摘要：介紹了用多點成形法實現無模曲面造型的主要原理、特點及所研制的相應裝置，并用實驗結果證明了其成形效果。通過比較，論證了多點成形不僅可實現板材的三維曲面無模造型，而且具有明顯的技術特點。
關鍵詞：板材成形；柔性制造；多點成形

1簡介

在工業生產中，各種三維板類件的曲面造型通常都離不開模具，而且每一個零部件的曲面造型都需要一套或數套模具。為了設計、制造與調試這些模具，需消耗大量的人力、物力與時間。尤其在多品種、小批量的大型板類件生產中，往往受到費用與時間的限制，至今不得不采用落后的手工成形生產方式。隨著科學技術與生活水平的逐步提高，工業制品的品種越來越多，產品的更新換代越來越快，對模具的需求在急劇增加；同時也迫切需要出現新的生產方式。多點成形的設想就是為了實現板材曲面造型的無模化生產而提出的。

日本等國的學者與工程技術人員為開發多點成
形技術進行了很多的探討與研究［1～4］，制作了不同的樣機，但大都只能進行變形量較小的整體成形。筆者對無模多點成形的基本理論與實用化技術進行了系統的研究［5～8］，在此基礎上開發了能實現整體與分段多點成形的計算機控制多點成形裝置，取得了良好的效果。

2成形原理與裝置

無模多點成形借助于高度可調整的基本體群構成離散的上、下工具表面，替代傳統的上、下整體模具進行板材的曲面成形。多點成形的實質就是將通常整體模具離散化，并結合現代控制技術，實現板材三維曲面的無模化生產與柔性制造。

基本體的調整方式可采用多種類型，從而可派生出多種不同的多點成形方法。其中多點模具成形法(圖1)和多點壓機成形法(圖2)是兩種最具代表性與實用性的不同方法。多點模具成形時，在成形開始前(圖1a)就把各個基本體調整到所需位置，使基本體群成為成形曲面的包絡面。在成形過程中(圖1b)，相鄰基本體之間不產生相對運動，上、下基本體群起著上、下模具的作用。

圖1 多點模具成形法示意圖

多點壓機成形時，在成形開始前(圖2a)對所有的基本體都不進行預先調整。在成形過程中(圖2b)，由上、下基本體群夾著被成形板材，在調整基本體的同時使板材產生塑性變形。在這種成形方法中，相鄰基本體之間要產生相對運動，每個基本體都相當于一臺小型壓機，都可根據需要進行分別控制。

圖2 多點壓機成形法示意圖

無模多點成形裝置由多點成形主機、計算機控制系統及CAD軟件系統構成(圖3)。多點成形主機是實現無模多點成形的主要執行部分。上、下基本體群各由一百個基本體組成，以十行十列的方式排列。各基本體的調整利用螺桿機構實現，驅動采用步進電機。基本體群的外側四周都有固定側板，使基本體受側向力時不產生側向位移，同時還在基本體調整時起導向作用。上基本體群直接固定于機架上，調整每個基本體的高度可改變其包絡面的形狀；下基本體群除了可調整形狀外，還可產生整體的移動。下基本體群的整體移動由液壓機構實現，采用導柱導向。計算機控制系統根據所提供的信息調整主機里的上、下基本體群，實現不同工藝、不同效果的成形控制。CAD軟件系統可根據目標件的幾何形狀與材料要求產生多點成形所需要的各種信息；還可進行多點成形過程的仿真、顯示并檢驗成形效果與可能產生的缺陷，制定最佳成形工藝方案。

圖3 無模多點成形裝置的主要構成

3成形結果與討論

3.1 多點成形的效果與特點

利用上述無模多點成形裝置已進行了數百種不同形狀與尺寸的曲面成形，這些成形件的變形量大、表面圓滑、效果良好。由此證明，采用多點成形方法可實現無模成形，從而免去傳統的模具設計、制造與調試等工序，節約大量的費用與時間。

在成形實驗時發現，如控制不當，板料就易產生一些成形缺陷，其中最主要的缺陷有壓痕與皺紋。產生這些缺陷的關鍵因素在于基本體的頭部形狀及板料與基本體的接觸狀態。在基本體設計時，為了使多點成形裝置適用于各種不同的曲面形狀，應把基本體頭部形狀設計成球形面。因此，表面平直的板料與基本體開始接觸時是點接觸狀態。隨著載荷的增加， 基本體與板料的接觸部位逐漸產生彈性變形，接觸狀態由點接觸變成面接觸。但是，這個接觸面的面積要比模具成形時的接觸面積小很多，因而在接觸面處常常發生很大的應力集中，易導致產生壓痕。從板料整體來看，多點成形時總的接觸面積也較小，有很多部位都不與工具接觸，從而在非接觸區域又易產生起皺現象。

采用彈性墊后可明顯地抑制缺陷的產生。成形時，用兩塊彈性墊夾著板料，使基本體的集中載荷分散地傳遞到板料，可顯著地緩解應力集中現象，從而抑制壓痕的產生。另外，采用彈性墊后，板料與工具間的接觸面積增加了很多，使板料的約束得以強化，從而能起到抑制皺紋的作用。成形結束后，彈性墊可恢復到原來的形狀，成為平直的狀態，可反復使用。

3.2多點模具成形與多點壓機成形的比較

圖4所示為一例馬鞍形曲面的多點模具成形與多點壓機的成形效果的比較。所用材料為L2Y2鋁板，尺寸為140mm×140mm。可看出，多點壓機成形時完好的成形件曲面曲率比多點模具成形時的成形曲率大很多。這個現象可從成形時工件的受力特點來解釋。

圖4 不同成形方法的成形效果比較

在多點模具成形時，成形初期只有個別的基本體能與板料表面接觸(圖1a)。隨著變形的增加，與板料接觸的基本體數目也逐漸增加(圖1b)，但只有到成形結束時(圖1c)，才有可能使全部基本體與板料接觸。這就是說，在成形的絕大部分過程中，只有部分基本體參與變形，從而對板料的約束較少，應力集中現象也突出，易產生皺紋、壓痕等缺陷。實際上，在傳統的模具成形中，情況也類似。因此，模具成形時往往要設計較大的壓邊面來抑制皺紋的產生。

然而在多點壓機成形時，情況就完全不同了。從成形一開始，所有的基本體都可與板料表面接觸，且在成形過程中所有的基本體始終與工件表面接觸。這樣，一方面增加了對板料表面的約束，使工件產生皺紋的機會明顯減少；另一方面還減少了單個基本體的集中載荷，減小壓痕。如再結合使用彈性墊，就可大大增加工具與工件的接觸面積，減少缺陷的產生。也可以說，在多點壓機成形時，工件的表面既是成形面，同時又是壓邊面。

如進一步充分利用多點壓機成形的柔性特點，在成形過程中適當地控制工件變形的路徑使工件處于最佳變形狀態，可進一步提高板材的成形極限，有助于實現難加工材料的塑性變形，得到用傳統的模具成形難以實現或無法實現的效果。

3.3 整體成形與分段成形的比較

在整體成形時，工件的尺寸要小于或等于設備的一次成形面積；而在分段成形時，工件的尺寸可遠遠大于設備的一次成形面積。分段成形時，成形件被分成若干個不分離的成形區域，利用多點成形的柔性特點，連續、逐次成形大尺寸的工件。這樣不僅可減小多點成形設備的尺寸，還可降低所需的成形壓力。

在分段成形時，一張板料上既有與工具接觸的強制變形區域，又有一時不產生變形的剛性區域，而且在強制變形區與剛性區之間必然要產生一定的過渡區。在過渡區里，與基本體接觸的區域因受剛性區的影響，使變形結果與基本體所控制的形狀產生較大的差別；而不與基本體接觸的區域，則受到強制變形區的影響，也使其產生一定的塑性變形。這樣，即使是很簡單的二維變形(例如柱面成形)，也會變成復雜的三維變形問題。

我們在分段多點成形方面取得了明顯進展，已做出了很多分段成形的樣件，其中較典型的成形件為總扭曲角度超過400°的扭曲面(圖5)。

圖5 單向分段成形件照片

4結論

以上研究表明，多點成形是實現三維板類件經濟和快速成形的柔性加工新技術。它不僅能實現板材三維曲面的無模成形，而且能任意改變成形路徑，改善成形條件，達到模具成形不能得到的成形效果。同時采用分段成形技術，可用小設備成形大型三維板類件，降低設備尺寸和成形壓力。因此具有明顯的技術特點，并有廣泛的應用前景。

參考文獻
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