多点成形课件

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
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
多点压边成形
带有柔性压边装置的薄板多点成形
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
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 刚性生产，柔性差 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
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


• 其中：

pL
2t
——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
40 35 30
目标成形曲面 普通多点成形曲面 力-位移分控成形曲面
Z向坐标（mm）
25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100
到对称中心的距离（mm）
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
(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
板料柔性成形的分类
• 模具可重构技术
数控步冲技术 单点冲压成形技术 多点成形技术
水火弯板（激光弯板） 喷丸成形 激光冲击成形
• 无模成形技术
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
k R R
'

EI

2 EI 4 3E
• 回弹也可以用回弹角表述为： 3 s R MR F EI EF EF t • 式中：F为塑性模量
回弹影响因素
3 s R MR F EI EF EF t 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
• 力-位移分控模式
回弹随成形力的增加而减小
下模力（N）
回弹量随成形力的变化 (R=140mm, t=1mm)
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
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
图5
两种多点成形方式的回弹对比
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
4.0 3.5
回弹量Δ Κ （10-3mm-1）
模拟结果 理论计算值
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
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
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： 2 2 2 1 1 M B s t s R
• • • • •
弯曲回弹分析
• 板材弯曲回弹量 • 常规多点弯曲时：
1 1 M k ' R R EI
3 1 1 M0 1 B s t 2 B s R 2 k0 2 R R EI EI 4 3E
• 力-位移分控条件下：
3 M 1 B s t 2 B s R 2 1 Bt 2 BR2 2 2 k s s 2 2 EI 8 EI EI 4 3 E 2 E
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
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
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
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
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
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
• 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
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 b. 成形中
3——上基本体群 c. 成形结束
a. 已调整的多点曲面
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
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）
压痕产生的力学条件
• 当在垂直源自文库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
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