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板材分层成形的力学分析 李庆莫健华邹建华’刘杰黄树槐 塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室 华中理工大学材料科学与工程学院快速成型中心 (中国，湖北，武汉，430074) 摘要： 板材分层成形工艺是近几年国际上刚刚开始研究的一种柔性加工工艺，该工艺不需要 专用模具，具有生产周期短、成本抵的优点，特别适合于小批量、多品种、复杂零件的生产， 其原理是根据零件的几何形状信息，对成形过程进行规划，编制控制程序，使板材按照一定的 轨迹逐层成形，最终达到所需的形状【l】。本文介绍了该方法的基本思想，成形过程以及工艺 的分析。对该方法来说要解决的关键问题就是原始板材按照什么样的变形次序达到最终的 形状，而对板材进行力学分析就成为解决问题的基础，本文对板材进行了初步的力学分析， 从而为制定工艺规程以及成形设备的调整准备条件。 关键词：柔性加工分层成形数控 ．、厶-—．1，‘ 日Ⅱ青 金属板材成形在制造业有着非常广泛的应用，但传统的工艺所需模具设计、制造周期 长费用高，难以适应小批量、多品种和样品试制的需要。而板材分层成形采用快速原型制 造(RapidPrototyping简称RP)技术“分层制造(Layered 杂的三维形状分解成一系YU-维层上局部地塑性加工，着重强调层作为加工单元的特点， 使得CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，无需一一对应的模具，零件的形状和结构也 相应不受约束。其工艺是用逐层塑性加工来制造三维形体，在加工每一层轮廓时都和前一 层自动实现光顺衔接，既可增加成形工艺的柔性，又可节省制造工装的大量成本。从原理 上看，本方法由于不是针对特定板壳零件采用模具一次拉伸成型，其可加工任意形状复杂 的工件，省去了产品设计过程中因模具设计、制造、实验修改等复杂过程所耗费的时间和 资金，极大地降低了新产品开发的周期和成本，所以对于飞机、卫星等多品种小批量的产品 以及用于汽车新型样车试制、家用电器等新产品的开发，都具有巨大的经济价值。而且本 方法所能成型的零件复杂程度比传统成形工艺高，它可以对板材成形工艺产生革’俞性的影 响，也将引起板壳类零件设计概念的更新。目前，对这种工艺的研究国内外刚刚开始，其 中日本的学者对该工艺进行了一些研究。 本文介绍了该方法的基本思想，成形过程以及工艺的分析。对该方法来说要解决的关 键问题就是原始板材按照什么样的变形次序达到最终的形状，而对板材进行力学分析就成 为解决问题的基础，本文对板材进行了初步的力学分析，从而为制定工艺规程以及成形设 备的调整准备条件。 一、板材分层成形的基本原理 如图1．a所示板材分层成形系统主要由移动工具头、导向装置、支撑座和机床本体组 成；移动工具头在数控系统的控制下进行三轴联动，支撑座起支撑板料的作用，对于形状复 邹建华武汉汽车工业大学力学教研室 205 成形过程如下：开始板料是平坦的，移动工具头下降一个步距，然后沿事先设定好的 ：轨迹运动，同时板料随压边圈一起下降一个相同步距：成形完一层后，移动工具头横向移 动一个步距，然后沿Z轴下降一个步距进行下一层的成形，如此循环直至获得最终零件． 这种成形工艺就称为板材分层成形，其结果使板料的厚度减薄，表面积增大． 图1．b显示通过移动工具头中心的X—z平面的投影，如图所示板料和移动工具头在A 点接触，在Y方向上板料开始弯曲然后被拉伸直至B点，通过这一点板料被成形，然后卸载． 图1．c为移动工具头的俯视图，在A点被弯曲，然后被拉伸直至到达BC线。 接触单元 加载 J 移动工具头 动方向 向 装置 (a)前视图