9.6 Planificarea traseului sculei

În formarea incrementală, traseul sculei joacă un rol semnificativ în limitele de formare, acuratețea componentelor, calitatea suprafeței, variația grosimii și timpul de formare. Au fost făcute multe încercări de a studia diferite strategii de traseu a sculei (contur, spirală, radială și treceri multiple - in-to-out și/sau out-to-in) și efectul acestora asupra limitelor de formare, distribuției grosimii, acurateței și calității suprafeței în diferite variante de formare incrementală (SPIF, TPIF, DSIF), și același lucru a fost prezentat în secțiunile anterioare. Prin urmare, anumite aspecte nu sunt discutate în detaliu în această secțiune. După cum am prezentat mai devreme, există două tipuri de trasee a sculei utilizate pentru procesul ISMF, și anume, contur și spirală (Fig. 2a, b). Majoritatea acestor trasee de scule au fost generate folosind module de frezare suprafață ale pachetelor comerciale CAM dezvoltate pentru prelucrare. Deformarea este biaxială la punctele de început și de sfârșit ale fiecărui contur în traseul sculei de contur și este aproape de deformarea plană între ele; prin urmare, tendința de fractură la punctele de început și de sfârșit ale fiecărui contur este mai mare. Traseul sculei de contur lasă vergeturi la punctele de început ale fiecărui contur (Fig. 2c). In incremental forming, tool path plays a significant role on the forming limits, component accuracy, surface quality, thickness variation, and forming time. Many attempts have been made to study various tool path strategies (contour, spiral, radial, and multiple passes – in-to-out and/or out-to-in) and their effect on forming limits, thickness distribution, accuracy, and surface quality in various variants of incremental forming (SPIF, TPIF, DSIF), and the same has been presented in the earlier sections. Hence, certain aspects are not discussed in detail in this section. As presented earlier, there are two types of tool path used for ISMF process , namely, contour and spiral (Fig. 2a, b). Most of those tool paths have been generated using surface milling modules of commercial CAM packages developed for machining. Deformation is biaxial at the starting and end points of each contour in contour tool path and is near to plane strain in between; hence, the tendency for fracture at the start and end points of each contour is higher. Contour tool path leaves stretch marks at the start points of each contour (Fig. 2c). Pentru a evita întinderea echi-biaxială și semnele sculei la punctele de capăt ale fiecărui contur, Filice și colab. (2002) au sugerat utilizarea unui traseu spiralat pentru scule (Fig. 2b). În SPIF, unealta (fie contur sau spirală) se mișcă de la exterior la interior și este reprezentată ca strategie convențională în Fig. 36a. Bambach și colab. (2005) au propus o strategie conică în plus față de strategia convențională. În strategia conică, mișcarea sculei începe la centru și se deschide odată cu creșterea adâncimii. Ei au studiat două strategii de mișcare a sculei în plan (contur, Fig. 36b și radială, Fig. 36c) cuplate cu două strategii de mișcare pe z, strategia convențională și cea conică. Având în vedere timpul necesar pentru producerea piesei și uniformitatea grosimii tablei în întreaga piesă, au ajuns la concluzia că strategia convențională/contur este mai bună (timp de producție de 2 min cu distribuție comparabilă a grosimii) în comparație cu strategiile radiale (9 min pentru traiectoria con/radială și 40 min pentru traiectoria radială convențională). Timpul necesar formării componentei raportat de aceștia poate fi ușor de înțeles cu reprezentările schematice prezentate în Fig. 36.
To avoid equi-biaxial stretching and the tool marks at the end points of each contour, Filice et al. (2002) have suggested the use of a spiral tool path (Fig. 2b). In SPIF, tool (either contour or spiral) moves from out-to-in and represented as conventional strategy in Fig. 36a. Bambach et al. (2005) have proposed a conical strategy in addition to conventional strategy. In conical strategy, tool movement starts at the center and opens up with increasing depth. They studied two in-plane tool movement strategies (contour, Fig. 36b, and radial, Fig. 36c) coupled with two z-movement strategies, conventional and conical strategies. Considering the time required for producing the part and the uniformity of sheet thickness throughout the part, they concluded that the conventional/contour strategy is better (2 min production time with comparable thickness distribution) as compared to radial strategies (9 min for cone/radial and 40 min for conventional radial trajectory). Time required to form the component reported by them can be easily understood with the schematic representations presented in Fig. 36.


Fig. 36 Diferite strategii pentru traseul sculei utilizate de Bambach et al. (2005): (a) convențional și conic, (b) traseul sculei de contur, (c) traseul radial al sculei, (d) strategii de contur-convențional și (e) strategii de contur conic

Kopac și Kampus (2005) au studiat efectul diferitelor strategii de mișcare a sculelor în plan pentru componente axisimetrice. Ei au examinat patru proceduri în ceea ce privește mișcarea sculei, și anume, (A) de la exterior la interior, (B) de la interior la exterior, (C) mai întâi în centru, apoi de la exterior la interior și (D) mai întâi în centru, apoi de la interior la exterior și au raportat că adâncimea maximă de formare poate fi atinsă cu cazul D, adică mai întâi în centru, apoi de la interior la exterior. Ambrogio și colab. (2005b) au dezvoltat o strategie de modificare a traseului sculei prin integrarea unui sistem de măsurare on-line și a traseului sculei care trebuie urmat pentru formarea porțiunii rămase a componentei luate în considerare. Pentru a realiza același lucru, au utilizat combinația de tehnici de măsurare online, simulare numerică (Deform3D), și tehnici de optimizare pentru modificarea traseului sculei. Metodologia lor de corectare a traseului folosește măsurarea punctului de referință anterior pe o anumită secțiune a spiralei și compararea acestuia cu poziția dorită la treapta finală și curentă. Traseele sculelor în spirale tridimensionale pentru formarea componentelor asimetrice (Skjoedt et al. 2007) sunt generate prin generarea mai întâi de trasee pentru scule de contur folosind modulul de frezare disponibil în Pro/ENGINEER și apoi interpolând între contururile individuale pentru a produce o singură spirală 3D. Kopac and Kampus (2005) studied the effect of various in-plane tool movement strategies for axisymmetric components. They examined four procedures in terms of tool movement, namely, (A) from exterior to interior, (B) from interior to exterior, (C) first in the center then from exterior to interior, and (D) first in the center then from interior to exterior, and reported that the maximum depth of forming can be achieved with case D, i.e., first in the center then from interior to exterior. Ambrogio et al. (2005b) developed a tool path modification strategy by integrating an on-line measuring system and tool path to be followed for forming the remaining portion of the component under consideration. For achieving the same, they utilized the combination of online measuring techniques, numerical simulation (Deform3D), and optimization techniques to modify the tool path. Their path-correcting methodology makes use of the measurement of the previous reference point on a given section of the spiral and its comparison to the desired position at the final and current step. Three-dimensional spiral tool paths for forming asymmetric components (Skjoedt et al. 2007) are generated by first generating contour tool paths using the milling module available in Pro/ENGINEER and then interpolating between the individual contours to produce a single 3D spiral. Ei au folosit adâncime constantă incrementală pentru generarea traseului sculei de contur. Fișierele stereolitografice (STL) sunt utilizate pentru a dezvolta o metodologie iterativă de generare a traseului sculei (traseul sculei de contur a fost generat folosind o combinație de formare, scanare și reformare) (Verbert et al. 2007). Este bine cunoscut faptul că formatul STL are erori de acord inerente și natura iterativă crește timpul. Attanasio şi colab. (2006, 2008) au investigat două tipuri de trasee de scule, unul cu o adâncime incrementală constantă (Δz) și celălalt cu o înălțime constantă de scoică (h) (Fig. 37). S-a raportat că calitatea suprafeței componentei formate s-a îmbunătățit prin scăderea valorilor adâncimii incrementale (Δz). Un dezavantaj al abordării lor este că atunci când valoarea lui Δz este redusă în mod arbitrar la o valoare foarte mică, timpul de formare crește, în special atunci când urmează să fie formate componente mai mari. Acest tip de abordare oferă proiectantului libertatea de a forma rapid o componentă cu un finisaj acceptabil al suprafeței.
They used constant incremental depth for generating the contour tool path. Stereolithography (STL) files are used to develop an iterative tool path generation methodology (contour tool path was generated using a combination of forming, scanning, and reforming) (Verbert et al. 2007). It is well known that STL format has inherent chordal errors and iterative nature increases time. Attanasio et al. (2006, 2008) have investigated two types of tool paths, one with a constant incremental depth (Δz) and the other with a constant scallop height (h) (Fig. 37). It was reported that the surface quality of the formed component improved by decreasing the values of incremental depth (Δz). A shortcoming of their approach is that when the value of Δz is arbitrarily reduced to a very small value, the forming time increases, especially when larger components are to be formed. This kind of approach does give the designer the freedom to form a component quickly with acceptable surface finish.


Fig. 37 Schema traseului sculei cu (a) adâncime incrementală constantă și (b) înălțime scallop constantă

Malhotra (2008), Malhotra et al. (2010) au dezvoltat și implementat o metodologie independentă de platformă pentru generarea traseelor ​​sculelor de contur și spirală pentru o componentă arbitrară formabilă de SPIF. Metodologia ia ca intrare formatul de parte neutru STEP AP203/AP214 al modelului CAD. Tehnicile de tăiere adaptivă utilizate în fabricarea stratificată (Pandey et al. 2003) și metodologia de generare a traseului sculei în spirală 3D pentru frezarea suprafeței formelor de formă liberă cu înălțime constantă a scoicii (Lee 2003) au fost modificate și utilizate pentru generarea traseelor ​​sculei. Metodologia traseului sculei dezvoltată de aceștia pentru formarea incrementală într-un singur punct abordează compromisul care există între acuratețea geometrică, finisarea suprafeței și timpul de formare. Pașii implicați în metodologia lor de generare a traseului sculei sunt:
Malhotra (2008), Malhotra et al. (2010) developed and implemented a platform independent methodology for generation of contour and spiral tool paths for an arbitrary component formable by SPIF. The methodology takes neutral part format STEP AP203/AP214 of CAD model as input. Adaptive slicing techniques used in layered manufacturing (Pandey et al. 2003) and 3D spiral tool path generation methodology for surface milling of freeform shapes with constant scallop height (Lee 2003) have been modified and used for generating tool paths. Tool path methodology developed by them for single-point incremental forming addresses the trade-off that exists between geometric accuracy, surface finish, and forming time. Steps involved in their tool path generation methodology are:

1. Generarea traseului sculei de contur cu o adâncime incrementală constantă.
2. Calculul erorilor volumetrice și al înălțimi
lor de scoici pentru a forma componente cu o bună acuratețe și finisare a suprafeței.
3. Utilizarea criteriului de tăiere adaptivă pentru a evalua necesitatea unei noi inserții de contur.
(a) Repetați pașii 2–4 pentru conturul inserat și cel de mai sus când este introdus noul contur.
(b) În caz contrar, treceți la următoarea pereche de contururi și efectuați pașii 3 și 4 până când toate contururile sunt terminate.
4. Efectuați ștergerea feliilor pentru a obține contururile finale. Aici sunt șterse felii suplimentare, ceea ce nu va afecta negativ acuratețea prin evaluarea procentului de eroare volumetrică dintre felia
n și felia n + 1.
5. Generarea traseului final spiralat folosind contururile finalizate.
6. Aplicați compensarea razei sculei (Fig. 38) utilizând condițiile geometrice locale și generați traseul sculei pentru formarea componentelor.
1. Generation of contour tool path with a constant incremental depth.
2. Calculation of volumetric errors and scallop heights to form components with good accuracy and surface finish.
3. Usage of adaptive slicing criterion to evaluate the need for new contour insertion.
(a) Repeat steps 2–4 for the inserted contour and the one above when the new contour is inserted.
(b) Otherwise move down to the next pair of contours and perform steps 3 and 4 till all the contours are finished.

4. Perform deletion of slices to get the final contours. Here, extra slices are deleted, which will not adversely affect the accuracy by evaluating the volumetric error percentage between slice n and slice n + 1.
5. Generation of final spiral path using the finalized contours.
6. Apply the tool radius compensation (Fig. 38) using local geometrical conditions and generate the tool path for forming the components.


Fig. 38 Schemă care arată importanța compensării razei sculei


Fig. 39 Comparația profilurilor ideale și măsurate: (a) cu și (b) fără compensarea razei sculei

Metodologia de tăiere adaptivă împreună cu criteriul de eroare volumetrică îmbunătățește conformitatea dintre componentele formate și cele dorite și același lucru poate fi văzut din Fig. 39.
The adaptive slicing methodology along with volumetric error criterion enhances the conformity between the formed and the desired components and the same can be seen from Fig. 39.

Azaouri și Lebaal (2012) au propus o strategie de optimizare a traseului sculei pentru SPIF pentru găsirea celui mai scurt traseu al sculei (timp mai mic de formare) care distribuie materialul cât mai uniform posibil în întreaga piesă. Ca o consecință a conservării volumului, piesa cu cea mai mică reducere a grosimii tablei ar avea o distribuție omogenă a grosimii. FEA, în combinație cu metoda suprafeței de răspuns și algoritmul de programare secvenţială pătratică, a fost utilizat pentru determinarea strategiei optime de formare. Autorii au raportat o distribuție mai bună a grosimii (grosimea minimă: 0,91–0,96 mm cu optimizare și 0,79 mm fără optimizare, pentru o grosime inițială a foii de 1,5 mm) și forțe de formare mai mici. Însă, pentru a obține traseul cel mai scurt, acuratețea și finisajul suprafeței componentei se deteriorează. Mulți (Cao și colab. 2008; Hirt și colab. 2004; Skjoedt şi colab. 2008, 2010; Duflou et al. 2008b; Abhishek 2009; Malhotra şi colab. 2011a; Xu și colab. 2012; Kim și Yang 2000; Young și Jeswiet 2004) au propus trasee de scule pentru alte variante de formare incrementală, iar detaliile lor sunt prezentate în secțiunile anterioare care se ocupă de formabilitate, distribuția grosimii și acuratețe.
Azaouri and Lebaal (2012) proposed a tool path optimization strategy for SPIF for finding the shortest tool path (less forming time) which distributes the material as evenly as possible throughout the part. As a consequence of volume conservation, the part with the lowest reduction in sheet thickness would have a homogeneous distribution of thickness. FEA, in combination with response surface method and sequential quadratic programming algorithm, was used for determining the optimal forming strategy. The authors reported a better thickness distribution (minimum thickness: 0.91–0.96 mm with optimization and 0.79 mm without optimization, for an initial sheet thickness of 1.5 mm) and less forming forces. However, in order to achieve the shortest path, the accuracy and surface finish of the component get deteriorated. Many (Cao et al. 2008; Hirt et al. 2004; Skjoedt et al. 2008, 2010; Duflou et al. 2008b; Abhishek 2009; Malhotra et al. 2011a; Xu et al. 2012; Kim and Yang 2000; Young and Jeswiet 2004) have proposed tool paths for other variants of incremental forming, and their details are presented in earlier sections dealing with formability, thickness distribution, and accuracy.