基于漸變模具型面的大曲率三維曲面的多步成形方法技術

本發明專利技術提供一種基于漸變模具型面的大曲率三維曲面的多步成形方法，屬于金屬塑性加工領域，大曲率三維曲面零件成形困難，在成形過程中極易出現各種成形缺陷，特別是起皺缺陷，傳統的拉延成形方法雖然可加工大曲率曲面，但是需要復雜的壓邊模具，并且該方僅適用于薄板成形，不能用于成形中厚板曲面零件。本發明專利技術基于一套離散式型面可調的模具，通過逐步調整模具型面進行多步成形，使各成形步成形出的曲面形狀逐漸變化，以保證板料在各成形步中產生的變形量都較小，從而避免起皺缺陷的產生，經過對板料多步對壓成形后，獲得大曲率的三維曲面零件。本發明專利技術的方法適用于中厚板曲面零件成形，也適用于薄板曲面零件成形。

【技術實現步驟摘要】
基于漸變模具型面的大曲率三維曲面的多步成形方法
本專利技術屬于金屬塑性加工領域，涉及了一種板料成形方法，具體涉及一種基于漸變模具型面的大曲率三維曲面的多步成形方法，適用于大曲率三維曲面零件的對壓成形。
技術介紹
在飛機、輪船、高速列車、化工容器等制造領域以及現代建筑結構、城市雕塑中對大曲率的三維曲面零件的需求量越來越大。大曲率三維曲面零件成形困難，在成形過程中極易出現各種成形缺陷，特別是起皺缺陷。傳統的拉延成形方法雖然可加工大曲率曲面，但是需要復雜的壓邊模具，模具制造成本高，尤其是該方法僅適用于薄板成形，不能用于成形中厚板曲面零件。隨著工程上對中厚板大曲率曲面零件的需求越來越多，在板料成形領域，急需開發出快捷、低成本的大曲率曲面加工新技術。
技術實現思路
針對大曲率曲面零件，特別是中厚板大曲率曲面零件成形困難，在成形過程中易出現起皺缺陷的問題，本專利技術將提供一種采用離散式模具的多步對壓成形方法，基于離散式模具型面的可調性，逐步調整模具型面，使成形出的曲面的曲率隨著成形步數增加逐漸增大，保證板料在各成形步中發生的變形量都較小，從而避免起皺缺陷的產生，通過各成形步小變形量的多次積累，最終獲得大曲率的三維曲面零件。本專利技術的上述目的是通過以下技術方案實現的，結合附圖說明如下：一種基于漸變模具型面的大曲率三維曲面的多步成形方法，以一套離散式型面可調的上模具與下模具作為成形工具，通過對板料實施多步對壓成形，獲得大曲率的三維曲面零件；所述的離散式上模具和下模具均由規則排列的m列n行個基本體單元組成，各基本體單元的高度可調節，基本體單元的頂端為球冠；上模具的型面由上模具的基本體單元包絡面構成，下模具的型面由下模具的基本體單元包絡面構成，調整基本體單元的高度可改變離散式模具型面與的曲面形狀；利用離散式模具型面的可調性，在多步成形過程中，逐步調整上模具型面與下模具型面，使模具型面的形狀由零曲率均勻增大到用于三維曲面零件成形的最終曲率，在各成形步內由坯料曲面到成形曲面之間始終保持較小的變形量，從而避免起皺等成形缺陷產生，經多步成形后最終得到的三維曲面零件；其特征在于：本方法具體步驟如下：步驟一、確定出待成形的三維曲面零件投影面積最大的投影方向，設定其為沖壓方向，使沖壓方向與離散式模具基本體單元的高度方向一致，并取為z-坐標軸方向；步驟二、確定各基本體單元的中心線在x-方向的坐標xi和y-方向的坐標yj，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n；m是基本體單元的列數，n是基本體單元的行數；確定待成形的三維曲面零件的目標曲面方程s(x,y)，并計算曲面s(x,y)在(xi,yj)點處在x-、y-方向的曲率及步驟三、設定多步成形的總成形步數N，基于各成形步成形曲面的曲率隨成形步數均勻增大的原則，確定第1成形步至第N-1成形步中各成形步的模具型面形狀；首先調整上模具和下模具的基本體單元高度，構成用于第1成形步成形的上模具型面與下模具型面，對初始板料進行第1成形步對壓成形，然后逐步構成模具型面，以上一成形步結束時的成形曲面作為坯料曲面，逐次進行第2成形步至N-1成形步對壓成形，獲得曲率隨成形步數增大而逐漸增大的成形曲面；步驟四、根據待成形的三維曲面零件的目標曲面s(x,y)確定最后成形步，即第N成形步的模具型面形狀，調整上模具1和下模具2的基本體單元的高度，構成用于最后成形步，即第N成形步的模具型面，以第N-1成形步獲得的成形曲面作為坯料曲面，進行板料的第N成形步對壓成形，獲得最終的大曲率三維曲面零件。進一步的技術方案包括：所述的基于漸變模具型面的大曲率三維曲面的多步成形方法，步驟三中，基于各成形步成形曲面的曲率均勻增大的原則，確定第1成形步至第N-1成形步的模具型面形狀的具體過程為：a.設定第k成形步的成形曲面在離散點(xi,yj)處的平均曲率為求解方程(1)、方程(2)和方程(3)，計算出第k成形步的成形曲面在(xi,yj)處的z-坐標zi,j(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)：其中，及分別為曲面上坐標為(xi,yj)處的點在x-、y-方向的曲率，xi(i＝1,2,…,m)為第i列基本體單元(7)的中心線在x-方向的坐標，yj(j＝1,2,…,n)為第j行基本體單元(7)的中心線在y-方向的坐標；d為相鄰基本體單元間的中心距；z'i＝(zi+1,j-zi-1,j)/2d，z'j＝(zi,j+1-zi,j-1)/2d；b.基于有序的空間數據點Pi,j(xi,yj,zi,j)(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…，n)，進行三次B樣條曲面插值，得到由方程(4)表示的第k成形步的成形曲面的曲面方程：其中，Bi,4(x)與Bj,4(y)為三次B樣條基函數；B樣條曲面的控制點bi,j由方程(5)與方程(6)確定：c.確定上模具和下模具的各個基本體單元球冠與第k成形步的成形曲面的接觸點，求解方程(7)得到上模具的第i列第j行基本體單元與曲面s(k)(x,y)的切點坐標及下模具的第i列第j行基本體單元與曲面s(k)(x,y)的切點坐標其中，s(k)(x,y)由方程(4)給出；計算上模具1基本體單元的切點坐標時δ＝1，計算下模具基本體單元的切點坐標時δ＝-1；r為基本體單元球冠的半徑，t為曲面零件的厚度；d.利用公式(8)計算上模具1的第i列第j行基本體單元的高度方向坐標與下模具的第i列第j行基本體單元的高度方向坐標，根據高度方向坐標與調整各基本體單元高度，形成用于第k成形步成形的上模具型面5與下模具型面；其中，計算上模具基本體單元高度方向坐標時，計算下模具基本體單元高度方向坐標時，所述的基于漸變模具型面的大曲率三維曲面的多步成形方法，其特征在于，步驟四中，最后成形步，即第N成形步的模具型面形狀根據成形的三維曲面零件4的目標曲面s(x,y)來確定，其具體過程為：a.確定上模具1和下模具2的各個基本體單元7的球冠與三維曲面零件的目標曲面s(x,y)的接觸點；方程(7)中的s(k)(x,y)取為目標曲面s(x,y)，求解方程(7)得到上模具的第i列第j行基本體單元與曲面s(k)(x,y)的切點坐標及下模具的第i列第j行基本體單元與曲面s(k)(x,y)的切點坐標b.利用公式(8)計算上模具1的第i列第j行基本體單元的高度方向坐標與下模具的第i列第j行基本體單元的高度方向坐標根據高度方向坐標與調整各基本體單元7的高度，形成用于最后成形步，即第N成形步的上模具型面與下模具型面。所述的基于漸變模具型面的大曲率三維曲面的多步成形方法，在上模具、下模具和板料之間使用彈性墊，以避免在成形的曲面零件上出現壓痕，彈性墊采用聚氨酯板或橡膠板。與現有技術相比本專利技術的有益效果是：1.在多步成形方法中，最終的大曲率曲面零件上的大變形是經過多步的變形量積累而成，而每步的變形量都比較小，因而可避免過各種成形缺陷，特別是起皺曲線的產生，獲得高質量的曲面零件；2.傳統的板料拉深技術只適用于薄板曲面成形，而本專利技術的方法適用于中厚板曲面零件成形，也適用于薄板曲面零件成形。3.由于采用了離散式型面可調的模具，該方法可在一套模具上加工不同形狀的曲面零件，其模具造價低，曲面零件的生產成本低。附圖說明圖1是離散式型面可調的上模具、下模具示意圖；圖2是基于漸變模具型面的大曲率三維曲本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于漸變模具型面的大曲率三維曲面的多步成形方法，以一套離散式型面可調的上模具(1)與下模具(2)作為成形工具，通過對板料(3)實施多步對壓成形，獲得大曲率的三維曲面零件(4)；所述的離散式上模具(1)和下模具(2)均由規則排列的m列n行個基本體單元(7)組成，各基本體單元的高度可調節，基本體單元的頂端為球冠；上模具(1)的型面(5)由上模具的基本體單元包絡面構成，下模具(2)的型面(6)由下模具的基本體單元包絡面構成，調整基本體單元的高度可改變離散式模具型面(5)與(6)的曲面形狀；利用離散式模具型面的可調性，在多步成形過程中，逐步調整上模具型面(5)與下模具型面(6)，使模具型面的形狀由零曲率均勻增大到用于三維曲面零件(4)成形的最終曲率，在各成形步內由坯料曲面(8)到成形曲面(9)之間始終保持較小的變形量，從而避免起皺等成形缺陷產生，經多步成形后最終得到的三維曲面零件(4)，其特征在于：本方法具體步驟如下：步驟一、確定出待成形的三維曲面零件(4)投影面積最大的投影方向，設定其為沖壓方向，使沖壓方向與離散式模具基本體單元(7)的高度方向一致，并取為z?坐標軸方向；步驟二、確定各基本體單元(7)的中心線在x?方向的坐標xi和y?方向的坐標yj，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n；m是基本體單元(7)的列數，n是基本體單元(7)的行數；確定待成形的三維曲面零件(4)的目標曲面方程s(x,y)，并計算該目標曲面s(x,y)在(xi,yj)點處在x?、y?方向的曲率及步驟三、設定多步成形的總成形步數為N，基于各成形步成形曲面的曲率隨成形步數均勻增大的原則，確定第1成形步至第N?1成形步中各成形步的模具型面形狀；首先調整上模具(1)和下模具(2)的基本體單元(7)的高度，構成用于第1成形步成形的上模具型面(5)與下模具型面(6)，對初始板料進行第1成形步對壓成形，然后逐步構成模具型面，以上一成形步結束時的成形曲面作為坯料曲面(8)，逐次進行第2成形步至N?1成形步對壓成形，獲得曲率隨成形步數增大而逐漸增大的成形曲面(9)；步驟四、根據待成形的三維曲面零件(4)的目標曲面s(x,y)確定最后成形步，即第N成形步的模具型面形狀，調整上模具(1)和下模具(2)的基本體單元(7)的高度，構成用于最后成形步，即第N成形步的模具型面，以第N?1成形步獲得的成形曲面作為坯料曲面，進行板料的第N成形步對壓成形，獲得最終的大曲率三維曲面零件(4)。...

【技術特征摘要】
1.基于漸變模具型面的大曲率三維曲面的多步成形方法，以一套離散式型面可調的上模具(1)與下模具(2)作為成形工具，通過對板料(3)實施多步對壓成形，獲得大曲率的三維曲面零件(4)；所述的離散式上模具(1)和下模具(2)均由規則排列的m列n行個基本體單元(7)組成，各基本體單元的高度可調節，基本體單元的頂端為球冠；上模具(1)的型面(5)由上模具的基本體單元包絡面構成，下模具(2)的型面(6)由下模具的基本體單元包絡面構成，調整基本體單元的高度可改變離散式模具的上模具型面(5)與下模具型面(6)的曲面形狀；利用離散式模具型面的可調性，在多步成形過程中，逐步調整上模具型面(5)與下模具型面(6)，使模具型面的形狀由零曲率均勻增大到用于三維曲面零件(4)成形的最終曲率，在各成形步內由坯料曲面(8)到成形曲面(9)之間始終保持較小的變形量，從而避免起皺的成形缺陷產生，經多步成形后最終得到三維曲面零件(4)，其特征在于：本方法具體步驟如下：步驟一、確定出待成形的三維曲面零件(4)投影面積最大的投影方向，設定其為沖壓方向，使沖壓方向與離散式模具基本體單元(7)的高度方向一致，并取為z-坐標軸方向；步驟二、確定各基本體單元(7)的中心線在x-方向的坐標xi和y-方向的坐標yj，其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n；m是基本體單元(7)的列數，n是基本體單元(7)的行數；確定待成形的三維曲面零件(4)的目標曲面s(x,y)，并計算該目標曲面s(x,y)在(xi,yj)點處在x-、y-方向的曲率及步驟三、設定多步成形的總成形步數為N，基于各成形步成形曲面的曲率隨成形步數均勻增大的原則，確定第1成形步至第N-1成形步中各成形步的模具型面形狀；首先調整上模具(1)和下模具(2)的基本體單元(7)的高度，構成用于第1成形步成形的上模具型面(5)與下模具型面(6)，對初始板料進行第1成形步對壓成形，然后逐步構成模具型面，以上一成形步結束時的成形曲面作為坯料曲面(8)，逐次進行第2成形步至N-1成形步對壓成形，獲得曲率隨成形步數增大而逐漸增大的成形曲面(9)；步驟四、根據待成形的三維曲面零件(4)的目標曲面s(x,y)確定最后成形步，即第N成形步的模具型面形狀，調整上模具(1)和下模具(2)的基本體單元(7)的高度，構成用于最后成形步，即第N成形步的模具型面，以第N-1成形步獲得的成形曲面作為坯料曲面，進行板料的第N成形步對壓成形，獲得最終的大曲率三維曲面零件(4)；其中：步驟三中，基于各成形步成形曲面(9)的曲率均勻增大的原則，確定第1成形步至第N-1成形步的模具型面形狀的具體過程為：a.設定第k成形步的成形曲面(9)在離散點(xi,yj)處的平均曲率為求解方程(1)、方程(2)和方程(3)，計算出第k成形步的成形曲面(9)在(xi,yj)處的z-坐標zi,j(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)：其中，及分別為曲面上坐標為(xi,yj)處的點在x-、y-方向的曲率，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蔡中義，梁曉波，劉純國，李湘吉，李明哲，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：發明
國別省市：吉林;22