CN108280274A - 一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法，属于金属塑性加工领域；本发明以型面可实时控制的离散式模具及分布于模具四周的多个夹钳作为成形工具，通过模具型面由平面到曲面的连续变化来控制板料的成形过程，使包覆于模具型面且四周边夹持于夹钳的板料随着模具型面的变化逐渐产生胀拉变形，最终形成三维曲面零件；离散式模具由规则排列的基本体单元组成，对模具型面几何形状的控制通过改变各基本体的高度来实现；在胀拉成形过程中，模具型面的曲率连续、均匀变化，使板料变形的不均匀程度保持最小，从而避免成形缺陷产生，获得高质量的三维曲面零件。

Description

一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法
技术领域
本发明属于金属塑性加工技术领域，涉及了一种板料成形方法，具体涉及一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法，适用于三维曲面零件的成形。
背景技术
三维曲面零件在飞机、轮船、高速列车、化工容器等制造领域都有大量的需求。传统的模具冲压成形以及拉伸成形等方式都采用固定型面的模具，并且模具型面的几何形状与待成形的曲面零件一致，板料的成形过程由模具的整体上下运动，或模具两侧夹持板料的夹钳的运动来驱动。受模具型面固定不变的限制，传统的成形方法不能对成形过程中板料的变形进行更有效的控制，因而容易出现各种成形缺陷。另外，传统的板料成形方式不仅需要专用模具而且还需要专用的设备，模具制造成本高，设备的投入大。随着工程上对三维曲面零件的需求越来越多，在板料成形领域，急需开发出快捷、低成本的曲面成形新技术。
发明内容
本发明提供一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法，以型面形状可实时控制的离散式模具及分布于模具四周的多个夹钳作为成形工具，通过夹钳夹持板料的四周边使板料与模具型面保持紧密贴合，通过模具型面由平面到曲面的连续变化驱动包覆于模具型面的板料不断产生胀拉变形，最后形成三维曲面。在板料由平面坯料到三维曲面的胀拉成形过程中，模具型面的曲率连续、均匀变化，使板料在成形过程中的变形的不均匀程度保持最小，从而避免成形缺陷产生，获得高质量的三维曲面零件。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法，以型面形状可实时控制的离散式模具及分布于离散式模具四周的多个夹钳作为成形工具，通过离散式模具的型面由平面到曲面的连续变化，使包覆于模具型面且四周边由夹钳夹持的板料胀拉变形，板料的曲率由零开始逐渐增大，最终形成三维曲面零件；所述的离散式模具由规则排列的m列n行个基本体单元组成，各基本体单元的高度可调节，基本体单元的顶端为球冠；离散式模具的外轮廓水平投影为矩形区域，离散式模具的型面由基本体单元包络面构成，通过对基本体单元高度的实时调整可实现对模具型面瞬时曲面形状的实时控制；用于夹持板料的多个夹钳分成四组且分别布置于与离散式模具矩形轮廓区域的四个边平行的直线上，在成形过程中各夹钳随着板料边缘水平倾角的变化转动，为避免在成形的曲面零件上出现凸痕，在离散式模具与板料之间使用聚氨酯板或橡胶板弹性垫，利用离散式模具的模具型面的实时可调性，控制模具型面的曲面的形状，使其由初始零曲率均匀增大到用于三维曲面零件成形的最终曲率，曲率均匀变化的模具型面使板料在由平板坯料胀拉成形到三维曲面零件的过程中变形不均匀程度最小，从而避免成形缺陷的产生，获得高质量的三维曲面零件，其特征在于，本方法具体步骤如下：
步骤一：设定离散式模具的基本体单元的高度方向为z-坐标轴方向，并设定基本体单元的列排列方向为x-坐标轴方向，基本体单元的行排列方向为y-坐标轴方向；确定各基本体单元中心线在x-方向的坐标xi及y-方向的坐标yj，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n；m是基本体单元在x-方向的列数，n是基本体单元在y-方向的行数；
步骤二：根据待成形的三维曲面零件的目标曲面方程z＝s(x,y)及基本体单元的几何参数，对离散式模具进行初始设置，具体过程为：
1)求解方程(1)得到离散式模具的第1列与第m列各基本体单元与曲面s(x,y)的切点x-坐标利用方程(2)计算第1列与第m列各基本体单元的高度方向坐标利用方程(3)计算第1列与第m列各基本体单元对应的板料边缘处的z-坐标
其中，r为基本体单元球冠的半径，h为三维曲面零件的厚度，H为弹性垫的厚度，l为基本体单元中心到板料边缘的距离，
2)求解方程(4)得到离散式模具的第1行与第m行各基本体单元与曲面s(x,y)的切点y-坐标利用方程(3)计算第1行与第m行各基本体单元的高度方向坐标利用方程(6)计算第1行与第m行各基本体单元对应的板料边缘处的z-坐标
其中，
3)计算离散式模具的初始设置参数，在方程(2)计算出的全部坐标与方程(5)计算出的全部坐标之中，确定出最小值并在方程(3)计算出的全部坐标与方程(6)计算出的全部坐标之中，确定出最小值将离散式模具各基本体单元高度方向初始位置取于zmin处，离散式模具在成形过程中高度方向的整体总位移取为：
步骤三：根据待成形的三维曲面零件的目标曲面方程s(x,y)，利用方程(8)计算曲面s(x,y)在(xi,yj)点处的x-方向曲率及y-方向曲率
步骤四：确定从胀拉成形开始时刻t＝0到胀拉成形结束时刻t＝T过程中，任一时刻t的成形曲面，设定t时刻的成形曲面在离散点(xi,yj)处的平均曲率为求解方程(9)、方程(10)和方程(11)，计算出成形曲面在(xi,yj)处的z-坐标zi,j(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)：
其中，及分别为由方程(8)得到的曲面上坐标为(xi,yj)处的点在x-、y-方向的曲率，xi(i＝1,2,…,m)为第i列基本体单元的中心线在x-方向的坐标，yj(j＝1,2,…,n)为第j行基本体单元的中心线在y-方向的坐标；d为相邻基本体单元间的中心距；
步骤五：用三次B样条函数描述出t时刻的成形曲面，根据有序的空间数据点Pi,j(xi,yj,zi,j)，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n，进行三次B样条曲面插值，得到由方程(12)表示的t时刻成形曲面的曲面方程s(t)(x,y)：
其中，Bk,4(x)与Bl,4(y)为三次B样条基函数；bk,l为B样条曲面的控制点，由方程组(13)求解出后，再由方程组(14)确定bk,l；
步骤六：确定离散式模具的各个基本体单元球冠与t时刻的成形曲面的接触点，求解方程(15)得到离散式模具的第i列第j行基本体单元与曲面s(t)(x,y)的切点坐标利用方程(16)计算离散式模具的第i列第j行基本体单元t时刻的高度方向坐标
其中，s(t)(x,y)由方程(12)给出，
步骤七：根据t时刻离散式模具各基本体单元的高度方向坐标 控制各基本体单元的高度，形成t时刻胀拉成形的模具型面；
步骤八：根据步骤四至步骤七中得到的胀拉成形过程从t＝0到t＝T的各时刻、各基本体单元的高度的随时间变化历程，实时控制离散式模具的型面，使四边夹持于夹钳的板料逐渐变形，实现三维曲面的胀拉成形。
进一步的技术方案为：
当待成形的三维曲面零件在x-y平面上的投影区域小于离散模具在x-y平面上的矩形投影区域时，在步骤一开始之前，先将该三维曲面零件进行曲面延拓，即在该三维曲面零件的外轮廓增加工艺补料，使拓展后的三维曲面的投影区域与离散式模具在x-y平面上的矩形投影区域大小相同，再按权利要求1所述的步骤进行各时刻模具型面设计，然后进行三维曲面的胀拉成形，成形后的曲面切除工艺补料后就得到所需要的三维曲面零件。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.在传统的模具冲压成形以及拉伸成形等方法中，与板料接触的模具型面在成形过程固定不变，容易造成板料在不同处的变形严重不均，导致各种成形缺陷。本发明的方法通过模具的型面由平面到曲面的连续变化来实现板料的成形，合理地设计模具瞬时型面的变化过程，可以有效地控制板料的变形过程，使板料的变形均匀，避免成形缺陷的产生，获得高质量的曲面零件；
2.在胀拉成形过程中，夹钳夹持板料随模具型面的变化而转动，夹钳不需要水平及高度方向的运动，不需要专门的加载结构，因而，与传统的拉伸成形相比，该成形方法可以明显简化成形设备结构；
3.由于采用了离散式型面可调的模具，该方法可在一套模具上加工不同形状的曲面零件，其模具造价低，曲面零件的生产成本低。
附图说明
图1是本方法使用的型面可调的离散式模具示意图；
图2是本方法使用的夹钳、离散式模具及板料示意图；
图3是本方法中由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形过程示意图；
图4是离散式模具的基本体单元与曲面接触点及基本体单元的高度坐标计算示意图；
图5是由B样条插值得到的t时刻的成形曲面；
图6是小于模具尺寸的曲面零件的曲面延拓过程示意图；
图7是本发明所述的一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法的步骤框图。
图中：1.离散式模具，2.夹钳，3.模具型面，4.板料，5.三维曲面零件，6.基本体单元，7.弹性垫，8.t时刻的成形曲面，9.离散式模具在x-y平面上的矩形投影区域，10.三维曲面零件在x-y平面上的投影区域，11.工艺补料，12.拓展后的三维曲面。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式：
本发明涉及的一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法，以型面形状可实时控制的离散式模具1(如图1)及分布于离散式模具1四周的多个夹钳2(如图2)作为成形工具，通过离散式模具1的模具型面3由平面到曲面的连续变化，如图3所示，使包覆于模具型面3且四周边由夹钳2夹持的板料4胀拉变形，板料4的曲率由零开始逐渐增大，最终形成三维曲面零件5。
参阅图1，离散式模具1由规则排列的m列n行个基本体单元6组成，各基本体单元6的高度可调节，基本体单元6的顶端为球冠；离散式模具1的外轮廓水平投影为矩形区域，即离散式模具边界轮廓在x-y平面上的矩形投影区域9，离散式模具1的模具型面3由基本体单元包络面构成，通过对基本体单元6高度的实时调整可实现对模具型面3瞬时曲面形状的实时控制。
参阅图2及图3，用于夹持板料3的多个夹钳2分成四组分别布置于与离散式模具1矩形轮廓区域的四个边平行的直线上，在成形过程中各夹钳2随着板料边缘水平倾角的变化转动。为避免在成形的三维曲面零件5上出现凸痕，在离散式模具1与板料3之间使用聚氨酯板或橡胶板弹性垫7，如图3及图4所示。
所述的由模具型面3变化驱动的曲面胀拉成形方法，利用离散式模具1的模具型面3的实时可调性，控制模具型面3的曲面的形状，使其由初始零曲率均匀增大到用于三维曲面零件5成形的最终曲率，曲率均匀变化的模具型面3使板料在由平板坯料胀拉成形到三维曲面零件5的过程中变形不均匀程度最小，从而避免成形缺陷的产生，获得高质量的三维曲面零件5。
参阅图6，当待成形的三维曲面零件5在x-y平面上的投影区域10小于离散模具1在x-y平面上的矩形投影区域9时，在步骤一开始之前，先将该三维曲面零件5进行曲面延拓，即在该三维曲面零件5的外轮廓增加工艺补料11，使拓展后的三维曲面12的投影区域与离散式模具1的投影区域9大小相同，再按权利要求1所述的步骤进行各时刻模具型面设计，然后进行三维曲面的胀拉成形，成形后的曲面切除工艺补料11后就得到所需要的三维曲面零件5。
如图7所示，本发明所述的一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法的具体步骤如下：
步骤一：设定离散式模具基本体单元6的高度方向为z-坐标轴方向，并设定基本体单元6的列排列方向为x-坐标轴方向，基本体单元6的行排列方向为y-坐标轴方向；确定各基本体单元6中心线在x-方向的坐标xi及y-方向的坐标yj，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n；m是基本体单元6在x-方向的列数，n是基本体单元6在y-方向的行数；
步骤二：根据待成形的三维曲面零件5的目标曲面方程z＝s(x,y)及基本体单元6的几何参数，对离散式模具1进行初始设置，具体过程为：
1)求解方程(1)得到离散式模具1的第1列与第m列各基本体单元6与曲面s(x,y)的切点x-坐标利用方程(2)计算第1列与第m列各基本体单元6的高度方向坐标利用方程(3)计算第1列与第m列各基本体单元6对应的板料4边缘处的z-坐标参阅图4。
其中，r为基本体单元6球冠的半径，h为三维曲面零件5的厚度，H为弹性垫(7)的厚度，l为基本体单元6中心到板料4边缘的距离(如图2及图3所示)，
2)求解方程(4)得到离散式模具1的第1行与第m行各基本体单元6与曲面s(x,y)的切点y-坐标利用方程(3)计算第1行与第m行各基本体单元6的高度方向坐标利用方程(6)计算第1行与第m行各基本体单元6对应的板料4边缘处的z-坐标参阅图4。
其中，
3)计算离散式模具1的初始设置参数。在方程(2)计算出的全部坐标与方程(5)计算出的全部坐标之中，确定出最小值并在方程(3)计算出的全部坐标与方程(6)计算出的全部坐标之中，确定出最小值将离散式模具1各基本体单元6高度方向初始位置取于zmin处，离散式模具1在成形过程中高度方向的整体总位移取为：
步骤三：根据待成形的曲面零件5的目标曲面方程s(x,y)，利用方程(8)计算曲面s(x,y)在(xi,yj)点处的x-方向曲率及y-方向曲率
步骤四：确定从胀拉成形开始时刻t＝0到胀拉成形结束时刻t＝T过程中，任一时刻t的成形曲面8。设定t时刻的成形曲面8在离散点(xi,yj)处的平均曲率为求解方程(9)、方程(10)和方程(11)，计算出成形曲面8在(xi,yj)处的z-坐标zi,j(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)：
其中，及分别为由方程(8)得到的曲面上坐标为(xi,yj)处的点在x-、y-方向的曲率，xi(i＝1,2,…,m)为第i列基本体单元6的中心线在x-方向的坐标，yj(j＝1,2,…,n)为第j行基本体单元6的中心线在y-方向的坐标；d为相邻基本体单元6间的中心距；
步骤五：用三次B样条函数描述出t时刻的成形曲面8，参阅图5。根据有序的空间数据点Pi,j(xi,yj,zi,j)，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n，进行三次B样条曲面插值，得到由方程(12)表示的t时刻的成形曲面8的曲面方程s(t)(x,y)：
其中，Bk,4(x)与Bl,4(y)为三次B样条基函数；bk,l为B样条曲面的控制点，由方程组(13)求解出后，再由方程组(14)确定bk,l；
步骤六：确定离散式模具1的各个基本体单元6球冠与t时刻的成形曲面8的接触点，求解方程(15)得到离散式模具1的第i列第j行基本体单元6与曲面s(t)(x,y)的切点坐标 利用方程(16)计算离散式模具1的第i列第j行基本体单元6在t时刻的高度方向坐标
其中，s(t)(x,y)由方程(12)给出，
步骤七：根据t时刻离散式模具1各基本体单元6的高度方向坐标 控制各基本体单元6的高度，形成t时刻胀拉成形的模具型面3；
步骤八：根据步骤四至步骤七中得到的胀拉成形过程从t＝0到t＝T的各时刻、各基本体单元6的高度的随时间变化历程，实时控制模具1的型面，使四边夹持于夹钳2的板料4逐渐变形，实现三维曲面的胀拉成形。

Claims (2)

1.一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法，以型面形状可实时控制的离散式模具(1)及分布于离散式模具(1)四周的多个夹钳(2)作为成形工具，通过离散式模具(1)的型面(3)由平面到曲面的连续变化，使包覆于模具型面(3)且四周边由夹钳(2)夹持的板料(4)胀拉变形，板料(4)的曲率由零开始逐渐增大，最终形成三维曲面零件(5)；所述的离散式模具(1)由规则排列的m列n行个基本体单元(6)组成，各基本体单元(6)的高度可调节，基本体单元(6)的顶端为球冠；离散式模具(1)的外轮廓水平投影为矩形区域(9)，离散式模具(1)的型面(3)由基本体单元包络面构成，通过对基本体单元(6)高度的实时调整可实现对模具型面(3)瞬时曲面形状的实时控制；用于夹持板料(4)的多个夹钳(2)分成四组且分别布置于与离散式模具(1)矩形轮廓区域的四个边平行的直线上，在成形过程中各夹钳(2)随着板料(4)边缘水平倾角的变化转动；为避免在成形的三维曲面零件(5)上出现凸痕，在离散式模具(1)与板料(3)之间使用聚氨酯板或橡胶板弹性垫(7)；利用离散式模具(1)的模具型面(3)的实时可调性，控制模具型面(3)的曲面的形状，使其由初始零曲率均匀增大到用于三维曲面零件(5)成形的最终曲率，曲率均匀变化的模具型面(3)使板料(4)在由平板坯料胀拉成形到三维曲面零件(5)的过程中变形不均匀程度最小，从而避免成形缺陷的产生，获得高质量的三维曲面零件(5)，其特征在于，本方法具体步骤如下：
步骤一：设定离散式模具(1)的基本体单元(6)的高度方向为z-坐标轴方向，并设定基本体单元(6)的列排列方向为x-坐标轴方向，基本体单元(6)的行排列方向为y-坐标轴方向；确定各基本体单元(6)中心线在x-方向的坐标xi及y-方向的坐标yj，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n；m是基本体单元(6)在x-方向的列数，n是基本体单元(6)在y-方向的行数；
步骤二：根据待成形的三维曲面零件(5)的目标曲面方程z＝s(x,y)及基本体单元(6)的几何参数，对离散式模具(1)进行初始设置，具体过程为：
1)求解方程(1)得到离散式模具(1)的第1列与第m列各基本体单元(6)与曲面s(x,y)的切点x-坐标利用方程(2)计算第1列与第m列各基本体单元(6)的高度方向坐标利用方程(3)计算第1列与第m列各基本体单元(6)对应的板料(4)边缘处的z-坐标
其中，r为基本体单元(6)球冠的半径，h为三维曲面零件(5)的厚度，H为弹性垫(7)的厚度，l为基本体单元(6)中心到板料(4)边缘的距离，
2)求解方程(4)得到离散式模具(1)的第1行与第m行各基本体单元(6)与曲面s(x,y)的切点y-坐标利用方程(3)计算第1行与第m行各基本体单元(6)的高度方向坐标利用方程(6)计算第1行与第m行各基本体单元(6)对应的板料(4)边缘处的z-坐标
其中，
3)计算离散式模具(1)的初始设置参数，在方程(2)计算出的全部坐标与方程(5)计算出的全部坐标之中，确定出最小值并在方程(3)计算出的全部坐标与方程(6)计算出的全部坐标之中，确定出最小值将离散式模具(1)各基本体单元(6)高度方向初始位置取于zmin处，离散式模具(1)在成形过程中高度方向的整体总位移取为：
步骤三：根据待成形的三维曲面零件(5)的目标曲面方程s(x,y)，利用方程(8)计算曲面s(x,y)在(xi,yj)点处的x-方向曲率及y-方向曲率
步骤四：确定从胀拉成形开始时刻t＝0到胀拉成形结束时刻t＝T过程中，任一时刻t的成形曲面(8)，设定t时刻的成形曲面(8)在离散点(xi,yj)处的平均曲率为求解方程(9)、方程(10)和方程(11)，计算出成形曲面(8)在(xi,yj)处的z-坐标zi,j(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)：
其中，及分别为由方程(8)得到的曲面上坐标为(xi,yj)处的点在x-、y-方向的曲率，xi(i＝1,2,…,m)为第i列基本体单元(6)的中心线在x-方向的坐标，yj(j＝1,2,…,n)为第j行基本体单元(6)的中心线在y-方向的坐标；d为相邻基本体单元(6)间的中心距；
步骤五：用三次B样条函数描述出t时刻的成形曲面(8)，根据有序的空间数据点Pi,j(xi,yj,zi,j)，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n，进行三次B样条曲面插值，得到由方程(12)表示的t时刻的成形曲面(8)的曲面方程s(t)(x,y)：
其中，Bk,4(x)与Bl,4(y)为三次B样条基函数；bk,l为B样条曲面的控制点，由方程组(13)求解出后，再由方程组(14)确定bk,l；
步骤六：确定离散式模具(1)的各个基本体单元(6)球冠与t时刻的成形曲面(8)的接触点，求解方程(15)得到离散式模具(1)的第i列第j行基本体单元(6)与曲面s(t)(x,y)的切点坐标利用方程(16)计算离散式模具(1)的第i列第j行基本体单元(6)在t时刻的高度方向坐标
其中，s(t)(x,y)由方程(12)给出，
步骤七：根据t时刻离散式模具(1)各基本体单元(6)的高度方向坐标 控制各基本体单元(6)的高度，形成t时刻胀拉成形的模具型面(3)；
步骤八：根据步骤四至步骤七中得到的胀拉成形过程从t＝0到t＝T的各时刻、各基本体单元(6)的高度的随时间变化历程，实时控制离散式模具(1)的型面，使四边夹持于夹钳(2)的板料(4)逐渐变形，实现三维曲面的胀拉成形。
2.根据权利要求1所述的一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法，其特征在于，当待成形的三维曲面零件(5)在x-y平面上的投影区域(10)小于离散模具(1)在x-y平面上的矩形投影区域(9)时，在步骤一开始之前，先将该三维曲面零件(5)进行曲面延拓，即在该三维曲面零件(5)的外轮廓增加工艺补料(11)，使拓展后的三维曲面(12)的投影区域与离散式模具在x-y平面上的矩形投影区域(9)大小相同，再按权利要求1所述的步骤进行各时刻模具型面设计，然后进行三维曲面的胀拉成形，成形后的曲面切除工艺补料(11)后就得到所需要的三维曲面零件(5)。
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