大型板材离散多点成形工艺及装备研究

张家绮，张敏

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

大型板材离散多点成形工艺及装备研究

张家绮，张敏

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

针对大型板材的冲压成形问题，提出了一种离散多点成形工艺。介绍了此工艺中模具及柔性杆的结构。与已有的多点成形工艺——杆系柔性成形和活络方形压头非对压技术相比，离散多点成形工艺在大型板材成形过程中有其自身的优势。

大型板材；离散；平面包络；活络冲头

0 引言

大型冲压板材被广泛应用于航空航天、海运、汽车、化工等领域中，且随着各行业的迅速发展，大型板材产品更新速度越来越快，形状不断变化。近年来，多点成形技术及工艺不断发展和衍生，出现了可重构的杆系柔性成形模具。该模具由若干柔性杆紧密排列成一个阵列，通过旋转螺杆和更换冲压头可得到所需成形的曲面形状。板料成形过程中，由于结构中有弹簧，柔性杆兼有“压板”与“成形”双重功能，从而抑制板料的受压屈曲与起皱。但成形不同形状的板材需要更换冲压头。对于船体外板的冲压，武汉理工大学提出了活络方形压头非对压技术。其上、下模均采用方形压头，压头平面包络出成形面，压头能绕球面底座跟随板材的曲面变化而摆动，始终保持与板材面的接触，同时上、下模的冲头采用非对压方式排列，使板材受力更均匀。但采用平面包络的形式包络出板材凹面，方形压头会与板材干涉而产生压痕。

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对于大型冲压板材，如果仍采用已有的多点成形模具，便需要大量的基本体，有的甚至还需要根据板件的形状制造和更换冲头，降低了工作效率，提高了生产成本，且冲压时易产生压痕和起皱现象。本文提出了一种针对大型板材成形过程的离散多点成形工艺。该工艺中冲头离散排列，因此所需基本体的数量减少；上模采用活络曲面冲头，点包络出板材凹面，下模采用活络平面冲头，平面包络出板材凸面，冲压不同曲面无需更换冲头，且有效抑制了压痕和起皱现象，成形曲面更光顺。

1 离散多点成形工艺

1—压边杆；2—曲面冲头；3—大型板材；4—平面冲头图1 离散多点成形工艺

与已有的多点成形工艺相比，离散多点成形工艺中模具内部各基本体间隔排列，上模采用活络曲面冲头点包络成形曲面，下模采用活络平面冲头平面包络成形面。离散多点成形工艺过程如图1所示。各压杆按规则离散排列，上模压杆与下模压杆采用非对压方式(上下冲头中心线不在同一条直线上)，因此，成形过程中板材受力较均匀，有效抑制了板材起皱。下模采用平面冲头，多个平面包络出成形面，与曲面冲头相比，平面冲头与被加工件接触面积大，造型曲面比较光滑；而因上模冲头需成形板材凹面，所以采用曲面冲头，避免与板材干涉产生压痕。在图1(a)中，板材放置于下模具体上。图1(b)中，上模具体在压力机的带动下下行，实现对板材的压边。图1(c)中，上模具体下行一定行程后，板材上、下面都受到压杆的弹性压板力，板材受到压杆前端冲头的约束，悬空部分面积小，即模具体对板材实施多点压板。图1(d)中，随着合模进行，板材产生弯曲变形，冲头绕其球面底座随着板材曲面变化而摆动，使板材主要受正压力，避免板材产生大的剪切变形；同时，部分压杆先到达限位点，该压杆和冲头不再缩进，功能开始由“压板”转变为“成形”，其他压杆仍在压板并不断缩进。如图1(e)所示，合模完成时，所有压杆达到限位点，上模曲面冲头多个空间点形成包络面，下模平面冲头多个平面形成包络面，板材定型。

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2.1 离散多点成形工艺和杆系柔性成形工艺的区别

图2 离散多点成形压杆机构原理图

2 离散多点成形工艺在大型板材成形中的优势

图2为上、下模柔性杆机构原理图。在柔性杆中，螺母在丝杠上的位置根据待成形板材形状而调定，在板材冲压过程中，上、下模中的柔性杆在弹簧的作用下首先进行压板，在上模具体的下行(下模具体的上行)的带动下,冲头和伸缩套向内缩进，压缩弹簧，压缩量由胡克定律得弹簧弹力为F=kΔx，其中k为弹簧弹性系数，因此，随着压缩量增大，冲头对板材的压板力逐渐增大，压板力的大小可以通过更换不同弹性系数的弹簧调节。当冲头和伸缩套向内缩进一定行程后，伸缩套抵住螺母，冲头被限位，无法继续缩进，此时冲头迫使板料成形。这样，板材成型过程中，始终受到冲头的压板力约束，柔性杆起到了压板和成形双重作用，可有效抑制板材的受压屈曲与起皱。同时，冲头随着板材曲面的变化绕其球面底座摆动，使板材主要受正压力，避免板材受剪切作用，板材受力状态改善，压痕减小。冲头外部均安装有橡胶垫，可均衡板材受力，减小压痕。

图3 杆系柔性成形模具结构示意图

图4 柔性杆机构原理图

图5为活络方形压头非对压模具实物图，它目前用于船体外板的成形。其与离散多点成形模具主要区别在于：1) 活络方形压头非对压模具的冲头紧密排列；而离散多点成形模具中各冲头离散排列，减少了压杆和冲头数目。2) 活络方形压头非对压模具的上、下模均为平面压头，即上、下模冲头均采用平面包络形成成形曲面，但是当与曲面板材凹面接触的上模冲头为平面包络时，冲压过程中会与板材发生干涉，使板材产生压痕；离散多点成形模具的上模冲头采用曲面形状，一种固定曲率的曲面冲头可冲压曲率在一定范围内的多种曲面板材，冲头曲面以点包络的形式构成成形曲面，且冲头前端安装弹性橡胶垫，避免板材产生压痕。3) 由于离散多点成形模具中弹簧的作用，加工过程中，压板与成形同时进行，可有效抑制板料起皱。

2.2 离散多点成形工艺和活络方形压头非对压技术的区别

杆系柔性模具结构示意图如图3所示，其柔性杆机构原理图如图4所示。其与离散多点成形模具主要区别在于：1) 杆系柔性模具的冲头紧密排列；而离散多点成形模具中各冲头离散排列，仅需较少的压杆和冲头，且上、下模压杆采用非对压方式，使板材受力较均匀。2) 杆系柔性模具使用可更换的变形冲压头，冲压头形状应与被冲压板件局部成形面形状近似，所有冲头拼接出成形曲面形状；离散多点成形模具采用活络冲头，冲头可跟随板材曲面变化绕球面底座摆动，可保证板材主要受正应力，避免大的剪切变形，且成形不同形状的板材无需更换冲头，冲头前端安装有弹性橡胶垫，可均衡板材受力。因此，在大型板材的冲压成型中，离散多点成形技术更经济、高效，加工品质更好。

图5 活络方形压头非对压模具实物图

3 结语

以上对离散多点成形工艺的介绍及其与另外两种多

二是“生态”优势与“文化”优势在黄河口旅游发展过程中是相辅相成的，黄河口文化内涵是原生湿地生态资源深度发展的主题和灵魂，缺乏文化主题和内涵的湿地生态资源是没有竞争力和生命力的，原生湿地生态资源是充分挖掘和展现黄河口文化内涵、实现黄河口旅游可持续发展的载体，如果不充分开发和利用湿地生态资源，黄河口旅游发展就失去了必要的依托，二者统一于黄河口旅游目的地建设与发展的实践。

点成形工艺的对比表明，离散多点成形工艺适用于大型板材的冲压成形，所需压杆和冲头数量少，能有效减少起皱和压痕产生，具有成本低、效率高、产品品质好等优点。

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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

张家绮(1989-)，女，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为机械设计。

TH165

B

1671-5276(2014)02-0040-03

2013-01-23