无模多点成形技术简介

HEATS

一、基本概念 
    无模多点成形就是将多点成形技术和计算机技术结合为一体的先进制造技术。该技术利用一系列规则排列的、高度可调的基本体，通过对各基本体运动的实时控制，自由地构造出成形面，实现板材的三维曲面成形。它是对三维曲面扳类件传统生产方式的重大创新。 
二、技术特点 
    实现无模成形：取代传统的整体模具，节省模具设计、制造、调试和保存所需人力、物力和财力，显著地缩短产品生产周期，降低生产成本，提高产品的竞争力。与模具成形法相比，不但节省巨额加工、制造模具的费用，而且节省大量的修模与调模时间：与手工成形方法相比，成形的产品精度高、质量好，并且显著提高生产效率。 
    优化变形路径：通过基本体调整，实时控制变形曲面，随意改变板材的变形路径和受力状态，提高材料成形极限，实现难加工材料的塑性变形，扩大加工范围。 
    实现无回弹成形：可采用反复成形新技术，消除材料内部的残余应力，并实现少无回弹成形／保证工件的成形精度。 
    小设备成形大型件：采用分段成形新技术，连续逐次成形超过设备工作台尺寸数倍的大型工件。 
    易于实现自动化：曲面造型、工艺计算。压力机控制、工件测试等整个过程全部采用计算机技术，实现CAD／CAM／CAT一体化生产，工作效率高，劳动强度小，极大地改善劳动者作业环境。 
三、技术发展概况 
    多点成形的研究起源于日本。 70年代日本造船协会西冈等人试制了多点压力机，进行船体外板自动成形的研究，但因关键技术未能解决好，多点压机的制造费用太高，未能实用化。日本三菱重工业株式会社的熊本等人也研制了三列多点成形设备。由于其整体设计不周，该压机只适用于变形量很小的船体外板的弯曲加工。另外，东京大学的野本及东京工业大学的井关等人也进行了多点压机及成形实验方面的研究工作，但未取得重大进展。宫80年代以来，美国麻省理工学院D。E。Hardt的研究室对多点模具成形进行了十多年的研究。最近麻省理工学院与美国航空航天技术研究部门合作，投入1400多万美元的巨额经费开发出多点张力拉伸成形机。 
   吉林工业大学教授李明哲博士在日本日立公司从事博士后研究期间系统地研究了多点成形基本理论，深入地分析了成形机理与成形特点，并主持开发出多点成形实用机（主要技术参数见表（l）。 
    表1 多点成形实用机主要技术参数 
    项目                         技术参数 
    总成形力                   540T 
    整体成形最大面积       1200mmX1400mm 
    成形板材厚度             10-30mm 
    基本体调整量             500mm 
    基本体驱动方式         液压伺服控制 
    该系统是世界上第一台达到实用化程度的无模多点板材成形压力机，己成功地用于三维曲面工件（如扭曲面、球面、马鞍面等）的实际生产中，工作效率较传统的线状加热法提高了数十倍，而且制品精度也得到很大的提高。 
    李明哲教授回国后，在吉林工业大学组建了无模成形技术开发中心，继续对多点成形技术进行深入系统地研究，逐步形成了板材多点成形理论。“该中心从学术与实际应用两个方面建立了板材多点成形新理论与新方法，开发出多点成形实用化技术，并研制出集CAD／CAM／CAT于一体的无模多点成形样机。  　 
四、技术基础与水平  
    由吉林工业大学承担的国家重点科技攻关项目“大型板材三维曲面的自动无模成形设备”已经通过验收鉴定，验收鉴定专家组对该项成果的总的评价是“多点成形技术是传统的板类件三维曲面成形生产方式的重大刨新，具有良好的市场前景。该项目在多点成形设备、多点成形理论与实用技术的研究成果已达到了国际领先水平，已具备工业应用条件。” 
    （一）在多点成形设备方面： 
    吉林工业大学开发的集CAD／CAE／CAM/CAT于一体、具有自主知识产权的板材无模多点成形设备总体构成如图：所示。计算机软件系统主要进行曲面几何造型、工艺计算、成形过程有限元模拟等。自动控制系统用于调整基本体群形状，控制液压加载系统成形出所需形状的工件；三维曲面测量检测成形后的工件形状，并将测量结果反馈到计算机软件系统进行修正，实现闭环控制。 
    该设备与国外同类研究相比，具有如下特点： 
    1、一体化的CAD／CAE/CAM/CAT软件系统：该软件是目前国际上多点成形计算机软件中规模最大、功能最多、考虑因素最全的系统，实现了多点成形过程的一体化处理。其CAD子系统根据零件的几何形状、材质、板厚等原始资料，采用NURBS方法进行曲面造型，进行工艺设计与计算；CAE子系统基于弹塑性大变形有限元程序，可以预测成形缺陷，计算回弹，确定关键的工艺参数，CAM子系统调节多点成形主机的上下基本体群，构造柔性成形面，并控制主机进行板材成形。  
    2、多功能的自动无模多点成形机：既能实现多点模具成形，又能模拟多点压机成形；而且既能进行整体成形，又能进行分段成形。  
    在此设备上己成形出大量的形状复杂、变形量大、表面质量好、尺寸比设备工作台面积大数倍的三维曲面成形件。而且，在实际工件的模拟实验中，对高速列车车头覆盖件流线型部分的不对称件也成功地进行了多点成形，取得了在国际同类成形设备中最好的效果。 
    （二）在多点成形理论方面： 
    在多点成形理论研究方面取得了一系列新进展，主要创新点有： 
    1．多点成形基本理论，提出了四种成形原理不同的、具有代表性的多点成形基本方式，即多点模具成形、多点压机成形、半多点模具成形及半多点压机成形。 
    2．缺陷产生机理：研究了多点成形中典型不良现象（压痕、皱纹、回弹、直边效应）的产生机理，并研制出这些缺陷的抑制方法。 
    3．工艺设计理论：提出了抑制压痕的工艺方法、消除直边效应的分段成形工艺方法、改变变形路径的工艺方法和无回弹的反复成形工艺方法。 
    4．设备设计理论：提出了基本体与基本体群设计方法。多点成形设备关键结构的设计方法和优化设计方法。 
    （三）在实用技术开发方面： 
     在大量实验的基础上，解决了一系列实用化关键技术，主要有： 
    1、无缺陷弹性垫技术：可以有效地抑制压痕，起皱等成形缺陷，使成形件的表面质量大大提高； 
    无回弹反复成形技术：即利用多点成形柔性化的特点，采用反复成形工艺方法，减小工件的回弹及材料内部的残余应力，实现板材小回弹或无回弹成形。  
    分段成形技术：即优化过渡区成形模型，进行大变形量、大尺寸零件的成形，实现小设备成形大工件，并使无模成形设备小型化。应用该技术已成形出超过设备工作台面积七倍的样件，扭曲面总扭曲角超过40G。  
    多道成形技术：对于变形量很大的制品，选取最佳路径多道成形，使成形过程中板材各部分变形尽量均匀，以消除起皱等成形缺陷，提高板材的成形能力。  
    闭环成形技术：即将自动控制技术与CAT、CAD结合起来，对成形后的工件进行三维测量，将测量的数据反馈到CAD系统，经过控制算法运算后，计算出基本体群形状的修正量，传递给控制系统再次成形，这样反复几次，可以达到精确的目标形状。 
五、应用前景 
    不同形状、不同尺寸的大型三维曲面板制品在轮船、舰艇、飞机、航天器、陆地车辆、大型容器以及不锈钢雕塑等军工和民品上比比皆是。近年来，随着航空、航天、海运、高速铁路、化工以及城市建筑等行业的发展，对其需求也在不断地增加，但落后的扳金弯形方法己不能适应这种发展要求，三维曲面板制品生产迫切地需要先进的制造技术。无模多点成形技术已经成熟，可以直接用于实际生产。它特别适合于曲面板制品的多品种小批量生产及新产品的试制，所加工的零件尺寸越大、其优越性越突出。无模多点成形技术将在轮船和舰艇的外扳、飞机和航天器的蒙皮、车辆、大型容器和城市雕塑的覆盖件等三维曲面板制品加工中有着广阔应用前景，并将产生巨大的经济效益和社会效益。