一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

Surface stretch forming method driven by die face change

The invention provides a surface expansion and drawing forming method driven by mould surface change, which belongs to the field of metal plastic processing. In the form process, the plate that is coated on the mold surface and the four around the clamp is formed with the change of the mould surface, and the three-dimensional surface parts are formed. The discrete mold is composed of the basic body units arranged by the rule, and the control of the shape of the mold surface is realized by changing the height of the basic body. In the process of expansion and drawing, the curvature of the mold surface is continuous and uniform, which makes the uneven degree of the sheet deformation minimum, thus avoiding the forming defects and obtaining the high quality 3D surface parts.

【技术实现步骤摘要】
一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法
本专利技术属于金属塑性加工
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。与现有技术相比本专利技术的有益效果是：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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡中义，孙丽荣，迟佳轩，张曦，陈庆敏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22