桿系柔性成形模具及其板成形加工關鍵技術

摘要：提出了一種可重構、低成本、高效率的板件成形加工模具——桿系柔性成形模，該裝置可以快速重構各種形狀的板件成形加工模具。詳細地分析了桿系柔性成形模的結構及其重構方案，采用可更換的l變形沖壓頭”與離散桿配合，較好地構成模具成形面，保證板件有較好的成形精度；提出了一種新穎的板成形方法——模內壓板與成形復合工藝，通過這種工藝方法與桿系柔性成形模相結合，可以抑制板件在成形過程中的受壓屈曲與起皺，并可以減小成形板件的回彈量。該模具對復雜曲面板件的成形加工具有明顯的優(yōu)越性。
引言
    板料在沖壓成形中一直存在板的起皺、拉裂與回彈三大問題，國內外學者對這方面進行了長期的研究，其研究的主要對象是整體成形模對板的成形加工。由于整體成形模結構的局限性，限制了一些理論與技術的應用，也約束了整體成形模理論與技術的深人研究。為此，本文首先從模具的結構入手，提出一種由陣列式桿系組成的可重構的板成形模具，由于其獨特的結構，產(chǎn)生了一種新穎的板成形工藝技術，通過該技術能較好地解決板沖壓成形中存在的起皺與拉裂等問題。
1 可重構的桿系柔性成形模具
    桿系柔性成形模具是一種可快速重構的柔性成形模具，有良好的可重構性，并有較好的工藝能力。在分析國內外可重構模具的基礎上，本文提出的可重構成形模具的基本結構如圖1所示。

    該模具由若干個單元調節(jié)桿組成，這些桿組合成一個陣列，每個桿通過步進電機由計算機控制，計算機在分析被加工板件表面三維模型數(shù)據(jù)后，自動編程井調節(jié)各個桿長度。桿的前端是沖壓頭，沖壓頭可以更換，選用與被沖壓板件局部成形面相似形狀的沖壓頭組成一定尺寸的模具沖壓面，以適應加工件的表面形式，從而構成沖壓成形模。與之相配的凹模結構與其相似，通過旋轉調節(jié)螺桿和更換沖壓頭可以構造凹模成形面。
    單元調節(jié)桿主要由步進電機、螺桿、伸縮套、沖壓頭組成，眾多單元調節(jié)桿裝配在支撐架中，組合成模具體。單元調節(jié)桿機構原理圖如圖2所示，其中沖壓頭的位置由螺桿控制，步進電機可以驅動螺桿使沖壓頭置于確定的位置，由若干個變形沖壓頭的成形面組合成模具的整體成形面，這樣可以保證板成形件有較好的表面成形精度。
2 模內壓板與成形復合工藝
    通常使用整體沖壓模對曲面板料的成形過程如圖3所示。

    OA部分以脹形的方式變形，在凸模的作用下緊貼凸模表面，在以后的變形過程中，OA部分基本上不再變形，但OA部分的范圍不斷擴大。懸空區(qū)AC部分不與沖模接觸，其變形主要靠斷面A到斷面C的內力實現(xiàn)，該區(qū)域在拉應力作用的同時，AC間一點B點要向模具中心點（O點）移動，同時B處緯向尺寸收縮，在B處緯向產(chǎn)生切向壓應力，該壓應力會引起板的壓縮屈曲與起皺[1] 。
    在曲面板料成形時，產(chǎn)生拉深變形的外周邊法蘭部分CD和以脹形方式完成變形并與凸模表面貼靠的部分OA都受到模具表面的直接作用，在受約束的條件下完成變形過程，所以在一般情況下，不會發(fā)生變形缺陷，可以順利地成形，而懸空區(qū)是否能順利成形是曲面形狀零件成形的關鍵[2] 。
    根據(jù)板料懸空區(qū)的受力特征，可以推導出懸空區(qū)所受的徑向拉應力σr與切向壓應力σθ：

    式中，σs為材料屈服應力；R1、R2、R分別為懸空區(qū)最小、最大、任意處的徑向尺寸；β為材料塑變硬化系數(shù)，可近似取1．l。
    設W是在壓邊力Q的作用下C點產(chǎn)生的徑向拉應力（圖4），則式中，μ為摩擦系數(shù)t為板厚。

    由式（1）的徑向拉應力與切向壓應力等式，繪制出懸空區(qū)徑向拉應力σr與切向壓應力σθ的分布圖，如圖4所示�？梢钥闯觯簯铱諈^(qū)徑向拉應力的數(shù)值向外漸小；懸空區(qū)切向壓應力的絕對值向外漸大，在懸空區(qū)與壓邊區(qū)交界點C處絕對值最大山B′處徑向拉應力與切向壓應力數(shù)值相等。
    根據(jù)式（1）可知，增大壓邊力Q，會使W增大，可引起圖4中的應力分布曲線上移，這樣會使最大徑向拉應力增大，最大切向壓應力減小，過分地增大Q值，在AB′區(qū)間易引起板料拉裂；反之，減小壓邊力Q，會引起懸空區(qū)切向壓應力增大，在B′C區(qū)間易產(chǎn)生板受壓屈曲與起皺。在保證板料不產(chǎn)生壓縮失穩(wěn)的條件下，盡量采用小壓邊力，以免引起板料拉裂，但板料受壓屈曲、板料拉裂與壓邊力的關系是相反的，如果能采用一種板成形加工工藝可以抑制板料受壓屈曲，就可以減小壓邊力，同時也就可以避免板料拉裂。
    通過以上分析可知：板料在曲面成形時，板懸空區(qū)受切向壓應力作用，同時由于沒有受到模具體的約束，懸空區(qū)（特別在B′C區(qū)間）易產(chǎn)生壓縮屈曲與起皺。為了解決這個問題，首先從模具的結構入手，在板曲面成形過程中對板懸空區(qū)易起皺處施加一種有效的約束，抑制其受壓屈曲與起皺。在此基礎上提出一種新穎的板成形技術——模內壓板與成形復合工藝。

    模內壓板與成形復合工藝就是通過板成形模型腔內的彈性壓板裝置，使板料在成形過程中受板面法向壓板力的約束，以保證板料順利成形。如圖5a所示，板料在曲面成形過程中，其懸空區(qū)易起皺部位一直受上下壓板圈的約束，該約束力由彈簧7產(chǎn)生，該壓力可以有效地抑制板的屈曲與起皺；上下模在合模過程中，上下壓板圈不斷內縮，最終到達限位點，這時壓板圈的壓板面與模具成形面構成一個完整的模具成形面，實現(xiàn)對曲面板件的定形（圖5b）。
    通過以上分析可以認為，在成形板的板面法向施加一定的壓力可以很好地抑制板的起皺。這種方法可以應用于可重構的桿系柔性成形模具中，將上下壓板圈用若干個可伸縮的離散桿替代，使離散桿具有“壓板”與“成形”復合功能。
3 用“復合桿”代替“調節(jié)桿”
    在圖2“單元調節(jié)桿”的基礎上進行改進，使其具有“壓板”與“成形”復合功能，構成“壓板與成形功能復合桿”（簡稱“復合桿”），并在此基礎上形成“模內壓板與成形”復合沖壓工藝。“單元復合桿”的機構原理如圖6所示。

    在“單元復合桿”中，伸縮套的伸縮位置受調位螺母（或稱限位塊）的控制，而調位螺母由螺桿定位。在板成形過程中，凸凹模中相對應的“單元復合桿”在壓簧的作用下首先進行“壓板”，在上模具體的下行（或下模具體的上行）的帶動下，沖壓頭和伸縮套向內縮，這時在壓簧的作用下，壓板力漸漸增大，當沖壓頭和伸縮套向內縮到一定行程（壓板行程）后，調位螺母抵住伸縮套與沖壓頭，使沖壓頭定位，無法再內縮，這時沖壓頭迫使板料成形。
    由“復合桿”構成的桿系柔性模具，在板料成形加工時，“壓板”與“成形加工”同時進行，實現(xiàn)“模內壓板與成形”復合沖壓工藝，這種過程可以有效地阻止板料在成形過程中的受壓屈曲與起皺；另外通過微調“調位螺母”的位置，可以有效地補償成形板的回彈量。壓板力的大小可以通過更換內壓簧調節(jié)。“單元復合桿”與“單元調節(jié)桿”可以組合使用，也可以單一組合使用。
4 桿系柔性成形模的板加工工藝特點
    桿系柔性成形模系統(tǒng)對板件的成形加工過程如圖7所示。

    與無模多點成形技術相比[2] ，桿系柔性成形模的創(chuàng)新點表現(xiàn)如下：①將可以伸縮與定位的“復合桿”應用于可重構模具，在板成形過程中將“壓板”與“成形”相結合，形成l模內壓板與成形”復合沖壓工藝，這樣可以有效地抑制板的受壓屈曲與起皺；②采用“變形沖壓頭”與離散桿配合，可以較好地擬合理想成形面，增大板成形時的接觸面，保證板成形件的表面形狀精度；③由于模具中的“復合桿”具有壓板功能，這樣就可以省去直接成形。由于桿系柔性成形模結構和沖壓工藝的獨特性，桿系柔性成形模在板料成形加工過程中產(chǎn)生了一些鮮明的特點。
4．l 抑制成形板料的起皺
    板料在離散單元復合桿作用下的成形過程上下成形模一般要經(jīng)過“對板”、“壓板”、“壓板與成形”、“定形”4個過程。圖8為復合桿成形模曲面成形示意圖�？梢钥闯觯�在離散復合桿成形模的曲面成形過程中，上下模的復合桿沖壓頭在彈簧的作用下對板施加了壓板力。

    在板料成形初期，上下模復合桿沖壓頭在彈簧的作用下壓板，板在成形過程中，板的上下面都受壓，懸空部分少；上模在下行過程中，S1桿首先到限位點，桿頭促使板料成形，這時S2～S5桿的桿頭仍在彈簧的作用下壓板，上模繼續(xù)下行，S2～S5桿的伸縮套依次到達限位點，這時若干個桿頭成形面近似地擬合成模具成形面，對板件實現(xiàn)定形。下模中的復合桿也有類似的過程。板料在成形過程中，板的上下面受壓板力的約束，從而可以抑制板的壓縮屈曲與起皺。通過上面的分析可以認為，采用復合桿柔性成形模具進行板件的曲面成形，可以阻止板料的壓縮屈曲與起皺。
4．2 降低成形板的回彈量
在成形過程中，減小板回彈量的途徑有以下3種方法：
（1）應用有限元計算方法模擬板的成形過程，預測板的回彈量，或通過試加工，測量出已成形板的局部回彈量。根據(jù)預測或測量的回彈量預處理板件的三維曲面形狀，對產(chǎn)生回彈的曲面，增大或減少其局部曲率半徑，相應地調整模具復桿中限位塊的位置，補償彎曲成形板局部的回彈量。
（2）在板料彎曲成形過程中，在易產(chǎn)生回彈的部分設置較大的表面壓力用以改變板的內應力狀態(tài)，使彎曲成形板的內表面的壓應力與外表面的拉應力差值減少，從而減小回彈量[1] 。
    板料在上下模間基本成形后，上下模對板施加較大的表面壓力，可以減小彎曲板料內表面與外表面間的應力值之差。圖9b中A與B分別表示彎曲板料變形區(qū)內表面與外表面上兩點的應力狀況，由于彎曲變形是塑性變形，所以A與B兩點都處在屈服橢圓上。這時A點的切向應力為壓應力出點的切向應力為拉應力，不同性質的切向應力形成較大的彎矩。當上下模對板施加較大的表面壓力時，會使徑向壓力增大J與B兩點會按箭頭所示方向移動，向C點靠近。這樣由于A點與B點上切向應力的差值減小，會使彎矩變小。當表面壓力足夠大時，可使A點與B點于C處會合，這時彎矩達到最小，當彎矩為零時，就不存在彎曲變形區(qū)的回彈現(xiàn)象。
    用整體成形模加工板料時，通常是對整個成形板面施加較大的表面壓力（定形力），這可能會使板的厚度產(chǎn)生變化，并且在斜率較大的斜坡面與平面處由定形力產(chǎn)生的壓應力不同。這時施加較大的表面壓力會使板件的整體內部應力增大，并且內應力不均勻，從而會導致板件的整體變形。而桿系柔性成形模由若干個離散桿構成，在板成形時微調局部的幾個桿，在指定的局部可以產(chǎn)生較大的表面壓力，從而可以減少局部變形區(qū)的回彈量，而不影響板件的整體形狀。如圖9所示，通過局部施加較大表面壓力改變板的內應力狀態(tài)，減少成形板的回彈量。
（3）在板成形過程中，可以采用反復成形技術，減小成形件內部的殘余應力，實現(xiàn)板件的小回彈或無回彈成形[3] 。由于桿系柔性成形�？梢钥焖俚刂貥嫵尚蚊�，對于有較大深度的彎曲或拉深曲面，采用反復成形工藝，減少板件的每次加工變形量，從而減小工件內部的殘余應力，減小回彈量。
5 變形沖壓頭的曲面擬合方法
    桿系柔性成形模需要前端CAD模型數(shù)據(jù)來驅動。使用復合桿柔性成形模時，計算機首先讀取被加工板件的三維模型數(shù)據(jù)，計算成形面的尺寸以及每個桿限位塊的位置，同時分析出相應桿頭的形狀，輸出每個位置桿頭的形狀數(shù)據(jù)，提示更換相應形狀的沖壓頭；然后計算機控制步進電機帶動螺桿旋轉，調節(jié)限位塊的位置，從而調整好整個桿系柔性成形模具。

    可通過分析被加工板件的表面數(shù)據(jù)來確定選用何種形狀的沖壓頭。由于板件的局部曲面（設桿頭的截面尺寸為 40mm X 40mm）形式多種多樣，不可能制作無限多個任意表面形狀的沖壓頭。如圖10所示，本系統(tǒng)是以沖壓頭型面的中間點Pc與周邊四角點形成的 二 段 弧 線（弧P1＿Pc＿P3和P2＿Pc＿P4）的半徑r1、r2和弧線中心點O1到Pc的方向矢與坐標軸Z向的夾角θ1、θ2，作為描述變形沖壓頭的主參數(shù)，將半徑r1、r2和夾角θ1、θ2設定一定的間隔，將其數(shù)值系列化，這樣大約可預制400～500種形式的沖壓頭，就可以近似地擬合絕大多數(shù)形式的零件曲面，并將預制的各種形狀的沖壓頭依據(jù)其主參數(shù)設定代碼。對于被加工凸板面，沖壓頭曲面半徑小于或等于板面曲率半徑；對于被加工四板面，沖壓頭曲面半徑大于或等于形面曲率半徑。在實際使用中，每個桿位的沖壓頭的選擇由計算機分析板件局部區(qū)域的形狀特征，并輸出相應的代碼。