板料与型材成形柔性模具的关键技术及发展现状与趋势
传统的金属板料加工方法主要用模具在压力机上进行冷冲压成形,具有生产效率高、适用于大批量生产的优点。随着市场竞争日趋激烈,产品的更新速度日益加快,新产品成形模具的开发往往成本高、风险大、耗时长、柔性差。因此,迫切需要一种能够降低新产品模具开发成本和风险并缩短研制周期的新技术。
柔性模具技术就是为适应这一趋势而发展起来的一种柔性生产技术。柔性模具技术的基本思想是采用可变形的结构或材料去代替或部分代替传统的刚性模具用来加工制造不同形状的零件。它可以显著降低零件的制造成本,缩短零件的制造周期,是一种越来越受到人们重视的快速制造技术。本文在国内外研究成果的基础上,总结分析了柔性模具的关键技术和发展趋势。
柔性模具成形方法
1 多点刚模成形方法
多点柔性模具技术又称为可重构离散模具技术,它采用若干个规则排列的、高度可调的基本体,通过其端面形成多点可调的包络面,以代替传统刚性模具。在1985到1991年,MIT和Cyril Bath公司及海军研究实验室设计制造了一种新型的可自动调整型面的拉伸成形离散模,使用时其表面覆一层弹性垫层以防止板料表面产生凹坑[1]。模具的结构形式和基本单元体的结构如图1所示。波音、空客等公司都陆续购买、引进了多台蒙皮拉伸成形柔性离散模,进行蒙皮零件的拉伸成形。
国内北京航空制造工程研究所在现有柔性多点模具基础上,针对大型柔性多点模具,采用新型的调形驱动机构及伺服轴离合复用技术,实现与冲头驱动源分合,大大减少了驱动电机的数量,并开发出了具有价格竞争力的蒙皮拉伸成形多点模系统[2]。李明哲[3]从90年代初期就开始进行离散模冲压技术的研究,开发了专用成形设备,取得了一系列的成果,在建筑结构件与装饰件、高速列车流线型车头覆盖件、船体外板及人脑颅骨修复体等产品的成形上发挥了重要作用。
图2(a)是利用片层式离散模进行的拉弯成形实验装置[4]。离散模应用拉弯成形时,由于型材拉弯零件截面复杂不同于板料拉形,因此需要模块化的结构。图2(b)为离散模型材拉弯成形模拟示意图。图2(c)为离散模拉弯成形的试件,在进行离散模型材拉弯成形时,采用强度较高的钢板或者铝板垫层代替传统的聚氨酯板等弹性垫层以防止型材产生截面畸变。图2(d)为离散模型材拉弯截面畸变对比图。图2(e)为国内某公司采用柔性铰连辅助装置的拉弯成形模,用于生产截面复杂的汽车拉弯零件,显著提高了生产效率。
近年来,多点压边圈变压力拉深成形技术得到应用。通过控制各点的压力,调整拉深件法兰的摩擦力,从而控制材料的流动,实现复杂形状材料的拉深成形。
当前这种离散模技术可以实现钣金零件的无模成形,易于实现CAD/CAE/CAM/CAT一体化及板料成形自动化。进一步发展可形成无模工厂,即通过零件设计、成形过程模拟和模具设计,由可重构的离散模进行拉伸成形,再由可重构的切边工装进行激光或水切割,而后通过快速形状测量系统进行形状测量,反复加工直至零件满足形状和精度要求,如图3所示。
在固态软模成形中的柔性滚弯成形方面,型材柔性垫弯曲是一种高度柔性的弯曲方法,利用压辊将坯料压入到超弹性的柔性垫中,利用柔性垫对坯料产生的包容、分布的弯矩实现型材的弯曲[7]。在成形过程中,根据型材的截面形状、相对厚度及抗弯截面系数等选择合理的成形工艺参数,通过调节压辊的压入深度和坯料的水平位移,可以得到具有不同曲率半径的型材弯曲件,如图4(a)所示。与传统的弯曲方法相比,生产的弯曲件具有表面质量好、成本低等优点,适用于航空航天工业中小批量甚至单件零件的生产。另外,采用具有可弯曲性能的辊状物体作为成形工具,结合多点调形技术实现三维曲面板类件的柔性成形[9]。多点滚压成形可以实现球形件、鞍形件、扭曲形件、盘形件、筒形件和自由曲面件等三维曲面件的高效、连续成形,如图4(b)所示。
以上几种软模成形方法与常规成形的比较如表1所示[10]。
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