金屬板料三維曲面無模多點成形技術及其應用

祝林

（四川職業技術學院，四川遂寧 629000）

金屬板料三維曲面無模多點成形技術及其應用

祝林

（四川職業技術學院，四川遂寧 629000）

本文通過金屬板料的模具成形的缺陷分析，用對比說明了無模多點成形的原理，無模多點成形系統的基本構成，以及無模多點成形的核心CAD/CAM軟件系統的結構和功能，并用實例演示了其成形過程，體現了金屬板料三維曲面無模多點成形技術先進性和實用性.

金屬板料；無模；多點成形

在制造業中金屬板料的成形一般都離不開模具，但使用模具成形模具生產周期長，而且產品變化時模具就需要更換，缺乏柔性，這就延長了新產品的生產周期.而現代社會產品的更新換代非常迅速，如何低成本、高效率和高質量地開發出新產品，是企業生存和發展的關鍵.因此一種新型的無模多點成形技術應運而生，它克服了模具成形的不足，特別適合新產品的開發和小批量生產.

1 無模多點成形的原理

無模多點成形是將多點成形技術和微型計算機技術結合為一體的先進制造技術.其工作原理是把傳統的沖壓實體模具分解為很多離散的基本單元，利用對一系列規則排列的、高度可調的基本單元運動的實時控制，自由地構造出成形曲面，代替模具實現對板材三維曲面的快速無模成形[1].它是三維曲面板類零件傳統生產方式的重大創新.如圖1所示為傳統模具成形和無模多點成形的對比.

圖1 傳統模具成形和無模多點成形

2 無模多點成形系統的基本構成

一個無模多點成形系統通常由C AD軟件系統、計算機控制系統及多點成形主機三部分構成，如圖2所示.C AD軟件系統根據成形件目標形狀要求進行建模、工藝計算以及成形過程的有限元數值模擬，然后將無誤的數據文件傳給計算機控制系統，計算機控制系統再根據這些數據控制壓力機的調整機構，構成基本單元群成形出所需的零件產品[2].

圖2 多點成形系統的基本構成

多點成形主機有Y AM與SM兩個系列，它主要由采用開式、四柱式或框架式的機架，采用機械式、電機式或液壓缸式的調整每個基本單元的行程的調型機構，采用工控機進行控制的控制系統等幾部分組成.

計算機控制系統指揮多點成形主機成形工件在系統中，測試裝置是三坐標測量儀，工件成形結束后，進行形狀測量，由于回彈、摩擦條件、材料參數變化等問題的存在，即使用數值模擬軟件進行了成形預測，也不容易一次得到合格的產品.可利用多點成形系統柔性的特點，將測得的三維形狀數據反饋到控制系統進行多次修正，最終實現精確成形.

C AD/C AM軟件系統是整個系統的控制核心.是將無模多點成形用于三維曲面，并使其向智能化實用化發展的基礎.硬件基本運行環境是微機，支撐平臺是W IN D O W S操作系統，開發軟件是VI S U A C++.另外，為了獲得好的實時控制性，還嵌入了一些匯編代碼在壓力機控制部分上.

3 CAD/CAM多點成形軟件系統

軟件系統較多，吉林大學無模成形技術開發中心開發了一套C AD/C AM軟件專門用于多點成形，利用這個軟件，只需將已知的成形曲面的設計信息輸送給計算機，程序就會按生成曲面→計算曲面上點的坐標→工藝計算與判斷→控制多點成形設備完成基本單元位置的調整→工件的壓制→成形件形狀測量→修正等順序工作[3].

3.1 軟件總體結構

多點成形軟件包括C AD和C AM兩個子系統.C AD子系統按功能分為曲面造型、確定成形位置和多點成形工藝計算三個基本部分；C AM子系統首先將C AD子系統傳送來的數據進行仿真、檢驗，然后把成形數據轉化為二進制代碼送給多點壓力機，最后由多點壓力機的控制系統來指揮壓機進行壓制.

3.2 軟件的功能特點

3.2.1 高度集成化

該軟件集C AD、C AM于一體，工件的幾何和材料參數輸入→曲面造型→成形工藝計算→多點壓機壓制→誤差檢測和利用閉環控制系統校正等過程涵蓋了板料三維曲面成形工藝，實現了整個成形過程的智能化.

3.2.2 造型方法先進、多樣

采用目前國際上最先進的具有幾何直觀、易于控制、能夠統一表達解析曲面與自由型曲面等諸多優點的非均勻有理B樣條（NU R BS）曲面造型方法，能夠處理形狀非常復雜的工件.同時提供了包括基于NU R BS的網點坐標法、四條邊界線法、截面輪廓線法三種曲面造型方法，用戶可以根據自己需要靈活選擇不同的曲面造型方法.

3.2.3 工藝計算精確、完善

該軟件實現了包括工件與沖頭的接觸點計算、沖頭行程計算、工件回彈處理、成形力確定等諸多方面的工藝計算過程，并對其核心算法進行了優化，既保證了計算精度，又提高了運算速度，工程實際的需要得到保證.

3.2.4 壓制狀態模擬

該軟件實現了壓機實際壓制情況的模擬和工件與沖頭的接觸點的位置的模擬，這對判斷接觸點的不良情況，判斷工件和壓機的受力狀況，為最終壓制出合格工件起到重要的作用.

3.3 多點成形技術實用實例

3.3.1 曲面造型

多點成形主要成形的多為非規則的復雜的三維曲面工件，所以工藝設計與計算的基礎就是曲面造型.曲面造型原理是將任意三維曲面根據其復雜程度分成一片或多片NU R BS曲面，對于每一曲面片按其原始數據構成可以采用不同的方法進行曲面的幾何尺寸的輸入，最后自動造型.此外，該技術還設計有標準的接口，可以與其他軟件（如UG、P R O/E交換數據；還可對板材制品進行三維模擬仿真,與理想工件比較以檢驗輸入的原始數據的正確性.如圖3所示.

圖3 曲面造型實例

3.3.2 成形位置確定

工件信息輸入完成后，為了避免載荷偏移、保證成形效果和工件的成形區域，要調整工件的成形位置.工件位置可以自動調整和手動調整，自動調整速度快，成形效率高，工件受力狀態可得到優化壓力機也不會偏載，如圖4所示為一實際工件的自動調整結果.手動調整速度、成形區域由用戶根據自身的判斷控制.

3.3.3 成形工藝計算

（1）板料可成形性分析：由多點成形設備的情況決定工件是否可成形，包括壓力機的許用成形的最大面積，壓力機允許的最大行程和許用載荷等.

（2）板料成形工藝方案：依據工件原始尺寸即毛坯尺寸大小，判定采用一次成形工藝，還是采用逐段多次成形工藝.

（3）基本單元與工件接觸點計算：成形曲面的優劣是由成形壓力機的各個基本單元的位置決定的，因此要通過求解沖頭球面與工件曲面的公切點，得到接觸狀態變化情況.

（4）基本單元的行程計算：計算所有基本單元的行程才能實現位移控制，其大小是通過接觸后各基本單元的球頭半徑R、中心線的位置坐標（x、y、z）得出.如圖5為基本單元與工件配合情況檢驗.

圖4 自動調整成形位置

圖5 基本單元與工件配合情況檢驗

（5）其他計算：如壓機所需的總成形力計算；沖頭受力計算；沖頭處成形件方向曲率計算；沖頭處成形件位置計算等.

3.3.4 結果仿真

工藝計算完成后，為了防止壓力機接受錯誤數據，要通過計算機進行三維仿真對壓力機控制數據進行檢驗.如圖6為成形過程檢驗.如檢查沖頭與工件的配合情況、沖頭行程是否超出行程范圍、接觸點位置和不良接觸情況等.對于不合格的數據計算機將會根據嚴重程度給出不同的警告信息.

3.3.5 實際壓制

當數據檢驗合格后，計算機自動把成形數據轉化為控制命令，并向壓力機控制系統發送,控制系統根據收到的命令來控制壓力機成形工件.

圖6 成形過程檢驗

4 技術先進性與應用領域

無模多點成形技術與傳統模具成形相比，有許多優點：節省了大量的設計、制造及調試模具的資金與時間；單件、小批零件也可采用多點成形技術，使成形件質量提高；能成形大于設備成形面積數倍甚至數十倍的大尺寸零件；可成形最大厚度與最小厚度之比達到10的各種材質板料；容易實現自動化[4]

總之，多點成形技術不僅適用于大批量的零件生產，而且同樣適用于單件、小批的零件生產.所加工的零件尺寸越大，批量越小，這些優越性越突出這種成形方法在輪船、艦艇、航空、航天、車輛、化工、壓力容器以及城市雕塑等許多行業的覆蓋件三維曲面成形中具有廣闊的應用前景.

[1]李明哲,蔡中義,崔相吉.多點成形-金屬板材柔性成形的新技術[J].金屬成形工藝，2002，20（6）:5-9.

[2]裴永生，李明哲，蔡中義，等.板材變路徑多點成形的理論分析與實現[J].農業機械學報，2003，34（2）:114-116.

[3]李明哲,蘇世忠.金屬板料無模多點成形專用C AD/C AM與C A T軟件的開發[J].中國機械工程,1993(3):14-16.

[4]李東平,隋振,蔡中義,等.板材多點成形技術研究綜述[J].塑性工程學報,2001,8(2):46-48.

責任編輯：張隆輝

TG386.41

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1672-2094(2013)03-0161-03

2013-04-11

祝林（1968-），四川射洪人，四川職業技術學院機械工程系副教授.研究方向：模具C AD/C A E/C AM.