拉延加工件的厚度測量方法

拉延加工件的厚度測量方法

拉延加工是制造金屬材料的杯子、盒子、廚房水槽等產品的沖壓加工法。該加工被稱為沖壓加工中難度很高的加工方法，在加工期間由于應力和摩擦等，容易發生厚度誤差、破裂等不良。因此，在加工后必須測量工件厚度，檢查破裂、褶皺等缺陷。
因此，下面將說明拉延加工的主要類型以及拉延加工件的缺陷類型等。此外，還介紹接觸式測量方法存在的課題及解決方案。

■何謂拉延加工

拉延加工是將金屬板成型的沖壓加工的一種，成型產品由1塊板材（坯料）制成，呈無接縫、帶底的容器狀。
用凹模和壓邊圈夾住坯料，并將被稱為“沖壓模"的模具壓入，形成杯狀或盒狀。此時，壓入深度超過沖壓模半徑的加工稱為“深拉延"，由于坯料的材質和厚度等無法一次性壓入進行加工時，分數次壓入。
與需要切削、敲擊等加工的切削加工和鍛造加工等相比，拉延加工具有耗費工時少、可制作形狀復雜的產品等優點。

■拉延加工機的加壓方式

拉延加工機大致可分為機械沖壓機和液壓沖壓機兩類。機械沖壓機是將電機的旋轉力機械性地傳導至沖壓模，從而施加壓力的沖壓機。液壓沖壓機是利用液壓使沖壓模滑動，從而施加壓力的沖壓機。
機械沖壓機加工速度快，易于維護。不過，沖壓模的可移動量固定，而且無法調節加壓，因此不適合用于深拉延加工。而液壓沖壓機可調節加壓，與機械沖壓機相比，不僅擁有更長的沖程，還容易調節加工速度。同時具有不會發生過載等特點。然而，為了調節液壓以及防止發生液壓泄漏等，必須定期維護。
拉延加工大多使用機械沖壓機實施加工，機械沖壓機無法完成的拉延加工再由液壓沖壓機實施。近年來，由于實現了高精度加壓調節，人們開發出配備了可自由運動的伺服電機的沖壓機。

■拉延加工的類型

拉延加工有圓柱拉延、方柱拉延、異形拉延等加工方法，另外還有用于加工復雜形狀的拉延加工。下面將說明代表性的3種加工方法。

?圓柱拉延

圓柱拉延是指將坯料成型為圓柱狀的加工。這是基本的拉延加工，成型件呈杯子或碗狀。

?方柱拉延

方柱拉延加工是指將坯料成型為方柱狀的加工。成型件呈矩形容器或盒子的形狀。成型件的角部分容易產生裂紋和褶皺。

?異形拉延

異形拉延加工是指成型為復雜形狀的拉延加工。非圓柱和方柱形的燃料箱、罩蓋、用于提升面強度的肋材等，也可通過異形拉延加工成型。

■拉延加工的不良

下面將說明沖壓加工中發生不良的類型和現象。沖壓加工的不良有多種類型，此處將集中說明下圖所示的代表性不良。

?破裂

坯料在成型后會硬化和脆性化。脆性化的部分會產生殘留應力以及拉伸和壓縮的不平衡，發生破裂。

破壁：

屬于壁裂不良現象的一種。它是指在對薄板實施深拉延加工時，在角的立壁上發生的壁裂斷裂。

漏底：

力集中在沖壓模的R部，使接觸面積小的部分發生開裂的現象。

邊緣破裂：

由于凹模肩部的變形阻力超過坯料屈服點發生的破裂。

主體破裂：

在錐形拉延加工和半球形拉延加工中，固定坯料的力過強時發生。

放置破裂：

加工后經數日發生的破裂。材料因加工而硬化且脆性增大的部分受到殘留應力的作用時發生。坯料上的小裂紋也是原因之一，常見于不銹鋼和黃銅的加工。

?褶皺

成型時對坯料產生的拉伸力和壓縮力導致的不良。

口邊褶皺、側壁褶皺：

口邊褶皺是發生在凹模R部的褶皺。側壁褶皺是在凹模R部下方到側壁的區域內發生的褶皺。這兩種不良在拉延的間隙過大時發生。

主體褶皺：

在錐形拉延和半球形拉延中發生的不良。在凹模R部和沖壓模R部存在坯料固定未起作用的部分時發生。

邊緣褶皺：

邊緣部發生的不良。坯料固定不充分時發生。

?沖擊線

在成型初期階段用壓邊圈固定的坯料上承受張力，從而在模具R部發生的板厚度減小的損傷。

?拉模

在凹模與材料間，加工油的油膜破裂，使凹模、沖壓模接觸坯料，由此產生的深度損傷。拉模在流動方向上呈線狀發生，隨著加工的進行而變得明顯。

?回彈

回彈是指成型件內部存在的殘留應力導致成型后的工件略微恢復原來形狀的現象。發生回彈時，會出現以下不良。

角度變化：

由于板厚度方向的應力差，導致彎曲部分的角度發生變化的不良。

壁面翹曲：

縱向應力差引起壁面翹曲的不良。

扭曲：

由于板厚度方向的應力差以及面內方向的應力引起整體扭曲的不良。

棱線翹曲：

由于板厚度方向的應力差，導致彎曲棱線翹曲的不良。

■拉延加工的厚度測量課題

確認拉延加工件的厚度已獲得期望尺寸（公差范圍內）和形狀是非常重要的。特別是整體壁厚以及凹陷處的最小厚度，這兩點會影響到產品強度，因此要求高精度、定量的3D形狀測量。
使用三坐標測量儀、游標卡尺等測量，但是存在用三坐標測量儀準確完成測量的難度很高、用游標卡尺測量會因為不同的測量人員而產生偏差等各種課題。

?使用三坐標測量儀進行測量的課題

一般來說，如要使用三坐標測量儀測量拉延加工件的厚度，必須使探頭前端的接觸件接觸目標物上想要測量部位的兩面。
此時，需要將接觸件準確地接觸指定測量點。此外，若測量范圍較大，可通過增加測量點來取得更多位置的測量值，從而提升測量精度。
但是在測量拉延加工件厚度時會存在以下課題。

·       為掌握整體厚度和最小厚度，必須測量很多點，所以需要花費一定時間，而且難以掌握整體的詳細形狀。

·       很難完成CAD數據與測量目標物的比對，需要輸入設計值、公差，在進行CAD比較時費時費力。

·       在良品判定方面，只能針對測量結果（公差）判斷是否為良品，難以通過形狀比較來確定良品和不良品的差分。

?使用游標卡尺、千分尺進行測量的課題

利用游標卡尺、千分尺等手動工具，可以非常輕松地測量。但是存在發生測量誤差、測量值有偏差等諸多因素。
使用手動工具時，手按住測量位置的力（測量力）、測量位置偏差等各種度的把握因人而異。這會造成測量值發生偏差，難以實現定量測量。若待檢測的面積很大，必須測量很多點，相當耗時，而且在某些情況下，還需切斷樣品。當形狀十分復雜時，甚至測量本身都無法完成。

■拉延加工的沖壓加工件的測量課題解決方法

如果重新審視使用的測量儀所存在的課題，可發現某個共同點。那就是，對于立體的目標物和測量位置，總是在以點或線接觸的同時進行測量。
為解決此類測量課題，基恩士開發了高精度三維掃描測量儀“VL系列"。以非接觸的方式，以面為單位來準確捕捉目標物的3D形狀。快速完成載物臺上目標物的3D掃描，高精度地測量三維形狀。因此，測量結果不會產生偏差，可簡單、定量地實施測量。具體優點如下。

?優點1：厚度測量簡單

可自動計算指定部位的厚度，并用顏色顯示差分。通過3色顯示畫面設定閾值，可在檢測時判斷OK/NG，以及比較良品和不良品的形狀。此外，通過漸變顯示畫面，在試制時與設計數據相比較，可分析厚度趨勢，便于對板厚度減小和厚度分布進行分析。

?優點2：以面為單位掃描3D形狀。無需切斷，厚度一目了然

當使用三坐標測量儀和游標卡尺測量異形拉延加工后的、形狀復雜的工件時，必須測量很多點，非常耗費時間。此外，因為是以點為單位測量，所以要測量3D形狀尤為困難。
采用“VL系列"，只需將目標物放置到載物臺上進行掃描即可。采用非接觸方式以及無需定位，實現了以面為單位捕捉目標物整體的3D形狀。可顯示目標物整體以及測量各個部位的輪廓，所以能夠將形狀不良的部位及其詳細數值等可視化，便于測量人員掌握情況。
而且，采用“VL系列"，還能在比較3D-CAD數據和已取得數據的狀態下測量截面，不必切斷工件。可以根據獲得的3D數據，用顏色實現厚度狀態的可視化。可采用非接觸方式輕松完成厚度測量。通過觀察切斷部位輪廓的偏移，可及早發現回彈等缺陷，并采取加壓調節等措施。

?優點3：通過顏色顯示與3D-CAD數據的差分

可將設計的3D-CAD數據和獲得的數據進行比對，并用顏色顯示差分，從而針對工件設計實現完成效果的可視化。如此，產品形狀分析所耗費的工時便能得到大幅削減。
此外，還能根據可沿著各個方向旋轉的3D數據指定要測量的方向，實施二維測量。這樣不僅僅可以測量邊緣形狀，而且還可以執行只憑二維信息難以進行的測量，例如二維投影立體形狀的測量以及根據基準進行的高度測量等。

■總結：對拉延加工件的厚度測量進行飛躍性改善和高效化

采用“VL系列"，可通過高速3D掃描，以非接觸的方式迅速、準確地測量拉延加工件的3D形狀。

·       無需定位。將目標物放置到載物臺上，通過只需一鍵的簡單操作，即可完成測量。

·       因為是以面為單位來捕捉，所以可掌握目標物整體上有缺陷的位置，并對各個位置進行輪廓測量。

·       還可完成3D-CAD數據與取得數據的比較測量，以及根據3D數據實施二維測量。

·       可用彩色圖顯示3D形狀。可將一目了然的數據進行共享，順利采取沖壓缺陷的應對措施。

·       可為多個測量數據統一進行平面度公差等設定。此外，還可判斷OK/NG品，共享取得數據并快速分析NG品。

從拉延加工的厚度測量到不良分析及不良應對措施，“VL系列"飛躍性地提升了拉延加工件必要工作的效率。

基恩士 高精度三維掃描測量儀 VL-800系列

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