桿系柔性成形模具及其板成形加工關(guān)鍵技術(shù)

摘要：提出了一種可重構(gòu)、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(gòu)各種形狀的板件成形加工模具。詳細(xì)地分析了桿系柔性成形模的結(jié)構(gòu)及其重構(gòu)方案，采用可更換的l變形沖壓頭”與離散桿配合，較好地構(gòu)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(nèi)壓板與成形復(fù)合工藝，通過(guò)這種工藝方法與桿系柔性成形模相結(jié)合，可以抑制板件在成形過(guò)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(duì)復(fù)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(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，其研究的主要對(duì)象是整體成形模對(duì)板的成形加工。由于整體成形模結(jié)構(gòu)的局限性，限制了一些理論與技術(shù)的應(yīng)用，也約束了整體成形模理論與技術(shù)的深人研究。為此，本文首先從模具的結(jié)構(gòu)入手，提出一種由陣列式桿系組成的可重構(gòu)的板成形模具，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了一種新穎的板成形工藝技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)能較好地解決板沖壓成形中存在的起皺與拉裂等問(wèn)題。
1 可重構(gòu)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(gòu)的柔性成形模具，有良好的可重構(gòu)性，并有較好的工藝能力。在分析國(guó)內(nèi)外可重構(gòu)模具的基礎(chǔ)上，本文提出的可重構(gòu)成形模具的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    該模具由若干個(gè)單元調(diào)節(jié)桿組成，這些桿組合成一個(gè)陣列，每個(gè)桿通過(guò)步進(jìn)電機(jī)由計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)在分析被加工板件表面三維模型數(shù)據(jù)后，自動(dòng)編程井調(diào)節(jié)各個(gè)桿長(zhǎng)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(yīng)加工件的表面形式，從而構(gòu)成沖壓成形模。與之相配的凹模結(jié)構(gòu)與其相似，通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿和更換沖壓頭可以構(gòu)造凹模成形面。
    單元調(diào)節(jié)桿主要由步進(jìn)電機(jī)、螺桿、伸縮套、沖壓頭組成，眾多單元調(diào)節(jié)桿裝配在支撐架中，組合成模具體。單元調(diào)節(jié)桿機(jī)構(gòu)原理圖如圖2所示，其中沖壓頭的位置由螺桿控制，步進(jìn)電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)螺桿使沖壓頭置于確定的位置，由若干個(gè)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(nèi)壓板與成形復(fù)合工藝
    通常使用整體沖壓模對(duì)曲面板料的成形過(guò)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(guò)程中，OA部分基本上不再變形，但OA部分的范圍不斷擴(kuò)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(nèi)力實(shí)現(xiàn)，該區(qū)域在拉應(yīng)力作用的同時(shí)，AC間一點(diǎn)B點(diǎn)要向模具中心點(diǎn)（O點(diǎn)）移動(dòng)，同時(shí)B處緯向尺寸收縮，在B處緯向產(chǎn)生切向壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力會(huì)引起板的壓縮屈曲與起皺[1] 。
    在曲面板料成形時(shí)，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(guò)程，所以在一般情況下，不會(huì)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(guān)鍵[2] 。
    根據(jù)板料懸空區(qū)的受力特征，可以推導(dǎo)出懸空區(qū)所受的徑向拉應(yīng)力σr與切向壓應(yīng)力σθ：

    式中，σs為材料屈服應(yīng)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(shè)W是在壓邊力Q的作用下C點(diǎn)產(chǎn)生的徑向拉應(yīng)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(yīng)力與切向壓應(yīng)力等式，繪制出懸空區(qū)徑向拉應(yīng)力σr與切向壓應(yīng)力σθ的分布圖，如圖4所示。可以看出：懸空區(qū)徑向拉應(yīng)力的數(shù)值向外漸��；懸空區(qū)切向壓應(yīng)力的絕對(duì)值向外漸大，在懸空區(qū)與壓邊區(qū)交界點(diǎn)C處絕對(duì)值最大山B′處徑向拉應(yīng)力與切向壓應(yīng)力數(shù)值相等。
    根據(jù)式（1）可知，增大壓邊力Q，會(huì)使W增大，可引起圖4中的應(yīng)力分布曲線(xiàn)上移，這樣會(huì)使最大徑向拉應(yīng)力增大，最大切向壓應(yīng)力減小，過(guò)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(huì)引起懸空區(qū)切向壓應(yīng)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(guān)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(shí)也就可以避免板料拉裂。
    通過(guò)以上分析可知：板料在曲面成形時(shí)，板懸空區(qū)受切向壓應(yīng)力作用，同時(shí)由于沒(méi)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(gè)問(wèn)題，首先從模具的結(jié)構(gòu)入手，在板曲面成形過(guò)程中對(duì)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(chǔ)上提出一種新穎的板成形技術(shù)——模內(nèi)壓板與成形復(fù)合工藝。

    模內(nèi)壓板與成形復(fù)合工藝就是通過(guò)板成形模型腔內(nèi)的彈性壓板裝置，使板料在成形過(guò)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(guò)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(guò)程中，上下壓板圈不斷內(nèi)縮，最終到達(dá)限位點(diǎn)，這時(shí)壓板圈的壓板面與模具成形面構(gòu)成一個(gè)完整的模具成形面，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面板件的定形（圖5b）。
    通過(guò)以上分析可以認(rèn)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(yīng)用于可重構(gòu)的桿系柔性成形模具中，將上下壓板圈用若干個(gè)可伸縮的離散桿替代，使離散桿具有“壓板”與“成形”復(fù)合功能。
3 用“復(fù)合桿”代替“調(diào)節(jié)桿”
    在圖2“單元調(diào)節(jié)桿”的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使其具有“壓板”與“成形”復(fù)合功能，構(gòu)成“壓板與成形功能復(fù)合桿”（簡(jiǎn)稱(chēng)“復(fù)合桿”），并在此基礎(chǔ)上形成“模內(nèi)壓板與成形”復(fù)合沖壓工藝。“單元復(fù)合桿”的機(jī)構(gòu)原理如圖6所示。

    在“單元復(fù)合桿”中，伸縮套的伸縮位置受調(diào)位螺母（或稱(chēng)限位塊）的控制，而調(diào)位螺母由螺桿定位。在板成形過(guò)程中，凸凹模中相對(duì)應(yīng)的“單元復(fù)合桿”在壓簧的作用下首先進(jìn)行“壓板”，在上模具體的下行（或下模具體的上行）的帶動(dòng)下，沖壓頭和伸縮套向內(nèi)縮，這時(shí)在壓簧的作用下，壓板力漸漸增大，當(dāng)沖壓頭和伸縮套向內(nèi)縮到一定行程（壓板行程）后，調(diào)位螺母抵住伸縮套與沖壓頭，使沖壓頭定位，無(wú)法再內(nèi)縮，這時(shí)沖壓頭迫使板料成形。
    由“復(fù)合桿”構(gòu)成的桿系柔性模具，在板料成形加工時(shí)，“壓板”與“成形加工”同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)“模內(nèi)壓板與成形”復(fù)合沖壓工藝，這種過(guò)程可以有效地阻止板料在成形過(guò)程中的受壓屈曲與起皺；另外通過(guò)微調(diào)“調(diào)位螺母”的位置，可以有效地補(bǔ)償成形板的回彈量。壓板力的大小可以通過(guò)更換內(nèi)壓簧調(diào)節(jié)。“單元復(fù)合桿”與“單元調(diào)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(diǎn)
    桿系柔性成形模系統(tǒng)對(duì)板件的成形加工過(guò)程如圖7所示。

    與無(wú)模多點(diǎn)成形技術(shù)相比[2] ，桿系柔性成形模的創(chuàng)新點(diǎn)表現(xiàn)如下：①將可以伸縮與定位的“復(fù)合桿”應(yīng)用于可重構(gòu)模具，在板成形過(guò)程中將“壓板”與“成形”相結(jié)合，形成l模內(nèi)壓板與成形”復(fù)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?cái)M合理想成形面，增大板成形時(shí)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(fù)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(jié)構(gòu)和沖壓工藝的獨(dú)特性，桿系柔性成形模在板料成形加工過(guò)程中產(chǎn)生了一些鮮明的特點(diǎn)。
4．l 抑制成形板料的起皺
    板料在離散單元復(fù)合桿作用下的成形過(guò)程上下成形模一般要經(jīng)過(guò)“對(duì)板”、“壓板”、“壓板與成形”、“定形”4個(gè)過(guò)程。圖8為復(fù)合桿成形模曲面成形示意圖�？梢钥闯觯�在離散復(fù)合桿成形模的曲面成形過(guò)程中，上下模的復(fù)合桿沖壓頭在彈簧的作用下對(duì)板施加了壓板力。

    在板料成形初期，上下模復(fù)合桿沖壓頭在彈簧的作用下壓板，板在成形過(guò)程中，板的上下面都受壓，懸空部分少；上模在下行過(guò)程中，S1桿首先到限位點(diǎn)，桿頭促使板料成形，這時(shí)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(dá)限位點(diǎn)，這時(shí)若干個(gè)桿頭成形面近似地?cái)M合成模具成形面，對(duì)板件實(shí)現(xiàn)定形。下模中的復(fù)合桿也有類(lèi)似的過(guò)程。板料在成形過(guò)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(guò)上面的分析可以認(rèn)為，采用復(fù)合桿柔性成形模具進(jìn)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(guò)程中，減小板回彈量的途徑有以下3種方法：
（1）應(yīng)用有限元計(jì)算方法模擬板的成形過(guò)程，預(yù)測(cè)板的回彈量，或通過(guò)試加工，測(cè)量出已成形板的局部回彈量。根據(jù)預(yù)測(cè)或測(cè)量的回彈量預(yù)處理板件的三維曲面形狀，對(duì)產(chǎn)生回彈的曲面，增大或減少其局部曲率半徑，相應(yīng)地調(diào)整模具復(fù)桿中限位塊的位置，補(bǔ)償彎曲成形板局部的回彈量。
（2）在板料彎曲成形過(guò)程中，在易產(chǎn)生回彈的部分設(shè)置較大的表面壓力用以改變板的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，使彎曲成形板的內(nèi)表面的壓應(yīng)力與外表面的拉應(yīng)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(duì)板施加較大的表面壓力，可以減小彎曲板料內(nèi)表面與外表面間的應(yīng)力值之差。圖9b中A與B分別表示彎曲板料變形區(qū)內(nèi)表面與外表面上兩點(diǎn)的應(yīng)力狀況，由于彎曲變形是塑性變形，所以A與B兩點(diǎn)都處在屈服橢圓上。這時(shí)A點(diǎn)的切向應(yīng)力為壓應(yīng)力出點(diǎn)的切向應(yīng)力為拉應(yīng)力，不同性質(zhì)的切向應(yīng)力形成較大的彎矩。當(dāng)上下模對(duì)板施加較大的表面壓力時(shí)，會(huì)使徑向壓力增大J與B兩點(diǎn)會(huì)按箭頭所示方向移動(dòng)，向C點(diǎn)靠近。這樣由于A點(diǎn)與B點(diǎn)上切向應(yīng)力的差值減小，會(huì)使彎矩變小。當(dāng)表面壓力足夠大時(shí)，可使A點(diǎn)與B點(diǎn)于C處會(huì)合，這時(shí)彎矩達(dá)到最小，當(dāng)彎矩為零時(shí)，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(shí)，通常是對(duì)整個(gè)成形板面施加較大的表面壓力（定形力），這可能會(huì)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(yīng)力不同。這時(shí)施加較大的表面壓力會(huì)使板件的整體內(nèi)部應(yīng)力增大，并且內(nèi)應(yīng)力不均勻，從而會(huì)導(dǎo)致板件的整體變形。而桿系柔性成形模由若干個(gè)離散桿構(gòu)成，在板成形時(shí)微調(diào)局部的幾個(gè)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(guò)局部施加較大表面壓力改變板的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，減少成形板的回彈量。
（3）在板成形過(guò)程中，可以采用反復(fù)成形技術(shù)，減小成形件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)板件的小回彈或無(wú)回彈成形[3] 。由于桿系柔性成形模可以快速地重構(gòu)成形面，對(duì)于有較大深度的彎曲或拉深曲面，采用反復(fù)成形工藝，減少板件的每次加工變形量，從而減小工件內(nèi)部的殘余應(yīng)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(lái)驅(qū)動(dòng)。使用復(fù)合桿柔性成形模時(shí)，計(jì)算機(jī)首先讀取被加工板件的三維模型數(shù)據(jù)，計(jì)算成形面的尺寸以及每個(gè)桿限位塊的位置，同時(shí)分析出相應(yīng)桿頭的形狀，輸出每個(gè)位置桿頭的形狀數(shù)據(jù)，提示更換相應(yīng)形狀的沖壓頭；然后計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)限位塊的位置，從而調(diào)整好整個(gè)桿系柔性成形模具。

    可通過(guò)分析被加工板件的表面數(shù)據(jù)來(lái)確定選用何種形狀的沖壓頭。由于板件的局部曲面（設(shè)桿頭的截面尺寸為 40mm X 40mm）形式多種多樣，不可能制作無(wú)限多個(gè)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(diǎn)Pc與周邊四角點(diǎn)形成的 二 段 弧 線(xiàn)（弧P1＿Pc＿P3和P2＿Pc＿P4）的半徑r1、r2和弧線(xiàn)中心點(diǎn)O1到Pc的方向矢與坐標(biāo)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(shè)定一定的間隔，將其數(shù)值系列化，這樣大約可預(yù)制400～500種形式的沖壓頭，就可以近似地?cái)M合絕大多數(shù)形式的零件曲面，并將預(yù)制的各種形狀的沖壓頭依據(jù)其主參數(shù)設(shè)定代碼。對(duì)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(duì)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(shí)際使用中，每個(gè)桿位的沖壓頭的選擇由計(jì)算機(jī)分析板件局部區(qū)域的形狀特征，并輸出相應(yīng)的代碼。