多点模具成形技术

多点成形模具讲座韩志仁讲座内容多点成形技术的概念多点成形技术的背景及意义多点成形技术的特点多点成形技术的分类多点成形技术的模具多点成形技术的应用多点成形技术的关键技术与难点多点成形技术的数值模拟多点成形技术的质量评价多点成形技术的概念图1多点成形是将柔性成形技术和计算机技术结合为一体的先进技术。它利用多点成形装备的柔性与数字化制造特点，无需换模就可完成板材不同曲面的成形，从而实现无模、快速、低成本生产。该工艺目前已在高速列车流线型车头制作、船舶外板成形、建筑物内外饰板成形及医学工程等领域，得到广泛应用。原理：多点成形是金属板材三维曲面成形方法。其核心原理是将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体（或称冲头），在整体模具成形中，板材由模具曲面来成形，而多点成形中则由基本体冲头的包络面.各基本体的行程可独立地调节，改变各基本体的位置就改变了成形曲面，也就相当于重新构造了成形模具。最基本的多点成形系统由三大部分组成，即软件系统、计算机控制系统及多点成形主机。多点模成形产生的背景和意义•由于模具费用昂贵，大尺寸（如巨型天线、开发阶段列车的机头覆盖件、船上的大型钣金件等）、小批量、多品种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。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。手工成形方法成形质量差、生产效率低，而且劳动强度极大。对飞机行业也存在这个问题。•将传统的整体模具离散化，变成形状可变的“柔性模具”，则可用于任意形状的板材成形。这样将省去大量的模具制造费用，又能解决单件、小批量零件的生产问题，这种先进的金属板材成形技术就是板材多点成形技术。国内外现状国内外现状国内外现状多点成形技术的特点•模具型面由离散的点构成，这些点的位置可调。•用离散点取代连续的模具型面，会带来局部形状的误差，可以用加弹性垫的方法进行弥补。•多点成形模具具有柔性特点，根据不同零件的需要进行调整，以便适应不同零件的需要。•采用具有柔性的多点模具，可以省去模具费用。•缩短生产准备时间。•适合单件、小批量钣金件的生产。•避免了手工方法中成形质量差、生产效率低、劳动强度大的不足。多点成形方法的优点（1）无需另外配置模具，因此不存在模具设计、制造及调试费用的问题与整体模具成形方法相比节省了大量的资金与时间；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，采用此技术可完全实现规范的自动成形，无疑，这将大大提高成形质量。（2）用于成形板材的基本体群成形面形状，可通过对各基本体运动的实时控制自由地构造出来，甚至在板材成形过程中都可随时进行调整!因而，这种成形方法的板材成形路径是可选择的，而这是整体模具成形无法实现的功能!（3）利用成形面可变的特点，可以实现板材的分段、分片成形，在小设备上能成形大于设备成形面积数倍甚至数十倍的大尺寸零件!（4）通用性强，适用范围宽!通常整体模具成形方法只适用于指定厚度的板材，而这种成形方法可用于最大厚度与最小厚度之比达到10的各种材质板料!多点成形技术的分类1、整体一次成形2、分段成形3、反复成形4、多次成形多点成形技术的模具•模具的构成•模具的控制•模具型面的确定•模具型面的光顺模具的构成、控制、型面确定、光顺实用化多点成形技术1、无缺陷成形的弹性垫技术。由于多点成形时工具与工件为点接触，在基本体与板材的接触点附近小区域内容易产生压痕。这些压痕产生于接触压力的高度集中，塑性变形过于局部化。通过对压痕产生机理的研究及数值模拟分析，开发了弹性垫技术。弹性垫可以增大基本体与板材的接触面积，均匀分散接触压力，非常有效地抑制了压痕缺陷。钣金件数模模具型面多点模具型面多点模具针控制回弹弹性垫厚度及变形实用化多点成形技术2、分段成形技术对于尺寸大于设备成形尺寸的零件，可以逐段、分片连续成形，在这种成形方式中，板材分成若干个区：已成形区、过渡成形区及未成形区。这几个区域在变形过程中是相互影响的，过渡区中基本体群成形面的几何形状对分段成形效果具有决定性作用，过渡区的设计是分段成形最关键的技术问题。应用多点分段成形技术已成形出零件尺寸大于一次成形尺寸数倍以上的样件，成形出的扭曲面扭曲角超过400°。分段多点成形技术应用于大型和超大型钣金件成形（汽车、造船等）。解决设备尺寸和批量的限制。例如高速火车的流线型车头外壳、巨型天线、潜艇外壳、大型建筑装饰件等多点分段成形的特点：1、可以采用小型设备成形大型钣金件；2、工件受力和变形比整体成形复杂；3、多点成形模具的柔性特点可以减小模具成本，缩短生产准备时间；4、模具可以重构一、有重叠区的成形方法二、过渡区变形协调的成形方法剧烈塑性变形和硬化三、多道分段成形方法应用实例：路径优化数字化渐进成形多点成形模具的分类半多点靠模成形法多点成形压力机•多点成形压力机，按冲头基本体调形分有：逐点调形式和快速调形式；按机架形式分有开式、三梁四柱式和框架式；按加工板材分有厚板和薄板之分。目前，有代表性的产品如下：①2000kN逐点调形式多点成形压力机。采用开式机架，机械手调形，上下冲头基本群体采用28×20布置方式。公称力2000kN，一次成形尺寸840mm×600mm。该机是世界上首台商品化多点成形压力机。机器主要用于高速列车流线型车头覆盖件的加工。②200kN快速调形式多点成形压力机。机架为三梁四柱式结构，冲头群（采用16×12布置方式）相对液压机偏心布置。压机公称力200kN，一次成形尺寸416mm×312mm；采用分段成形时，宽度尺寸可为一次成形的两倍，长度方向只要不与机架干涉，可无限长。新近又开发了宽台面3150kN快速调形式多点成形压力机（一次成形尺寸1000mm×720mm）。③YAM系列薄板用多点成形压力机。是一类具有柔性压边功能的多点成形压力机，机架采用三梁四柱式结构，工作油缸偏心布置，冲头基本体横截面尺寸小，由机械手进行调形，在上下基本体群的四周布置有40个压边液压缸，实现柔性压边。以YAM3型为例，其基本参数：公称力630kN、上下冲头（上下各有1280个冲头基本体）群采用40×32布置、一次成形尺寸320mm×400mm（分段成形时，宽度尺寸可为一次成形的2.5倍，长度尺寸无限制）。该机特别适合薄板的曲面成形。该系列压力机已开发有YAM1、YAM3、YAM5、YAM10、YAM20、YAM40等规格。•主要缺陷：压痕，起皱•挠曲变形的大小取决于挠曲变形刚度，刚度大，则变形小；刚度小，则变形大。某一基本体对板材所作的功，使板材产生局部压入变形及挠曲变形。当接触点处挠曲变形刚度很大时，挠曲变形需要的变形力很大，挠曲变形很难产生，这时，大部分外力功使板材产生压入变形，表面将出现压痕；当接触点处挠曲变形刚度较小时（如板材较薄的情况），挠曲变形需要的变形力比较小，挠曲变形极易产生，这时，若约束条件不合理，则将出现包络式压痕。可见，理想的多点成形要求板材在成形过程中应始终保持适度的挠曲变形刚度。•影响挠曲变形刚度的主要因素是板材材质、板材厚度以及板材成形时的约束条件等。较厚、较软的板材，因其挠曲变形刚度大，材料的屈服应力低，较容易产生表面压痕。在多点成形中板材约束条件是由基本体的位置及排列方式来决定的，因而，可以通过控制各基本体的位置，在成形过程中改变板材约束条件，从而改变板材的挠曲变形刚度。抑制压痕的几种工艺方法：（1）采用大曲率半径的冲头。这种方法增大接触面积，降低接触压强，对减轻压痕比较有效。但有时受所成形零件形状的限制，如对于大曲率的零件，用大半径的冲头是无法成形的。（2）在冲头与板材之间使用弹性垫。这种方法分散了接触压力，避免了冲头的集中力直接作用于板材，对于抑制表面压痕特别有效。目前使用的弹性垫有普通橡胶与聚胺脂橡胶垫、由弹性钢条编织的弹性垫以及聚胺脂橡胶帽等。（3）采用多点压机成形方式，在成形过程中调整基本体位置，改变板材的变形路径，使所有的基本体在成形过程中始终与板材接触，分散接触压力，使各部分尽量均匀地变形，也是抑制压痕的有效办法。•采用多道成形方法，能够明显地抑制成形缺陷，提高材料的成形极限。成形力对工件质量的影响•整体模具成形时，一般只有成形力不足、回弹比较大的现象，而没有成形力过大的现象。因为在设备允许的前提下，成形最后只是模具压靠为止，不会对工件质量产生影响。而多点成形则不同，尤其对材质比较软的板料而言，如08AL钢板和L2Y2铝板等。成形过程中，成形力精确一些较好。当成形力较小时，成形不足，回弹也比较大；而成形力过大时，虽然回弹很小，但易于在板料表面产生压痕等缺陷，造成曲率分布不均匀。这是由于基本体球头部分对板料局部压力过大的缘故。因此，多点成形与整体模具成形不同，它对成形力的要求较严格。•弹性介质抑制压痕作用•弹性介质厚度对压痕的影响•弹性介质弹性模量对压痕的影响•弹性介质对成形精度的影响弹性介质对多点成形质量的影响弹性介质抑制压痕作用•产生压痕的原因接触面积小，接触的局产生塑性变形。弹性介质的作用，受力状态趋于均匀化。改善工件的表面质量。弹性介质厚度对压痕的影响弹性介质弹性模量对压痕的影响弹性介质对成形精度的影响起皱问题•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叉，由面内变形转为面外变形，出现皱曲。防皱的措施起皱产生于板材成形过程中某些局部面内压应力过大，并且工具对板材的面外变形又没有足够的约束。因此，增加对变形中板材的约束，改变变形路径，使变形均匀化以及减小局部压应力的措施都有抑制起皱的效果。改变板材变形路径在传统的整体模具成形中是不可能的，但多点成形中是完全能够实现的。利用多点成形的成形面可变的特点，以下两种多点成形方式对消除起皱是比较有效的：1）采用变路径多点成形方式。这种成形方式通过在成形过程中控制基本体位置，调整板材的约束状态，改变板材的变形路径，使各部分在成形过程中保持变形均匀或者最大限度地减小不均匀程度，从而避免产生起皱缺陷。2）采用分段多点成形技术。利用多点成形的基本体群成形面可变的特点，将零件逐段、分区域逐次连续成形。这种成形方式在每一区域的每次成形中，可将板材的变形量控制在比较小的范围内，通过过渡区成形面的设计，使板材与基本体充分接触，提供足够的变形约束，使变形均匀化，从而消除起皱现象。变路径多点成形消除起皱分段多点成形技术消除起皱•分段多点成形技术［.］一方面能实现小设备成形大尺寸零件，另一方面则可以消除整体成形可能产生的起皱问题。•在分段成形中，板材分成1个区：已成形区、过渡成形区及未成形区。这几个区域在变形过程中是相互影响的，过渡区中成形面的几何形状对分段成形效果具有决定性作用，过渡区设计是分段成形最关键的技术问题。•一种简单、有效的方法是基于几何的过渡区设计方法，其基本思想是使处于过渡区变形的板材的曲率从已变形区到未变形区之间的均匀变化。这时板材上将不会因某些局部过度变形而产生缺陷，变形区间的衔接也会平滑。质量评价影响成形性的因素结束