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1、数控渐进成形机床使用说明书南京航空航天大学1 数控渐进成形技术简介20世纪90年代，日本学者松原茂夫提出了一种金属板料成形新工艺2-3，即渐进成形技术。它采用了快速成形（Rapid Prototyping，RP）技术中“分层制造”(Layered Manufacturing，LM）的思想，将复杂三维钣金件的整体成形划分为按等高线分出的多个层加工，每个层上按照一定的轨迹成形，逐层加工出最后形状。成形过程中成形压头与板料局部接触,在成形压头作用力的作用下，接触点周围很小区域处于受压状态而发生塑性变形，在此层上按照一定的运动轨迹产生此层的加工形状，完成一层加工，成形工具下降到另一层继续加工直至完成加
2、工。渐进成形的原理就是靠逐次变形累积产生整体的变形，因此渐进成形又被称为单点渐进成形（Single Point Incremental Forming，SPIF），早期的文章中也有将之称为增量成形。数控渐进成形技术就是在数控渐进成形机床上，用一个刚性的压头来代替铣刀，通过数控来驱动压头运动。以数控的方式驱动渐进成形，可以使数控的优势在钣金件成形上发挥，零件加工的精度提高，加工便捷高效，可重复性较好。渐进成形分为负成形（NIF）与正成形（PIF）。负成形可以成形一些形状比较简单的零件，它不需要支撑模型，只需要简单的夹具即可。板料由夹具夹紧，然后成形压头按设定好的程序实现分层加工，每加工一层，成形
3、压头便下降一定距离，进行第二层的加工，如此直至结束，在加工过程中夹具夹紧板料始终不动。正成形方法中，需要支撑模型，支撑模型的轮廓形状要与所成形的零件的形状一致，在加工中起到支撑的作用，这种支撑模型与冲压成形中的模具有很大差别，它的精度要求不是很高，并且材料的选择上比较灵活。在这种成形方法中，首先要加工支撑模型，支撑模型加工完毕后再放上板料，与负成形所不同的是正成形中成形压头每走完一层的路径，托板都要带动板料与成形压头共同向下移动相同距离。数控成形装置主要由成形压头、导向装置（导柱、导套）、顶支撑模型、托板、夹具组成。见图1.1、1.2。图1.1 正成形示意图图1.2 负成形示意图通过此加工过程
4、我们可以看出，金属板料数控单点渐进成形技术具有以下特点：实现柔性制造，该技术不需要专用模具，成形简单零件不需要模具，只需要一些专用的简单夹具；成形复杂零件时，也只需要一个简单的支撑模型，并且这种支撑模型灵活性较高，国内外一般选择硬木作为支撑模型的材料，制作简单、表面精度要求也较低。因此，它与传统的成形方法相比，可以节省巨额的模具制造费用，对于航空航天领域等的多种小批量产品，家用电器等新产品的开发以及汽车新型样车试制等具有较大的经济价值和广阔的发展前景。重复性好，由于数控机床控制成形压头的运动，可以保证成形零件的重复性，可控制金属流动。快速原型制造技术与塑性加工技术有机结合，是金属钣金件成形的一
5、种快速原型制造技术，可以极大的降低产品特别是金属钣金原型件的制造成本和缩短开发及制造周期。实现数字化分层局部制造，可以把形状复杂的零件分成一系列的二维层进行加工，便于成形且修改方便。2 负成形相关工艺负成形工艺对设备和的要求都比较简单，在普通的三轴铣床上即可完成。该工艺可以快速成形出形状比较简单的零件，但无法加工出形状复杂的零件。2.1 设备的安装负成形需要的设备有：方箱、支撑板、压板、夹头和工具头。图2.1 负成形设备方箱在安装前要先将其与支撑板固定好，如果使用方形支撑板，加紧前要先打表，保证支撑板内壁与机床的X轴和Y轴平行。上述步骤完成后，先不要安装板料和压板，要先进行对刀。夹头安装在主轴
6、箱上的夹具上，然后将工具头安装在夹头上。2.2 对刀图2.2 负成形对刀示意图首先用工具头的侧面接触支撑板X方向的一个内表面，将数控系统的位移记录清零，然后接触X方向的另一个内表面，再向回移动工具头，按照数控系统的位移指示，将工具头的位置定在两个接触点的中间，此时工具头的位置便是X方向的零点。操作过程参照图2.2。按照同样的方法，找到Y方向的零点。安装好板料后，在成形区域的周边位置用工具头接触板料，即可找到Z方向的零点。找到X、Y、Z方向的零点后，在机床的数控系统中设置好加工坐标系的原点。2.3 UG建模及刀轨生成根据支撑板的形状和尺寸，在UG中建立适当的模型。建模过程中要注意尺寸和坐标系位置
7、的匹配，成形角度不要超过材料的最大成形极限角。进入UG加工模块，CAM加工配置选择cam_general，CAM设置选择mill_contour。创建操作后，选择ZLEVEL_PROFILE类型。 图2.3 负成形时刀轨类型选择将目标几何体设置为已经建立好的模型，设置好刀具的类型和尺寸。在渐进成形的刀轨生成中，工具头相当于铣削中的球头刀具。图2.4 刀具设置在进刀/退刀设置中将其方式设置为刀轴方向进退刀。图2.5 进刀退刀方式设置其他相关参数的设置与铣削相似，设置完毕后，经过后处理即可得到渐进成形需要的刀轨程序。图2.62.4 负成形加工删除掉程序中打开主轴的命令后，将其拷贝到机床上。在运行程
8、序前应在板料上涂抹润滑油，并将机床的速度增益调到最低，开启机床的自动运行模式，确定刀轨的开始阶段运行无误后，逐步增大机床的速度增益。成形时机床的进给速度参考为：10002000 mm/min。3 正成形相关工艺相对于负成形，正成形的精度有了很大的提高，且能够成形出形状极为复杂的零件。其工艺较为复杂，需要加工支撑模型，对设备也有了特殊的要求，机床要填加一个可以有程序控制升降的拖架。3.1 设备的安装负成形需要的设备有：代木毛坯、拖架、夹板、铣刀、夹头和工具头3.1.1 代木的装夹代木装夹前要先在其四个角上打好沉孔，沉孔的深度要保证在铣削时刀具不会于孔中的螺钉发生干涉。必要时，代木要进行适当的垫高
9、，防止成形时拖架与夹具发生干涉。3.1.2 拖架的安装拖架由4根带有螺纹纹孔的杆组成，使用时根据支撑模型的大小选择合适的孔将其安装好，安装到机床的升降拖架上。安装完毕后，上下移动机床拖架，保证无干涉发生。3.2 刀轨生成负成形中，刀轨与铣削中精加工的程序是一样的。但在正成形中，成形与精加工的刀轨略有不同。生成成形刀轨时，切削顺序一定要选择层优先。图3.1 正成形刀轨切削顺序设置成形刀轨生成完毕后，后处理程序可使用南京航空航天大学设计的后处理程序NUAA_G54_4X_POST，该后处理程序可以自动添加对机床升降拖架的控制。3.3 支撑模型的加工代木为比较容易切削的材料，其加工工艺比较简单。推荐
10、使用的工艺参数如下：主轴转速：8000 r/min;进给速度：10001500mm/min；刀具类型：粗加工平头刀，精加工球头刀；刀轨类型：粗加工ZLEVEL_FOLLOW_CAVITY，精加工ZLEVEL_PROFILE；粗加工切削方式：跟随周边。3.4 对刀支撑模型加工完毕后，在模型边缘用铣刀走出两个分别垂直于X轴和Y轴的平滑侧面，记录两个侧面的坐标，以方便为后面的成形工序对刀。图3. 正成形对刀安装好工具头后，可以使用已知直径的铣刀刀棒来进行X和Y方向的对刀，具体步骤如下：1) 将工具头移到与X轴垂直的侧面外侧，距离略大于刀棒直径；2) 将机床手持单元的速度调节旋钮调至X100档（0.1
11、 mm/格），转动手轮一小格，使工具头向支撑模型方向移动，并检查刀棒是否能从工具头和支撑模型间通过；3) 重复步骤2，直到刀棒不能通过，然后向后退回一小格；4) 将机床手持单元的速度调节旋钮调至X10档（0.01 mm/格），重复步骤2和步骤3；5) 将机床手持单元的速度调节旋钮调至X1档（0.001 mm/格），重复步骤2和步骤3；6) 计算此时工具头的X坐标为：对刀侧面坐标工具头半径，以此为据设置相对坐标系X方向的原点；7) 按照步骤1到步骤6设置Y方向的原点。Z方向对刀步骤如下：1) 在支撑模型上选取一块已知高度的平面区域，利用刀棒将工具头确定在一个特定高度；2) 拒此设置成形时相对坐标
12、系在Z方向的原点，注意相对于加工模型时，坐标系应在Z轴正方向上偏移板料厚度。正成形时升降拖架也要进行对刀。具体步骤如下：1) 将机床手持单元的轴选择旋钮旋至4档，旋转手轮使拖架上表面略高于支撑模型最高点。2) 将一平面度较高的物体（如等高铁）放在拖架上，缓慢相下移动拖架，带等高铁接触到支撑模型最高点后，继续相下移动2mm作为预拉量，将此时拖架的位置设置为零点。3.5 正成形加工将拖架上移一定高度，使其高于支撑模型最高点。安装好板料并吐沫润滑油。将拖架降到零点。将机床速度增益调节旋钮调至最低，开启机床的自动运行模式，确定刀轨的开始阶段运行无误后，逐步增大机床的速度增益。进给速度参考：1000 mm/min。附 录