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无模多点成形机的发展及应用 |
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摘要：无模多点成形机是把塑性成形与计算机技术结合为一体的先进制造设备，适用于各种三维曲面板类件的成形。本文介绍了无模多点成形机的基本原理及发展过程；重点阐述了该设备在鸟巢建筑工程、流线型车头及医学工程等不同领域的应用实例；叙述了多点成形机的技术特点及优势。
随着生产力水平的不断提高及制造业的飞速发展，金属板类件制品的需求也在快速增长。机械制造、航空航天、船舶舰艇、各种车辆、压力容器乃至建筑装潢、城市雕塑等许多领域，对三维曲面板类件都有大量的需求。这些板类件的三维曲面成形通常要采用模具成形或手工制造的方式来实现。但模具的制造费用昂贵，加工周期较长，不利于产品的更新换代，制约着制造业的快速发展。而手工成形又存在质量差、效率低、劳动强度大等缺点。在市场竞争越来越激烈的今天，板类件的生产迫切需要快速柔性的先进制造设备。
无模多点成形机是把塑性成形技术和计算机技术结合为一体的先进制造设备。该设备可省去产品开发与制造过程中因模具设计、制造、调试和修改等复杂过程所耗费的时间和资金，显著缩短了研制及生产周期，对产品的更新换代能做出快速的响应。
一、基本原理及发展过程
1. 基本原理
无模多点成形机是以计算机辅助设计、辅助制造和辅助测试(CAD/CAM/CAT) 技术为主要手段的高技术集成系统。其基本原理是把传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的冲头群，各冲头的高度可由计算机随意控制，根据零件的目标形状调整冲头快速地构造出所需的成形曲面，从而实现板类件的快速、柔性和数字化成形。图1 所示为多点成形原理。
基本的无模多点成形设备由三大部分组成，即CAD/CAM 软件系统、计算机控制系统及多点成形主机( 如图2所示) 。其中，多点成形主机是多点成形系统的核心。而CAD/CAM 软件系统是根据成形件的目标形状进行几何造型及成形工艺计算等，并通过计算机控制系统调整冲头的高度位置，构造成形面，然后控制加载机构成形出所需的零件。由于成形面的重构过程及工艺参数的选择等均由计算机控制，因此多点成形过程容易实现自动化。如果结合针对成形结果的测量技术，还可实现闭环成形，进一步提高产品精度。
2. 发展过程
早在20世纪60年代就有日本人提出过与多点成形相关的思路，其原始思想是利用可以相互错动的“钢丝束集” 形成模具型面对板材实现压制与变形。20世纪70年代日本有很多企业与研究机构在这方面进行过大量的研究与试验。吉林大学李明哲教授于1992年在日本将这种板料成形方法命名为“多点成形( Multipoint forming ，简称MPF) ” 法，并提出了成形原理不同的四种典型的多点成形基本方法。
近十余年来，吉林大学在多点成形方面进行了深层次的基础研究与产业化工作，并在多点成形基本理论、专用软件、实用技术等研究与开发方面取得了重大进展，解决了一系列关键技术，使多点成形技术由早期的探索性研究与试验阶段进入了实际应用阶段，实现了分段成形、闭环成形、薄板成形等多种工艺方法，并且已应用于多个领域的实际生产中。
在薄板成形方面取得的成果尤为突出，提出了柔性压边的概念，圆满地解决了薄板多点成形的技术难题，打破了国内外很多专家认为多点成形只能用于中厚板成形的框框。图3所示为采用柔性压边技术压制的薄板成形样件，其板料厚度为0.5mm；图4所示为人脸成形件。图5 所示为具有柔性压边功能的薄板用630kN多点成形机。该设备采用机械手进行调形，上下冲头群各采用40×32的布置方式，上、下各由1280个冲头组成，一次成形尺寸为400mm×320mm。该设备的特点是冲头的截面尺寸小，可以实现板料的精密成形，并且在上下冲头群的四周各布置40个压边用液压缸，能够实现柔性压边。
图5 薄板成型多点成形机
二、应用实例
无模多点成形机目前已成功应用于多个领域中，产生了显著的经济效益与社会效益。下面举几个应用实例，介绍多点成形技术在不同领域的应用情况。
1. 鸟巢建筑工程中的应用
在北京2008年奥运会用国家体育馆———鸟巢建筑工程中采用了大量由弯扭形钢板焊接而成的箱形构件(见图6)，其各部件的弯扭形状与尺寸都不一样，而且所用高强度钢板的厚度从10mm变化到60mm，其回弹量的变化也很大。如果采用模具成形，将花费巨额的模具制造费用；若采用水火弯板等手工方法成形，由于很难实现连续的圆滑成形，不易保证成形精度。采用多点成形技术后，不仅实现了与模具成形类似的成形效果，而且节约了巨额的模具费用，成形效率还提高了数十倍。该技术实现了中厚板类件从设计到成形过程的数字化，圆满解决了鸟巢建筑工程中钢构件加工的世界难题。图7 、图8分别为鸟巢建筑工程用箱形单元及成形件的照片。图9所示为鸟巢建筑工程用多点成形机照片。该设备的上下冲头群采用9×9的布置方式，一次成形尺寸为1350mm×1350mm。所有冲头都可以同时调整，从一个成形面变化到另一个成形面，只需2min 左右的时间。由于采用了分段成形方式，所以大部分实际成形件的长度达6～10m。
图6 鸟巢建筑工程中的箱形构件
图9 鸟巢建筑工程用多点成形机
2. 流线型车头的制造
高速列车流线型车头外覆盖件通常要分成50 ～80块不同曲面，每一块曲面都要分别成形后进行拼焊。按原工艺，生产新车型的模具就需6 ～8个月。而采用无模多点成形机，几天的时间就可以完成一台新型车头覆盖件的成形，大大缩短了新产品的开发周期，提高了成形效率与成形质量；同时，显著降低了工人的劳动强度，改善了工作环境。图10为高速列车流线型车头照片，图11为拼焊中的流线型车头，图12为其中的一个成形件。
图12 车头成形件
图13所示为用于高速列车流线型车头覆盖件制造的2000kN多点成形机，上下冲头群采用28×20的布置方式，一次成形尺寸为840mm×600mm。该设备机架采用C型结构，分段成形时在宽度方向可以成形一次成形面宽度的2.5倍，长度方向只要成形后的工件不与机架干涉，就可以成形无限长的工件。
图13 2000kN多点成形机
图14示为1000kN多点成形机，也用于流线型车头覆盖件的成形。该设备机身为三梁四柱式结构，上下冲头群采用25×20的布置方式，一次成形尺寸为500mm×400mm。该设备可同时调整8个冲头，从一个成形面变化到另一个成形面，大约需要10min。
图14 1000kN多点成形机
三、技术特点及优势
多点成形技术主要的特点可例举如下：
( 1) 实现板类件的无模成形，节约模具材料及设计、制造费用 采用多点成形不需另外配置模具，不存在模具设计、制造及调试等问题。
与传统模具成形方法相比可节省大量的资金与时；更重要的是过去因模具造价太高而不得不采用手工成形的单件、小批零件，可通过多点成形技术实现规范成形，提高了成形质量。
( 2) 在同一台设备上可进行多种不同形状零件的加工 多点成形时，通过冲头群包络面构成的成形面来成形板类件，成形面的形状可通过对各冲头的控制自由地构造出来，成形面具有可重构性；另外，利用多点成形中成形面可变的特点，在多点成形设备上可以实现板材的分段成形或多道次成形，在小设备上成形大于设备成形面积数倍甚至数十倍的大尺寸零件。
( 3) 实现板类件变路径成形 通过调整冲头高度控制成形曲面，可以随意改变板材的变形路径和受力状态，提高材料变形程度，实现难加工材料的塑性变形，扩大加工范围。
( 4) 易于实现CAD/CAE/CAM/CAT 一体化及成形过程自动化 在多点成形中，零件的曲面造型、工艺规划等都由计算机完成，而工件检测及成形过程的数值模拟也可以采用计算机技术，因此，容易实现CAD/CAE/CAM/CAT 一体化。另外，由于多点成形设备采用计算机进行控制，因而容易实现成形过程的自动化。
( 5) 缩短新产品的开发周期 多点成形不需要模具，省去了大量的模具设计、制造及调试的时间，可大幅度缩短新产品的开发周期，降低制造成本。由于具有上述技术特点，多点成形设备可广泛应用于各种金属三维曲面板类件的制造领域。一台多点成形设备可用于进行多种形状零件的加工，并可根据零件的尺寸大小、变形程度及成形精度等要求进行板材的分试验。试验情况及有关结果数据列于表3 。其大孔剪切面均达到料厚的一半以上。
在生产性试验中包含操作程序、送料取件、废料漏下及设备运转等情况，与原有生产实际基本一致，只是漏下去的除了一整块冲孔废料外，还多了废屑圈，与原理性试验相同。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/18/2008) |
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