不需要模具就能形成你想要的三维几何形状?

   自动化那些事        

增量板料成形(ISF)是一种无模成形工艺,能够形成复杂的三维几何形状。双面增量成形(DSIF)是ISF最灵活的变体,因为它使用两种工具,一种工具在板材的两边(一种工具形成板材,其他工具作为支撑)。然而,形成具有可接受精度的零件是一个挑战,因为它取决于许多因素,如板材和刀具的挠度以及机床误差。


如果这些偏差在刀具路径上没有得到补偿,则会影响零件的精度,支撑刀具在成型时可能会失去接触或挤压板材。该研究采用基于网格的方法对工件包线离散点进行机床误差测量。为提高机床精度和支撑刀面接触条件,利用早期开发的刀板挠度补偿方法,补偿了机床在刀位路径上的误差。本文以“Enhancement of accuracy in double sided incremental forming by compensating tool path for machine tool errors”为题于2020年10月8日发布于《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》杂志上。


研究背景


增量板料成形(ISF)是一种无模成形工艺,能够形成复杂的三维几何形状。双面增量成形(DSIF)是ISF最灵活的变体,因为它使用两种工具,一种工具在板材的两边(一种工具形成板材,其他工具作为支撑)。然而,形成具有可接受精度的零件是一个挑战,因为它取决于许多因素,如板材和刀具的挠度以及机床误差。


如果这些挠度和偏差在刀具路径上没有得到补偿,则会影响零件的精度,支撑刀具在成型时可能会失去接触或挤压板材。该研究采用基于网格的方法对工件包线离散点进行机床误差测量。为提高机床精度和支撑刀面接触条件,利用早期开发的刀板挠度补偿方法,补偿了机床在刀位路径上的误差。


为了证明所开发的方法在精度上的有效性,对具有不同几何特征和开口尺寸的零件进行了加工,并对加工路径误差进行了补偿和不补偿。结果表明,同一轮廓线的对称偏差由850偏度m减小到40偏度m以下。此外,当机床误差得到补偿时,支撑工具在整个支撑面保持接触,最大力为50n。


图为ISF变体原理图(a)SPIF(b)DSIF


该研究在自行设计的DSIF机上形成了大尺寸零件。结果表明,即使采用片材补偿和刀具偏转补偿,支撑工具也失去了接触。这主要是由于机床误差造成的。


众所周知,任何机床的精度都将取决于它能否将刀具移动到所需的位置,这在很大程度上受到机床部件几何形状的误差的制约。因此,为了改善支撑工具的接触条件,在工作包线中的几个网格点测量了由静态载荷(即机械元件)引起的机床误差。利用测量数据建立回归模型,生成机床误差补偿轨迹。


刀尖距离主轴支架的z方向约2200毫米.在利用工具和薄板挠度补偿形成大型零件时,观察到支撑工具在部件的某些区域失去了接触。为了了解原因,使用激光系统在空载条件下对x方向和y方向上的工具之间的对齐进行了监视(因为它们是独立控制的)。


观察到,x和y方向的对准误差很小。然而,工具正向z方向走去或越来越近。在此基础上,得出结论:对于该研究中使用的DSIF机床来说,机床部件的相关误差只在z方向上有相当大的影响。


图中aDSIF机CAD模型b固定在机架上的玻璃板示意图c放大DSIF机d示意图显示DSIF机床的机床误差e刻度盘规固定在主轴上测量机床误差f, g空间坐标(x,y)下刀具-1和刀具-2机床误差的变化


图为aISF的主要方向b成形工具力


图为a图示显示由于径向力而向内偏转的成形工具b假定为悬臂的工具


在ISF中,工具将在预先定义的路径中连续移动,在周边夹紧板上施加局部变形。板料在成形过程中的弹性恢复,以及在板料回弹成形后工具被收回时的弹性恢复。



图为aISF中的弹性恢复原理图b预测薄板挠度的参数


图为用于工具-1和工具-2的补偿方法示意图


一旦对刀具轨迹进行补偿,壁角就会增大,而成形力又会随之增大。因此,利用增加的壁面角迭代地重新计算挠度。但是,第一次迭代的最大挠度变化在20μm以内,因此只需一次迭代就可以生成补偿的刀具路径。


首先,对z方向的机床误差进行了测量,建立了各机床误差的经验模型。通过对零件CAD模型的切片,生成零件的几何刀具路径。用工艺参数和板材材料性能估算成形力。利用计算的力、工艺参数和板材材料特性估计工具和薄板的挠度。最后,对机床误差、刀具和薄板偏差进行补偿,得到补偿后的刀具轨迹。


图为表示生成补偿工具路径所遵循的过程的流程图


为了验证机床误差补偿方法的有效性,在机床误差补偿的基础上,形成了各种不同零件开口的几何形状(轴对称、非对称自由形状)。采用厚度为0.8 mm、刀具直径为12.7mm、增量深度为0.5mm的铝(Al 8011)片材。


图为开口直径260 mm的变壁角元件aCAD模型与几何参数b剖面比较c轮廓误差d无补偿e薄板和刀具挠度补偿f薄板、刀具挠度和机床误差补偿g支承工具轴向力


在形成大型零件时,机床元件必须穿越很远的距离,因此机床误差的幅度有可能增加。因此,选择开口尺寸为640 mm(沿主轴方向)的椭圆开口自由形几何,证明了所提出的挠度补偿方法对大型构件的适用性。


图为最大开口为640 mm的椭圆开口自由形状构件aCAD模型与几何参数b测量截面c刀具路径d, f剖面比较e, g轮廓误差h无补偿i薄板和刀具挠度补偿j薄板、刀具挠度和机床误差补偿k支承工具轴向力


图为椭圆开口最大开口为640 mm的非对称自由形状构件aCAD模型与几何参数b测量截面c刀具路径d, f剖面比较e, g轮廓误差h, i无补偿j, k薄板、刀具挠度和机床误差补偿l支承工具轴向力


通过实验验证了所提出的补偿方法的鲁棒性。DSIF中的两个工具将根据正在形成的特性改变它们的角色(形成为支持,反之亦然)。显示了为该研究选择的自由形几何中的两个特征,它们是使用与初始板面平行的平面来识别的。


图中显示了使用和不使用补偿工具路径的元件的测量轮廓与理想轮廓的比较。显示了采用无补偿刀具路径形成的零件,可以清楚地看到支撑工具在形成圆角区域后失去了接触。当用补偿工具路径成形时,支撑工具在整个组件中保持接触。成形工具上的力从265 N变化到310 N,支撑工具力从18 N变化到47 N,平均力为35 N,因此不挤压纸张。


研究结论


ISF元件的精度主要受刀具、板材挠度和机床误差的影响。在使用DSIF成形大型零件时,补偿刀具和板材的挠度显著提高了精度。但是,由于机床误差,支持工具没有保持整个部件的接触。


在目前的工作中,测量了机床误差,并根据刀具和板材的挠度进行补偿,以确保支撑刀具正确接触而不挤压。结果表明,适当的支撑刀与板材接触可以提高支撑精度。不同的几何形状(轴对称、不对称自由形、多重特征)的最大误差为1毫米使用板材、刀具挠度和机床误差补偿刀具路径。


保持整个部件在支撑侧的接触是非常必要的,以实现有利的残余应力在DSIF可获得的优势。虽然机床相关误差的大小远远小于板的挠度,但对机床相关误差的补偿可以使支撑刀具正确接触。使用适当的工具和工艺设计来获得工程残余应力分布的工作正在进行中。


参考文献:P. Konka, R. Lingam, U. A. Singh, CH. Shivaprasad & N. V. Reddy Enhancement of accuracy in double sided incremental forming by compensating tool path for machine tool errors  The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 1187–1199(2020)




最新评论(0)条评论
取消

还没有人评论哦,抢沙发吧~

相关新闻推荐