球形曲面多点分段成形的实验研究 - 文章

球形曲面多点分段成形的实验研究

作者：李明哲赵晓江苏世忠付文智刘玉红

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摘要本文进行了球形曲面与横向曲率较大及纵向曲率较大的椭球形曲面的多点分段成形实验研究。通过实验论证了分段成形时，横向变形较大及纵向变形较大的成形具有不同的变形特点和成形规律，并分析了二者之间的区别和联系；探讨了球面分段成形时可能产生的缺陷及其产生原因。基于其产生原因，通过合理的成形方法可获得满足成形质量和成形精度的制品。
关键词板材成形多点成形三维曲面

1 前言

多点成形是用于板材曲面无模成形的技术。它是利用可实时控制的基本体群代替传统的连续模具对板材进行成形的柔性制造方法。由于基本体群可实时的改变为很多形状，因而多点成形可实现一机多用的目的，且可节省模具的设计与制造。多点成形特别适用于大型板材的三维曲面成形，它将推动造船业、航空工业和汽车工业的发展。比如，在船板外壳、飞机蒙皮和汽车覆盖件等生产中，应用多点成形将获得较高的经济效益。

目前，国际上对多点成形的研究正在逐渐深入[2，3]。而对多点分段成形的系统研究，在国内外基本还没有先例。笔者在对柱面进行分段成形实验研究的基础上[1]，对球面进行了多点分段成形实验研究。因为工程实际中应用较多的是三维曲面的成形，球面是其中较为典型的形状。

本文拟通过成形实验来探讨球面多点分段成形时的变形特点和成形规律，并论证在三维曲面成形中，多点分段成形可实现用小设备成形大型件。

2 成形实验研究

实验所用材料为铝板，代号为L2Y2，毛坯尺寸为100×300×2.5mm和100×300×1.0mm，所用设备为多点模装置，其一次成形区域为100×100mm。图1为实验装置简图（其具体设计见文献[1]）。

2.1球面成形时板材变形特点

球面多点分段成形时，一次压制后的板材可分为压制区（强制变形区）、过渡区（自由变形区）和刚性区（未变形区）。图2为板材分段一次压制后的形状及变形区域分布。

在使用弹性垫的情况下进行成形实验时，当板材的相对弯曲半径R1/t,R2/t（R1和R2分别为板材横向和纵向曲率半径，t为板材厚度）逐渐减小时，板材变形性质逐渐由弹性变形转变为塑性变形。此时，无论是压制区还是过渡区都呈现出三维应力应变状态。曲率较小的试件可获得形状优良的制品，而变形量的增加将限制板材的成形极限，影响其成形质量。球面（椭球面）分段成形时，在横向、纵向主曲率半径分别为R70mm、R140mm、R210mm、R280mm和R350mm的情况下进行了多组实验，其结果如表1所示。

表1 球面（椭球圆）成形时成形质量对比

由表1可知，在有效变形量相同的情况下，成形厚板时，纵向变形较大时的成形效果一般优于横向变形较大时的成形效果；薄板在两种情况下的成形效果虽然基本属于同一级别，但纵向变形较大时的成形效果相对地较好一些。

球面分段成形时，影响成形质量，限制成形极限的因素有如下几个方面：

2.1.1横向弯折线的产生

在成形深度较大的试件时，特别是在纵向曲率较大的成形中，一次成形后，板材横向整体成形很好，但在板材压制区中心附近纵向变形较其它区域要剧烈一些，其横向变形具有未充分成形之特性。分段压制后，板材整体形状较好，但沿纵向边沿看，具有较为明显的变形不均现象，呈现出直一弯一直的变形特点。此种现象在L-K曲线（以板材纵向长度为横坐标，以横向曲率为纵坐标绘制）上的表现是每次压制区中心曲率低于周围区域。图3为成形R350×R140的试件时所得实验曲线。其产生原因是由于多点成形时板材的受力状态引起的。在变形初始，其受力状态如图4所示。

板材变形时，板材沿X（纵向）、Y（横向）方向的惯性矩分别为Ix、Iy。由于板材长度大于宽度，所以Ix＞Iy。则x、y向变形应力分别为：

式中Sx、Sy为压制区中心对称线处沿x和y向变形应力。
P1、P2、P4、L、L1意义见图4z为点到中性层距离。

很显然，当Sx＞Sy且Sx＞Ss（屈服应力）时，板材在αα′附近将发生塑性屈服。由板材受力状态可知，αα′附近板材所受弯矩最大，因而其纵向变形具有优先之特性，而横向具有未充分成形之特性。其结果表现在试件上是出现了直-变-直的现象。产生这种现象后，在后续成形时将很难消除。因为发生此种变形后的板材在αα′附近产生了加工硬化，变形抗力较高。

后续成形时，横向折线的产生一般偏中前方。因为在前次成形后，压制区与过渡区之间某局部区域的变形较周围区域要大，存在一定的应变梯度，产生了加工硬化，因而变形所需要的力要高于其前方，因而折线的产生具有偏前之趋势。

2.1.2 局部剧烈塑性变形

与柱面多点分段成形时相同，此种缺陷主要产生于横向变形较大的成形中。在变形量比较大的情况下，在压制区与过渡区之间某局部区域变形存在着一定的应变梯度，产生了较为剧烈的局部塑性变形和加工硬化。后续成形时，前次成形应变梯度较大留下加工硬化处变形比较困难，不能恢复到目标形状，因而易于产生波浪线。

2.1.3 皱纹

当板材变形量超过一定限度后就会产生皱纹。球面成形时中心部成形非常好，但在边部容易产生皱纹。不论横向曲率较大的成形还是纵向曲率较大的成形，在变形量较大而板材厚度又较小的情况下，板材易于产生此种缺陷。

2.2横向曲率较大的成形

横向变形较大时，变形特点比较显著的试件有：R70×R350、R140×R350和R140×R280等；下面将以R140×R280为例进行分析。

2.2.1成形过程及缺陷的产生

成形开始时，板材受力状态如图4所示。在横向力的作用下，板材首先产生弹性变形。当变形应力S＞Ss（屈服应力）时，将在四个角点和内部首先产生塑性变形。变形过程中，在b和b′点附近板材承受集中力作用，沿bb′线板材发生不均匀变形。随着变形量的加大，将可能在b和b′点附近产生局部剧烈变形。此时板材变形量较大，且由于压制区是三维变形，因而在压制区与过渡区交界之局部的剧烈变形不能均匀地向远方传递。此种情况在薄件中的表现尤为明显。在板材较薄的情况下，板材对变形特别敏感。三维成形时，由于薄板抗压能力不强，因而成形时的各种缺陷都将暴露出来。

再者，矩形板成形球面将涉及到边部余料的流动问题。余料的存在将使边部板材承受压应力，当压应力超过屈服极限时，将产生皱纹等缺陷或α和α′点附近材料发生整体失稳，板材以能量最低形式向外变形（由于皱纹产生机理比较复杂，笔者拟在后续研究中探讨）。

后续成形时，一方面前次成形应变梯度较大而留下的加工硬化处变形比较困难；另一方面，纵向抗弯刚度较大产生了横向折线。因而成形后纵向边部有波浪产生。

图5和图6分别为厚度不同的板材分段一次和多次压制后的实验结果。由图可知，三维成形时，在变形量相同的情况下，厚板成形性优于薄板成形性。

由图可知，不但在过渡区，而且在压制区，板材具有未充分成形之特性；这是由于横向折线和刚性区综合作用所致。在变形量较大的情况下，厚板在压制区和过渡区之交界处将可能产生局部剧烈塑性变形；而薄板不但在影响区（压制区和过渡区交界之局部）过渡不平滑，且可能在压制区边部产生皱纹。

皱纹的产生与板料厚度及其受力状态有关：

1）板材越厚，刚度越大，抗压能力强，越不易产生皱纹；反之则易发生。
2）皱纹的产生主要是由于材料流动困难，内部产生了压应力，当压应力超过其承压能力时就会产生皱纹。

2.2.2成形方法

为了得到形状优良，成形质量和成形精度都合乎标准的制品，必须避免局部剧烈塑性变形和皱纹的产生。因此，最好的成形方法是在成形过程中就不产生缺陷而不是去消除它。为此采用小进给量的多道分段成形方法或采用多点压机成形可获得较好的成形质量。

所谓多道分段成形方法就是将较大的变形量分成几道来进行。每道以确定的压下量对板材进行分段压制。图7为模具形状调整到R140×R280后，通过多道分段成形方法成形的试件及其L-K曲线。由图可知，其L-K曲线基本为一条直线。也就是说，通过合适的成形方法，采用分段成形也可获得较好的试件。这也就证明了在横向曲率较大的成形中可实现用小设备成形大型件。

2.3 纵向曲率较大的成形

纵向变形较大时，其变形特点与横向变形较大的成形不同。下面将以成形实验为基础进行分析。

2.3.1变形特点分析

以R350×R70及R280×R140为例，分段成形时，压制区与过渡区之间的变形比较均匀，不存在局部剧烈塑性变形。即在此种情况下，变形特点不同于横向曲率较大时的成形。成形后试件存在问题是曲线的光滑连接与过渡。

图8a为模具调整到R350×R70时分段一次压制后的试件照片。由图可知，在纵向变形量较大时，压制区边部曲线将由一段段折线来逼近目标曲线。其产生原因与横向折线的产生相同（见2.1.1）。纵向变形量在一定的范围内，板材将可能在压制区中心产生横向折线；当纵向变形量过大时，压制区将出现图示缺陷。

接着以进给量为20mm对整体长板进行了分段成形。后续成形过程中，在每次压制时将出现两个问题：1）直边逼近连续光滑曲线；2）横向折线。

第二个问题已有分析，此不敖述。第一个问题的产生主要是由于非压制区的影响所致。在刚性区和过渡区的影响下，压制区具有未充分成形的特点，这在一次压制后的L-K曲线上可以得到证实。图8b为模具调整到R280×R140时一次压制所得L-K曲线。由图可知，一次压制后的曲线整体呈下降趋势。因而在进给量过大情况下，两次压制区中间必产生直段。

为了消除此种缺陷并确定合理的进给量，进行了如下一组实验：先将模具调整到R280×R140，在进给量分别为10mm、20mm时所得试件照片如图9所示。两种情况下的整体误差在表2中给出。本文采用标准偏差来衡量试件的整体误差。

表2 进给量对成形质量的影响

标准偏差

其中 Ki——各测量点的横向曲率值
K0——各测量点横向曲率的平均值
n——测量点数

由图9及表2可知，随着进给量的增大，横向折线越来越明显。因此，为了获得质量合格的制品，必须确定合理的压下量。由实验可知，在此种变形量的情况下，进给量为10mm即可获得良好的试件。

另外，在进给量为10mm，模具形状为R350×R70时对板材进行成形也可获得形状较好的试件。图10为此种情况下，在板材中心开始压制五次所得试件照片。

2.3.2影响成形精度因素

1）变形量：变形量越大，成形难度越高，越易出现各种缺陷。
2）进给量：变形量一定时，进给量越小，成形精度越高；为了获得好的试件，变形量越大，进给量要越小。在变形量一定的范围内，进给量等于基本体间距时均可获得形状良好的试件。
3）进给量与变形量和成形性的关系（均得到好的试件）如表3所示。

表3 进给量与变形量和成形性的关系（单位：mm）

2.4 两种成形工艺的比较

通过以上实验可以证实，横向变形较大的成形和纵向变形较大的成形，具有不同的变形特点和成形规律。二者之间既有区别又有联系。

在横向变形较大的成形中，影响成形精度的主要因素有局部剧烈塑性变形、横向弯折线和皱纹。其中局部剧烈塑性变形是影响厚板成形质量的决定性因素；而决定薄板成形质量的主要因素是皱纹。局部剧烈塑性变形一般产生于压制区与过渡区交界附近；而皱纹则产生于压制区板材之边部。

在纵向变形较大的成形中，决定成形质量的主要问题是边部曲线的光滑连接与过渡和皱纹的产生。同时，每次压制的变形量和进给量对纵向成形质量都有很大的影响。如在基本体间距确定的情况下，随着变形量和进给量的不同，将可能出现三种影响板材边部曲线光滑连接与过渡的折线：压制区中心横向折线、压制区边部折线和由于进给量不同，接近过渡区的压制区所具有不充分成形之特性引起的压制区之间不能光滑过渡，在实际生产中，对于不同的试件为了获得最佳的成形质量和最大的成形极限，可分别选用不同的成形工艺。

3 结论

1）球面多点分段成形中，在有效变形量相同的情况下，纵向变形较大时的成形效果优于横向变形较大时的成形效果。
2）球面多点分段成形中，影响板材成形效果的主要因素有边部曲线的光滑连接与过渡、局部剧烈塑性变形以及皱纹；其中，边部曲线的光滑连接和过渡是影响纵向曲率较大成形的决定性因素；而局部剧烈塑性变形则决定了横向曲率较大成形时的成形质量。
3）球面多点分段成形中，变形量和进给量对板材成形质量也有很大的影响，变形量越大，成形难度越高。在变形量一定的情况下，进给量越小，成形质量越好。
4）球面成形时，板材变形对厚度敏感的特性使得薄板不利于后续成形；而厚板的成形效果则明显优于薄板。
5）在三维曲面成形中，使用多点分段成形方法可实现以小设备成形大型件。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/10/2006)


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