1、2022/9/22多點(diǎn)成形研究進(jìn)展多點(diǎn)成形的研究背景多點(diǎn)成形的概念多點(diǎn)成形的幾種成形工藝多點(diǎn)成形技術(shù)應(yīng)用實(shí)例多點(diǎn)成形缺陷分析及消除方法多點(diǎn)成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2022/9/22 隨著我國(guó)制造業(yè)的飛速發(fā)展，需要不斷研發(fā)新型產(chǎn)品，提高更新?lián)Q代速度，因此，對(duì)三維曲面件的需求會(huì)越來(lái)越大。特別是在航空航天、船舶艦艇、各種車輛及建筑雕塑等許多軍用與民用制造領(lǐng)域，都需要使用大量的各種材質(zhì)的三維曲面板類件。傳統(tǒng)的三維曲面件成形方法通常要采用模具成形或手工制造方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但模具成形不僅制造費(fèi)用昂貴、加工周期長(zhǎng)，而且不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代、制約著制造業(yè)的快速發(fā)展；而手工成形又存在質(zhì)量差、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)

2、的三維曲面件成形方法已無(wú)法滿足現(xiàn)代制造業(yè)高速發(fā)展的要求。因此，多點(diǎn)成形技術(shù)成為熱門研究課題，是現(xiàn)代制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。多點(diǎn)成形技術(shù)是基于“離散”思想，將柔性制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)合為一體的先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)利用多點(diǎn)成形裝備的柔性與數(shù)字化制造特點(diǎn), 無(wú)需換模就可實(shí)現(xiàn)不同曲面的成形, 從而實(shí)現(xiàn)無(wú)模、快速、低成本生產(chǎn)。由于成形模具的可重構(gòu)性, 多點(diǎn)成形具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：對(duì)于大批量生產(chǎn), 這種方法仍與模具成形具有完全相同的生產(chǎn)節(jié)拍與成形效率，但卻節(jié)省了大量的模具制造、調(diào)試等的時(shí)間與費(fèi)用；對(duì)于多品種、小批量生產(chǎn), 這一技術(shù)能取代手工成形等落后的方式, 實(shí)現(xiàn)零件的規(guī)范成形。一、多點(diǎn)成形的研究背景

3、二、多點(diǎn)成形的概念2.1 基本原理 多點(diǎn)成形是一種板材三維曲面柔性成形的新技術(shù)，其基本原理是由一系列規(guī)則排列的基本體點(diǎn)陣代替整體式?jīng)_壓模具, 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制來(lái)調(diào)整基本體單元高度形成所需要的成型面, 實(shí)現(xiàn)板料的無(wú)模、快速、柔性化成形，如圖1所示。2022/9/22圖1 多點(diǎn)成形的基本體2022/9/22 圖2 兩種基本的多點(diǎn)成形方式 a. 多點(diǎn)模具成形 b. 多點(diǎn)壓機(jī)成形2.2多點(diǎn)成形系統(tǒng)的構(gòu)成2022/9/22 一個(gè)基本的多點(diǎn)成形系統(tǒng)由三大部分組成，即CAD/ CAM軟件、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及多點(diǎn)成形主機(jī)(如圖3)。CAD軟件系統(tǒng)根據(jù)成形件的目標(biāo)形狀進(jìn)行幾何造型、成形工藝計(jì)算等,將數(shù)據(jù)文件傳給控制

4、系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)控制壓力機(jī)的調(diào)整機(jī)構(gòu),構(gòu)造基本體群成形面,然后控制加載機(jī)構(gòu)成形出所需的零件產(chǎn)品。圖3 多點(diǎn)成形系統(tǒng)構(gòu)成 你 薄板件多點(diǎn)成形時(shí)不僅需要設(shè)計(jì)基本體群成形面,還需要正確設(shè)計(jì)壓邊型面并選擇壓邊力。2022/9/22圖4 帶有柔性壓邊裝置的薄板多點(diǎn)成形3.2 分段成形工藝 分段成形通過(guò)改變基本體群成形面的形狀,逐段、分區(qū)域地對(duì)板材連續(xù)成形,從而實(shí)現(xiàn)小設(shè)備成形大尺寸、大變形量的零件。在這種成形方式中,板材分成4個(gè)區(qū):已成形區(qū)、成形區(qū)、過(guò)渡成形區(qū)及未成形區(qū)(如圖5)。這幾個(gè)區(qū)域在成形過(guò)程中是相互影響的,過(guò)渡區(qū)成形面的幾何形狀對(duì)分段成形結(jié)果影響最大,過(guò)渡區(qū)設(shè)計(jì)是分段成形最關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)

5、題。2022/9/22圖5 多點(diǎn)分段成形示意圖采用多點(diǎn)分段成形技術(shù)目前已成形出超過(guò)設(shè)備成形面積數(shù)倍甚至數(shù)十倍的樣件。在成形尺寸為140mm140mm的小設(shè)備上成形出寬度為280mm, 長(zhǎng)度超過(guò)3m的零件。圖6給出了扭曲面分段成形樣件,其總扭曲角超過(guò)400%。2022/9/22圖6 分段多點(diǎn)成形的扭曲面樣件3.3 反復(fù)成形工藝 回彈是板材沖壓成形中不可避免的現(xiàn)象，它是在板料成形卸載過(guò)程中發(fā)生的現(xiàn)象，板材在外載荷作用下發(fā)生變形,其變形由塑性變形及彈性變形兩部分組成。當(dāng)外載荷卸除后,塑性變形部分保留下來(lái),而彈性變形部分則恢復(fù)。這樣在卸載過(guò)程中,成形件的形狀和尺寸都將發(fā)生與加載過(guò)程中變形方向相反的變化

6、,這就是板材產(chǎn)生彈性回復(fù)的原因。在多點(diǎn)成形中,可采用反復(fù)成形的方法減小回彈并降低殘余應(yīng)力。反復(fù)成形的過(guò)程如圖7所示，首先使變形超過(guò)目標(biāo)形狀, 然后反向變形并超過(guò)目標(biāo)形狀,再正向變形；以目標(biāo)形狀為中心循環(huán)反復(fù)成形,直至收斂于目標(biāo)形狀。2022/9/22圖7 反復(fù)成形示意圖 第i次成形卸載后,以原始平板的形狀尺寸為基準(zhǔn),變形量為Di(D為幾何形狀變化的度量參數(shù)),以Dobj表示目標(biāo)變形量,則第i次成形卸載后的變形量與目標(biāo)變形量之差(即第i次成形后板料形狀與目標(biāo)形狀的偏差)為: 反復(fù)成形按下列步驟進(jìn)行:第一次加載成形,使板材產(chǎn)生大于目標(biāo)形狀的變形量,即10；第二次成形要使板材的變形量D2小于目標(biāo)變形

7、量,即20,且|2|0,并且要滿足|3|2|；第四次再施加反向載荷,使40,且|4|3|；如此反復(fù)地成形,可見(jiàn)隨著反復(fù)成形次數(shù)的增加,板材與目標(biāo)形狀的偏差i逐漸減小,產(chǎn)生變形的外彎矩也逐漸減小,從而彈性回復(fù)引起的板料曲率的變化逐漸減小,即卸載回彈量越來(lái)越小,使板材最終收斂于目標(biāo)形狀。2022/9/22 圖8為厚1.5mm、目標(biāo)形狀為扭曲形的試件在反復(fù)次數(shù)為六次時(shí)反復(fù)成形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在此實(shí)驗(yàn)中,采用六種逐漸趨近于最終目標(biāo)形狀的基本體群成形面。如果沒(méi)有回彈存在,每次成形后板材應(yīng)與成形面形狀完全一致。由于金屬板材成形過(guò)程中回彈不可避免,實(shí)際變形量與理想無(wú)回彈變形量必然有一定的偏離,偏離量即為回彈量。

8、2022/9/22圖8 反復(fù)成形法對(duì)試件成形尺寸的影響3.4 多道成形工藝 對(duì)于變形量很大的零件,可逐次改變多點(diǎn)模具的成形面形狀,進(jìn)行多道次成形。其基本思想是將一個(gè)較大的目標(biāo)變形量分成多步,逐漸實(shí)現(xiàn)。通過(guò)多道次的成形,將一步步的小變形,最終累積到所需的大變形。 通過(guò)設(shè)計(jì)每一道次成形面形狀,可以改變板材的變形路徑,使各部分變形盡量均勻,使板材沿著近似的最佳路徑成形,從而消除起皺等成形缺陷,提高板材的成形能力。因此,多道次成形也可看成是一種近似的多點(diǎn)壓機(jī)成形。 如果當(dāng)成形件上出現(xiàn)輕微的皺紋或皺折時(shí)即認(rèn)為達(dá)到了板材的成形極限,板材的成形能力可由達(dá)到成形極限時(shí)的變形量來(lái)反映。圖9給出了球形件與馬鞍形件

9、在多道成形與一次成形時(shí)的極限變形量。可見(jiàn),采用多道成形時(shí)板材的成形能力得到明顯的提高。2022/9/22圖9 多道成形與一次成形的成形極限 1. 馬鞍面件多道成形 2. 球面件多道成形 3. 馬鞍面件一次成形 4. 球面件一次成形3.5 閉環(huán)成形工藝 板材成形是包含材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性的復(fù)雜問(wèn)題,由于摩擦條件、材料參數(shù)變化等因素的不確定性,即使采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行成形預(yù)測(cè),也很難一次得到精確的目標(biāo)產(chǎn)品。利用基本體群成形面的形狀可以任意調(diào)整的特點(diǎn),在多點(diǎn)成形中可采用閉環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化的精確成形。即零件第一次成形后,測(cè)量出曲面幾何參數(shù),與目標(biāo)形狀進(jìn)行比較,根據(jù)二者的幾何誤差通過(guò)反饋

10、控制的方法進(jìn)行運(yùn)算,將計(jì)算結(jié)果反饋到CAD系統(tǒng),重新計(jì)算出基本體群成形面進(jìn)行再次成形。這一過(guò)程反復(fù)多次,直到得到所需形狀的零件(如圖10)。2022/9/22圖10 多點(diǎn)閉環(huán)成形四、多點(diǎn)成形技術(shù)應(yīng)用實(shí)例 多點(diǎn)成形作為一種新穎的沖壓成形技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前, 多點(diǎn)成形技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于高速列車流線型車頭制作、船體外板成形、航空航天器、化工壓力容器、建筑物內(nèi)外飾板的成形及醫(yī)學(xué)工程等多個(gè)領(lǐng)域中。 高速列車流線型車頭覆蓋件的壓制是多點(diǎn)成形技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)例子。流線型車頭的外覆蓋件通常要分成5080塊不同曲面,每一塊曲面都要分別成形后進(jìn)行拼焊，如圖12所示。2022/9/22圖12 高速列

11、車車頭2022/9/22多點(diǎn)成形技術(shù)在08年北京奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館鳥(niǎo)巢建筑工程中的應(yīng)用是建筑領(lǐng)域中一個(gè)較典型的應(yīng)用實(shí)例。“鳥(niǎo)巢”大量采用由鋼板焊接而成的箱形構(gòu)件,其三維彎扭結(jié)構(gòu)不同部位的彎曲與扭曲程度不相同, 成形厚度從10mm變化到60mm,其回彈量變化很大。如采用模具成形,將花費(fèi)巨額的模具制造費(fèi)用；采用水火彎板等手工方法成形,需要大量的熟練工人,還難以保證成形的一致性。而采用多點(diǎn)成形技術(shù),不僅節(jié)約了高額模具費(fèi)用,提高成形效率數(shù)十倍,還大大提高了成形精度,使整塊鋼板的最終綜合精度控制在幾毫米內(nèi)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了中厚板類件從設(shè)計(jì)到成形過(guò)程的數(shù)字化,圓滿解決了鳥(niǎo)巢建筑工程鋼構(gòu)件加工的技術(shù)難題，如圖13所示

12、 。圖13 多點(diǎn)成形在鳥(niǎo)巢中的應(yīng)用 多點(diǎn)成形技術(shù)在醫(yī)學(xué)工程中，也取得了很好的效果。人腦顱骨受損傷后，需要進(jìn)行顱骨修補(bǔ)手術(shù)，目前較常用的方法是在顱骨缺損處植入用鈦合金網(wǎng)板成形的顱骨修復(fù)體。因每個(gè)人的頭部形狀與大小都不一樣，而且顱骨缺損部位也有區(qū)別，在手術(shù)前需要按照患者的頭形與手術(shù)部位成形鈦合金網(wǎng)板，這也是一種典型的個(gè)性化制造方面的需求。顱骨修復(fù)體的多點(diǎn)數(shù)字化成形技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于長(zhǎng)春、哈爾濱、北京、天津及上海等城市的多家醫(yī)院，如圖14所示。2022/9/22圖14 多點(diǎn)成形在顱骨修復(fù)體上的應(yīng)用五、多點(diǎn)成形缺陷分析及消除方法5.1 多點(diǎn)成形中的壓痕 壓痕是多點(diǎn)成形中所特有的成形缺陷。在多點(diǎn)成形中，板材

13、受到的外力來(lái)自于單元體對(duì)板材的接觸作用力。凸模一般都是球形，二者的接觸區(qū)域是球面的一部分，接觸面積極小，基本上為點(diǎn)接觸。在接觸處，板材將會(huì)受到很大的作用力，必定要在板材上留下壓痕，從而影響成形零件的外觀和精度。這種壓痕通常包括表面壓痕和包絡(luò)壓痕兩種情況，如圖15所示。2022/9/22圖15 多點(diǎn)成形中的壓痕表面壓痕是沖頭壓入板材,在板材表面留下的凹坑,是一種局部變形,如圖15(a)所示。這時(shí)板材的塑性變形集中在與沖頭接觸的區(qū)域內(nèi),該區(qū)域內(nèi)的板厚變化較大,從接觸區(qū)域中心到區(qū)域邊緣厚向應(yīng)變由大到小；未與沖頭接觸的區(qū)域僅產(chǎn)生很小變形或不產(chǎn)生變形,厚向應(yīng)變很小或?yàn)榱恪０j(luò)式壓痕類似于局部拉深的變形,

14、板材包裹于沖頭上,在全板厚范圍內(nèi)同時(shí)發(fā)生整體面外變形,在板材上形成沖頭形狀的凹陷或凸起,如圖15(b)所示。這種變形以板材的拉脹變形與彎曲變形為主。接觸區(qū)域內(nèi)板厚比較均勻,厚向應(yīng)變變化不大；未與沖頭接觸的板材也跟隨變形部位發(fā)生面外變形。 通過(guò)對(duì)壓痕形成的分析可以看出,壓痕主要是由于接觸壓力的高度集中、變形過(guò)于局部化等造成的。因此,通過(guò)增大接觸面積、均勻分散接觸壓力、使變形均勻化等措施都可有效抑制壓痕的產(chǎn)生。具體可采取以下幾種工藝方法: 1、采用大曲率半徑的沖頭。這種方法可以增大接觸面積,減小接觸壓強(qiáng),對(duì)減輕壓痕比較有效。但有時(shí)受所成形零件形狀的限制,如對(duì)于大曲率的零件,用大半徑的沖頭則無(wú)法成形

15、。2022/9/222、在沖頭與板材之間使用彈性墊。這種方法分散了接觸壓力,避免了沖頭的集中力直接作用于板材,對(duì)于抑制表面壓痕特別有效。目前使用的彈性墊主要有普通橡膠墊、聚胺脂橡膠墊、由彈性鋼條編織的彈性墊以及聚胺脂橡膠帽等。3、利用多點(diǎn)成形面可變的特點(diǎn),采用多點(diǎn)壓機(jī)成形或多道次多點(diǎn)成形為路徑成形方式,通過(guò)在成形過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整基本位置,分散接觸壓力,改變板材的局部變形剛度,使各部分盡量均勻地變形,也可有效抑制壓痕的產(chǎn)生。2022/9/22圖16中填充區(qū)域大小反映了階梯效應(yīng)的明顯程度。階梯效應(yīng)主要與單元體尺寸和成形零件的曲率有關(guān)，階梯效應(yīng)隨著單元體直徑的增大而變得越來(lái)越明顯，這使得通過(guò)采取增大單

16、元體的直徑來(lái)減輕壓痕的措施受到一定的限制；階梯效應(yīng)與成形件的曲率的關(guān)系是：成形件的曲率越大，階梯效應(yīng)越明顯，這將導(dǎo)致拉伸零件產(chǎn)生形狀和尺寸誤差，降低拉伸件的表面質(zhì)量。這是單純離散堆積快速成形的固有弊端，只有減小離散單元的尺寸增加離散單元的數(shù)量，才能減輕這一效應(yīng)，但這又會(huì)使壓痕變得明顯。 以上分析的多點(diǎn)成形缺陷是由于單元體與單元體之間的不連續(xù)造成的，要從根本上解決這些問(wèn)題，就必須使單元體與單元體之間連續(xù)起來(lái)。為了使單元體與單元體之間連續(xù)起來(lái)，可采取下面的方法。 當(dāng)直線步進(jìn)電機(jī)將單元體驅(qū)動(dòng)到目標(biāo)位置后，用磁性材料粉末將單元體之間的凹坑填平，最后加上大強(qiáng)度的夾緊磁場(chǎng)，單元體與磁性材料粉末在強(qiáng)磁場(chǎng)的作

17、用下成為一個(gè)整體，從而消除在多點(diǎn)成形中的壓痕、階梯效應(yīng)等缺陷。2022/9/22為此，將單元體進(jìn)行了改造，改造后的單元體如圖17所示。它主要有電磁線圈1、聯(lián)接頭2、引線3、電磁鐵心4、保護(hù)層5等幾部分組成，每個(gè)單元體通過(guò)連接頭與直線步進(jìn)電機(jī)連接。電磁線圈1和電磁鐵心4作用是形成吸附磁性材料粉末的磁場(chǎng)，保護(hù)層的作用是保護(hù)電磁線圈，避免單元體在上下移動(dòng)時(shí)單元體與單元體之間的摩擦而對(duì)電磁線圈造成損傷。2022/9/22圖17 改進(jìn)后的單元體1.電磁線圈 2.聯(lián)接頭 3.引線 4.電磁鐵心 5.保護(hù)外層當(dāng)需要成形新的零件時(shí)，只需要對(duì)單元體群去磁，再由各個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)新零件的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)形、修形

18、、夾緊和成形。另外鈑金件常用材料為鋼材等鐵磁性材料，鐵磁材料在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，將會(huì)產(chǎn)生塑化，使金屬板材很容易成形；同時(shí)板材在垂直磁力線方向受很大磁力，在拉伸過(guò)程中有壓邊作用，而板材運(yùn)動(dòng)方向磁力很小，使板材成形能夠順利成形。2022/9/22圖20 修形后試驗(yàn)圖1.直線步進(jìn)電機(jī) 2.單元體 3.磁場(chǎng)夾緊裝置 4.磁性材料粉末六、多點(diǎn)成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及展望 隨著航空、航天、海運(yùn)、高速鐵路、化工等行業(yè)的發(fā)展, 對(duì)三維曲面板件的需求也在不斷地增加, 三維板件的生產(chǎn)也需要更加先進(jìn)的制造技術(shù)。目前, 多點(diǎn)成形技術(shù)正在向大型化、精密化及連續(xù)化方向發(fā)展。 大型化: 多點(diǎn)成形作為一種柔性制造新技術(shù), 特別適用于三維板件的多品種小批量生產(chǎn)及新