1、一个可重构的冲压模具和冲压过程宋爱萍 吴伟伟 张军(扬州大学机械工程学院，扬州225009,江苏,中国)上海交通大学和斯普林格出版社柏林海德堡2010年版 文摘:提出了一种可重构杆系柔性成形模具的开发。模头可用于实现过程“多点压制成型片材”。金属片是由弹性压力将受限制片在冲压过程中的上下表面。该方法是增强屈曲，临界应力，减少板材起皱的有效途径。测试的结果表明，该模具可实现“一个管芯带来多用途”和压制板材的皱纹。多点加压和成形片材的过程，提供了一种实用和有效的方式弯曲板料成形的方法。 关键词:冲压工艺,皱纹,可重构,模具 CLC号码:TG文档代码:3861.简介板料的起皱严重影响模具的成形质量和
2、生活。它可能使成形过程无法进行。所以有效地抑制皱纹似乎非常重要。近年来,为了满足光韧金属薄板的需求，薄板金属零件广泛应用于各个领域,起皱的研究成为最热门的研究课题之一。近世纪以来,许多学者带来了大量的研究来讨论薄板金属不稳定的情况。这些研究涵盖了从实验研究到理论分析数值模拟,从薄板拉伸到弯曲成形液压成形,从起皱预测到屈曲控制等等。最近,成形过程的数值模拟是应用于研究皱纹。根据现代先进的研究方法,基于有限元方法的数值模拟已经成为研究几十年来起皱的主要工具。然而就目前的情况下，多数都是围绕着起皱分叉的金属板和起皱的情况来进行研究，但是这些并不能带来任何可行的方法控制冲压的皱纹。目前,代表可重构模具
3、技术的研究和应用是多点成形工艺。它的基本原理是通过一系列的常规和可调的基本机构(极点)构造模的结构。因此,重建模具可以实现,但是没有抑制板料起皱的能力。 本文强调如何控制板材成形的皱纹。主要观点的文件有两种：一种想法是提高板材的支撑条件，提高其屈曲临界应力。因此，“多点压制成型片材”技术将被提出。另一个想法是探索结合了“多点压制成型片材”技术的可重构模具。2. 杆系柔性成形模具为了减少片材的起皱，提出了在冲压过程中使用弹性压力压住板材表面的方法，它可以提高金属板材的稳定性。一种新的可重构模具被开发出来了。该模具具有高效率的结构变形能力，使得它可以实现多目的的用途。同时模头可以进行“多点加压和成
4、形片材”的过程。在许多产品中，如航空航天产品，军用产品，船舶和工程机械弯曲金属板件被使用时，一批零件是很小的。不同的形状，需要不同的模具用于金属板材成形。它会导致高成本和长周期。为了适应这种情况，我们探索出了可重构的冲压模具。模具可以通过重新配置被应用到成型的各种片材的部分。这种模具被命名为“杆系柔性成形模具”。杆系柔性成形模具是一种可重构的冲压模具。图1显示的是它结构。模具是结合其被组装在一个数组中的一些离散的调节杆，杆的长度可调节。分析板部分的三维模型的数据后，每个磁极的长度可以精确地调整。冲头位于杆的端部可以被替换为相应的形状的头。所有磁头都构成模具的表面，使其符合表部分的形状。 1-模
5、架 2-螺杆 3-可调套筒 4-挡板 5-接合器 6-冲头 7-压边 8-板料图1.杆系柔性成形模具的结构模具是由具有弹性的两极。为了实现多点加压和成形片材的过程，可调节的杆被设计为灵活的柔杆，他有着“压片”和“成形片材”的功能。图2表示出了设计柔性杆的原理。1-步进电机 2-模架 3-螺杆 4-压力弹簧 5-可调螺母 6-可调套筒 7-冲头 8-冲压距离图2.柔性杆的原理从图2中可以看出，套筒的位置由在柔性杆中可调螺母的限制下，旋转螺旋杆可以控制套筒的位置。在压力弹簧的作用下，套筒被调整螺母紧紧的固定住。图3显示了柔性杆的实物。1-螺杆 2-压力弹簧 3-可调螺母 4-距离压槽 5-可调套筒
6、 6-压头 图3.柔性杆1-压边 2-模具外表面图4.球面上模在金属板料成形的过程中，上部和下部模具的相应的柔性杆由压力弹簧先进行“压片”。与上模的下降的过程中，冲头和套筒向内缩回，在冲头压力的作用下，弹簧的弹性势能正在逐渐增加，当冲头和套筒缩回一定距离（压力距离），调整螺母将卡住套筒并定位套筒。因此，冲头和套筒不能缩回内侧，所有冲头将被组合在一起形成模具表面，从而使金属片可以被强制形成。压槽距离的长度具有不同的尺寸。长按压距离可以用于构建的坯料夹持器。金属板压紧力是由内模头的压力弹簧产生的。更改对应的弹簧的弹性系数，可以产生所需的压力。金属薄板所受冲压力是远远小于成型压力的，分布在金属板的压
7、紧力是由50到600 N.图4表示出了固定在冲压机的上工作台的上模。模具的表面上的球面是由一些柔性杆的冲头组成的，外围的柔性杆是压边杆。3. 多点压制成型薄板冲压工艺杆系柔性成形模具可实现“多点加压和成形片材”的冲压工艺。在图5中可以看出离散柔性杆的冲压工艺。它必须通“胚料压紧”，“压片”，“冲压成型板料” 和“成型板材”这四个步骤。在成形的第一阶段，模具的压边圈要实现“胚料压紧”，如图图5（a）所示，然后金属模具的上，下冲头压制片材，因此该过程被称为“多点压片”，如图5（b）所示。在冲压过程中，一些套筒最先达到指定的点，而其他的套筒和冲头此时正在冲压板料表面，如图5（c）所示。最后，柔性杆的
8、所有套筒和冲头都达到指定点，冲头的表面和模具的表面结合在一起，金属板就这样成型了，如图5（d）所示，在此过程中，金属板总是被冲头限制着。在金属板材成形的过程中，杆系柔性成型模具是由“冲压板材”和“成型板材”同时作用下的柔性杆组成。“多点加压和成形片材”的过程中可以防止压曲和片材的褶皱。在冲压过程中压制片材的力远远比成形片材的力小，按压板的力是由弹簧产生，形成片材的力由压力机产生。实验结果表明，杆系柔性成形模具具有良好的成型加工性能，可以抑制片材的起皱。金属板在成形过程的上表面和下表面是由弹性杆按压的，是为了提高金属板的稳定性。1-组合杆 2-空隙 3-压边 4-可变冲头图5.多点加压成形片材的
9、冲压工序从图6（a）中可以看出，该金属板在压力载荷Px的作用力下，使得弹性压力量Fe位于金属板的上下表面。按压力是由柔性杆中的弹簧产生的，上面的弹性压紧力对应下部相应的力，金属板材的状态保持水平状态，如图6（a）所示。K是弹性杆内的弹簧的弹性系数，L是弹簧的压缩长度，如图6（c）所示。当金属片产生挠曲的时候，在片材的凸侧弹簧就可以被进一步压缩，由弹簧产生的弹性力正在增加。弹簧的凹侧板会放松一点，弹性压力差Femade是在两个侧弹簧的作用下产生的，得出Fe=2K。当板料发生弯曲的压力载荷Px如图6(b)所示,它就会在压力点上产生压力差异Fe1,Fe2，这些压力差异可能进一步抑制板的弯曲,可以抑制
10、起皱的金属板。 a.金属板表面压力 b.表面压力差 c.压力弹簧压差图.6弹性压力对板材和屈曲临界应力的关系金属板的上表面和下表面被施加Fe的负载，当金属板发生屈曲的时候，它必须克服负载的压力差Fe所做的功，得出W=mFe/2。m是压力点的数量，是屈曲后挠度的最大值，/ 2是压力点m大约平均偏转的值。当金属板的表面不受压力Fe的作用，金属板表面在平行负载Px的作用下施加压力。临界压缩应力是用能量来计算的，屈曲临界应力cr表的公式如下： 当片材的表面受到Fe的压力作用，能得到压曲临界应力crq的公式如下： 根据 Fe= 2K，得到： 公式D=ETd3/12(1 2),其中d是金属板材的厚度，ET
11、是切线模量，为泊松比。应该注意从方程（1）和（2），可以看出crq明显大于cr，比较式 （1）与方程式（2），就可以从式（2）中发现，伴随着弹簧的弹性系数的增大，金属板的压曲临界应力也在增大。增加弹簧的弹性系数会导致压力差Fe的扩大，提高了屈曲临界应力。它表明该弹性压紧力施加到片材的表面可以提高金属板的压曲临界应力，使用多点加压和成形片材的方法可以有效地抑制压曲和片材的褶皱。4.实验“多点加压和成形片材”的方法是通过杆系柔性模具实现的。柔性模具具有快速重构的能力，这种模具可通过调节杆的长度，选择套筒，使用合适的弹簧以及改变相对应的模头来构造。杆系柔性模具具有许多优势，它超越了传统的模具。它可以
12、有效地抑制片的皱纹，也能带来新的方法为金属板材成形。下面的实验将显示关于“多点加压和成形片材”过程中的特性。4.1 球形金属板部分的成型球形金属板零件是典型的弯曲金属板零件。如果是金属板零件是由传统模具成型,皱纹通常发生在周边地区以及压边区域。解决皱纹的一种常见方法是增加 压边力。该方法可能会降低板材的皱纹，但是，如果压边力的值过大，裂纹可能发生在金属板上，因此如何控制板材的皱纹才是实验的关键。模拟成型过程中是以软件DYNA的形式进行。从图7中显示出，该材料很容易产生沿截面MN的皱纹。Crack：裂缝 Risk of crack：裂缝的风险 Severe thinning:严重变薄 Safe：
13、安全 Insufficient：不足的地方 Stretch wrinkle：延伸的褶皱 Tendency wrinkle：起皱趋势图7.金属板的成型应力状态在重新配置的过程中，对片材部分的三维模型进行分析，每个柔杆延伸的伸长率和各冲头的形状是首先计算的。随后，它可以调整可调螺母的位置，并改变冲压头来构造模具的表面，下一步则是构成模具的坯料夹持器的结构，模具周围一些柔性杆用作坯料夹持器。金属板零件具有球形形状，他的半径是150毫米。柔性杆的头部是定制的。上模被安装在压力机的上台板，如图4所示。下模被安装在压力机的下台板。在形成片的过程中，坯料片材被放置在下部模具的工作面上，然后在上模向下移动，最
14、后将上，下模合模来完成金属薄板的成形。成形的金属板零件如图8，没有皱纹存在于板材表面，这是由于“多点加压和成形片材”的作用。图8.球形金属板零件金属板的材料是AISI1020，弹性模量E=2.06 GPA，屈服强度为0.35 GPa。当金属板的表面没有压力的时候，根据公式（1），在金属板的无压力的条件下，cr可以得到临界应力。cr 3.55 100ETd2= 34.3 MPa. (3)式中，a,b=80mm, d = 1 mm, ET 0.3E在球形金属薄板成形时，片材可通过每个柔性杆被限制。片材的表面被施加了压力，根据式（2），可以得到金属片与压紧力的临界应力。 crq= 359.3 MPa
15、 (4)比较式3和式4，很容易知道，在无压力的条件，金属板材的屈曲临界应力crq的值明显大于cr的值。金属板料在柔性杆中设置较大弹簧弹性系数不能出现皱纹。在金属板的上表面添加弹性按压力可以提高压曲临界应力和减少金属板的皱纹。4.2 半球形零件的成型半球形金属板零件是不对称的金属薄片，如图9所示 ，曲面开始的位置不方便设置压边。在金属板材成形的过程中，由于金属板在冲压过程中冲压失衡，因此在这些区域中很容易起皱。为了确保半球形金属板零件无故障的形成，有必要增加金属板料上的冲压力从而防止片材起皱。图9.半球形金属板的三维模型 通过取出球形冲压模具一半的柔性杆，它可以被用来形成半球状的金属板零件。现在，它可以很方便地观察到冲压过程中的工步。该步骤可从图10中看出。图10（c）表示压片和成型片材的步骤。图11表示出了半球形金属片材具有1.8mm的厚度。
