杆系柔性成形模具及其板成形加工关键技术(上)

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引言

& a1 C7 v0 \; E# @, N7 Y- p - e% v& z! A8 j( Q6 J: V板料在冲压成形中一直存在板的起皱、拉裂与回弹三大问题，国内外学者对这方面进行了长期的研究，其研究的主要对象是整体成形模对板的成形加工。由于整体成形模结构的局限性，限制了一些理论与技术的应用，也约束了整体成形模理论与技术的深人研究。为此，本文首先从模具的结构入手，提出一种由阵列式杆系组成的可重构的板成形模具，由于其独特的结构，产生了一种新颖的板成形工艺技术，通过该技术能较好地解决板冲压成形中存在的起皱与拉裂等问题。

8 O2 V& l! c/ {1 可重构的杆系柔性成形模具

* A$ t/ X8 S9 ~/ |5 o$ K% x7 ^( L 杆系柔性成形模具是一种可快速重构的柔性成形模具，有良好的可重构性，并有较好的工艺能力。在分析国内外可重构模具的基础上，本文提出的可重构成形模具的基本结构如图1所示。

该模具由若干个单元调节杆组成，这些杆组合成一个阵列，每个杆通过步进电机由计算机控制，计算机在分析被加工板件表面三维模型数据后，自动编程井调节各个杆长度。杆的前端是冲压头，冲压头可以更换，选用与被冲压板件局部成形面相似形状的冲压头组成一定尺寸的模具冲压面，以适应加工件的表面形式，从而构成冲压成形模。与之相配的凹模结构与其相似，通过旋转调节螺杆和更换冲压头可以构造凹模成形面。 / P3 h) m0 R) V3 v6 @# [7 t3 ^7 w单元调节杆主要由步进电机、螺杆、伸缩套、冲压头组成，众多单元调节杆装配在支撑架中，组合成模具体。单元调节杆机构原理图如图2所示，其中冲压头的位置由螺杆控制，步进电机可以驱动螺杆使冲压头置于确定的位置，由若干个变形冲压头的成形面组合成模具的整体成形面，这样可以保证板成形件有较好的表面成形精度。

2 模内压板与成形复合工艺

9 R. Z3 @9 f" c5 z9 w4 O 1 h. E" X2 Q9 P7 ? M通常使用整体冲压模对曲面板料的成形过程如图3所示。

OA部分以胀形的方式变形，在凸模的作用下紧贴凸模表面，在以后的变形过程中，OA部分基本上不再变形，但OA部分的范围不断扩大。悬空区AC部分不与冲模接触，其变形主要靠断面A到断面C的内力实现，该区域在拉应力作用的同时，AC间一点B点要向模具中心点（O点）移动，同时B处纬向尺寸收缩，在B处纬向产生切向压应力，该压应力会引起板的压缩屈曲与起皱[1] 。 2 p* W' h: z3 V- [' b 在曲面板料成形时，产生拉深变形的外周边法兰部分CD和以胀形方式完成变形并与凸模表面贴靠的部分OA都受到模具表面的直接作用，在受约束的条件下完成变形过程，所以在一般情况下，不会发生变形缺陷，可以顺利地成形，而悬空区是否能顺利成形是曲面形状零件成形的关键[2] 。 3 c2 \7 ]( V# }2 b t! T% V2 v- }9 A( R3 K 1 g, g4 U6 L& X4 t' @$ A# K- ]根据板料悬空区的受力特征，可以推导出悬空区所受的径向拉应力σr与切向压应力σθ：

式中，σs为材料屈服应力；R1、R2、R分别为悬空区最小、最大、任意处的径向尺寸；β为材料塑变硬化系数，可近似取1．l。 7 E, v; u/ ~9 R3 s) X7 n设W是在压边力Q的作用下C点产生的径向拉应力（图4），则式中，μ为摩擦系数t为板厚。

由式（1）的径向拉应力与切向压应力等式，绘制出悬空区径向拉应力σr与切向压应力σθ的分布图，如图4所示。可以看出：悬空区径向拉应力的数值向外渐小；悬空区切向压应力的绝对值向外渐大，在悬空区与压边区交界点C处绝对值最大山B′处径向拉应力与切向压应力数值相等。 9 q) n3 l/ K5 I( V5 u- ]2 s根据式（1）可知，增大压边力Q，会使W增大，可引起图4中的应力分布曲线上移，这样会使最大径向拉应力增大，最大切向压应力减小，过分地增大Q值，在AB′区间易引起板料拉裂；反之，减小压边力Q，会引起悬空区切向压应力增大，在B′C区间易产生板受压屈曲与起皱。在保证板料不产生压缩失稳的条件下，尽量采用小压边力，以免引起板料拉裂，但板料受压屈曲、板料拉裂与压边力的关系是相反的，如果能采用一种板成形加工工艺可以抑制板料受压屈曲，就可以减小压边力，同时也就可以避免板料拉裂。

通过以上分析可知：板料在曲面成形时，板悬空区受切向压应力作用，同时由于没有受到模具体的约束，悬空区（特别在B′C区间）易产生压缩屈曲与起皱。为了解决这个问题，首先从模具的结构入手，在板曲面成形过程中对板悬空区易起皱处施加一种有效的约束，抑制其受压屈曲与起皱。在此基础上提出一种新颖的板成形技术——模内压板与成形复合工艺。

模内压板与成形复合工艺就是通过板成形模型腔内的弹性压板装置，使板料在成形过程中受板面法向压板力的约束，以保证板料顺利成形。如图5a所示，板料在曲面成形过程中，其悬空区易起皱部位一直受上下压板圈的约束，该约束力由弹簧7产生，该压力可以有效地抑制板的屈曲与起皱；上下模在合模过程中，上下压板圈不断内缩，最终到达限位点，这时压板圈的压板面与模具成形面构成一个完整的模具成形面，实现对曲面板件的定形（图5b）。 $ K* ?) z" U$ v! q 通过以上分析可以认为，在成形板的板面法向施加一定的压力可以很好地抑制板的起皱。这种方法可以应用于可重构的杆系柔性成形模具中，将上下压板圈用若干个可伸缩的离散杆替代，使离散杆具有“压板”与“成形”复合功能。

3 用“复合杆”代替“调节杆”

  在图2“单元调节杆”的基础上进行改进，使其具有“压板”与“成形”复合功能，构成“压板与成形功能复合杆”（简称“复合杆”），并在此基础上形成“模内压板与成形”复合冲压工艺。“单元复合杆”的机构原理如图6所示。

在“单元复合杆”中，伸缩套的伸缩位置受调位螺母（或称限位块）的控制，而调位螺母由螺杆定位。在板成形过程中，凸凹模中相对应的“单元复合杆”在压簧的作用下首先进行“压板”，在上模具体的下行（或下模具体的上行）的带动下，冲压头和伸缩套向内缩，这时在压簧的作用下，压板力渐渐增大，当冲压头和伸缩套向内缩到一定行程（压板行程）后，调位螺母抵住伸缩套与冲压头，使冲压头定位，无法再内缩，这时冲压头迫使板料成形。 2 E3 i% W1 f! H+ a* ~ * B5 @9 W! v8 B, W( l由“复合杆”构成的杆系柔性模具，在板料成形加工时，“压板”与“成形加工”同时进行，实现“模内压板与成形”复合冲压工艺，这种过程可以有效地阻止板料在成形过程中的受压屈曲与起皱；另外通过微调“调位螺母”的位置，可以有效地补偿成形板的回弹量。压板力的大小可以通过更换内压簧调节。“单元复合杆”与“单元调节杆”可以组合使用，也可以单一组合使用。 $ ?3 H" M4 ~5 A' l$ m

4 杆系柔性成形模的板加工工艺特点

杆系柔性成形模系统对板件的成形加工过程如图7所示。

与无模多点成形技术相比[2] ，杆系柔性成形模的创新点表现如下：①将可以伸缩与定位的“复合杆”应用于可重构模具，在板成形过程中将“压板”与“成形”相结合，形成l模内压板与成形”复合冲压工艺，这样可以有效地抑制板的受压屈曲与起皱；②采用“变形冲压头”与离散杆配合，可以较好地拟合理想成形面，增大板成形时的接触面，保证板成形件的表面形状精度；③由于模具中的“复合杆”具有压板功能，这样就可以省去直接成形。由于杆系柔性成形模结构和冲压工艺的独特性，杆系柔性成形模在板料成形加工过程中产生了一些鲜明的特点。

4．l 抑制成形板料的起皱

$ d. o% m, h6 T4 d板料在离散单元复合杆作用下的成形过程上下成形模一般要经过“对板”、“压板”、“压板与成形”、“定形”4个过程。图8为复合杆成形模曲面成形示意图。可以看出，在离散复合杆成形模的曲面成形过程中，上下模的复合杆冲压头在弹簧的作用下对板施加了压板力。

在板料成形初期，上下模复合杆冲压头在弹簧的作用下压板，板在成形过程中，板的上下面都受压，悬空部分少；上模在下行过程中，S1杆首先到限位点，杆头促使板料成形，这时S2～S5杆的杆头仍在弹簧的作用下压板，上模继续下行，S2～S5杆的伸缩套依次到达限位点，这时若干个杆头成形面近似地拟合成模具成形面，对板件实现定形。下模中的复合杆也有类似的过程。板料在成形过程中，板的上下面受压板力的约束，从而可以抑制板的压缩屈曲与起皱。通过上面的分析可以认为，采用复合杆柔性成形模具进行板件的曲面成形，可以阻止板料的压缩屈曲与起皱。

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