大型三维板类件无模多点成形的研究 - 文章

大型三维板类件无模多点成形的研究

作者：吉林工业大学李明哲刘纯国陈庆敏

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摘要：介绍了用多点成形法实现无模曲面造型的主要原理、特点及所研制的相应装置，并用实验结果证明了其成形效果。通过比较，论证了多点成形不仅可实现板材的三维曲面无模造型，而且具有明显的技术特点。
关键词：板材成形；柔性制造；多点成形

1简介

在工业生产中，各种三维板类件的曲面造型通常都离不开模具，而且每一个零部件的曲面造型都需要一套或数套模具。为了设计、制造与调试这些模具，需消耗大量的人力、物力与时间。尤其在多品种、小批量的大型板类件生产中，往往受到费用与时间的限制，至今不得不采用落后的手工成形生产方式。随着科学技术与生活水平的逐步提高，工业制品的品种越来越多，产品的更新换代越来越快，对模具的需求在急剧增加；同时也迫切需要出现新的生产方式。多点成形的设想就是为了实现板材曲面造型的无模化生产而提出的。

日本等国的学者与工程技术人员为开发多点成
形技术进行了很多的探讨与研究［1～4］，制作了不同的样机，但大都只能进行变形量较小的整体成形。笔者对无模多点成形的基本理论与实用化技术进行了系统的研究［5～8］，在此基础上开发了能实现整体与分段多点成形的计算机控制多点成形装置，取得了良好的效果。

2成形原理与装置

无模多点成形借助于高度可调整的基本体群构成离散的上、下工具表面，替代传统的上、下整体模具进行板材的曲面成形。多点成形的实质就是将通常整体模具离散化，并结合现代控制技术，实现板材三维曲面的无模化生产与柔性制造。

基本体的调整方式可采用多种类型，从而可派生出多种不同的多点成形方法。其中多点模具成形法(图1)和多点压机成形法(图2)是两种最具代表性与实用性的不同方法。多点模具成形时，在成形开始前(图1a)就把各个基本体调整到所需位置，使基本体群成为成形曲面的包络面。在成形过程中(图1b)，相邻基本体之间不产生相对运动，上、下基本体群起着上、下模具的作用。

图1 多点模具成形法示意图

多点压机成形时，在成形开始前(图2a)对所有的基本体都不进行预先调整。在成形过程中(图2b)，由上、下基本体群夹着被成形板材，在调整基本体的同时使板材产生塑性变形。在这种成形方法中，相邻基本体之间要产生相对运动，每个基本体都相当于一台小型压机，都可根据需要进行分别控制。

图2 多点压机成形法示意图

无模多点成形装置由多点成形主机、计算机控制系统及CAD软件系统构成(图3)。多点成形主机是实现无模多点成形的主要执行部分。上、下基本体群各由一百个基本体组成，以十行十列的方式排列。各基本体的调整利用螺杆机构实现，驱动采用步进电机。基本体群的外侧四周都有固定侧板，使基本体受侧向力时不产生侧向位移，同时还在基本体调整时起导向作用。上基本体群直接固定于机架上，调整每个基本体的高度可改变其包络面的形状；下基本体群除了可调整形状外，还可产生整体的移动。下基本体群的整体移动由液压机构实现，采用导柱导向。计算机控制系统根据所提供的信息调整主机里的上、下基本体群，实现不同工艺、不同效果的成形控制。CAD软件系统可根据目标件的几何形状与材料要求产生多点成形所需要的各种信息；还可进行多点成形过程的仿真、显示并检验成形效果与可能产生的缺陷，制定最佳成形工艺方案。

图3 无模多点成形装置的主要构成

3成形结果与讨论

3.1 多点成形的效果与特点

利用上述无模多点成形装置已进行了数百种不同形状与尺寸的曲面成形，这些成形件的变形量大、表面圆滑、效果良好。由此证明，采用多点成形方法可实现无模成形，从而免去传统的模具设计、制造与调试等工序，节约大量的费用与时间。

在成形实验时发现，如控制不当，板料就易产生一些成形缺陷，其中最主要的缺陷有压痕与皱纹。产生这些缺陷的关键因素在于基本体的头部形状及板料与基本体的接触状态。在基本体设计时，为了使多点成形装置适用于各种不同的曲面形状，应把基本体头部形状设计成球形面。因此，表面平直的板料与基本体开始接触时是点接触状态。随着载荷的增加，基本体与板料的接触部位逐渐产生弹性变形，接触状态由点接触变成面接触。但是，这个接触面的面积要比模具成形时的接触面积小很多，因而在接触面处常常发生很大的应力集中，易导致产生压痕。从板料整体来看，多点成形时总的接触面积也较小，有很多部位都不与工具接触，从而在非接触区域又易产生起皱现象。

采用弹性垫后可明显地抑制缺陷的产生。成形时，用两块弹性垫夹着板料，使基本体的集中载荷分散地传递到板料，可显著地缓解应力集中现象，从而抑制压痕的产生。另外，采用弹性垫后，板料与工具间的接触面积增加了很多，使板料的约束得以强化，从而能起到抑制皱纹的作用。成形结束后，弹性垫可恢复到原来的形状，成为平直的状态，可反复使用。

3.2多点模具成形与多点压机成形的比较

图4所示为一例马鞍形曲面的多点模具成形与多点压机的成形效果的比较。所用材料为L2Y2铝板，尺寸为140mm×140mm。可看出，多点压机成形时完好的成形件曲面曲率比多点模具成形时的成形曲率大很多。这个现象可从成形时工件的受力特点来解释。

图4 不同成形方法的成形效果比较

在多点模具成形时，成形初期只有个别的基本体能与板料表面接触(图1a)。随着变形的增加，与板料接触的基本体数目也逐渐增加(图1b)，但只有到成形结束时(图1c)，才有可能使全部基本体与板料接触。这就是说，在成形的绝大部分过程中，只有部分基本体参与变形，从而对板料的约束较少，应力集中现象也突出，易产生皱纹、压痕等缺陷。实际上，在传统的模具成形中，情况也类似。因此，模具成形时往往要设计较大的压边面来抑制皱纹的产生。

然而在多点压机成形时，情况就完全不同了。从成形一开始，所有的基本体都可与板料表面接触，且在成形过程中所有的基本体始终与工件表面接触。这样，一方面增加了对板料表面的约束，使工件产生皱纹的机会明显减少；另一方面还减少了单个基本体的集中载荷，减小压痕。如再结合使用弹性垫，就可大大增加工具与工件的接触面积，减少缺陷的产生。也可以说，在多点压机成形时，工件的表面既是成形面，同时又是压边面。

如进一步充分利用多点压机成形的柔性特点，在成形过程中适当地控制工件变形的路径使工件处于最佳变形状态，可进一步提高板材的成形极限，有助于实现难加工材料的塑性变形，得到用传统的模具成形难以实现或无法实现的效果。

3.3 整体成形与分段成形的比较

在整体成形时，工件的尺寸要小于或等于设备的一次成形面积；而在分段成形时，工件的尺寸可远远大于设备的一次成形面积。分段成形时，成形件被分成若干个不分离的成形区域，利用多点成形的柔性特点，连续、逐次成形大尺寸的工件。这样不仅可减小多点成形设备的尺寸，还可降低所需的成形压力。

在分段成形时，一张板料上既有与工具接触的强制变形区域，又有一时不产生变形的刚性区域，而且在强制变形区与刚性区之间必然要产生一定的过渡区。在过渡区里，与基本体接触的区域因受刚性区的影响，使变形结果与基本体所控制的形状产生较大的差别；而不与基本体接触的区域，则受到强制变形区的影响，也使其产生一定的塑性变形。这样，即使是很简单的二维变形(例如柱面成形)，也会变成复杂的三维变形问题。

我们在分段多点成形方面取得了明显进展，已做出了很多分段成形的样件，其中较典型的成形件为总扭曲角度超过400°的扭曲面(图5)。

图5 单向分段成形件照片

4结论

以上研究表明，多点成形是实现三维板类件经济和快速成形的柔性加工新技术。它不仅能实现板材三维曲面的无模成形，而且能任意改变成形路径，改善成形条件，达到模具成形不能得到的成形效果。同时采用分段成形技术，可用小设备成形大型三维板类件，降低设备尺寸和成形压力。因此具有明显的技术特点，并有广泛的应用前景。

参考文献
1，中岛尚正.针金束を用いた金型、电极の研究.日本机械学会
言志，1969，72(603)
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7，李明哲，赵晓江，苏世忠.球形曲面多点分段成形的实验研究.塑性工程学报，1996，3(4)
8，李明哲，赵晓江，苏世忠.多点分段成形中的几种成形方法.中国机械工程，1997，8(1)(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/17/2007)


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