大型板材離散多點成形工藝及裝備研究

張家綺，張敏

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

大型板材離散多點成形工藝及裝備研究

張家綺，張敏

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

針對大型板材的沖壓成形問題，提出了一種離散多點成形工藝。介紹了此工藝中模具及柔性桿的結(jié)構(gòu)。與已有的多點成形工藝——桿系柔性成形和活絡(luò)方形壓頭非對壓技術(shù)相比，離散多點成形工藝在大型板材成形過程中有其自身的優(yōu)勢。

大型板材；離散；平面包絡(luò)；活絡(luò)沖頭

0 引言

大型沖壓板材被廣泛應(yīng)用于航空航天、海運、汽車、化工等領(lǐng)域中，且隨著各行業(yè)的迅速發(fā)展，大型板材產(chǎn)品更新速度越來越快，形狀不斷變化。近年來，多點成形技術(shù)及工藝不斷發(fā)展和衍生，出現(xiàn)了可重構(gòu)的桿系柔性成形模具。該模具由若干柔性桿緊密排列成一個陣列，通過旋轉(zhuǎn)螺桿和更換沖壓頭可得到所需成形的曲面形狀。板料成形過程中，由于結(jié)構(gòu)中有彈簧，柔性桿兼有“壓板”與“成形”雙重功能，從而抑制板料的受壓屈曲與起皺。但成形不同形狀的板材需要更換沖壓頭。對于船體外板的沖壓，武漢理工大學(xué)提出了活絡(luò)方形壓頭非對壓技術(shù)。其上、下模均采用方形壓頭，壓頭平面包絡(luò)出成形面，壓頭能繞球面底座跟隨板材的曲面變化而擺動，始終保持與板材面的接觸，同時上、下模的沖頭采用非對壓方式排列，使板材受力更均勻。但采用平面包絡(luò)的形式包絡(luò)出板材凹面，方形壓頭會與板材干涉而產(chǎn)生壓痕。

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對于大型沖壓板材，如果仍采用已有的多點成形模具，便需要大量的基本體，有的甚至還需要根據(jù)板件的形狀制造和更換沖頭，降低了工作效率，提高了生產(chǎn)成本，且沖壓時易產(chǎn)生壓痕和起皺現(xiàn)象。本文提出了一種針對大型板材成形過程的離散多點成形工藝。該工藝中沖頭離散排列，因此所需基本體的數(shù)量減少；上模采用活絡(luò)曲面沖頭，點包絡(luò)出板材凹面，下模采用活絡(luò)平面沖頭，平面包絡(luò)出板材凸面，沖壓不同曲面無需更換沖頭，且有效抑制了壓痕和起皺現(xiàn)象，成形曲面更光順。

1 離散多點成形工藝

1—壓邊桿；2—曲面沖頭；3—大型板材；4—平面沖頭圖1 離散多點成形工藝

與已有的多點成形工藝相比，離散多點成形工藝中模具內(nèi)部各基本體間隔排列，上模采用活絡(luò)曲面沖頭點包絡(luò)成形曲面，下模采用活絡(luò)平面沖頭平面包絡(luò)成形面。離散多點成形工藝過程如圖1所示。各壓桿按規(guī)則離散排列，上模壓桿與下模壓桿采用非對壓方式(上下沖頭中心線不在同一條直線上)，因此，成形過程中板材受力較均勻，有效抑制了板材起皺。下模采用平面沖頭，多個平面包絡(luò)出成形面，與曲面沖頭相比，平面沖頭與被加工件接觸面積大，造型曲面比較光滑；而因上模沖頭需成形板材凹面，所以采用曲面沖頭，避免與板材干涉產(chǎn)生壓痕。在圖1(a)中，板材放置于下模具體上。圖1(b)中，上模具體在壓力機(jī)的帶動下下行，實現(xiàn)對板材的壓邊。圖1(c)中，上模具體下行一定行程后，板材上、下面都受到壓桿的彈性壓板力，板材受到壓桿前端沖頭的約束，懸空部分面積小，即模具體對板材實施多點壓板。圖1(d)中，隨著合模進(jìn)行，板材產(chǎn)生彎曲變形，沖頭繞其球面底座隨著板材曲面變化而擺動，使板材主要受正壓力，避免板材產(chǎn)生大的剪切變形；同時，部分壓桿先到達(dá)限位點，該壓桿和沖頭不再縮進(jìn)，功能開始由“壓板”轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺尚巍保渌麎簵U仍在壓板并不斷縮進(jìn)。如圖1(e)所示，合模完成時，所有壓桿達(dá)到限位點，上模曲面沖頭多個空間點形成包絡(luò)面，下模平面沖頭多個平面形成包絡(luò)面，板材定型。

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2.1 離散多點成形工藝和桿系柔性成形工藝的區(qū)別

圖2 離散多點成形壓桿機(jī)構(gòu)原理圖

2 離散多點成形工藝在大型板材成形中的優(yōu)勢

圖2為上、下模柔性桿機(jī)構(gòu)原理圖。在柔性桿中，螺母在絲杠上的位置根據(jù)待成形板材形狀而調(diào)定，在板材沖壓過程中，上、下模中的柔性桿在彈簧的作用下首先進(jìn)行壓板，在上模具體的下行(下模具體的上行)的帶動下,沖頭和伸縮套向內(nèi)縮進(jìn)，壓縮彈簧，壓縮量由胡克定律得彈簧彈力為F=kΔx，其中k為彈簧彈性系數(shù)，因此，隨著壓縮量增大，沖頭對板材的壓板力逐漸增大，壓板力的大小可以通過更換不同彈性系數(shù)的彈簧調(diào)節(jié)。當(dāng)沖頭和伸縮套向內(nèi)縮進(jìn)一定行程后，伸縮套抵住螺母，沖頭被限位，無法繼續(xù)縮進(jìn)，此時沖頭迫使板料成形。這樣，板材成型過程中，始終受到?jīng)_頭的壓板力約束，柔性桿起到了壓板和成形雙重作用，可有效抑制板材的受壓屈曲與起皺。同時，沖頭隨著板材曲面的變化繞其球面底座擺動，使板材主要受正壓力，避免板材受剪切作用，板材受力狀態(tài)改善，壓痕減小。沖頭外部均安裝有橡膠墊，可均衡板材受力，減小壓痕。

圖3 桿系柔性成形模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 柔性桿機(jī)構(gòu)原理圖

圖5為活絡(luò)方形壓頭非對壓模具實物圖，它目前用于船體外板的成形。其與離散多點成形模具主要區(qū)別在于：1) 活絡(luò)方形壓頭非對壓模具的沖頭緊密排列；而離散多點成形模具中各沖頭離散排列，減少了壓桿和沖頭數(shù)目。2) 活絡(luò)方形壓頭非對壓模具的上、下模均為平面壓頭，即上、下模沖頭均采用平面包絡(luò)形成成形曲面，但是當(dāng)與曲面板材凹面接觸的上模沖頭為平面包絡(luò)時，沖壓過程中會與板材發(fā)生干涉，使板材產(chǎn)生壓痕；離散多點成形模具的上模沖頭采用曲面形狀，一種固定曲率的曲面沖頭可沖壓曲率在一定范圍內(nèi)的多種曲面板材，沖頭曲面以點包絡(luò)的形式構(gòu)成成形曲面，且沖頭前端安裝彈性橡膠墊，避免板材產(chǎn)生壓痕。3) 由于離散多點成形模具中彈簧的作用，加工過程中，壓板與成形同時進(jìn)行，可有效抑制板料起皺。

2.2 離散多點成形工藝和活絡(luò)方形壓頭非對壓技術(shù)的區(qū)別

桿系柔性模具結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其柔性桿機(jī)構(gòu)原理圖如圖4所示。其與離散多點成形模具主要區(qū)別在于：1) 桿系柔性模具的沖頭緊密排列；而離散多點成形模具中各沖頭離散排列，僅需較少的壓桿和沖頭，且上、下模壓桿采用非對壓方式，使板材受力較均勻。2) 桿系柔性模具使用可更換的變形沖壓頭，沖壓頭形狀應(yīng)與被沖壓板件局部成形面形狀近似，所有沖頭拼接出成形曲面形狀；離散多點成形模具采用活絡(luò)沖頭，沖頭可跟隨板材曲面變化繞球面底座擺動，可保證板材主要受正應(yīng)力，避免大的剪切變形，且成形不同形狀的板材無需更換沖頭，沖頭前端安裝有彈性橡膠墊，可均衡板材受力。因此，在大型板材的沖壓成型中，離散多點成形技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、高效，加工品質(zhì)更好。

圖5 活絡(luò)方形壓頭非對壓模具實物圖

3 結(jié)語

以上對離散多點成形工藝的介紹及其與另外兩種多

二是“生態(tài)”優(yōu)勢與“文化”優(yōu)勢在黃河口旅游發(fā)展過程中是相輔相成的，黃河口文化內(nèi)涵是原生濕地生態(tài)資源深度發(fā)展的主題和靈魂，缺乏文化主題和內(nèi)涵的濕地生態(tài)資源是沒有競爭力和生命力的，原生濕地生態(tài)資源是充分挖掘和展現(xiàn)黃河口文化內(nèi)涵、實現(xiàn)黃河口旅游可持續(xù)發(fā)展的載體，如果不充分開發(fā)和利用濕地生態(tài)資源，黃河口旅游發(fā)展就失去了必要的依托，二者統(tǒng)一于黃河口旅游目的地建設(shè)與發(fā)展的實踐。

點成形工藝的對比表明，離散多點成形工藝適用于大型板材的沖壓成形，所需壓桿和沖頭數(shù)量少，能有效減少起皺和壓痕產(chǎn)生，具有成本低、效率高、產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)點。

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Analysis and Study of Discrete Multi-point Forming Process for Large-scale Sheet Metal

ZHANG Jia-qi, ZHANG Min

(College of Machanical and Electrical Engineering,Hehai University, Changzhou 213022, China)

This paper presents a discrete multi-point forming process to deal with the problem occrring in the large-scale sheet metal stamping and introduces the structures of the mold and stamping bars applied in this process. Compared with the existing multi-point forming processes, such as poles flexible forming and misaligned stamping processes with swivel square press heads, the discrete multi-point forming process shows its advantages in the process of the large-scale sheet metal stamping.

large-scale sheet metal; discrete; plane enveloping; swivel press heads

張家綺(1989-)，女，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為機(jī)械設(shè)計。

TH165

B

1671-5276(2014)02-0040-03

2013-01-23