多點成形課件

1、2022/9/22多點成形研究進展多點成形的研究背景多點成形的概念多點成形的幾種成形工藝多點成形技術(shù)應(yīng)用實例多點成形缺陷分析及消除方法多點成形技術(shù)的發(fā)展趨勢2022/9/22 隨著我國制造業(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，對三維曲面件的需求會越來越大。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實現(xiàn)，但模具成形不僅制造費用昂貴、加工周期長，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、勞動強度大等缺點。傳統(tǒng)

2、的三維曲面件成形方法已無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)高速發(fā)展的要求。因此，多點成形技術(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。多點成形技術(shù)是基于“離散”思想，將柔性制造技術(shù)和計算機控制技術(shù)合為一體的先進制造技術(shù)。該技術(shù)利用多點成形裝備的柔性與數(shù)字化制造特點, 無需換模就可實現(xiàn)不同曲面的成形, 從而實現(xiàn)無模、快速、低成本生產(chǎn)。由于成形模具的可重構(gòu)性, 多點成形具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢：對于大批量生產(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)試等的時間與費用；對于多品種、小批量生產(chǎn), 這一技術(shù)能取代手工成形等落后的方式, 實現(xiàn)零件的規(guī)范成形。一、多點成形的研究背景

3、二、多點成形的概念2.1 基本原理 多點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)則排列的基本體點陣代替整體式?jīng)_壓模具, 通過計算機控制來調(diào)整基本體單元高度形成所需要的成型面, 實現(xiàn)板料的無模、快速、柔性化成形，如圖1所示。2022/9/22圖1 多點成形的基本體2022/9/22 圖2 兩種基本的多點成形方式 a. 多點模具成形 b. 多點壓機成形2.2多點成形系統(tǒng)的構(gòu)成2022/9/22 一個基本的多點成形系統(tǒng)由三大部分組成，即CAD/ CAM軟件、計算機控制系統(tǒng)及多點成形主機(如圖3)。CAD軟件系統(tǒng)根據(jù)成形件的目標形狀進行幾何造型、成形工藝計算等,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)控制壓力機的調(diào)整機構(gòu),構(gòu)造基本體群成形面,然后控制加載機構(gòu)成形出所需的零件產(chǎn)品。圖3 多點成形系統(tǒng)構(gòu)成 你 薄板件多點成形時不僅需要設(shè)計基本體群成形面,還需要正確設(shè)計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成形3.2 分段成形工藝 分段成形通過改變基本體群成形面的形狀,逐段、分區(qū)域地對板材連續(xù)成形,從而實現(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個區(qū):已成形區(qū)、成形區(qū)、過渡成形區(qū)及未成形區(qū)(如圖5)。這幾個區(qū)域在成形過程中是相互影響的,過渡區(qū)成形面的幾何形狀對分段成形結(jié)果影響最大,過渡區(qū)設(shè)計是分段成形最關(guān)鍵的技術(shù)問

5、題。2022/9/22圖5 多點分段成形示意圖采用多點分段成形技術(shù)目前已成形出超過設(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, 長度超過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400%。2022/9/22圖6 分段多點成形的扭曲面樣件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。當外載荷卸除后,塑性變形部分保留下來,而彈性變形部分則恢復(fù)。這樣在卸載過程中,成形件的形狀和尺寸都將發(fā)生與加載過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)成形的過程如圖7所示，首先使變形超過目標形狀, 然后反向變形并超過目標形狀,再正向變形；以目標形狀為中心循環(huán)反復(fù)成形,直至收斂于目標形狀。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,變形量為Di(D為幾何形狀變化的度量參數(shù)),以Dobj表示目標變形量,則第i次成形卸載后的變形量與目標變形量之差(即第i次成形后板料形狀與目標形狀的偏差)為: 反復(fù)成形按下列步驟進行:第一次加載成形,使板材產(chǎn)生大于目標形狀的變形量,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,可見隨著反復(fù)成形次數(shù)的增加,板材與目標形狀的偏差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,即卸載回彈量越來越小,使板材最終收斂于目標形狀。2022/9/22 圖8為厚1.5mm、目標形狀為扭曲形的試件在反復(fù)次數(shù)為六次時反復(fù)成形的實驗結(jié)果。在此實驗中,采用六種逐漸趨近于最終目標形狀的基本體群成形面。如果沒有回彈存在,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程中回彈不可避免,實際變形量與理想無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)成形法對試件成形尺寸的影響3.4 多道成形工藝 對于變形量很大的零件,可逐次改變多點模具的成形面形狀,進行多道次成形。其基本思想是將一個較大的目標變形量分成多步,逐漸實現(xiàn)。通過多道次的成形,將一步步的小變形,最終累積到所需的大變形。 通過設(shè)計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壓機成形。 如果當成形件上出現(xiàn)輕微的皺紋或皺折時即認為達到了板材的成形極限,板材的成形能力可由達到成形極限時的變形量來反映。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的極限變形量。可見,采用多道成形時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)進行成形預(yù)測,也很難一次得到精確的目標產(chǎn)品。利用基本體群成形面的形狀可以任意調(diào)整的特點,在多點成形中可采用閉環(huán)技術(shù)實現(xiàn)智能化的精確成形。即零件第一次成形后,測量出曲面幾何參數(shù),與目標形狀進行比較,根據(jù)二者的幾何誤差通過反饋

10、控制的方法進行運算,將計算結(jié)果反饋到CAD系統(tǒng),重新計算出基本體群成形面進行再次成形。這一過程反復(fù)多次,直到得到所需形狀的零件(如圖10)。2022/9/22圖10 多點閉環(huán)成形四、多點成形技術(shù)應(yīng)用實例 多點成形作為一種新穎的沖壓成形技術(shù)已經(jīng)開始在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前, 多點成形技術(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)工程等多個領(lǐng)域中。 高速列車流線型車頭覆蓋件的壓制是多點成形技術(shù)實際應(yīng)用的一個例子。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多點成形技術(shù)在08年北京奧運會主場館鳥巢建筑工程中的應(yīng)用是建筑領(lǐng)域中一個較典型的應(yīng)用實例?！傍B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,將花費巨額的模具制造費用；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。而采用多點成形技術(shù),不僅節(jié)約了高額模具費用,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)實現(xiàn)了中厚板類件從設(shè)計到成形過程的數(shù)字化,圓滿解決了鳥巢建筑工程鋼構(gòu)件加工的技術(shù)難題，如圖13所示

12、 。圖13 多點成形在鳥巢中的應(yīng)用 多點成形技術(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，需要進行顱骨修補手術(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性化制造方面的需求。顱骨修復(fù)體的多點數(shù)字化成形技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于長春、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 多點成形在顱骨修復(fù)體上的應(yīng)用五、多點成形缺陷分析及消除方法5.1 多點成形中的壓痕 壓痕是多點成形中所特有的成形缺陷。在多點成形中，板材

13、受到的外力來自于單元體對板材的接觸作用力。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，基本上為點接觸。在接觸處，板材將會受到很大的作用力，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??；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)變很小或為零。包絡(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。 通過對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、變形過于局部化等造成的。因此,通過增大接觸面積、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,對減輕壓痕比較有效。但有時受所成形零件形狀的限制,如對于大曲率的零件,用大半徑的沖頭則無法成形

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、利用多點成形面可變的特點,采用多點壓機成形或多道次多點成形為路徑成形方式,通過在成形過程中實時調(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越明顯，這使得通過采取增大單

16、元體的直徑來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)，但這又會使壓痕變得明顯。 以上分析的多點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題，就必須使單元體與單元體之間連續(xù)起來。為了使單元體與單元體之間連續(xù)起來，可采取下面的方法。 當直線步進電機將單元體驅(qū)動到目標位置后，用磁性材料粉末將單元體之間的凹坑填平，最后加上大強度的夾緊磁場，單元體與磁性材料粉末在強磁場的作

17、用下成為一個整體，從而消除在多點成形中的壓痕、階梯效應(yīng)等缺陷。2022/9/22為此，將單元體進行了改造，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、保護層5等幾部分組成，每個單元體通過連接頭與直線步進電機連接。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，保護層的作用是保護電磁線圈，避免單元體在上下移動時單元體與單元體之間的摩擦而對電磁線圈造成損傷。2022/9/22圖17 改進后的單元體1.電磁線圈 2.聯(lián)接頭 3.引線 4.電磁鐵心 5.保護外層當需要成形新的零件時，只需要對單元體群去磁，再由各個計算機控制系統(tǒng)根據(jù)新零件的數(shù)據(jù)信息進行調(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，鐵磁材料在強磁場的作用下，將會產(chǎn)生塑化，使金屬板材很容易成形；同時板材在垂直磁力線方向受很大磁力，在拉伸過程中有壓邊作用，而板材運動方向磁力很小，使板材成形能夠順利成形。2022/9/22圖20 修形后試驗圖1.直線步進電機 2.單元體 3.磁場夾緊裝置 4.磁性材料粉末六、多點成形技術(shù)的發(fā)展趨勢及展望 隨著航空、航天、海運、高速鐵路、化工等行業(yè)的發(fā)展, 對三維曲面板件的需求也在不斷地增加, 三維板件的生產(chǎn)也需要更加先進的制造技術(shù)。目前, 多點成形技術(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