不同摩擦系數(shù)下的變化情況。Durante 等[14]使用有限 元仿真軟件驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中工具頭轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響，進(jìn)而分析出不同轉(zhuǎn)速 對(duì)于成形力的影響。Henrard 等[15]使用有限元仿真軟件驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中不同成形 角對(duì)成形力的影響。Aerens[16]等分析計(jì)算出成形力預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式，通過對(duì)穩(wěn) 態(tài)下軸向力的計(jì)算，驗(yàn)證了此公式的正確性。 板料單

17、點(diǎn)增量成形的過程涉及到了物理、材料、高等數(shù)學(xué)、機(jī)械等多個(gè)學(xué) 科，以及復(fù)雜的力學(xué)方面知識(shí)，運(yùn)用理論計(jì)算成形過程中的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)是 非常艱巨的，預(yù)測(cè)成形過程中的各種變形也需要大量的實(shí)驗(yàn)研究，這必然導(dǎo)致 了實(shí)驗(yàn)成本的大量提升[17-20]。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值分析對(duì)學(xué)術(shù)研究非常 重要，許多學(xué)者研究了板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形過程中的數(shù)值分析。C. Bouffioux[21-22] 等使用實(shí)體單元對(duì)成形過程使用有限元的模擬，通過實(shí)驗(yàn)的對(duì)比從而驗(yàn)證了數(shù) 值分析的正確性，并且分析了不同成形角對(duì)成形力造成的影響，得出了結(jié)論： 成形角越大，成形力越大。國(guó)內(nèi)學(xué)者李湘吉[23]等運(yùn)用有限元的方法對(duì)板料成 形過程進(jìn)

18、行了數(shù)值模擬，分析了成形過程中應(yīng)力分布和壁厚的變化趨勢(shì)，分析 了不同參數(shù)對(duì)成形過程中造成的影響，指出金字塔形工件的最大應(yīng)力和最大厚 度減薄都會(huì)發(fā)生在拐角處，在成形過程中，螺旋線運(yùn)動(dòng)軌跡可以提高板料的成 形的能力和成形的質(zhì)量。胡建標(biāo)[24]使用 ABAQUS/Explicit 有限軟件建立了圓錐 臺(tái)仿真模型，分析了半頂角、層間距、工具頭直徑等參數(shù)在成形過程中對(duì)板料 壁厚和成形質(zhì)量的影響。 本課題有限元數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究成形過程的變形力， 根據(jù)得到的變形力進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)，以期得到一種操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單點(diǎn)增 量成形板料自動(dòng)夾持裝置。 1.3 本文研究主要內(nèi)容 利用理論計(jì)

19、算、有限元數(shù)值仿真和成形實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究工藝參數(shù) （成形角、層間距、板料厚度及工具頭直徑）對(duì)變形力的影響規(guī)律，得到成形 過程中的最大變形力，根據(jù)得到的變形力選擇合適的上下壓板形式和夾緊方式， 設(shè)計(jì)出滿足最大變形力要求的成形夾具，利用二維繪圖軟件 AutoCAD 和三維繪 圖軟件 Solidworks 繪制所設(shè)計(jì)夾具的二維和三維圖，并且再對(duì)夾具的可行性進(jìn) 行三維動(dòng)畫的模擬。具體的研究?jī)?nèi)容如下： （1）板材單點(diǎn)增量成形過程變形力的理論研究 閱讀相關(guān)資料，了解板料單點(diǎn)增量成形原理，分析成形過程材料變形特點(diǎn)， 建立單點(diǎn)增量成形過程產(chǎn)生變形力的模型，最后對(duì)變形力進(jìn)行分析。 （2）板材單點(diǎn)增

20、量成形數(shù)值進(jìn)行建模與分析 利用數(shù)值分析軟件 ABAQUS 建立單點(diǎn)增量成形的有限元模型，以圓錐臺(tái)件 為例得到成形過程中變形力的變化規(guī)律，并通過研究成形角、層間距、板料厚 度和工具頭直徑對(duì)變形力的影響規(guī)律，得到給定工藝范圍內(nèi)的最大變形力。 （3）板材成形實(shí)驗(yàn)的研究 通過數(shù)控銑床來(lái)搭建增量成形的平臺(tái)，編寫圓錐臺(tái)件的數(shù)控加工代碼，利 用三向測(cè)力儀得到變形過程的變形力，和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)所建立模型進(jìn) 行驗(yàn)證。 （4）成形夾具的設(shè)計(jì) 根據(jù)已得到的最大變形力，利用二維繪圖軟件 AutoCAD 和三維繪圖軟件 Solidworks 繪制所設(shè)計(jì)夾具的二維和三維圖，用三維動(dòng)畫模擬夾具的可行性

21、。 2 單點(diǎn)增量成形過程變形力分析 2.1 單點(diǎn)增量成形變形力理論解析 為簡(jiǎn)化分析計(jì)算，假設(shè)單點(diǎn)增量成形過程中板料單元進(jìn)行純剪切變化，如 圖 2-1 所示，σz 是沿板料壁向 ce 面的拉應(yīng)力，σx 是剪切面 cd 面所受的徑向應(yīng) 力，τ0 是作用于剪切面 cd 面的剪應(yīng)力，板料三角變形區(qū)域受力情況如下： 圖 2-1 單點(diǎn)增量成形區(qū)域應(yīng)力分析示意圖 由于沿壁向合力為 0，故力平衡方程為： sz Sec - (t0 sina)Scd - (sx cosa)Scd = 0 將Sec = Scd cos a, 代入上式得 sz

22、 = tan a + sx t0 t0 由于垂直于成形面的合力為 0，故在該方向的力平衡方程為： sx (t0 cos a)Scd -(sx sin a)Scd = 0， 即 = cot a t0 聯(lián)立以上兩式，可得： sz = cot a + tan a t0 單點(diǎn)增量負(fù)成形和正成形受力情況完全相同，為簡(jiǎn)明表達(dá)各成形分力間的 幾何關(guān)系，簡(jiǎn)化變形力的計(jì)算，在分析變形力幾何關(guān)系時(shí)統(tǒng)一采用正成形模型， 如圖 2-2 和圖 2-3 所示。 圖 2-2 單點(diǎn)增量變形力分解示意圖 板料變形過程中各單元體的厚度取為 dx

23、，工具頭下壓層間距為 Z，則單元 體切應(yīng)變?chǔ)每扇缦虑蟮茫? 則單元材料的塑性變形功為： g= Z dx = tan a g tan a x W = 0 t0dg = 0 t0dg，可改寫為 W = 0 sxdx 由變形能量守恒可得，等效應(yīng)變x與切應(yīng)變g的關(guān)系為 x = 1 g = 1 tan a 3 3 取圓錐臺(tái)成形件某一高度的截面半徑為 Rc，變形區(qū)域?qū)挾葹?dRc，工具頭 半徑為 R，成形角為α，如圖 2-5 中幾何關(guān)系可求得該加工層板料變形體積為： V = 2pRctdRc = 2pRct(Z cot a + R sin a)

24、 則該層的體積變能為： x W1 = WV = 2pRCt (Z cota+ R sina) 0 sdx 切向力在加工該層所做的功為： W2 = 2pRc Fy 由于是純剪切變形，故 W1=W2，聯(lián)立以上兩試： x Fy = t (Z cota+ R sina) 0 sx 根據(jù) Mises 屈服準(zhǔn)則，可將上式簡(jiǎn)化為： Fy = t (Z cota+ R sina)ss x 將相關(guān)表達(dá)式代入上式，則： F = t(Z + R tanasina) s y s 圖 2-3 工具頭接觸面幾何關(guān)系示意圖 設(shè)工具頭與板料接觸面平均壓力

25、均為 P，接觸面在徑向、軸向和切向的投 影面積為 Sx、Sz、Sy，則徑向力和軸向力與切向力的關(guān)系分別為： F = F Sx ，F(xiàn) = F Sz S S x y z y y y 由幾何關(guān)系可求得各個(gè)投影面積為： Sy = a pR 2 - 1 R 2 sinacosa 360 2 S = 1pa2 cosa= 1 p(R sina)2 cosa z 4 4 S x = 1pa2 sina= 1 p(R sina)2 sina 4 4 將相關(guān)表達(dá)式代入得： F 

26、 = t(Z cota+ R sina)sx Sz Sy z s F = t(Z cota+ R sina)sx Sx y x s S 最終求得變形力的表達(dá)式為: Fx = s cosa(ap-180 sinacosa) s (2.1) F = t(Z + R tanasina) s  (2.2) y s Fz = s ap-180 sinacosa s (2.3) 2.2 單點(diǎn)增量成形變形力數(shù)值模擬 2.2.1 有限元數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定 有限元分析(Finite E

27、lement Analysis，F(xiàn)EA)作為工程技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的 極為重要的方法之一，利用有限元分析，我們可以獲得大部分復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的 各方面的機(jī)械性能信息，并對(duì)其工程設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)判，也可以對(duì)各種工程事故進(jìn) 行技術(shù)方面的分析。有限元分析所得的最后載體是利用技術(shù)集成的有限元分析 的軟件，對(duì)于大部分有限元分析軟件，ABAQUS 是國(guó)際比較通用的，它是功能 強(qiáng)大的眾多有限元分析軟件之一，尤其是在非線性分析的領(lǐng)域，它不僅可以分 析復(fù)雜的工程力學(xué)問題，而且具有駕馭龐大求解規(guī)模的能力。其中 ABAQUS 的 基本操作包含前處理、網(wǎng)格劃分、相互作用定義、分析及后處理等內(nèi)容，設(shè)計(jì) 到接觸問題、材料非線性顯

28、式非線性、多步驟分析、用戶子程序、復(fù)雜工程分 析等內(nèi)容。鑒于 ABAQUS 在分析非線性問題時(shí)的可靠性和模擬仿真過程中強(qiáng)大 的數(shù)據(jù)處理能力，本課題采用了有限元軟件 ABAQUS 作為數(shù)值仿真平臺(tái)。 一般情況下建立有限元模型需要建立幾何模型、劃分網(wǎng)格并定義材料屬性、 定義相互作用、加載運(yùn)動(dòng)軌跡、提交作業(yè)這幾個(gè)主要步驟，下面具體分析各步 過程： （1）幾何模型建立 用于夾緊板料的壓板為圓筒形壓板，包括上壓板和下壓板，其內(nèi)圈直徑 55mm，外圈直徑 70mm，創(chuàng)建部件上下壓板均為解析剛體、旋轉(zhuǎn)殼得到部件。 板料為可變形殼體，板料大小為實(shí)際成形板料大小 140 mm140 mm1 mm。成 形工

29、具頭也為解析剛體，工具頭半徑為 4mm，旋轉(zhuǎn)殼得到。創(chuàng)建完部件之后順 便定義參考點(diǎn)。為裝配是區(qū)分上、下壓板，設(shè)置上壓板的參考點(diǎn)為圓筒形壓板 的內(nèi)側(cè)，下壓板的參考點(diǎn)為圓筒形壓板的外側(cè)，最終建立的幾何模型如圖 2-4 所示。 圖 2-4 單點(diǎn)增量成形幾何模型 （2）材料屬性與網(wǎng)格劃分 在建模部分將壓板和工具頭設(shè)為解析剛體，成形過程中不會(huì)發(fā)生任何變形， 因此不需要考慮其材料屬性。只須對(duì)可變形的板料進(jìn)行材料屬性定義，以 Q235 鐵板為例，其材料屬性如下表 2-1 和表 2-2 所示。 表 2-1 Q235 的力學(xué)性能 Tab.2-1 Mechanical property

30、 of Q235 材料名稱 密度 r(g / mm3 ) 彈性模量 E（Gpa） 泊松比g 屈服強(qiáng)度d (Mpa) s Q235 板 7.85 210 0.31 91 表 2-2 Q235 的應(yīng)力-應(yīng)變 Tab.2-2 The stress and strain rate of Q235 應(yīng)力（Mpa） 91 131 171 211 251 291 311 391 塑性應(yīng)變 0 0.0159 0.0649 0.177 0.395 0.776 1.39 2.95 按照實(shí)際的要求，板料應(yīng)該采用 C3D8R 實(shí)體網(wǎng)格劃分。當(dāng)結(jié)構(gòu)一個(gè)方

31、向的 尺寸(厚度)遠(yuǎn)小于其它方向的尺寸，并忽略沿厚度方向的應(yīng)力時(shí)，一般就可以 用 S4R 殼體網(wǎng)格代替 C3D8R 實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行模擬，如圖 2-5 所示。 圖 2-5 S4R 殼體單元和 C3D8R 實(shí)體單元 ABAQUS 中有兩種殼單元，一種是常規(guī)的殼單元，另一種是基于連續(xù)體的 殼單元。依靠定義單元的平面尺寸、表面法向和初始曲率，常規(guī)的殼單元會(huì)對(duì) 參考面進(jìn)行離散。但是殼的厚度不能通過常規(guī)殼單元的節(jié)點(diǎn)定義；它可以通過 截面性質(zhì)定義。另外，因?yàn)檫B續(xù)體的殼單元相似于三維實(shí)體單元，它們對(duì)整個(gè) 三維物體建立數(shù)學(xué)描述和進(jìn)行離散，它的動(dòng)力學(xué)和本構(gòu)行為和常規(guī)殼單元類似。 對(duì)于模擬接觸問題，因

32、為連續(xù)體的殼單元比常規(guī)的殼單元更加精確，它可以在 雙面接觸中考慮到厚度的變化。但是相對(duì)于薄殼問題，常規(guī)的殼單元又可以提 供更優(yōu)良的性能。本課題的仿真所采用的是常規(guī)殼單元，定義殼的厚度即為板 料的實(shí)際厚度。 需要特別注意的是與實(shí)體單元不同，每個(gè)殼體單元所使用的都是局部材料 方向。各種異型材料的數(shù)據(jù)（例如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）和單元輸出變量（例如 應(yīng)力和應(yīng)變）都是根據(jù)局部材料方向的形式來(lái)定義的。大位移分析方面，隨著 各積分點(diǎn)上材料的平均運(yùn)動(dòng)，殼面上的局部材料坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 （3）相互作用定義 單點(diǎn)增量成形中設(shè)計(jì)到的接觸有板料與工具頭接觸，上、下壓板與板料的 接觸。故需要定義三個(gè)相關(guān)作用。在定義相互

33、作用之前，首先的定義相互作用 屬性：創(chuàng)建相互作用屬性，選擇接觸類型，選擇力學(xué)切向行為，摩擦公式選擇 罰摩擦，定義工具頭與板料的摩擦系數(shù)。 創(chuàng)建工具頭、板料、上下壓板之間的相互作用如圖。工具頭與板料設(shè)置為 表面與表面接觸（Explicit），板料的上表面與工具頭的外表面接觸。上壓板的 下表面與板料的上表面接觸，下壓板的上表面與板料的下表面接觸，兩者的接 觸類型都是表面與表面接觸（Explicit），如圖 2-6 所示。 圖 2-6 相互作用定義 （4）運(yùn)動(dòng)軌跡的加載 進(jìn)入分析步功能模塊，ABAQUS/CAE 默認(rèn)創(chuàng)建初始分析步(Initial),位于所有 分析步之前，可以在初始分析步

34、中設(shè)置邊界條件和相互作用，使之在整個(gè)分析 步中起作用，但不能編輯、替換、重命名和刪除初始分析步。 通過計(jì)算機(jī)輔助制造軟件 UG 建立要成形的目標(biāo)件，UG 中自帶的加工可以 19 生成對(duì)應(yīng)的 NC 代碼。單點(diǎn)增量成形沒有專門的試驗(yàn)機(jī)床，也沒有特定的刀具， 但是在 UG 模擬加工中，以球頭銑刀分層銑削加工可以很好的模擬單點(diǎn)增量成 形的成形過程。這樣就可以生成數(shù)控 NC 代碼。UG 建模如圖。UG 生成的 NC 代碼在 MATLAB 中能依據(jù)成形時(shí)間對(duì)應(yīng)的位移，合成加工軌跡如圖 2-7 所示。 圖 2-7 單點(diǎn)增量成形軌跡 MATLAB 的 workspace 窗口提供了數(shù)據(jù)

35、查看功能，由此可以得到 X，Y，Z 三個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的時(shí)間與位移關(guān)系。找到三坐標(biāo)軸時(shí)間與位移的關(guān)系，是為之 后在 ABAQUS 分析步中設(shè)置分析步對(duì)應(yīng)的頻率與幅值關(guān)系。三坐標(biāo)軸的時(shí)間- 位移圖如圖 2-8 所示。 X/mm X方向的位移時(shí)間曲線 40 20 0 -20 -40 0 100 200 時(shí)間/s Y/mm Y方向的位移時(shí)間曲線 40 20 0 -20 -40 0 100 200 時(shí)間/s Z/mm Z方向的位移時(shí)間曲線 0 -5 -10 -15 -20 -25 0 100 200 時(shí)間/s

36、 圖 2-8 成形軌跡在 X、Y、Z 坐標(biāo)與時(shí)間的關(guān)系 完成前期的準(zhǔn)備工作后，在分析步模塊中創(chuàng)建通用，動(dòng)力、顯式（Dynamic Explicit）分析步，使用縮放定義重新創(chuàng)建質(zhì)量縮放系數(shù)，基本信息設(shè)置成形時(shí) 間，成形時(shí)間的設(shè)置即為 UG 模型中，模擬成形件完成的時(shí)間。創(chuàng)建分析步中 的幅值，分析步中的幅值用 X，Y，Z 三個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的時(shí)間-位移關(guān)系。在幅值 管理器分別創(chuàng)建 X，Y，Z 三個(gè)平滑分析步，幅值的頻率-幅值數(shù)據(jù)及為三個(gè)坐標(biāo) 軸在 MATLAB 中的時(shí)間-位移數(shù)據(jù)，分析步設(shè)置完成。 2.2.2 變形力模擬結(jié)果 如圖 2-9 為成形過程中變形力方向定義，其中 Fx 、 F

37、y 為水平方向力 Fz 為 軸向力。 圖 2-9 變形力方向定義 成形過程中的變形力代表工具頭對(duì)板料的作用力，在一個(gè)分增量析步中取 200 個(gè)點(diǎn)，得到如圖 2-10 所示成形過程軸向變形力的變化規(guī)律。 圖 2-10 軸向變形力變化規(guī)律 可以看出，變形力呈波動(dòng)式變化，在經(jīng)歷一段上升過程后，大約經(jīng)歷 10 層軌跡后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，取每層軌跡上變形力均值，得到如圖 2-11 所示軸向變 形力隨層數(shù)的變化規(guī)律。 圖 2-11 變形力隨層數(shù)的變化 在此基礎(chǔ)上，得到 Fx 、 Fy 、 Fz 的變化規(guī)律如圖 2-12 所示。

38、 圖 2-12 Fx 、 Fy 、 Fz 的變化規(guī)律 圖中顯示 Fx 、 Fy 、 Fz 呈波動(dòng)式變化，均是存在一個(gè)逐漸上升時(shí)間，在大 約 10 層軌跡后保持。這是因?yàn)樵诔跏茧A段，成形工具頭的擠壓使得板料發(fā)生 拉彎變形，此時(shí)彎曲占據(jù)了主導(dǎo)地位，造成板料的拉伸減薄不夠顯著，隨著成 形的進(jìn)行，彎曲所需的力逐漸增大，最終板料的拉伸減薄開始占據(jù)主導(dǎo)地位， 板料厚度變薄，但由于成形過程存在加工硬化的問題，變形力變化并不大。 圖 2-13 為成形中取兩層軌跡時(shí) Fx 、Fy 、Fz 的變化規(guī)律，可以看出 Fx 、Fy 在最大值和最小值

39、之間呈現(xiàn)一個(gè)類似于正弦曲線的變化規(guī)律，峰值為 500N，兩 者達(dá)到峰值的時(shí)間不同。能看出 Fz 在成形完一層后，可分為三個(gè)階段：第一階 段 Fz 保持為零，這對(duì)應(yīng)著加工過程中工具頭從上一層軌跡終點(diǎn)對(duì)刀到下一層軌 跡起點(diǎn)的過程，該過程工具頭不與板材接觸，所以成形力為零；第二階段 Fz 迅 速增大到整個(gè)成形過程的最大值，大約為 2400N，所經(jīng)歷的時(shí)間很短，這對(duì)應(yīng) 著成形過程的軸向進(jìn)給時(shí)刻；第三階段變形力基本保持不變，這和成形過程走 等高線時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，在整個(gè)走等高線的過程中變形力穩(wěn)定不變。 圖 2-13 第 31、32 層的成形力 2.2.3 工藝參數(shù)對(duì)變形力的影響 對(duì)成

40、形過程有顯著影響的工藝參數(shù)主要包含：成形角、層間距、板料厚度 以及工具頭直徑，這些工藝參數(shù)都對(duì)變形力有著直接的影響，因此分別研究這 四個(gè)工藝參數(shù)對(duì)變形力的影響規(guī)律。 （1）成形角對(duì)變形力的影響 為了研究成形角對(duì)變形力的影響，本次選擇成形角的度數(shù)分別為15 、30 、 45、 60 ，其余工藝參數(shù)保持不變。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同模型進(jìn)行模擬建模， 得到軸向力的大小和變化規(guī)律。在每一層等高線軌跡上選取 200 個(gè)點(diǎn)，取其平 均值，得到不同成形角下軸向變形力隨層數(shù)的變化曲線如圖 2-14 所示。 圖 2-14 不同成形角的變形力 從圖中可以看出隨著成形角的增大，軸向變形力增大，不

41、過當(dāng)成形角為 60 時(shí)，軸向力先增大到 1900N，然后減小最后穩(wěn)定在 1670N 左右。為了方便研究 不同成形角對(duì)軸向力的影響，分別取軸向進(jìn)給時(shí)的峰值和走等高線時(shí)的平均值， 得到不同成形角對(duì)軸向力的影響如圖 2-15 所示。 圖 2-15 成形角度對(duì)變形力的影響 （2） 層間距對(duì)變形力的影響 為了研究層間距對(duì)變形力的影響，以成形深度為 30mm 為例，對(duì)不同參數(shù) 下的模型進(jìn)行模擬仿真，在每一層等高線軌跡上選取 200 個(gè)點(diǎn)，取其平均值， 得到不同軸向進(jìn)給量時(shí)軸向變形力隨層數(shù)的變化曲線如圖 2 -16 所示。 圖 2-16 不同層間距的變形力 在不同層間距下，分

42、別取達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后軸向進(jìn)給時(shí)的峰值和走等高線時(shí) 的平均值，得到不同軸向進(jìn)給量對(duì)變形力的影響如圖 2 -17 所示。 圖 2-17 變形力隨層間距的變化曲線 （3）板料厚度對(duì)變形力的影響 本節(jié)選取板料厚度為 0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm，在其余工藝 參數(shù)不變的情況下研究板材厚度對(duì)變形力的影響。在每一層等高線軌跡上選取 200 個(gè)點(diǎn)，取其平均值，得到不同板厚度下軸向力隨層數(shù)變化的曲線如圖 2-18 所示。 圖 2-18 不同板料厚度的成形力 分別取達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后軸向進(jìn)給時(shí)的峰值和走等高線時(shí)的平均值，得到不 同板材厚度對(duì)軸向變形力的影響如圖

43、2-19 所示。 圖 2-19 變形力隨板材厚度的變化曲線 （4）工具頭直徑對(duì)變形力的影響 為了研究工具頭直徑對(duì)變形力的影響，本節(jié)選擇工具頭直徑分別為 6mm、 8mm、10mm、12mm、14mm，板材厚度 1mm、軸向進(jìn)給量 1mm、成形角 45、 摩擦系數(shù) 0.1 保持不變。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同模型進(jìn)行模擬，得到軸向變形力 的大小和變化規(guī)律。 在每一層等高線軌跡上選取 200 個(gè)點(diǎn)，取其平均值，得到不同工具頭直徑 時(shí)軸向變形力隨層數(shù)的變化曲線如圖 2 - 20 所示?？梢钥闯鲋睆綖?6mm 時(shí)，走 等高線的軸向力穩(wěn)定在 1460N 附近，而直徑為 14mm 時(shí)穩(wěn)定在 18

44、70N 附近，兩 者相差較大，因此得出結(jié)論：工具頭直徑對(duì)變形力的影響非常大。 圖 2-20 不同工具頭直徑的變形力 在不同工具頭直徑下，分別取達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后軸向進(jìn)給時(shí)的峰值和走等高 線時(shí)的平均值，得到工具頭直徑對(duì)變形力的影響如圖 2-21 所示。從圖 2-21 可 以看出，同變形力隨軸向進(jìn)給量的變化曲線類似，峰值和均值都隨工具頭直徑 的增大而增大，并且近似于一個(gè)線性增大趨勢(shì)。 圖 2-21 變形力隨工具頭直徑的變化曲線 3 單點(diǎn)增量成形過程變形力實(shí)驗(yàn)研究 金屬板料單點(diǎn)增量成形刀路是逐點(diǎn)逐層累積成形復(fù)雜的空間軌跡，對(duì)機(jī)床 的剛度、精度和穩(wěn)定性都有較高要求，但對(duì)實(shí)

45、驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)造要求簡(jiǎn)單，不需專用 成形設(shè)備，在立式三軸數(shù)控銑床即可完成相應(yīng)成形。本章利用三向測(cè)力以測(cè)量 成形過程中的變形力，對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。 3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹 本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用 HASS-VF 數(shù)控加工中心，如圖 3-1 所示。該機(jī)床具有加 工質(zhì)量穩(wěn)定，加工精度高，重復(fù)精度高等特點(diǎn)，同時(shí)它還具有較高的動(dòng)態(tài)特性， 動(dòng)態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性和抗熱變形性能，適應(yīng)單點(diǎn)增量成形這種連續(xù)持 久的自動(dòng)化加工。板料的夾緊裝置分為支撐板和壓板，將板料放置于支撐板上， 通過螺栓將壓板緊定于支撐板以保證板料固定，如圖 3-2 所示，與卡具相連的 測(cè)力儀是 KISTLER 9257B 三向測(cè)力傳感器，

46、傳感器采集到的力傳遞到電荷放大器 后，經(jīng)電荷放大器輸入到數(shù)據(jù)采集儀，然后在安裝了專用軟件 VibSYS 的終端 電腦上顯示。工具頭采用高速鋼磨削而成，以達(dá)到較高的硬度，如圖 3-3 所示。 圖 3-1 HASS-VF 加工中心 圖 3-2 裝夾裝置 圖 3-3 成形工具 3.2 基于 UG 的 NC 代碼生成 單點(diǎn)增量成形是依靠 NC 代碼驅(qū)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行漸進(jìn)成形，成形軌跡非常復(fù)雜， 采用傳統(tǒng)的手工編程已無(wú)法滿足單點(diǎn)增量成形的基本要求，當(dāng)前單點(diǎn)增量成形 已與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，利用 CAE 軟件進(jìn)行自動(dòng)編程，不僅經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本 低，而且精度高，已成為復(fù)雜型面加工的首

47、選方案。UG（Unigraphics NX）是 Siemens PLM Software 公司出品的一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案，為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì) 及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。它可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造 型的結(jié)構(gòu)建成。我們可以通過 UG 的加工后置處理模塊方便地建立自己的加工 后置處理程序，該模塊已經(jīng)廣泛作用于世界上主流的 CNC 機(jī)床和加工中心，已 成為應(yīng)用最廣泛的 CAE 軟件之一。單點(diǎn)增量成形技術(shù)與 CAE 技術(shù)和 NC 技術(shù)的 結(jié)合過程如圖 3-4 所示，基于 UG 軟件生成 NC 代碼的步驟也依此流程。 圖 3-4 CAE 技術(shù)與 NC 技術(shù)結(jié)合流程圖 29

48、3.2.1 成形件實(shí)體建模 根據(jù)圓錐臺(tái)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行建模。在 UG 軟件中新建模型，然后進(jìn)入任務(wù) 環(huán)境中的草圖模式，根據(jù)示例尺寸繪畫出所需草圖，通過拉伸和抽殼等操作， 創(chuàng)建出所需理想零件的實(shí)體模型，如圖 3-5 所示。 圖 3-5 模型創(chuàng)建 3.2.2 單點(diǎn)增量成形過程加工軌跡的生成 由于 UG 沒有針對(duì)單點(diǎn)增量成形軌跡的分析模塊，故本文采用等高線輪廓 銑來(lái)代替單點(diǎn)增量的層進(jìn)給成形。進(jìn)入 UG 的加工模塊后，將加工環(huán)境設(shè)定為 輪廓銑（mill_contour）。依次按照創(chuàng)建程序、創(chuàng)建刀具、創(chuàng)建幾何體、創(chuàng)建工 序和加工軌跡生成等步驟完成整個(gè)

49、刀軌的生成過程。 在數(shù)控編程中，加工軌跡根據(jù)工具頭的中心生成 G 代碼。對(duì)于銑削加工， 由于刀具帶有切削刃，這種編程方式非常合理，如圖 3-6 所示，利用 UG 生成 的程序控制機(jī)床進(jìn)行銑削加工，得出的輪廓與設(shè)計(jì)輪廓一致。而單點(diǎn)增量成形 是依靠成形工具頭最低點(diǎn)進(jìn)行碾壓式的逐點(diǎn)加工，故利用等高輪廓銑生成的 NC 程序并不符合單點(diǎn)增量成形的實(shí)際加工要求。將使用球頭成形工具生成的 G 代 碼在導(dǎo)入機(jī)床中，加工出的成品最大外圓直徑總是小于設(shè)計(jì)的最大外圓直徑， 如圖 3-7 所示。根據(jù)單點(diǎn)增量是依靠工具最低點(diǎn)加工的這一特點(diǎn)，采用平頭刀 具代替球頭刀進(jìn)行刀軌生成，并在生成的 G 代碼中添加刀補(bǔ)，便可得到

50、符合單 點(diǎn)增量成形過程的 NC 代碼。 圖 3-6 銑削加工示意圖 圖 3-7 單點(diǎn)增量成形示意圖 由以上分析可得，選擇平頭刀進(jìn)行刀具創(chuàng)建生成的 G 代碼最符合單點(diǎn)增量 的成形軌跡。加工坐標(biāo)原點(diǎn)（即機(jī)床的對(duì)刀點(diǎn)）在創(chuàng)建幾何體中設(shè)置，選取整 個(gè)成形件模型為指定部件，采用自動(dòng)塊毛坯，將 MCS_MILL 中的坐標(biāo) 0 點(diǎn)設(shè)置 在成形件加工時(shí)的起始點(diǎn)，即完成成形前的對(duì)刀工作。為確保在加工過程中抬 刀時(shí)刀具不會(huì)與夾具碰撞，在成形時(shí)必須設(shè)置安全平面，其高度應(yīng)大于夾具上 壓板的高度，此處安全平面高度設(shè)為 15mm。 單點(diǎn)增量成形是以走等高線的形式進(jìn)行成形，所以進(jìn)行工序創(chuàng)建時(shí)，選

51、取 等高層進(jìn)給銑削（ZLEVEL）進(jìn)行工序創(chuàng)建，并選用已創(chuàng)建的成形工具，對(duì)已創(chuàng) 建幾何體采用精銑(MILL_FINISH)的方式進(jìn)行成形。選取成形件內(nèi)表面為切削區(qū) 域，進(jìn)行刀軌輸出設(shè)置，在最大距離選項(xiàng)中設(shè)置層進(jìn)給量，在切削參數(shù)中設(shè)置 進(jìn)刀方式，在進(jìn)給率和速度中設(shè)置進(jìn)給速度，完成各項(xiàng)設(shè)置后便可生成成形軌 跡，如圖 3-8 所示。 圖 3-8 刀路軌跡 3.2.3 后處理 NC 程序的生成 UG 中帶有的后處理器可以生成不同數(shù)控系統(tǒng)所需的 NC 代碼，本文選用的 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為 HASS-VF 加工中心，采用 HASS 三軸銑床的后處理器進(jìn)行程序

52、生成。 由于 UG 在理想加工條件下生成 G 代碼，有許多不必要的指令（如冷卻、換刀）， 故在實(shí)際加工過程中 UG 生成的 NC 代碼不可直接運(yùn)用到數(shù)控機(jī)床中，在使用前 必須要經(jīng)過相應(yīng)的修改，刪除不必要的指令，同時(shí)為了符合單點(diǎn)增量成形軌跡， 還需增加一個(gè)刀補(bǔ)指令，修改前后的指令如圖 3-9 和 3-10 所示。將修改后的程 序拷貝到機(jī)床內(nèi)存中即可進(jìn)行單點(diǎn)增量成形。 圖 3-9 修改前的 G 代碼 圖 3-10 修改后的 G 代碼 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型驗(yàn)證 不同參數(shù)成形實(shí)驗(yàn)得到的成形如圖 3-11 所示。 (a) Q235 D12 Z1a45

53、 (b) AL D12 Z1a45 (c) AL D12 Z1a34 (d) AL D8 Z0.5a63 圖 3-11 不同參數(shù)的成形制件 為驗(yàn)證有限元模型的正確性，保持其余工藝參數(shù)和仿真模型一致的情況下 測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的變形力，得到的結(jié)果如圖 3-12 所示。 圖 3-12 變形力變化曲線 同樣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 5 次，取每層軌跡上變形力的均值，如圖 3-13 所示。 圖 3-13 重復(fù)性實(shí)驗(yàn) 取 5 次成形實(shí)驗(yàn)變形力的平均值，計(jì)算得到不同層數(shù)下，軸向變形力如表 3-1 所示。 表 3-1 不同層數(shù)的成形力

54、層數(shù) 軸向力（N） 層數(shù) 軸向力（N） 1 561 18 1829 2 681 19 1798 3 1150 20 1850 4 1256 21 1857 5 1490 22 1878 6 1601 23 1847 7 1640 24 1839 8 1678 25 1829 9 1683 26 1866 10 1730 27 1868 11 1753 28 1839 12 1798 29 1876 13 1815 30 1856 14 1780 31 1829 15

55、 1828 32 1858 16 1799 33 1839 17 1839 將實(shí)驗(yàn)得到的成形力結(jié)果同有限元仿真得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，所得結(jié)果如 圖所示。從圖 3-14 可以看出仿真得到的軸向力隨圈數(shù)的變化曲線同實(shí)驗(yàn)得到的 軸向力隨圈數(shù)的變化曲線基本重合，最大誤差為 7.49%，說(shuō)明上章節(jié)所建立的 單點(diǎn)增量成形過程的有限元模型可以較好的模擬成形過程。 圖 3-14 實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比 4 單點(diǎn)增量成形夾具設(shè)計(jì) 目前，板料漸進(jìn)成形技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，壓緊板料的上下壓板主要采 用螺栓或壓扣等需人工輔助方式連接，這不僅影響加工的效率還不利于零件成 形的自動(dòng)化

56、生產(chǎn)。 根據(jù)之前單點(diǎn)增量成形過程變形力的研究可知，成形過程的變形力相比沖 壓成形小很多，一般在 3000N 以內(nèi)，因此在設(shè)計(jì)自動(dòng)化夾具時(shí)可以去掉傳統(tǒng)夾 具中的螺栓連接，利用壓扣即可對(duì)板料進(jìn)行固定，為了使夾持更加穩(wěn)固，應(yīng)盡 量增加夾持壓扣的數(shù)量。 綜上所述，本文設(shè)計(jì)一種單點(diǎn)增量成形用板料自動(dòng)夾持裝置，其目的是改 變?cè)趩吸c(diǎn)增量成形過程中，板料的裝夾和卸載需要手動(dòng)操作的現(xiàn)狀。降低板料 單點(diǎn)增量成形在非加工的時(shí)間。提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、安全的板料自 動(dòng)壓緊漸單點(diǎn)增量成形裝置。該裝置還可用于對(duì)壓緊力沒有特殊要求的其它加 工領(lǐng)域。 最終的設(shè)計(jì)方案包括工業(yè)機(jī)器人、支撐板、伺服電機(jī)、螺旋升降器、螺

57、紋 住、導(dǎo)柱、下壓板、定位塊、上壓板、直桿、杠桿、三角支架、通桿、連接桿、 滑塊、直線導(dǎo)軌、 單作用氣缸、凸模、鎖緊扣，圖 4-1 為板料單點(diǎn)增量成形自 動(dòng)壓緊夾具的主視圖；圖 4-2 是板料單點(diǎn)增量成形自動(dòng)壓緊夾具的側(cè)視圖；圖 4-3 板料單點(diǎn)增量成形自動(dòng)壓緊夾具的上壓板工作示意圖。圖中，1.支撐板，2. 伺服電機(jī)，3.螺旋升降器，4.螺紋柱，5.導(dǎo)柱，6.下壓板，7.定位塊，8.上壓板， 9.直桿，10.杠桿，11.三角支架，12.通桿，13.連接桿，14 滑塊，15. 直線導(dǎo)軌， 16. 單作用氣缸，17.凸模，18.鎖緊扣。利用三維軟件 Solidworks 建立單點(diǎn)增量 成

58、形夾具的三維裝配圖如圖 4-4 所示。 5 圖 4-1 板料單點(diǎn)增量成形自動(dòng)壓緊夾具的主視圖 5 6 8 11 4 2 3 14 15 13 12 10 1 18 17 圖 4-2 板料單點(diǎn)增量成形自動(dòng)壓緊夾具的側(cè)視圖 9 成形區(qū) 圖 4-3 板料單點(diǎn)增量成形自動(dòng)壓緊夾具的上壓板工作示意圖 圖 4-4 成形夾具的三維裝配圖 在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)可行性模擬證明其夾具的可行

59、性，如圖 4-5 所示 分別為夾具的開合狀態(tài)，可以看出所設(shè)計(jì)夾具能夠滿足的板料裝夾需求。 （a）夾具閉合狀態(tài) （b）夾具開合狀態(tài) 圖 4-5 成形夾具的運(yùn)動(dòng)可行性模擬 具體的技術(shù)方案是使用工業(yè)機(jī)器人布局于成形裝置與載料盤之間，通過吸 盤將板料轉(zhuǎn)移到成形裝置上。零件成形結(jié)束后，通過吸盤將成形件取出，支撐 板固定在機(jī)床上，是成形夾具裝置的載體。伺服電機(jī)為下壓板的升降提供動(dòng)力 來(lái)源，伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過螺旋升降器和螺旋柱轉(zhuǎn)化成下壓板的升降運(yùn)動(dòng)。 螺旋升降器是伺服電機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成下壓板升降運(yùn)動(dòng)的中間裝置。螺旋柱是 供螺旋升降器將伺服電機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成下壓板升降運(yùn)動(dòng)的中間

60、裝置。導(dǎo)柱用 于保證下壓板升級(jí)過程穩(wěn)定的裝置。定位塊固定在下壓板上，是板料定位的裝 置。下壓板用于板料的支撐和上壓板操作涉及裝置的支撐平臺(tái)，上壓板實(shí)現(xiàn)抬 起和下壓的操作，直桿用于上壓板和杠桿的連接，杠桿借助三角支架是實(shí)現(xiàn)杠 桿工作，使得上壓板能抬起和落下，三角支架供杠桿起支點(diǎn)作用，通桿與杠桿 連接，給杠桿提供動(dòng)力，連接桿在滑塊與通過之間起連接作用，滑塊安裝在直 線滑軌上，連接在單作用氣缸的伸縮桿生，將單作用氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)通過桿件 轉(zhuǎn)化成上壓板的抬起和落下運(yùn)動(dòng)。直線導(dǎo)軌固定在下壓板上，作為滑塊運(yùn)動(dòng)的 導(dǎo)向裝置，單作用氣缸與直線導(dǎo)軌滑塊連接，滑塊與桿件連接，桿件與上壓板 連接的方式，實(shí)現(xiàn)上壓板抬起

61、和下壓的操作，凸模是板料漸進(jìn)成形過程需要的 模具，其通過卡槽和鎖緊扣固定到支撐板上，鎖緊扣用于限定凸模在支撐板水 平方向的運(yùn)動(dòng)。 成形夾具具體的實(shí)施方案是：支撐板 1 固定的伺服電機(jī) 2 與螺旋升降器相 連，將伺服電機(jī) 2 的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成螺紋柱 4 的運(yùn)動(dòng)，螺紋柱 4 與上壓板 6 連接， 上壓板 6 的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)通過導(dǎo)柱 5 保證。上壓板 6 上的定位塊 7 用于板料轉(zhuǎn)載過 程的定位，與下壓板一同夾持板料的是上壓板 8，上壓板上焊接直桿 9，直桿 9 與杠桿 10 使用雙墊片和螺母連接。上壓板 8 的抬起與落下由起支點(diǎn)作用的三 39 角支架 11 和杠桿 10 根據(jù)杠桿原理實(shí)現(xiàn)

62、。杠桿 10 與通桿 12 連接，通桿 12 與 連接桿 13 固定，連接桿 13 與滑塊 14 使用雙頭螺桿連接，滑塊 14 在直線導(dǎo)軌 15 上滑動(dòng)，直線導(dǎo)軌 15 使用螺釘固定在下壓板 6 上，滑塊 14 連接單向作用氣 缸 16 的伸縮桿，單作用氣缸 16 的伸縮動(dòng)作通過滑塊 14、連接桿 13、通桿 12 和杠桿 10 連接共同作用實(shí)現(xiàn)上壓板 8 與下壓板 6 對(duì)板料的夾持操作。凸模 17 安裝在支撐板 1 上，通過配合槽和鎖定扣 18 固定，凸模 17 在漸進(jìn)成形中可根 據(jù)不同的成形件形狀可進(jìn)行更換。 板料的裝夾過程需要一臺(tái)機(jī)器手臂將待加工板料從物料區(qū)取出，夾具裝置 成

63、形區(qū)沒有板料和上壓板抬起的情況下，機(jī)械手臂按照設(shè)計(jì)的動(dòng)作將夾持的板 料放到下壓板 6 和上壓板 8 之間的成形區(qū)，機(jī)械手臂移除本發(fā)明裝置區(qū)域，定 位塊對(duì)板料進(jìn)行定位，單作用氣缸 16 伸出，上壓板 8 下壓實(shí)現(xiàn)對(duì)板料的加緊。 成形夾具中使用了 8 個(gè)單作用氣缸 18 和 8 個(gè)電磁換向閥及 2 個(gè)伺服電機(jī)，PLC 控制器作為成形夾具的控制單元被應(yīng)用于伺服電機(jī) 2 轉(zhuǎn)速的控制，伺服電機(jī) 2 的轉(zhuǎn)速確定下壓板 6 的升降速度。 結(jié) 論 單點(diǎn)增量成形夾具是單點(diǎn)增量成形過程中必不可少的一種工藝設(shè)備，其作 用是將板料固定于工作臺(tái)面，以便于成形的可操作性。該夾具裝置的設(shè)計(jì)必須 滿足工藝

64、要求，最終滿足產(chǎn)品的形狀、尺寸和精度的要求，夾具裝置的質(zhì)量直 接影響成形制件的表面質(zhì)量、尺寸精度等，產(chǎn)品的質(zhì)量。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行的是成形夾具的設(shè)計(jì)，利用理論計(jì)算、有限元仿真 和成形實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，得到成形過程變形力的變化規(guī)律；研究了工藝參數(shù)： 成形角、層間距、板料厚度及工具頭直徑對(duì)變形力的影響規(guī)律，得到成形過程 中的最大變形力；根據(jù)最大變形力設(shè)計(jì)了單點(diǎn)成形自動(dòng)裝夾夾具，繪制二維和 三維裝配圖，進(jìn)行了夾具可行性驗(yàn)證；最后具體介紹了夾具的工作原理和操作 方法。 本設(shè)計(jì)為單點(diǎn)增量成形夾具的設(shè)計(jì)提供了一種方法，改變?cè)趥鹘y(tǒng)單點(diǎn)增量 成形過程中，板料的裝夾和卸載需要手動(dòng)操作的現(xiàn)狀，降低板料單點(diǎn)

65、增量成形 的非加工時(shí)間，同時(shí)該裝置不僅適用板料單點(diǎn)增量成形還可用于對(duì)壓緊力沒有 特殊要求的其它加工領(lǐng)域。 致 謝 在本科生畢業(yè)論文即將完成之際,我想向曾經(jīng)給我?guī)椭椭С值睦蠋煛W(xué)長(zhǎng) 和好朋友們表示衷心的感謝。本論文的研究工作是在導(dǎo)師姚梓萌老師的親切關(guān) 懷和悉心指導(dǎo)下完成的。 在學(xué)習(xí)和論文研究期間，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敏銳的洞察力和對(duì)學(xué)生的 高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，使我在學(xué)術(shù)上和思想上受到許多的啟迪，讓我畢生難忘。老 師的殷切指導(dǎo)，孜孜不倦的精神也讓我受益匪淺。值此論文完成之際，向姚老 師表示崇高的敬意和衷心的感謝！ 最后，我要感謝我的父母，他們對(duì)我的關(guān)懷和鼓勵(lì)，讓我朝自己的理想去 奮斗

66、！在此，我送上我最美好的祝福，我會(huì)以我的成績(jī)給他們一份滿意的答卷。 謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給我親愛的家人及我的老師、同學(xué)和朋友們。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 李明哲, 付文智, 依卓. 板料柔性成形技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 鍛造與沖壓, 2016(14):20-24. [2] 朱勝. 柔性增材再制造技術(shù)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(23):1-5. [3] 張 偉 , 朱 虎 , 楊 忠 鳳 . 金 屬 板 材 單 點(diǎn) 漸 進(jìn) 成 形 技 術(shù) 的 研 究 進(jìn) 展 [J]. 工 具 技 術(shù),2009,43(5):29-33. [4] Jeswiet J. Asymmetric Incremental Sheet Forming[J]. Advanced Materials Research, 2005, 522(6): 35-58. [5] 宋修成, 陸彬, 陳軍. 基于預(yù)拉伸與數(shù)控漸進(jìn)成形復(fù)合的轎車翼子板樣件制造技術(shù) [J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 47(5):754-759 [6]