多点成形

2020/2/16多点成形研究进展徐军戴先俊多点成形的研究背景多点成形的概念多点成形的几种成形工艺多点成形技术应用实例多点成形缺陷分析及消除方法多点成形技术的发展趋势2020/2/16随着我国制造业的飞速发展，需要不断研发新型产品，提高更新换代速度，因此，对三维曲面件的需求会越来越大。特别是在航空航天、船舶舰艇、各种车辆及建筑雕塑等许多军用与民用制造领域，都需要使用大量的各种材质的三维曲面板类件。传统的三维曲面件成形方法通常要采用模具成形或手工制造方式来实现，但模具成形不仅制造费用昂贵、加工周期长，而且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。传统的三维曲面件成形方法已无法满足现代制造业高速发展的要求。因此，多点成形技术成为热门研究课题，是现代制造领域的重要发展方向。多点成形技术是基于“离散”思想，将柔性制造技术和计算机控制技术合为一体的先进制造技术。该技术利用多点成形装备的柔性与数字化制造特点,无需换模就可实现不同曲面的成形,从而实现无模、快速、低成本生产。由于成形模具的可重构性,多点成形具有显著的技术优势：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、调试等的时间与费用；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。一、多点成形的研究背景二、多点成形的概念2.1基本原理多点成形是一种板材三维曲面柔性成形的新技术，其基本原理是由一系列规则排列的基本体点阵代替整体式冲压模具,通过计算机控制来调整基本体单元高度形成所需要的成型面,实现板料的无模、快速、柔性化成形，如图1所示。2020/2/16图1多点成形的基本体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。2020/2/16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2b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。2020/2/16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2.2多点成形系统的构成2020/2/16一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。图3多点成形系统构成你三、多点成形的几种成形工艺3.1一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。3.1.1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。3.1.2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叉,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4为薄板多点成形示意图,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。2020/2/16薄板件多点成形时不仅需要设计基本体群成形面,还需要正确设计压边型面并选择压边力。2020/2/16图4带有柔性压边装置的薄板多点成形3.2分段成形工艺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5)。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。2020/2/16图5多点分段成形示意图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140mm×140mm的小设备上成形出宽度为280mm,长度超过3m的零件。图6给出了扭曲面分段成形样件,其总扭曲角超过400%。2020/2/16图6分段多点成形的扭曲面样件3.3反复成形工艺回弹是板材冲压成形中不可避免的现象，它是在板料成形卸载过程中发生的现象，板材在外载荷作用下发生变形,其变形由塑性变形及弹性变形两部分组成。当外载荷卸除后,塑性变形部分保留下来,而弹性变形部分则恢复。这样在卸载过程中,成形件的形状和尺寸都将发生与加载过程中变形方向相反的变化,这就是板材产生弹性回复的原因。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。反复成形的过程如图7所示，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；以目标形状为中心循环反复成形,直至收敛于目标形状。2020/2/16图7反复成形示意图第i次成形卸载后,以原始平板的形状尺寸为基准,变形量为Di(D为几何形状变化的度量参数),以Dobj表示目标变形量,则第i次成形卸载后的变形量与目标变形量之差(即第i次成形后板料形状与目标形状的偏差)为:反复成形按下列步骤进行:第一次加载成形,使板材产生大于目标形状的变形量,即Δ10；第二次成形要使板材的变形量D2小于目标变形量,即Δ20,且|Δ2||Δ1|,这需施加反向载荷才能完成,在多点成形中可通过实时调整基本体群、改变型面参数来实现；第三次再施加正向载荷,使板材再次产生大于目标形状的变形量,即Δ30,并且要满足|Δ3||Δ2|；第四次再施加反向载荷,使Δ40,且|Δ4||Δ3|；如此反复地成形,可见随着反复成形次数的增加,板材与目标形状的偏差Δi逐渐减小,产生变形的外弯矩也逐渐减小,从而弹性回复引起的板料曲率的变化逐渐减小,即卸载回弹量越来越小,使板材最终收敛于目标形状。2020/2/16DDobjiiΔ图8为厚1.5mm、目标形状为扭曲形的试件在反复次数为六次时反复成形的实验结果。在此实验中,采用六种逐渐趋近于最终目标形状的基本体群成形面。如果没有回弹存在,每次成形后板材应与成形面形状完全一致。由于金属板材成形过程中回弹不可避免,实际变形量与理想无回弹变形量必然有一定的偏离,偏离量即为回弹量。2020/2/16图8反复成形法对试件成形尺寸的影响对于扭曲形,变形量D由扭曲角来度量,目标扭曲角度为19°。第一次正向加载成形后,试件实际扭曲角度与目标扭曲角度的偏差Δ1=12°,第二次反向加载成形后,Δ2=-5.5°。在随后的反复成形道次中,实际扭曲角度逐渐趋近于目标扭曲角度,偏差依次为4°、-1°、0.5°,第六次再反向加载成形,试件达到目标扭曲角度。可以看出,在反复成形中,随着反复成形道次的增加,试件弹性回复逐步减小,逐渐稳定于目标尺寸。2020/2/163.4多道成形工艺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9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。2020/2/16图9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3.5闭环成形工艺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10)。2020/2/16图10多点闭环成形闭环成形过程的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11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100mm×100mm。由图11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。2020/2/16图11球面成形件闭环成形过程中成形误差曲线四、多点成形技术应用实例多点成形作为一种新颖的冲压成形技术已经开始在一些领域得到应用。目前,多点成形技术已经应用于高速列车流线型车头制作、船体外板成形、航空航天器、化工压力容器、建筑物内外饰板的成形及医学工程等多个领域中。高速列车流线型车头覆盖件的压制是多点成形技术实际应用的一个例子。流线型车头的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，如图12所示。2020/2/16图12高速列车车头2020/2/16多点成形技术在08年北京奥运会主场馆——鸟巢建筑工程中的应用是建筑领域中一个较典型的应用实例。“鸟巢”大量采用由钢板焊接而成的箱形构件,其三维弯扭结构不同部位的弯曲与扭曲程度不相同,成形厚度从10mm变化到60mm,其回弹量变化很大。如采用模具成形,将花费巨额的模具制造费用；采用水火弯板等手工方法成形,需要大量的熟练工人,还难以保证成形的一致性。而采用多点成形技术,不仅节约了高额模具费用,提高成形效率数十倍,还大大提高了成形精度,使整块钢板的最终综合精度控制在几毫米内。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钢构件加工的技术难题，如图13所示。图13多点成形在鸟巢中的应用多点成形技术在医学工程中，也取得了很好的效果。人脑颅骨受损伤后，需要进行颅骨修补手术，目前较常用的方法是在颅骨缺损处植入用钛合金网板成形的颅骨修复体。因每个人的头部形状与大小都不一样，而且颅骨缺损部位也有区别，在手术前需要按照患者的头形与手术部位成形钛合金网板，这也是一种典型的个性化制造方面的需求。颅骨修复体的多点数字化成形技术已经应用于长春、哈尔滨、北京、天津及上海等城市的多家医院，如图14所示。2020/2/16图