增量成型更经济

文章来源:MM《现代制造》 点击数:625 发布时间:2017-10-20
在板材成型加工中,深度拉伸工艺得到了广泛的应用。但是对于较小批量加工或样机生产来说,由于模具和工具以及设备的投入成本很大,因此板材成型加工并无经济性可言。鉴于这种情况,研究人员对一种可实现单个部件经济性生产的灵活性加工工艺进行了探索。
增量成型更经济

在板材增量成型(IBU)过程中,由CNC控制的半球形成型加工头把张紧着的板材逐步加工成为部件的外轮廓。对此,可以采用很简单的对模来达到目的,或者根据所需的不同几何外形,也可以不采用成型工具。

IBU是一种相对较新的工艺技术,在工业领域里尚未获得成熟的应用。过去,由于工艺技术所限,除了因板材回弹特性而影响到几何外形定型的精度之外,还存在着因板材变薄而造成板材壁倾角加工受限和加工时间较长的问题。为了解决此类加工受限的问题,RWTH Aachen大学可塑成型学院研发出了一种多工艺板材加工中心。这是一款五轴龙门铣床设备,它扩展出了四个各带有两根轴的拉形模块。此外,设备上还设有一台激光装置,它既可用于加热,也可用于切割。由此可以在一次装卡过程中结合和实现多种不同的加工作业:模具的铣削、拉伸、板材的增量成型、局部激光加热和切割。这种方法要比需要更换设备的制造工艺更加高效和节省时间。

图1  这种针对板材增量成型加工的五轴龙门铣床设备扩充了四个各带有两个轴的拉形模块

小批量制造允许采用成本更低的木质或塑料压模

为了能够加工弯曲方向不稳定的复杂几何外形,需要用到一种模具(压膜)。由于局部成型的冲压力很小,模具在小批量加工中的服务寿命并不是太关键,因此可以放弃采用较昂贵的钢质压膜,转为采用塑料或木质压膜。在设备上压膜可通过铣削聚氨酯泡沫或中等密度的木板(MDF)来制成。

在部件制造过程中,把拉形工艺与IBU相结合。通过对铣削模具的拉形,可以在很短的时间内生成一个大多已经很接近部件外形轮廓的预成型模具,余留的细节部位则可借助于IBU来完成,由此可以缩减增量成型面积和加工时间。

图2  拉形(左)和板材增量成型(右)的工艺组合示意图

此外,通过拉形工艺技术可以达到一种较为有利的应力状态,从而可以降低反向弹力并提高部件外形轮廓的加工精度。由于板材拉伸不受侧壁角度的影响,因此有时候也可以单纯采用IBU来加工较陡的外边缘。

在常温下的板材成型加工过程中,诸如钛合金或锰合金等难成型的材料对其构成了一种挑战。通过在多功能板材加工中心上配备激光装置,可以在成型加工之前对材料进行局部加热。在激光辅助的IBU设备上,成型模具被集成到一种专门为此开发的激光光学装置里。在前期阶段就已经被引到成型模具上的激光点可以通过温度测量和调节,对成型区域进行定向加热。除了加热功能之外,也可以在成型加工之前通过激光热处理手段,对材料进行局部定向软化处理,这样做有助于改善高强钢的可成型性能等。只需把加热光学功能转换到切割光学功能,即可在设备上实现对部件的激光切割。另外,除了在设备上对部件进行激光切割或铣削切割之外,还可以在相同的装卡步骤中实现其他的返工流程。借助于IBU可以进行折边和翻孔等操作。在此情况下,较之常规加工工艺而言,增量加工工艺的受限边界则会得到显著扩展。在增量折边时,凸缘长度与凸缘半径的比值可以加大到40倍。在进行增量翻孔时,扩孔比例(即可达到的凸缘直径与预冲孔直径之间的比值)可以增加一倍。

图3  增量翻孔(左):以A320维护盖板为基础、带有凸缘和折边边缘的的样件(右)的制造

板材增量成型加工突破了其工艺极限

通过把多种加工工艺组合到一个装卡流程之中并突破IBU目前加工极限的做法,产生了新的灵活的板材成型加工链。低成本的模具可以使得在上述设备上的样机生产和小批量生产要比常规成型工艺更具经济性。另一个优势便是从CAD模型设计到成品生产所需的时间很短,因此可以实现快速的产品开发和更早的市场占领。

最后,本文作者感谢德国EXC128卓越集群的“高人力成本国家集约型生产技术”研究促进会和德国联邦教育与研究部的“Sibuform”未来生产联合研究促进项目组(项目号:02PU2104)。