摘要：介紹了用多點(diǎn)成形法實(shí)現(xiàn)無模曲面造型的主要原理、特點(diǎn)及所研制的相應(yīng)裝置，并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了其成形效果。通過比較，論證了多點(diǎn)成形不僅可實(shí)現(xiàn)板材的三維曲面無模造型，而且具有明顯的技術(shù)特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：板材成形；柔性制造；多點(diǎn)成形
1簡介
在工業(yè)生產(chǎn)中，各種三維板類件的曲面造型通常都離不開模具，而且每一個(gè)零部件的曲面造型都需要一套或數(shù)套模具。為了設(shè)計(jì)、制造與調(diào)試這些模具，需消耗大量的人力、物力與時(shí)間。尤其在多品種、小批量的大型板類件生產(chǎn)中，往往受到費(fèi)用與時(shí)間的限制，至今不得不采用落后的手工成形生產(chǎn)方式。隨著科學(xué)技術(shù)與生活水平的逐步提高，工業(yè)制品的品種越來越多，產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，對模具的需求在急劇增加；同時(shí)也迫切需要出現(xiàn)新的生產(chǎn)方式。多點(diǎn)成形的設(shè)想就是為了實(shí)現(xiàn)板材曲面造型的無模化生產(chǎn)而提出的。
日本等國的學(xué)者與工程技術(shù)人員為開發(fā)多點(diǎn)成
形技術(shù)進(jìn)行了很多的探討與研究［1～4］，制作了不同的樣機(jī)，但大都只能進(jìn)行變形量較小的整體成形。筆者對無模多點(diǎn)成形的基本理論與實(shí)用化技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究［5～8］，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了能實(shí)現(xiàn)整體與分段多點(diǎn)成形的計(jì)算機(jī)控制多點(diǎn)成形裝置，取得了良好的效果。
2成形原理與裝置
無模多點(diǎn)成形借助于高度可調(diào)整的基本體群構(gòu)成離散的上、下工具表面，替代傳統(tǒng)的上、下整體模具進(jìn)行板材的曲面成形。多點(diǎn)成形的實(shí)質(zhì)就是將通常整體模具離散化，并結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)板材三維曲面的無模化生產(chǎn)與柔性制造。
基本體的調(diào)整方式可采用多種類型，從而可派生出多種不同的多點(diǎn)成形方法。其中多點(diǎn)模具成形法(圖1)和多點(diǎn)壓機(jī)成形法(圖2)是兩種最具代表性與實(shí)用性的不同方法。多點(diǎn)模具成形時(shí)，在成形開始前(圖1a)就把各個(gè)基本體調(diào)整到所需位置，使基本體群成為成形曲面的包絡(luò)面。在成形過程中(圖1b)，相鄰基本體之間不產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，上、下基本體群起著上、下模具的作用。
圖1 多點(diǎn)模具成形法示意圖
多點(diǎn)壓機(jī)成形時(shí)，在成形開始前(圖2a)對所有的基本體都不進(jìn)行預(yù)先調(diào)整。在成形過程中(圖2b)，由上、下基本體群夾著被成形板材，在調(diào)整基本體的同時(shí)使板材產(chǎn)生塑性變形。在這種成形方法中，相鄰基本體之間要產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，每個(gè)基本體都相當(dāng)于一臺(tái)小型壓機(jī)，都可根據(jù)需要進(jìn)行分別控制。
圖2 多點(diǎn)壓機(jī)成形法示意圖
無模多點(diǎn)成形裝置由多點(diǎn)成形主機(jī)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及CAD軟件系統(tǒng)構(gòu)成(圖3)。多點(diǎn)成形主機(jī)是實(shí)現(xiàn)無模多點(diǎn)成形的主要執(zhí)行部分。上、下基本體群各由一百個(gè)基本體組成，以十行十列的方式排列。各基本體的調(diào)整利用螺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)。基本體群的外側(cè)四周都有固定側(cè)板，使基本體受側(cè)向力時(shí)不產(chǎn)生側(cè)向位移，同時(shí)還在基本體調(diào)整時(shí)起導(dǎo)向作用。上基本體群直接固定于機(jī)架上，調(diào)整每個(gè)基本體的高度可改變其包絡(luò)面的形狀；下基本體群除了可調(diào)整形狀外，還可產(chǎn)生整體的移動(dòng)。下基本體群的整體移動(dòng)由液壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，采用導(dǎo)柱導(dǎo)向。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)所提供的信息調(diào)整主機(jī)里的上、下基本體群，實(shí)現(xiàn)不同工藝、不同效果的成形控制。CAD軟件系統(tǒng)可根據(jù)目標(biāo)件的幾何形狀與材料要求產(chǎn)生多點(diǎn)成形所需要的各種信息；還可進(jìn)行多點(diǎn)成形過程的仿真、顯示并檢驗(yàn)成形效果與可能產(chǎn)生的缺陷，制定最佳成形工藝方案。
圖3 無模多點(diǎn)成形裝置的主要構(gòu)成
3成形結(jié)果與討論
3.1 多點(diǎn)成形的效果與特點(diǎn)
利用上述無模多點(diǎn)成形裝置已進(jìn)行了數(shù)百種不同形狀與尺寸的曲面成形，這些成形件的變形量大、表面圓滑、效果良好。由此證明，采用多點(diǎn)成形方法可實(shí)現(xiàn)無模成形，從而免去傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)、制造與調(diào)試等工序，節(jié)約大量的費(fèi)用與時(shí)間。
在成形實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，如控制不當(dāng)，板料就易產(chǎn)生一些成形缺陷，其中最主要的缺陷有壓痕與皺紋。產(chǎn)生這些缺陷的關(guān)鍵因素在于基本體的頭部形狀及板料與基本體的接觸狀態(tài)。在基本體設(shè)計(jì)時(shí)，為了使多點(diǎn)成形裝置適用于各種不同的曲面形狀，應(yīng)把基本體頭部形狀設(shè)計(jì)成球形面。因此，表面平直的板料與基本體開始接觸時(shí)是點(diǎn)接觸狀態(tài)。隨著載荷的增加， 基本體與板料的接觸部位逐漸產(chǎn)生彈性變形，接觸狀態(tài)由點(diǎn)接觸變成面接觸。但是，這個(gè)接觸面的面積要比模具成形時(shí)的接觸面積小很多，因而在接觸面處常常發(fā)生很大的應(yīng)力集中，易導(dǎo)致產(chǎn)生壓痕。從板料整體來看，多點(diǎn)成形時(shí)總的接觸面積也較小，有很多部位都不與工具接觸，從而在非接觸區(qū)域又易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。
采用彈性墊后可明顯地抑制缺陷的產(chǎn)生。成形時(shí)，用兩塊彈性墊夾著板料，使基本體的集中載荷分散地傳遞到板料，可顯著地緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而抑制壓痕的產(chǎn)生。另外，采用彈性墊后，板料與工具間的接觸面積增加了很多，使板料的約束得以強(qiáng)化，從而能起到抑制皺紋的作用。成形結(jié)束后，彈性墊可恢復(fù)到原來的形狀，成為平直的狀態(tài)，可反復(fù)使用。
3.2多點(diǎn)模具成形與多點(diǎn)壓機(jī)成形的比較
圖4所示為一例馬鞍形曲面的多點(diǎn)模具成形與多點(diǎn)壓機(jī)的成形效果的比較。所用材料為L2Y2鋁板，尺寸為140mm×140mm。可看出，多點(diǎn)壓機(jī)成形時(shí)完好的成形件曲面曲率比多點(diǎn)模具成形時(shí)的成形曲率大很多。這個(gè)現(xiàn)象可從成形時(shí)工件的受力特點(diǎn)來解釋。
圖4 不同成形方法的成形效果比較
在多點(diǎn)模具成形時(shí)，成形初期只有個(gè)別的基本體能與板料表面接觸(圖1a)。隨著變形的增加，與板料接觸的基本體數(shù)目也逐漸增加(圖1b)，但只有到成形結(jié)束時(shí)(圖1c)，才有可能使全部基本體與板料接觸。這就是說，在成形的絕大部分過程中，只有部分基本體參與變形，從而對板料的約束較少，應(yīng)力集中現(xiàn)象也突出，易產(chǎn)生皺紋、壓痕等缺陷。實(shí)際上，在傳統(tǒng)的模具成形中，情況也類似。因此，模具成形時(shí)往往要設(shè)計(jì)較大的壓邊面來抑制皺紋的產(chǎn)生。
然而在多點(diǎn)壓機(jī)成形時(shí)，情況就完全不同了。從成形一開始，所有的基本體都可與板料表面接觸，且在成形過程中所有的基本體始終與工件表面接觸。這樣，一方面增加了對板料表面的約束，使工件產(chǎn)生皺紋的機(jī)會(huì)明顯減少；另一方面還減少了單個(gè)基本體的集中載荷，減小壓痕。如再結(jié)合使用彈性墊，就可大大增加工具與工件的接觸面積，減少缺陷的產(chǎn)生。也可以說，在多點(diǎn)壓機(jī)成形時(shí)，工件的表面既是成形面，同時(shí)又是壓邊面。
如進(jìn)一步充分利用多點(diǎn)壓機(jī)成形的柔性特點(diǎn)，在成形過程中適當(dāng)?shù)乜刂乒ぜ冃蔚穆窂绞构ぜ幱谧罴炎冃螤顟B(tài)，可進(jìn)一步提高板材的成形極限，有助于實(shí)現(xiàn)難加工材料的塑性變形，得到用傳統(tǒng)的模具成形難以實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的效果。
3.3 整體成形與分段成形的比較
在整體成形時(shí)，工件的尺寸要小于或等于設(shè)備的一次成形面積；而在分段成形時(shí)，工件的尺寸可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)備的一次成形面積。分段成形時(shí)，成形件被分成若干個(gè)不分離的成形區(qū)域，利用多點(diǎn)成形的柔性特點(diǎn)，連續(xù)、逐次成形大尺寸的工件。這樣不僅可減小多點(diǎn)成形設(shè)備的尺寸，還可降低所需的成形壓力。
在分段成形時(shí)，一張板料上既有與工具接觸的強(qiáng)制變形區(qū)域，又有一時(shí)不產(chǎn)生變形的剛性區(qū)域，而且在強(qiáng)制變形區(qū)與剛性區(qū)之間必然要產(chǎn)生一定的過渡區(qū)。在過渡區(qū)里，與基本體接觸的區(qū)域因受剛性區(qū)的影響，使變形結(jié)果與基本體所控制的形狀產(chǎn)生較大的差別；而不與基本體接觸的區(qū)域，則受到強(qiáng)制變形區(qū)的影響，也使其產(chǎn)生一定的塑性變形。這樣，即使是很簡單的二維變形(例如柱面成形)，也會(huì)變成復(fù)雜的三維變形問題。
我們在分段多點(diǎn)成形方面取得了明顯進(jìn)展，已做出了很多分段成形的樣件，其中較典型的成形件為總扭曲角度超過400°的扭曲面(圖5)。
圖5 單向分段成形件照片
4結(jié)論
以上研究表明，多點(diǎn)成形是實(shí)現(xiàn)三維板類件經(jīng)濟(jì)和快速成形的柔性加工新技術(shù)。它不僅能實(shí)現(xiàn)板材三維曲面的無模成形，而且能任意改變成形路徑，改善成形條件，達(dá)到模具成形不能得到的成形效果。同時(shí)采用分段成形技術(shù)，可用小設(shè)備成形大型三維板類件，降低設(shè)備尺寸和成形壓力。因此具有明顯的技術(shù)特點(diǎn)，并有廣泛的應(yīng)用前景。
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