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無模多點成形技術簡介
發表時間:2009-06-18 08:40:30; 來源:news_from
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一、基本概念 無模多點成形就是將多點成形技術和計算機技術結合為一體的先進制造技術。該技術利用一系列規則排列的、高度可調的基本體，通過對各基本體運動的實時控制，自由地構造出成形面，實現板材的三維曲面成形。它是對三維曲面扳類件傳統生產方式的重大創新。
? 實現無模成形：取代傳統的整體模具，節省模具設計、制造、調試和保存所需人力、物力和財力，顯著地縮短產品生產周期，降低生產成本，提高產品的競爭力。與模具成形法相比，不但節省巨額加工、制造模具的費用，而且節省大量的修模與調模時間：與手工成形方法相比，成形的產品精度高、質量好，并且顯著提高生產效率。 ?優化變形路徑：通過基本體調整，實時控制變形曲面，隨意改變板材的變形路徑和受力狀態，提高材料成形極限，實現難加工材料的塑性變形，擴大加工范圍。 ?實現無回彈成形：可采用反復成形新技術，消除材料內部的殘余應力，并實現少無回彈成形／保證工件的成形精度。 ?小設備成形大型件：采用分段成形新技術，連續逐次成形超過設備工作臺尺寸數倍的大型工件。 ?易于實現自動化：曲面造型、工藝計算。壓力機控制、工件測試等整個過程全部采用計算機技術，實現CAD／CAM／CAT一體化生產，工作效率高，勞動強度小，極大地改善勞動者作業環境。 三、技術發展概況 多點成形的研究起源于日本。 70年代日本造船協會西岡等人試制了多點壓力機，進行船體外板自動成形的研究，但因關鍵技術未能解決好，多點壓機的制造費用太高，未能實用化。日本三菱重工業株式會社的熊本等人也研制了三列多點成形設備。由于其整體設 計不周，該壓機只適用于變形量很小的船體外板的彎曲加工。另外，東京大學的野本及東京工業大學的井關等人也進行了多點壓機及成形實驗方面的研究工作，但未取得重大進展。宮80年代以來，美國麻省理工學院D。E。Hardt的研究室對多點模具成形進行了十多年的研究。最近麻省理工學院與美國航空航天技術研究部門合作，投入1400多萬美元的巨額經費開發出多點張力拉伸成形機。 吉林工業大學教授李明哲博士在日本日立公司從事博士后研究期間系統地研究了多點成形基本理論，深入地分析了成形機理與成形特點，并主持開發出多點成形實用機（主要技術參數見表（1）。 表1 多點成形實用機主要技術參數 李明哲教授回國后，在吉林工業大學組建了無模成形技術開發中心，繼續對多點成形技術進行深入系統地研究，逐步形成了板材多點成形理論。“該中心從學術與實際應用兩個方面建立了板材多點成形新理論與新方法，開發出多點成形實用化技術，并研制出集CAD／CAM／CAT于一體的無模多點成形樣機。 四、技術基礎與水平 由吉林工業大學承擔的國家重點科技攻關項目“大型板材三維曲面的自動無模成形設備”已經通過驗收鑒定，驗收鑒定專家組對該項成果的總的評價是“多點成形技術是傳統的板類件三維曲面成形生產方式的重大刨新，具有良好的市場前景。該項目在多點成形設備、多點成形理論與實用技術的研究成果已達到了國際領先水平，已具備工業應用條件。” （一）在多點成形設備方面： 吉林工業大學開發的集CAD／CAE／CAM/CAT于一體、具有自主知識產權的板材無模多點成形設備總體構成如圖：所示。計算機軟件系統主要進行曲面幾何造型、工藝計算、成形過程有限元模擬等。自動控制系統用于調整基本體群形狀，控制液壓加載系統成形出所需形狀的工件；三維曲面測量檢測成形后的工件形狀，并將測量結果反饋到計算機軟件系統進行修正，實現閉環控制。 該設備與國外同類研究相比，具有如下特點： 一體化的CAD／CAE/CAM/CAT軟件系統：該軟件是目前國際上多點成形計算機軟件中規模最大、功能最多、考慮因素最全的系統，實現了多點成形過程的一體化處理。其CAD子系統根據零件的幾何形狀、材質、板厚等原始資料，采用NURBS方法進行曲面造型，進行工藝設計與計算；CAE子系統基于彈塑性大變形有限元程序，可以預測成形缺陷，計算回彈，確定關鍵的工藝參數，CAM子系統調節多點成形主機的上下基本體群，構造柔性成形面，并控制主機進行板材成形。 多功能的自動無模多點成形機：既能實現多點模具成形，又能模擬多點壓機成形；而且既能進行整體成形，又能進行分段成形。
（二）在多點成形理論方面： 在多點成形理論研究方面取得了一系列新進展，主要創新點有： 1．多點成形基本理論，提出了四種成形原理不同的、具有代表性的多點成形基本方式，即多點模具成形、多點壓機成形、半多點模具成形及半多點壓機成形。 2．缺陷產生機理：研究了多點成形中典型不良現象（壓痕、皺紋、回彈、直邊效應）的產生機理，并研制出這些缺陷的抑制方法。 3．工藝設計理論：提出了抑制壓痕的工藝方法、消除直邊效應的分段成形工藝方法、改變變形路徑的工藝方法和無回彈的反復成形工藝方法。 4．設備設計理論：提出了基本體與基本體群設計方法。多點成形設備關鍵結構的設計方法和優化設計方法。 （三）在實用技術開發方面： 在大量實驗的基礎上，解決了一系列實用化關鍵技術，主要有： 1、無缺陷彈性墊技術：可以有效地抑制壓痕，起皺等成形缺陷，使成形件的表面質量大大提高； 2、無回彈反復成形技術：即利用多點成形柔性化的特點，采用反復成形工藝方法，減小工件的回彈及材料內部的殘余應力，實現板材小回彈或無回彈成形。 3．分段成形技術：即優化過渡區成形模型，進行大變形量、大尺寸零件的成形，實現小設備成形大工件，并使無模成形設備小型化。應用該技術已成形出超過設備工作臺面積七倍的樣件，扭曲面總扭曲角超過40G。 4．多道成形技術：對于變形量很大的制品，選取最佳路徑多道成形，使成形過程中板材各部分變形盡量均勻，以消除起皺等成形缺陷，提高板材的成形能力。 5．閉環成形技術：即將自動控制技術與CAT、CAD結合起來，對成形后的工件進行三維測量，將測量的數據反饋到CAD系統，經過控制算法運算后，計算出基本體群形狀的修正量，傳遞給控制系統再次成形，這樣反復幾次，可以達到精確的目標形狀。 五、應用前景 不同形狀、不同尺寸的大型三維曲面板制品在輪船、艦艇、飛機、航天器、陸地車輛、大型容器以及不銹鋼雕塑等軍工和民品上比比皆是。近年來，隨著航空、航天、海運、高速鐵路、化工以及城市建筑等行業的發展，對其需求也在不斷地增加，但落后的扳金彎形方法己不能適應這種發展要求，三維曲面板制品生產迫切地需要先進的制造技術。無模多點成形技術已經成熟，可以直接用于實際生產。它特別適合于曲面板制品的多品種小批量生產及新產品的試制，所加工的零件尺寸越大、其優越性越突出。無模多點成形技術將在輪船和艦艇的外扳、飛機和航天器的蒙皮、車輛、大型容器和城市雕塑的覆蓋件等三維曲面板制品加工中有著廣闊應用前景，并將產生巨大的經濟效益和社會效益。 |
