柔性壓邊多點(diǎn)成形技術(shù)

文/劉亞潔，李明哲·吉林大學(xué)無(wú)模成形技術(shù)開發(fā)中心

李銳，孫云明·長(zhǎng)春瑞光科技有限公司

柔性壓邊多點(diǎn)成形技術(shù)

文/劉亞潔，李明哲·吉林大學(xué)無(wú)模成形技術(shù)開發(fā)中心

李銳，孫云明·長(zhǎng)春瑞光科技有限公司

多點(diǎn)成形是使用規(guī)則排列、高度可調(diào)的基本體群代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整體沖壓模具，利用基本體單元形成的包絡(luò)面成形三維曲面件的柔性加工技術(shù)。薄板多點(diǎn)成形時(shí)，板料很容易產(chǎn)生皺紋，不易獲得合格零件。采用柔性壓邊多點(diǎn)成形新技術(shù)，將多點(diǎn)成形與柔性壓邊相結(jié)合，利用離散壓邊塊和壓邊條約束板料的四周后，進(jìn)行多點(diǎn)成形，能夠?qū)崿F(xiàn)薄板的快速、高效、數(shù)字化成形。其壓邊塊尺寸以及壓邊塊與壓邊條的布置方式可以靈活變化，并根據(jù)目標(biāo)零件的尺寸調(diào)整坯料的大??；能夠顯著提高原材料利用率，降低制造成本，獲得良好的成形結(jié)果，同時(shí)還有可能省略三維曲面件成形后的輪廓裁剪工序。

柔性壓邊多點(diǎn)成形思路

柔性壓邊多點(diǎn)成形裝置主要由多點(diǎn)數(shù)字化模具、壓邊塊和壓邊條組成，壓邊塊的大小、數(shù)量和間距，壓邊條層數(shù)、長(zhǎng)度以及壓邊力的大小可根據(jù)成形件尺寸和起皺情況進(jìn)行調(diào)整。

圖1所示為布置3層壓邊條，每邊有5個(gè)壓邊塊時(shí)的柔性壓邊裝置示意圖。壓邊條的材質(zhì)采用彈簧鋼，保證在成形過(guò)程中壓邊面隨著基本體單元的包絡(luò)面產(chǎn)生柔性變形，抑制板料成形時(shí)的起皺缺陷。將接觸板料的壓邊條定義為第1層，中間的壓邊條定義為第2層，接觸壓邊塊的壓邊條定義為第3層。壓邊條的寬度依次遞減，長(zhǎng)度根據(jù)成形件的毛坯尺寸進(jìn)行調(diào)整；不同層的壓邊條端部相互交錯(cuò)排列。每一個(gè)壓邊塊的壓邊力以及壓邊塊之間的間距都可以根據(jù)成形結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，還可以分成若干組設(shè)置不同的壓力。由于壓邊塊數(shù)量可變，只需要根據(jù)模具及成形件尺寸，選擇相應(yīng)的壓邊塊和壓邊條，便可成形不同形狀及大小的三維曲面件。

圖1 柔性壓邊裝置示意圖

有限元模擬

采用08Al鋼板作為數(shù)值模擬與實(shí)際成形的材質(zhì)，其材料參數(shù)如表1所示。毛坯采用400mm×400mm的矩形板料，成形R800mm的球面形件。

表1 08Al板料參數(shù)

圖2所示為柔性壓邊多點(diǎn)成形的有限元模型，壓邊條排列在板料四個(gè)邊的上下，再由壓邊塊夾緊，固定在板料上。有限元模型并不完全對(duì)稱，因此不能簡(jiǎn)化為四分之一模型。對(duì)有限元模型中的多點(diǎn)模具采用四節(jié)點(diǎn)三維剛體單元R3D4離散，聚氨酯墊及壓邊條采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R，壓邊塊及板料采用剛性殼單元S4R。采用通用接觸算法，假設(shè)各接觸對(duì)之間符合庫(kù)侖摩擦模型，摩擦因數(shù)取0.1。在多點(diǎn)成形過(guò)程中，給予上部多點(diǎn)模具豎直方向的平動(dòng)自由度，限制其余方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，通過(guò)位移和時(shí)間曲線控制向下移動(dòng)，但不限制各壓邊塊的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 有限元模型

模擬結(jié)果分析

利用上述有限元模型，采用有限元軟件Abaqus/explicit對(duì)柔性壓邊多點(diǎn)成形工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，分析壓邊塊尺寸、壓邊條層數(shù)以及壓邊力對(duì)成形結(jié)果的影響。

壓邊塊尺寸的影響

采用尺寸分別為50mm×10mm和24mm×10mm的壓邊塊，在板料上下各設(shè)置三層1mm厚的壓邊條，第1、2、3層壓邊條的寬度分別為50mm、30mm和10mm。

圖3所示為壓邊塊尺寸不同時(shí)沿OA方向的應(yīng)力和應(yīng)變分布。可以看出，應(yīng)力、應(yīng)變分布趨勢(shì)基本相同，但壓邊塊尺寸為24mm×10mm時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變值均低于壓邊塊尺寸為50mm×10mm時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變值，說(shuō)明壓邊塊尺寸較小時(shí)，能夠減少應(yīng)力、應(yīng)變值，使其成形質(zhì)量更好。

圖3 OA方向的應(yīng)力、應(yīng)變分布

圖4 成形件表面曲線

圖4所示為壓邊塊尺寸不同時(shí)沿OA方向的成形件表面曲線。在0～150mm的未壓邊區(qū)域，表面曲線基本重合；但在150～200mm的壓邊區(qū)域，當(dāng)壓邊塊尺寸為50mm×10mm時(shí)，表面曲線出現(xiàn)明顯的彎折；當(dāng)壓邊塊尺寸為24mm×10mm時(shí)，成形件表面曲線趨于光順，說(shuō)明壓邊塊尺寸較小時(shí)的成形件表面質(zhì)量更好。這主要是因?yàn)閴哼厜K尺寸的減小使得壓邊裝置的柔性增加，變形時(shí)能夠更容易隨多點(diǎn)模具基本體單元的包絡(luò)面變形。

壓邊條層數(shù)的影響

采用4種不同的壓邊條組合形式：即在板料上下各設(shè)置一層3mm厚的壓邊條，板料上方設(shè)置三層1mm厚的壓邊條、下方設(shè)置一層3mm厚壓邊條，上方設(shè)置一層3mm厚的壓邊條、下方設(shè)置三層1mm厚壓邊條，上下各設(shè)置三層1mm厚的壓邊條。其余條件與前述一致，壓邊塊尺寸為24mm×10mm。

圖5所示為四種不同壓邊條組合時(shí)的成形件光照?qǐng)D，可以看出，四種情況下均未出現(xiàn)明顯的起皺缺陷。板料上下各設(shè)置一層3mm厚的壓邊條時(shí)，在壓邊部分與不壓邊部分的邊界區(qū)域，出現(xiàn)明顯折痕（圖5a）；圖5b中折痕更加凸出；圖5c中邊界區(qū)域的折痕略有減緩；板料上下各設(shè)置三層1mm厚的壓邊條時(shí)，邊界區(qū)域光順過(guò)渡，折痕消失（圖5d）。圖6為沿OA方向的成形件表面曲線。對(duì)比四種情況，在0～150mm的未壓邊區(qū)域，表面曲線基本重合；在150～200mm的壓邊區(qū)域，板料上下各設(shè)置三層1mm壓邊條時(shí)，成形件表面曲線最接近目標(biāo)尺寸。這是因?yàn)閴哼厳l的分層能夠增加壓邊裝置的柔性，抑制起皺缺陷。

圖5 壓邊條層數(shù)不同時(shí)的光照?qǐng)D

圖6 成形件表面曲線

壓邊力的影響

壓邊力是影響成形結(jié)果的一個(gè)重要因素。經(jīng)過(guò)很多數(shù)值模擬得出，當(dāng)均布?jí)哼吜?MPa時(shí)，起皺缺陷得到有效抑制。因?yàn)槿嵝詨哼叾帱c(diǎn)成形時(shí)，可以對(duì)不同的壓邊塊設(shè)置不同的壓邊力，能夠進(jìn)一步改善成形效果。

每個(gè)邊采用24mm×10mm的壓邊塊12個(gè)，按照從中心到兩端的順序依次分為3組，中心部分的四個(gè)壓邊塊定義為第1組，與之相鄰的左右各三個(gè)定義為第2組，剩余的定義為第3組。根據(jù)板料成形時(shí)的起皺情況，設(shè)置三種壓邊力組合（分別為8-8-8MPa、8-6-3MPa和8-5-0.5MPa）進(jìn)行模擬比較。

圖7 不同壓邊力分布時(shí)的應(yīng)力云圖

圖8 不同壓邊力分布時(shí)的應(yīng)變?cè)茍D

圖7、圖8分別為三種壓邊力組合時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖。可以看出，當(dāng)壓邊力分布為8-8-8MPa時(shí)，在板料四個(gè)角部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力、應(yīng)變集中。隨著減小第二、三組壓邊塊的壓邊力，應(yīng)力、應(yīng)變分布變得逐漸均勻，應(yīng)力、應(yīng)變集中現(xiàn)象逐漸減小甚至消失，且球面形件的應(yīng)變分布呈環(huán)狀分布。這說(shuō)明，柔性壓邊多點(diǎn)成形R800mm的球面形件時(shí)，在壓邊力分布為8-5-0.5MPa的情況下，成形效果最好。

成形試驗(yàn)

柔性壓邊多點(diǎn)成形試驗(yàn)過(guò)程包括多點(diǎn)數(shù)字化模具調(diào)形、柔性壓邊裝置組裝、壓力機(jī)下壓和卸載等步驟，如圖9所示。

圖9 柔性壓邊多點(diǎn)成形試驗(yàn)

首先根據(jù)目標(biāo)形狀，調(diào)整所需的多點(diǎn)數(shù)字化模具型面（圖9a）；再根據(jù)成形件尺寸和起皺情況確定壓邊塊大小、數(shù)量、間距、壓邊條層數(shù)及壓邊力大小，進(jìn)行柔性壓邊裝置的組裝（圖9b）；將組裝好的壓邊裝置與板料放置在上下多點(diǎn)模具之間，壓力機(jī)下壓成形板料（圖9c）；卸載后取出工件，查看成形結(jié)果（圖9d）。

圖10所示為厚度1.5mm的08Al鋼板在無(wú)壓邊和柔性壓邊條件下得到的成形結(jié)果照片。無(wú)壓邊時(shí)，在板料四周沒有任何約束，產(chǎn)生塑性失穩(wěn)，出現(xiàn)明顯的起皺缺陷；而柔性壓邊時(shí)的成形件表面光順、無(wú)皺曲，成形質(zhì)量良好。

圖11所示為厚度3mm的1060鋁板成形結(jié)果照片。無(wú)壓邊時(shí)，板料邊緣出現(xiàn)明顯的起皺缺陷；柔性壓邊時(shí)，板料邊緣光順、無(wú)皺曲，且壓邊部分隨基本體單元包絡(luò)面的貼合良好。

圖10 08Al鋼板（板厚1.5mm）成形件

圖11 1060鋁板（板厚3mm）成形件

可見，實(shí)際成形結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，證明了柔性壓邊多點(diǎn)成形技術(shù)的有效性及可行性。

結(jié)論

⑴柔性壓邊多點(diǎn)成形技術(shù)將多點(diǎn)成形與柔性壓邊相結(jié)合，利用成形型面與壓邊面雙柔性思路，通過(guò)改變壓邊塊尺寸、數(shù)量、間隙、壓邊條層數(shù)、壓邊力大小等因素，可以有效抑制起皺缺陷的產(chǎn)生，顯著改善薄板柔性成形質(zhì)量。

⑵柔性壓邊多點(diǎn)成形使被加工件的應(yīng)力、應(yīng)變分布更為均勻，且減小應(yīng)力、應(yīng)變值；壓邊塊的尺寸越小，成形效果越好；分層的壓邊條能夠增加壓邊裝置的柔性，提高成形件質(zhì)量；合理的壓邊力分布能夠進(jìn)一步提高成形質(zhì)量。

⑶通過(guò)08Al鋼板和1060鋁板料的實(shí)際成形結(jié)果，驗(yàn)證了柔性壓邊多點(diǎn)成形技術(shù)對(duì)薄板的柔性成形效果顯著。