【doc】多点成形—金属板材柔性成形的新技术

【doc】多点成形—金属板材柔性成形的新技术 多点成形—金属板材柔性成形的新技术 李明哲等多点成形——金属板材柔性成形的新技术5 多点成形金属板材柔性成形的新技术 李明哲,蔡中义,崔相吉 (吉林大学,吉林长春130o25) [摘要]多点成形是一种板材三维曲面柔性成形的新技术.简述了多点成形的基本原理与 系统构成并介绍了几种成形方式.在多点成形中,厚板曲面件可直接成形,薄板曲面件则采用柔性 压边技术进行成形.利用多点成形技术的柔性特点还能实现分段成形,反复成形,多道成形以及闲 环戍形等新的板材成形工艺. [关键词]板材;多点成形;柔性成形;冲压 中图分类号:TG386.4文献标识码:A文章编号:1000—8446(2002)06—0005—05 Multi-pointForming---ANewFlexibleForming ProcessforSheetMetal LIMing?zhe,CladZhong-yi,CUIXiang-ji (JilinUniversity,Changchun130025,China) Abstract:Multi?pointforming(MPF)isanewflexibleformingprocessforthree?dimensiona lsheet meta1.ThebasicMPFprincipleandthecomponentsofMPFaredescribed.InMPFIthickshee tmetalis formeddirectlyandthinsheetmetalCanbeformedwithflexibleblankholder,Duetotheflexib ilityof MPF,severalnewformingtechniquesforsheetmetalsuchassectionalMPF,iterativeMPF.M ulti—step MPFandclosed?loopMPFcanberealized, Keywords:sheetmetal;multi?pointforming;flexibleforming;stamping 板材三维曲面件具有薄壳的结构特点,因其具 有重量轻,材料省,受力状态好,几何造型流畅等优 点,往往作为覆盖件,在民用产品,军用产品等制造 领域广为应用.这些三维曲面类零件通常是由金属 板材成形出来的,其传统的成形方法主要是冲压成 形与手工成形.冲压成形主要用于大批量生产,这 种方法成形一种零件往往需要数套模具.其优点是 加工件的精度好,但模具制造的成本高,生产周期 长.零件的尺寸越大,这些问题越突出.由于模具 费用昂贵,大尺寸,小批量的零件只能采用手工成形 方法,如在造船行业,每一块船体外板形状都各不相 同,并且都非批量生产,因此,广泛采用的是线加热 成形方法.我国第一台国产准高速列车的流线形车 头外壳采用的也是手工操作的对击锤成形方法.车 头外壳部分分割成数十个曲面片,每一片都需熟练 的技术工人进行数百,数千次的敲打,再靠木模反复 检测,修正才能完成.手工成形方法成形质量差,生 产效率低,而且劳动强度极大. 多点成形(Multi—pointForming)是由笔者命名的 一 种新的板材成形方法J.由于成形模具的可重构 性,多点成形具有显着的技术优势;对于大批量生 产,这种方法仍与模具成形具有完全相同的生产节 拍与成形效率,但却节省了大量的模具制造,调试等 时问与费用;对于多品种,小批量生产,这一技术能 取代手工成形等落后的方式,实现零件的规范成形. 1多点成形的概念 峨稿日期:2002-08.26 基金项目:"十五"国家重点科技攻关项目(2001BA203B11)及教育部跨世纪优秀人 才基金资助项目. 作者简介:李明哲(1951一),男,吉林延吉人,教授,博士生导师,留日博士.主要研究方 向为无模成形,塑性成形工艺及 设备,模具CAD/CAM等. 6金属成形工艺METALFORMINGTECHNOLOGYVo1.20?.62002 1.1基本原理 多点成形中由规则排列的基本体点阵代替传统 的整体模具(如图1),通过计算机控制基本体的位 置形成形状可变的"柔性模具",从而实现不同形状 板类件的快速成形. 图1多点成形系统的上,下基本体群 多点成形可分为多点模具,多点压机,半多点模 具及半多点压机等4种有代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性的成形方式,其 中多点模具与多点压机成形是最基本的成形方式. 多点模具成形时首先按所要成形的零件的几何 形状,调整各基本体的位置坐标,构造出多点成形 面,然后按这一固定的多点模具形状成形板材;成形 面在板材成形过程中保持不变,各基本体之间无相 对运动,如图2a所示. 成形开始成形过程中成形结束 辫鞋 成形开始成形过程中成形结束 图2两种基本的多点成形方式 a.多点模具成形b.多点压机成形 多点压机成形是通过实时控制各基本体的运 动,形成随时变化的瞬时成形面.因其成形面不断 变化,在成形过程中,各基本体之间存在相对运动. 在这种成形方式中,从成形开始到成形结束,上,下 所有基本体始终与板材接触,夹持板材进行成形,如 图2h所示:这种成形方式能实现板材的最优变形 路径成形,消除成形缺陷,提高板材的成形能力.这 是一种理想的板材成形方法,但要实现这种成形方 式,压力机必须具有实时精确控制各基本体运动的 功能. 1.2多点成形系统的构成 一 个基本的多点成形系统由三大部分组成], 即CAD/CAM软件,计算机控制系统及多点成形主 机(如图3).CAD软件系统根据成形件的目标形状 进行几何造型,成形工艺计算等,将数据文件传给控 制系统,控制系统根据这些数据控制压力机的调整 机构,构造基本体群成形面,然后控制加载机构成形 出所需的零件产品. iCAD/CAMl1计算机1【多点成形1零件 l丕lI丕I【圭 图3多点成形系统构成 利用多点成形的成形面柔性可变的特点,已开 发出一次成形,分段成形,反复成形以及多道成形等 多种成形工艺. 2一次成形工艺 一 次多点成形工艺与传统的整体模具冲压成形 类似,根据零件的几何形状并考虑材料的回弹等因 素设计出成形面,在成形前调整各基本体的位置,按 调整后基本体群成形面一次完成零件成形. 2.1中,厚板成形 对于中,厚度变形不太剧烈的曲面零件,可直接 进行多点成形,不需要压边.如果板材坯料计算准 确,这种成形方法的材料利用率最高,且可省去后续 的切边工序.图4为一板厚5mm的多点成形三维 曲面件 图4板厚5mm的多点成形件 2.2薄板成形 压痕与起皱是多点成形中最典型的成形缺陷. 采用弹性垫技术,压痕缺陷可以得到有效控制;起 皱缺陷则是薄板曲面件多点成形中的关键技术问 题.起皱产生于板材塑性失稳,当局部切向压应力 较大,而板面又没有足够约束时,由于面外变形所需 能量小,板材的变形路径向面外分又,由面内变形转 为面外变形,出现皱曲.在传统板材成形中,通过采 李明哲等多点成形——金属板材柔性成形的新技术7 用压边圈与拉延筋,改变板材的受力状态与约束状 态,从而消除起皱:在多点成形中,也需采用压边技 术抑制起皱的产生,实现板材的拉深成形.图5为 薄板多点成形示意,其压边装置由数十个液压缸分 别控制,而且压边型面柔性可变. 图5带有柔性压边装置的薄板多点成形 薄板件多点成形时不仅需要设计基本体群成形 面,还需正确设计雎边型面并选择压边力.图6是 薄板多点成形零件.. 一一图6板厚0.5II1Ill的多点成形件 3几种多点成形新工艺 由于基本体构成的成形面具有柔性可变性,多 点成形可实现多种常规方法无法实现的新的板材成 形工艺: 3.1分段成形技术 分段成形通过改变基本体群成形面的形状,逐 段,分区域地对板材连续成形,从而实现小设备成形 大尺寸,大变形量的零件.在这种成形方式中,板材 分成4个区:已成形区,成形区,过渡成形区及未成 形区(如图7).这几个区域在成形过程中是相互影 响的,过渡区成形面的几何形状对分段成形结果影 响最大,过渡区设计是分段成形最关键的技术问题. 采用多点分段成形技术目前已成形出超过设 备成形面积数倍甚至数十倍的样件.在成形尺寸为 140ram×140ram的小设备上成形出宽度为280mm, 已成形区成形过渡区未成形 图7多点分段成形示意 长度超过3m的零件.图8给出了扭曲面分段成形 样件,其总扭曲角超过400.. 图8分段多点成形的扭曲面样件 3.2反复成形技术 回弹是板材冲压成形中不可避免的现象,在多 点成形中,可采用反复成形的方法减小回弹并降低 残余应力. 反复成形时,首先使变形超过目标形状,然后反 向变形并超过目标形状,再正向变形;此以目标形状 为中心循环反复成形,直至收敛于目标形状(如图 9). — :.一 . 蓑 +磊;鬟 \:—一一最终零件形状 图9反复成形不意 图10给出了扭曲形试件反复成形6次时的实 验结果.可以看出,随着反复成形次数的增加,试件 的回弹逐渐减小,最终稳定于目标尺寸. 3.3多道成形技术 对于变形量很大的零件,可逐次改变多点模具 的成形面形状,进行多道次成形.其基本思想是将 一 个较大的目标变形量分成多步,逐渐实现.通过 8金属成形工艺METALFORMINGTECHNOLOGYVo1.20No.62002 踞 暑 反复成形道次 固扭曲面样件的回弹随反复成形次数减小的效果 多道次的成形,将一步步的小变形,最终累积到所需 的大变形. 通过设计每一道次成形面形状,可以改变板材 的变形路径,使各部分变形尽量均匀,使板材沿着近 似的最佳路径成形,从而消除起皱等成形缺陷,提高 板材的成形能力.因此,多道次成形也可看成是一 种近似的多点压机成形. 如果当成形件上出现轻微的皱纹或皱折时即认 为达到了板材的成形极限,板材的成形能力可由达 到成形极限时的变形量来反映.图11给出了球形 件与马鞍形件在多道成形与一次成形时的极限变形 量.可见,采用多道成形时板材的成形能力得到明 显的提高. 7 — 6 5 4 篓s 2 J 钣材厚度t/ram 图11多道成形与一次成形的成形极限 1.马鞍面件多道成形2.球面件多道成形 3.马鞍面件一次成形4.球面件一次成形 3.4闭环成形技术 板材成形是包含材料非线性,几何非线性以及 接触非线性的复杂问题,由于摩擦条件,材料参数变 化等因素的不确定性,即使采用数值模拟技术进行 成形预测,也很难一次得到精确的目标产品.利用 基本体群成形面的形状可以任意调整的特点,在多 点成形中可采用闭环技术实现智能化的精确成形. 即零件第一次成形后,测量出曲面几何参数,与目标 形状进行比较,根据二者的几何误差通过反馈控制 的方法进行运算,将计算结果反馈到CAD系统,重 新计算出基本体群成形面进行再次成形.这一过程 反复多次,直到得到所需形状的零件(如图12). — leA—D/C—AM.[I计算机lI多点成彤l l软件系统广——}}空制系统r—__1压机l 图l2多点闭环成形 闭环成形过程的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 以成形件三维曲面形状的 离散傅立叶变换为基础,将影响成形过程的变量看 作系统的扰动量,多点成形系统可简化为单输入输 出系统.建立多点成形过程的传递函数,并通过非 参数化系统辨识方法获得每次循环中成形过程的非 参数模型,从而预测出下次成形所需的基本体群形 状. '图13给出了球面件在闭环成形过程中的成形 误差曲线.目标形状为半径R=300mm的球面,材 料为厚3mm的L2Y2铝板,尺寸为100mmx100mm. 图13球面成形件闭环 成形过程中成形误差曲线 由图13不难看出,球面成形件经过5次闭环成 形后,曲面最大绝对值误差从4.4mm减小到 0.25mm,曲面均方根误差从1.3mm减小到 0.10mm.可见,采用闭环多点成形技术,成形件曲 面形状误差收敛的速度较快,经过4,5次多点闭环 成形即可收敛到所要求的目标形状. 4结语 多点成形技术是对传统板壳类件成形方式的重 大变革.目前,该技术已枉高速列车流线型车头成 形上得到应用,取代了原有的振锤手工成形方式,大 大提高了成形速度与成形质量. 随着现代工业的飞速发展.产品的更新换代的 速度越来越快,品种越来越多,产品的生产规模也逐 渐由大批量向中,小批量的方向转变,这就为多点成 32lO . E襟蓄}键 李明哲等多点成形——金属板材柔性成形的新技术9 形技术的发展与应用开辟了广阔的空间.这种成形 方法在航空航天器,轮船舰艇,交通车辆,化工压力 容器以及建筑装潢,城市雕塑等许多行业板壳类件 的三维曲面成形中具有广阔的应用前景. [2] [参考文献] 李明哲,中村敬一.基本的成形原理检讨(板材多 )[A].日本平成4年度塑性 点成形法研究第1报 加工春季讲演会论文集,1992:519—522. LiMingzhe,UuChunguo,ChenQingmin.Researchon multi-?pointformingofthree——dimensionalsheetmetal parts,6thInternationalConferenceonTechnolo~"ofPlas— ticity,Nuremberg,Germany,1999,189—194. [3]李明哲,姚建国,蔡中义等.利用多点反复成形法减小 回弹的研究[J].塑性工程,2000,7(1):22—25. 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