直壁件数控渐进成形厚度均匀化研究.pdf

试验研究andNo.7,2023ManagementMechanicalDevelopment2023年第7 期Total243机械管理开发总第2 4 3期D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.008直壁件数控渐进成形厚度均匀化研究赵欣琦，张博文，韩文浩，张敬东，朱虎（沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁沈阳110136)摘要：针对直壁件的传统数控渐进成形存在的厚度减薄大和分布不均的问题，提出了将待成形板料水平下移和倾斜下移相结合的直壁件二道次成形方法，即第一道次成形采用板料水平平行下移方式，第二道次成形采用板料倾斜平行下移方式。建立了各中间道次成形模型和生成各道次成形轨迹，并采用ANSYS软件对比分析了传统多道次渐进成形和提出方法的成形件厚度分布情况。结果表明，提出方法的直壁件成形质量优于传统多道次成形方法。关键词：数控渐进成形；多道次成形；直壁件；厚度；均匀化中图分类号：TG335.5文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3X(2023)07-0023-030引言金属板料数控渐进成形技术是一种融合了分层制造思想、塑性成形技术和数控加工技术的新兴板料柔性成形技术 1,具有无模成形、高柔性、低周期的特点，在航空、汽车和船舶等制造业具有广阔的应用前景,成为国内外科学研究的热点 2-3。传统数控渐进成形技术是将三维数字模型沿高度方向分解成一系列二维等高线层，挤压工具围绕二维等高线，沿竖直向下方向挤压板料，使其水平下移，并逐点发生塑性变形，进而渐进地制造出板材件 4 ,其工艺特征是板料在挤压工具的竖直向下挤压下水平下移。目前,直壁件成形是数控渐进成形的难点和瓶颈 5 。由于直壁件的成形角远大于成形极限角，因此传统单道次渐进成形无法成形出直壁件，而传统多道次渐进成形也存在阶梯状特征、厚度减薄大和分布不均的问题 6 。为此，本文研究了待成形板料水平下移和倾斜下移相结合的直壁件多道次成形方法。1提出的直壁件多道次成形方法本文采用如图1所示的直壁件为研究对象，说明所提出的板料水平下移和倾斜下移相结合的直壁件多道次成形方法。该模型最大直径为12 0 mm，深度为20mm,侧壁倾斜角为7 5。本文通过合理规划多道次成形的轨迹，使板料水平平行下移和倾斜平行下移，进而控制材料的流动和再分配来实现直壁件的无破裂成形和改善厚度分布。具体成形策略是采取二道次成形策略来成形加工直壁件，如图2 所示。首先，进行第一道次成形，即利用水平的等高线轨迹，对板料进行成形加工，使板料水平平行下移，成形加工出倾斜角为4 5 的圆台型模型；然后，进行第二道次成形，即利用等高线轨迹对圆台型模型的侧壁进行成形加工，使板料倾斜平行下200.1201-1二维图1-2三维模型图1直壁件（单位：mm）板料第一道次成形第二道次成形图2二道次成形策略移，最终成形加工出直壁件。2各道次成形轨迹生成2.1第一道次成形轨迹生成首先，利用UG软件，根据图2 所示的成形策略，生成倾斜角为4 5 的圆台型模型，即第一道次成形模型,如图3-1所示。然后，利用UG软件按三轴数控轮廓铣削加工方式生成如图3-2 所示的等高线轨迹：选择直径为10 mm的球头工具，等高线层间距、进给速度和主轴转速分别设定为0.5 mm、9 0 0 m m/m i n 和700 r/min。2.2第二道次成形轨迹生成首先，利用UG软件，根据图2 所示的成形策略，生成第二道次成形模型。由于第二道次成形是在第一道次成形基础上再成形，所以以第一道次成形模型为基础，需要建立一些中间道次成形模型。这些中间道次成形模型的成形区域表面都应平行于第一道次成3-1第一道次成形模型3-2生成的等高线轨迹图3第一道次成形轨迹生成收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 0基金项目：沈阳航空航天大学大学生创新创业训练计划项目（X202110143025）第一作者简介：赵欣琦（2 0 0 1一），男，辽宁朝阳人，沈阳航空航天大学本科在读。通信作者：朱虎（19 6 4 一），男，黑龙江密山人，博士研究生，任沈阳航空航天大学教授，研究方向为数字化设计与制造24第3 8 卷机械管理开发形模型的凹面（如图4-1所示）,并为相邻两个中间模型的间距,中间模型的个数为H/hcos0,这里取 h=1mm,每个中间模型的成形层高度为cosH-nh/cos，其中n=1,2,3，第一个中间模型的成形层的顶层高度应设置为(H-h)/cos。本研究对于如图1所示的直壁件模型，共生成了13个中间道次成形模型，如图4-2所示为所建立的中间道次成形模型之一。工4-1板料姿态4-2中间道次成形模型之一图4第二道次成形然后，利用UG软件，按三轴数控轮廓铣削加工方式，对每个中间模型生成如图5 所示的13个等高线轨迹，选择直径为10 mm的球头工具，等高线层间距、进给速度和主轴转速分别设定为1mm、7 0 0mm/min 和 6 5 0 r/min。图5第二道次成形轨迹3成形过程有限元数值模拟分析为了分析板料水平平行下移和倾斜平行下移相结合的直壁件多道次成形中直壁件厚度分布情况，采用ANSYS/LS-DYNA软件进行了数值模拟分析，对比分析了传统多道次渐进成形（板料水平平行下移的二道次渐进成形，如图6 所示）和本文所提方法如图2所示对成形件厚度分布的影响。传统二道次成形中第一道次成形和第二道次成形都采用4 5 成形角和板料水平平行下移方式，如图7 所示。图6传统二道次成形策略原始料板第一道次成形第二道次成形图7传统二道次成形流程单元类型定义中，支撑模和工具头采用SOLID64网格单元，由于板料厚度小于2 mm，所以采用shell163单元。支撑模网格尺寸设定为4，板料和工具头网格尺寸设定为1.5，其网格模型如图8 所示。板材选用长、宽、厚度为2 0 0 mm200mm1mm的10 6 0铝板，其力学性能参数如表1所示。支撑模和工具头都设定为刚体。板料和工具头接触类型为Nodes tosurface，板料和支撑模接触类型为Surfaceto surf。板料和支撑模的四周全部固定，约束工具头围绕X轴、Y轴、Z轴旋转，其约束模型如图9 所示。利用有限元分析后处理软件LS-PrePost,对数值模拟结果进行后处理，得到基于传统多道次成形和本文所提方法的直壁件数值模拟模型，如图10 所示。采用传统多道次成形方法得到的数值模拟模型底部有明显的一圈环形“凸起”，而基于本文所提出方8-1支撑模8-2板料8-3工具头图8网格划分模型表1材料力学性能参数密度！弹性模量屈服应力切线模量材料泊松比硬化系数(kg/m)/CPa/MPa/CPa1060铝270055.940.324153.62.90.1989-1支撑模约束9-2板料约束9-3工具头约束图9约束模型10-1传统多道次10-2本文所提方法图10数值模拟模型上接第2 2 页:tsSt（编辑：王婧）25赵欣琦，等牛数控渐进成形厚度均匀化研究2023年第7 期法得到的数值模拟模型底部平整无凸起。如图11所示为基于传统多道次成形和本文所提方法的数值模拟模型厚度分布云图，其中基于传统多道次成形方法的厚度分布区间为0.2 2 33 1.0 12 0 mm，而基于本文所提方法的厚度分布区间为0.36 8 9 0.9 9 9 7 mm。通过比较两种数值模拟模型的厚度分布云图可知，本文所提方法的成形件厚度分布区间较比传统多道次成形方法更小，最大、最小厚度差异更小，因而更均匀。厚度/mm厚度/mm1.012e+009.997e-019.327e-0L9.367e-01J8.639e-018.736e-017.751e-018.105e-016.962e-017.474e-016.174e016.843e-016.386e-01J6.212e-014.598e-015.581e-013.810e-014.950e013.021e-014.320e-012.233e-013.689e0111-1传统多道次成形11-2本文所提方法图11厚度分布云图如图12 所示为基于传统多道次成形和本文所提方法的数值模拟模型厚度减薄率分布云图，基于上述两种成形方法的厚度减薄率分布区间分别是2.0 2 8%77.56%和1.5 31%6 2.5 4%。通过比较两种数值模拟模型的厚度减薄率分布云图可知，本文所提方法的成形件厚度减薄幅度比传统多道次成形方法更小。4结语为了解决直壁件数控渐进成形中厚度分布不均的问题，本文研究了将待成形板料水平下移和倾斜下移相结合的直壁件二道次成形方法。研究除了能够使板料倾斜平行下移的各中间道次模型构建方法和成6.254e+017.756c+015.613e+016.960+016.164e+01元4.973e+014.332e+015.368e+01_4.572c+01_3.691e+013.776e+01_3.050e+01_2.981e+01_2.410e+012.185e+01_1.769e+011.389e+01-1.128e+015.931e+004.876e+00-2.028e+001.531e+0012-1传统多道次成形12-2本文所提方法图12厚度减薄率（%）分布云图形轨迹生成方法。研究结果表明，与传统多道次渐进成形方法相比，本文所提出方法成形出来的直壁件厚度分布更加均匀，且成形后直壁件底面无环形凸起。参考文献1莫健华，韩飞.金属板材数字化渐进成形技术研究现状 J.中国机械工程，2 0 0 8,19（4)：4 9 1-4 9 7.2Leacock A G.The future of sheet metal forming research J.Materialsand Manufacturing Processes,2012,27(4):366-369.3李燕乐，陈晓晓，李方义，等.金属板材数控渐进成形工艺的研究进展 J.精密成形工程，2 0 17,9(1)：1-8.4Duflou J R,Habraken A M,Cao J,et al.Single point incrementalforming:state-of-the-art and prospects J.International Journal ofMaterial Forming,2018,11(6):743-773.5Vignesh G,Pandivelan C,Narayanan C S.Review on multi-stage in-cremental forming process to form vertical walled cup J.MaterialsToday(Proceedings),2020,27(3):2297-2 302.6Behera A K,Sousa R A De,Ingarao G,et al.Single point incrementalforming:An assessment of the progress and technology trends from2005 to2015JJ.Journal of Manufacturing Processes,2017,27:37-62.udy on Thickness Homogenization of CNC Progressive Forming of Straight-Walled PalZhao Xinqi,Zhang Bowen,Han Wenhao,Zhang Jingdong,Zhu Hu(School of Mechanical and Electrical Engineering,Shenyang University of Aeronautics and Astronautics,Shenyang Liaoning 110136,China)Abstract:To address the problems of large thickness reduction and uneven distribution in the conventional CNC progressive forming ofstraight-walled parts,a two-pass forming method combining horizontal and inclined downward movement of the sheet to be formed wasproposed:i.e.the first pass was formed by horizontal parallel downward movement of the sheet,and the second pass was formed by inclinedparallel downward movement of the sheet.The forming model of each intermediate pass was established and the forming trajectory of eachpass was generated,and ANSYS sofware was used to compare and analyse the thickness distribution of the formed parts between theconventional multi-pass progressive forming and the proposed method.The results of the finite element analysis show that the formingquality of the straight-walled parts of the proposed method is better than that of the conventional multi-pass forming method.Key words:CNC progressive forming;multi-pass forming;straight-walled parts;thickness homogenisationOptimisation of Cyclone Centrifugal Concentration Process ParametersXu Da(Huayang Xinjing Mine Coal Washing Plant,Yangquan Shanxi 045000,China)Abstract:In order to solve the impact of improper disposal of coal mine tailings on the environment and ecological balance,it is urgent to realizethe resource utilization of tailings.Based on the analysis of the basic structure of hydrocyclone and the concentration process,a test device wasdesigned to verify the concentration effect of cyclone,and the influence of feed pressure,feed concentration,bottom flow diameter and overflowdiameter on the concentration effect of cyclone was investigated to arrive at the process parameters for the best concentration effect.Key words:cyclone;concentration effect;feed pressure;feed concentration;bottom flow diameter