多点成形课件

1、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

2、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

3、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,1成形油缸 2下基本体群

4、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

5、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

6、,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

7、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

8、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H，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

9、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,回弹影响因素,材料性能参数 s/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,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：,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,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，

10、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),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

11、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

12、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

13、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

14、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：350mm 210mm

15、 140mm,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

16、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,扭曲面样件的回弹随反复成形次数减小的效果,反复成形控制精度,残余应力沿板厚分布,多点分段成形,利用多点成形的成形面可变特点，对于尺寸大于设备成形尺寸的零件，可以逐段、分片连续成形，实现小设备成形大尺寸零件 此时

17、，板材分成四个区：已成形区、成形区、过渡成形区及未成形区。这几个区域在变形过程中是相互影响的 过渡区几何形状对分段成形效果具有决定性作用，过渡区设计是分段成形最关键的技术问题,多点分段成形,过渡区设计要点,采用纯几何的过渡区设计方法，虽然没有考虑力学行为，但实践证明这种方法不仅简单，而且非常有效 基本思想使处于过渡区变形的板材曲率从已变形区到未变形区之间的变化最均匀 这时板材上将不会因过度局部变形产生缺陷，变形区间的衔接也会最平滑,分段成形的送料装置,分段成形过程,多道次成形的基本思想,对于变形量很大的零件，逐次改变多点模具的成形面形状，进行多道次成形 基本思想：将较大的目标变形量分成多步，逐

18、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 成形过程 ,初始构型,中间构型1,中间构型n,最终构型,多道次成形最优路径,塑性变形功是总等效应变的单值增函数，当塑性功取最小值时总等效应变也最小 这时，材料各部分变形的不均匀程度也将最小，从而消除了产生变形缺陷的可能性 按这样的路径进行板材成形，将得到理想的成形效果，这一路径就是板材最优多点成形路径,多道次成形路径,多道次成形极限,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 采用多道成形时板材的成形能力得到明显的提高 球面最大变形曲率提高11%40% 马鞍面

19、最大变形曲率提高15%50%,多道次成形极限球面,球面零件成形极限,多道次成形极限鞍面,马鞍面零件成形极限,最小成形曲率半径,多点闭环成形的原理,板材成形中存在着摩擦条件、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 零件首次成形后，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 反复多次，直到获得所需形状的零件,多点闭环成形环路构成,闭环成形控制流程,闭环形状控制流程,多点闭环成形的精度,多点成形典型应用钛合金船板,船体的外板一般要依据在海水

20、中运行阻力小的原则进行造型设计 因船体外形的变化，一般不会有两块相同形状的 材质为钛合金板，材料厚度为4mm,多点成形典型应用建筑用材,多点成形典型应用高速列车覆盖件,多点成形典型应用医用颅骨板,材质：钛合金薄板，厚度0.3mm 医用颅骨骨板尺寸一般在150mm150mm以内，所用压力机的一次成形面积为320mm 400mm 采用弹性垫层，用两块低碳钢板夹持成形，防止起皱和出现压痕,多点成形的其他方式,多点拉形,多点成形短辊柔性卷板,多点连续辊柔性卷板,多点连续辊柔性旋压,多点柔性辗压,多点连续成形可选模式,柔性支撑系统,多点成形相关技术的延伸,柔性支撑系统,飞机蒙皮类零件测量、加工、装配 提

21、供稳定的支撑，防止工件变形 CAN柔性工具系统（美国） M Torres公司的TORRESTOOL系统(西班牙) 柔性支撑测量系统(成飞-吉大) 柔性多点型架(上海飞机-北航),CAN 柔性工具系统,核心是POGO柔性工具，包括：气体驱动的POGO线性动作单元、末端真空吸盘、控制器及软件和台式框架 POGO单元按矩阵排列，在计算机控制下可以根据工件形状调整其空间轮廓形状 每个POGO单元带有磁致伸缩位移传感器，可以实现0.0762mm 的定位精度。行程可达到889mm，轴向承载超过450kg,CAN 柔性工具系统,TORRESTOOL产品,模块化结构，包括一定数量的可以沿x 轴运动的小车，小车

22、上装配有一定数量的可以沿y 轴和z 轴运动的多个支撑杆 支撑杆都可以在计算机的控制下，沿x 、y 、z 向移动，并可以被锁定,TORRESTOOL产品,TORRESTOOL产品,柔性支撑测量系统,实质就是多点压机调形机构+三坐标激光测量系统 混合调形，伺服电机移动机械手，到位后，由多个步进电机同时调整多个柔性托架的高度，调形时间约为3min 最大上偏差为0.40mm，最大下偏差为-0.37mm,柔性支撑测量系统,柔性多点型架,适应多种飞机同线 / 混线装配要求 16个可重构调形单元，32个伺服电机 在竖直和水平方向定位精度均在0. 05mm之内,柔性多点型架,柔性多点型架,喷丸成形,无模柔性成

23、形技术之一,发展历史,20世纪40年代初，美国Lockheed航空公司的工程师Jim Boerger从喷丸强化试片产生变形这一特点受到启发，而开创了这一对现代飞机制造产生重大影响的先进成形技术 近20年来进一步取得新发展，成为航空航天制造领域的关键技术之一,技术分类与发展,自由喷丸成形，美国Lockheed，40年代 预应力喷丸成形 超声喷丸成形，法国SONATS，1996 高压水喷丸成形，日本东京大学，2000 自动化喷丸成形，德国KSA，2002 双面喷丸成形，德国Aachen工业大学，2002 激光喷丸成形，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室，2002,喷丸成形,利用高速弹丸撞击金属板材表面，

24、使受撞表面及下层金属产生塑性变形而延伸，逐步使板材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种成形方法,影响喷丸变形量的因素,喷丸强度。主要由弹丸直径、弹丸材料及硬度和弹丸速度、喷丸压力决定 覆盖率。主要由弹丸流量、喷射距离、喷射角度、喷嘴数量和工件移动速度决定 零件特性。包括零件厚度、材料性能等,主要优点,零件长度不受喷丸成形方法的限制，现代飞机蒙皮零件的长度已达32m，若采用其他方法，设备投资将急剧增加 工艺装备简单，无需成形模具，只需简单的夹具。准备周期短，固定投资少 成形的同时，可对板料起到强化作用 可对变厚度的板料进行成形 既可成形单曲率外形，又可成形双曲率外形，如机翼上下气动弯折

25、区或非直母线,主要缺点,成形机理复杂，影响成形过程的因素较多，相关理论及数值模拟技术发展缓慢 可获得的总变形量有限，且具有球面变形趋势 目前喷丸成形工艺参数的选择仍要依靠庞大的实验数据库和操作经验，采用试喷渐进的方法来确定，耗时费资,预应力喷丸原理,喷丸前, 通过特定工装夹具对零件施加一预定载荷, 使零件预先产生一定的弹性变形, 然后再对受拉表面进行喷丸成形 在相同喷丸强度和覆盖率条件下, 预应力喷丸的成形极限是自由喷丸的23 倍 预应力喷丸还可有效控制 沿喷丸路线方向的附加弯 曲变形,预应力喷丸成形的特点,具有3个显著作用： （1）在一定程度上改变喷丸球面变形趋势、控制喷丸变形主要方向 （2）提高构件喷丸工艺性 （3）增加构件喷丸变形量和外型复杂程度,超声喷丸原理,利用超声波使弹丸产生机械振动, 从而驱动弹丸对工件进行喷丸处理 喷丸介质除采用钢丸外, 还可以使用端头具有不同曲率半径的喷针 残余压应力层更深, 数值也更大, 同时表面粗糙度也好于传统喷丸,采用超声喷丸技术对焊接机身 整体壁板进行校形(空客),高压水喷丸原理,又称为气穴无弹丸喷丸技术 利用水中的高压水射流所产生的气穴效应打击金属零件表面, 使表层材料产生塑性变形, 并形成残余压应力层 气穴(核) 产生于高速区, 并随流速降低而逐渐变大形成气泡, 气泡撞击金属表面时发生破裂产生冲击波使表层金属发生塑性变形, 实现强化或