多点成形课件

板材柔性成形技术——特种塑性加工技术讲座之一板料冲压成形的特点•零件一致性好，互换性高•重量轻、用料省、经济性好•对材料有强化作用•适宜于大批量生产•需要专用的模具•模具的设计、制造、调试等占生产成本和生产周期的大头刚性生产，柔性差柔性化生产的理念•柔性化生产是企业根据生产(制造)任务或生产环境变化迅速进行调整和自动化生产(制造)系统,它能适应多品种、小批量生产•特点：灵活、自动化、适应性强柔性加工概念和要求•能快速更换生产的产品品种•能充分利用计算机技术和数字控制技术•能适应单件和小批量生产•所需的专用工艺装备费用低板料柔性成形的分类•模具可重构技术——成形仍依靠模具，但模具成形面为非固定结构，可根据制件要求快速变更或重新生成•无模成形技术——不采用模具，通过各类能量转换使板材变形获得所需形状与尺寸，一般由局部变形累积为整体变形获得制件板料柔性成形的分类数控步冲技术•模具可重构技术单点冲压成形技术多点成形技术水火弯板（激光弯板）•无模成形技术喷丸成形激光冲击成形多点成形技术多点成形概念的提出•目的：实现板类件的柔性生产•由日本首先提出•原始思想：利用相对位置可以互相错动的“钢丝束集”对板材实行压制与成形•中国、日本、美国等国的研究较为深入•吉林大学李明哲教授团队业绩突出多点成形的思路•用点阵状的分散模具代替整体的专用模具•用各点在空间的位置生成的包络面代替模面形状•效果：大幅缩短生产准备时间充分利用CAD/CAM技术大幅减少模具等工装投资板材多点成形技术原理多点成形的特点•将整体模具离散化，成为具有形状可变的三维空间曲面的“柔性模具”，即模具成形曲面可以任意重构——技术的实质•无需制造整体模具，所加工零件尺寸越大，批量越小，优越性越突出•不仅适用于单件、小批量的零件生产，同样适用于大批量的零件生产•不适合加工薄板直壁深拉深类零件•设备复杂、造价高多点成形系统的组成•CAD软件系统各冲头与板材的接触点与行程计算、工艺优化等•计算机控制系统各冲头位置的调整与运动控制•多点成形主机形成模面、施加载荷、产生运动液压机上成形装置下成形装置工控计算机1——成形油缸2——下基本体群3——上基本体群a.已调整的多点曲面b.成形中c.成形结束多点成形压力机液压工作原理1——液压泵2——电磁溢流阀3——单向阀4——电磁换向阀5——成形油缸6——板料7——基本体群多点成形的分类•多点模具（压边）成形•多点压机成形•力-位移分控多点成形•多点-液压成形多点模具成形•成形前把各基本体调整到所需位置，使基本体群形成为成形曲面的包络面•成形过程中基本体间无相对运动，上、下基本体群起着上、下模具的作用•由于基本体群的形状可以任意改变，可用一套设备实现不同形状三维板类件的造型多点压机成形•成形开始前不对基本体进行预先调整•成形中，上、下基本体群夹着被成形板材，通过调整基本体使板材产生塑性变形•成形时相邻基本体之间要产生相对运动，每个基本体都相当于一台小型压机•每个基本体的位移和速度都可以任意调整与控制，板材的成形路径可以任意改变•实际实现有困难多点模具成形与多点压机成形多点压机成形与多点模具成形比较带有柔性压边装置的薄板多点成形多点压边成形薄板成形样件力-位移分控多点成形•将基本体的位移和作用力分离并分别控制•实现对板料全面积、全过程的约束•大幅度改善成形中板料的受力状态•可分为力主动和位移主动两种控制模式•具有良好的可实现性位移主动模式•通过调整顶杆和活塞杆长度控制位移量（板型）•通过调整液压缸排液压强控制成形力•液压系统简单，可利用压力机完成动作力主动模式•位移量（板型）通过调整下活塞杆长度控制•成形力通过控制下液压缸排液压强控制•上缸液体压强大于下缸排液压强两种模式的异同•均可实现法向全约束成形•板料的变形顺序有所不同防皱多点成形•基本体间插入防皱单元•形成间隔法向约束多点成形核心技术•基本体的调整方式与精度控制•板材成形过程的分析与质量预报——目前主要靠数值模拟•板材成形质量的检测与控制基本体的调整与精度控制•基本体位置预测与计算•基本体高度调整与检测•调整误差控制零点(基准点)确定调整装置防松计算基本体位置的作用•调整成形前(多点模具成形方式)或成形过程中(多点压机成形方式)各冲头的行程，以形成合适的上下冲头群包络面形状•板材成形不可避免存在回弹，在基本体位置计算中预留回弹量，能确保成形精度要求•压痕的产生位置与基本体和板料的接触点位置直接相关，此计算能预测压痕的位置基本体调整（调形）方法•基本体高度的调整是由伺服电机驱动丝杠来完成的•按照调整机构的不同可分为：机械手单个逐点调形法多机械手并行调形法快速同步同时调形法串行调形原理调控装置由X、Y方向的滚珠丝杠2、5、大车7、小车1及步进电机组成，上、下各一套调控系统当步进电机4旋转时，滚珠丝杠5带动大车沿X方向前进或后退，实现Z轴电机3的X方向运动。当步进电机6旋转时，滚珠丝杠2带动小车沿Y方向前进或后退，实现Z轴电机3的Y方向运动。这样就可以实现Z轴电机3在每个冲头位置精确定位，使机械手顺利抓到冲头方体串行与并行调整的比较并行调整方法1并行调整方法2调平方法•加压调平调平时，依次调整各基本体向调平板伸出，直到与调平板间压力达到FADJ为止，再将基本体缩回一定长度ΔH，使基本体离开调平板•限位检测在调平装置上为每个基本体设置一个位置检测传感器，当基本体伸出到传感器所在的位置时停止防松措施多点成形主要质量缺陷•直边效应与回弹•局部压痕•起皱直边效应产生的原因•实质上是三点弯曲成形•变形首先从模具凸出部分开始•接触点逐渐增多，力臂逐渐变小•变形区分布不均匀•多点成形特有缺陷多点弯曲成形过程回弹产生的原因及影响因素•与一般冲压产生回弹原理一致•由冲压工艺学可知：•回弹也可以用回弹角表述为：•式中：F为塑性模量222s2'3-411kERtEIBEIMRRst3RFEFEFEIMRs回弹影响因素•材料性能参数σs/E越大，回弹越严重•板料的厚度其他因素相同时，板料越薄回弹越严重•成形曲率半径曲率半径增加，回弹加剧•成形方式不同成形方法影响较大•成形载荷施加的载荷越大，回弹越小t3RFEFEFEIMRs弯曲回弹分析•板材弯曲回弹量•常规多点弯曲时：•力-位移分控条件下：•其中：EIMRRk'1122320034111ERBtBEIEIMRRkss222222232281341ssssEBRBtEIERBtBEIEIMktpL2——力-位移分控多点成形能减小回弹，且回弹减小量与附加拉应力的大小近似成正比成形方法的影响图5两种多点成形方式的回弹对比0204060801000510152025303540Z向坐标（mm）到对称中心的距离（mm）目标成形曲面普通多点成形曲面力-位移分控成形曲面冲压力的影响•多点模具模式冲压力较小，平均曲率偏低，成形不足，回弹明显；冲压力过大，回弹虽然很小，但板料表面产生压痕等缺陷，造成曲率分布不均•力-位移分控模式回弹随成形力的增加而减小回弹量随成形力的变化(R=140mm,t=1mm)020040060080010001200140016000.00.51.01.52.02.53.03.54.0回弹量ΔΚ（10-3mm-1）下模力（N）模拟结果理论计算值回弹控制方法•适当增大成形力，必要时采用弹性垫层•预测回弹量，在调模时预先过调•多次反复成形•力-位移分控(多点压机)成形•多点拉形成形压痕缺陷产生的原因•压痕产生的关键——基本体的头部形状及板料与基本体的接触状态•板料与基本体之间接触面的面积比模具成形时的接触面积小很多，因而在接触面处常常发生很大的应力集中，易导致产生压痕压痕的种类•主要表现为表面压痕和包络型压痕•表面压痕是一种局部化的变形，冲头压入板材，在板材表面留下凹坑。板材塑性变形集中在与冲头接触的区域内，该区域内板厚发生较大的变化•包络式压痕是一种类似于局部拉深的变形，板材包裹于冲头上，在全板厚范围内同时发生的整体面外变形，在板材上形成冲头形状的凹陷或凸起，以板材的拉胀变形与弯曲变形为主压痕产生的力学条件•当在垂直板面方向受有较大压缩作用时，板厚方向将产生较大塑性变形，冲头压入板材，在板面上形成凹坑，产生表面压痕。当上、下基本体对顶时，就是产生表面压痕最严重的受力状态•当板材的某局部处于拉深或弯曲变形状态，板材将被局部拉深，形成包络式压痕抑制压痕的原理•压痕产生是由于接触压力的高度集中，变形过于局部化以及挠曲变形刚度不合理造成的•因此，增大接触面积、均匀分散接触压力以及改变约束条件、改变变形路径、使变形均匀化的措施都有抑制压痕的效果抑制压痕的工艺措施（一）•采用大曲率半径的冲头•工艺原理——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抑制压痕的工艺措施（二）•在冲头与板材之间使用弹性垫•工艺原理——分散接触压力，避免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•采用厚度为6mm聚胺脂橡胶弹性垫时马鞍面样件的成形效果（未使用时均有压痕）抑制压痕的工艺措施（三）•采用多点压机成形方式•工艺原理——在成形过程中调整基本体位置，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(a)多点模具成形出现压痕(b)多点压机成形结果抑制压痕的工艺措施（四）•多道次成形•工艺原理——使每次成形的变形量降低，逐次改变多点模具的成形面形状，逼近选定的变形路径(a)球形件(b)马鞍形件抑制压痕的工艺措施（五）•采用平面可转动基本体头部•技术原理——变点接触为面接触，大幅度降低局部接触应力，同时，接触面随板面的变形进行转动，保持稳定的面接触起皱产生的原因•起皱产生的关键依然是基本体的头部形状及板料与基本体的接触状态•板料与基本体间的接触面积远小于模具成形，在板料厚度方向上难以形成有效支撑，从而在非接触区域容易产生起皱现象•其本质仍是失稳起皱产生的机理•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，则出现皱曲•受力示意图影响起皱产生的因素•板料的厚度随板厚增大，皱纹逐渐缩小直至消失•板料的材质材料的弹性模量越大，起皱的趋势就越小•变形程度随变形程度的增大，板料内部变形不均匀性增大，起皱的趋势也增大•成形工艺与方式多点压机成形、力-位移分控多点成形明显好于多点模具成形板厚对起皱的影响•目标同上•板厚：1，2，3mm材质对起皱的影响•目标同上•材质：L2Y2，08Al•厚度：2mm变形程度对起皱的影响•材料：L2Y2工业铝板•厚度：2mm•目标：马鞍面•曲率半径：350mm210mm140mm成形方式对起皱的影响•材料：L2Y2工业铝板•厚度：2mm•目标：马鞍面，曲率半径210mm•图a：中心出现起皱图b：成形完好抑制起皱的措施•技术路线：改善板料的受力状态，保证基本体与板材的充分接触，强化约束，使各部分在成形过程中保持变形均匀或最大限度减少变形不均匀，从而避免产生起皱•措施：多点压机成形或力-位移分控成形多道次或分段多点成形采用弹性（刚性）垫层板料压边抑制起皱的措施（一）•采用多点压机成形或力-位移分控多点成形技术•机理——保证对板料施加全方位约束，从而消除起皱产生的力学条件抑制起皱的措施（二）•采用多道次成形或分段多点成形技术•机理——在每一区域的每一次成形中，将板材的变形量控制在较小的范围内，均化变形，从而抑制起皱抑制起皱的措施（三）•采用弹性垫•机理——成形时，用两块弹性垫夹着板料，大幅度增加板料与工具间的接触面积，使板料的约束得以强化，从而抑制起皱抑制起皱的措施（四）•采用压边装置•机理——同普通冲压，改变应力状态，减小切向剪应力成分多点成形的特殊成形模式•反复成形•分段成形•多道次成形•闭环成形反复成形示意图反复成形工作原理