外文翻譯（中文）- 一種可重構(gòu)的沖壓模具和沖壓工藝

1、<p><b>　　中文4320字</b></p><p>　　j .上海交通大學(xué)。(Sci),2010,15(3):313 - 318</p><p>　　DOI:10.1007 / s12204 - 010 - 1009 - z</p><p>　　一種可重構(gòu)的沖壓模具和沖壓工藝</p><p>　　宋愛平

2、, 吳偉偉,張軍</p><p>　　(機械工程學(xué)院、揚州大學(xué)、揚州225009、江蘇、中國)</p><p>　　©上海交通大學(xué)和柏林海德堡斯普林格出版社2010</p><p>　　摘要: 可重構(gòu)的桿系柔性成形模具的發(fā)展。這種模具可以應(yīng)用在多點成形薄板沖壓,在沖壓過程中金屬板受到施板上、下表面的彈性壓力。這是一種有效的提高屈曲臨界壓力,減少起皺的方法。

3、測試結(jié)果表明,該模具可以實現(xiàn)“一模帶來多用”和抑制板料的起皺。這種多點沖壓成形板的過程提供了一個實用和有效的方式彎曲板料成形方式。</p><p>　　關(guān)鍵詞:沖壓工藝,皺紋,可重構(gòu),模具</p><p>　　CLC號碼: TG 386 文檔代碼: A</p><p><b>　　1介紹</b></p><p>　　金屬

4、板料起皺嚴(yán)重影響成形質(zhì)量和模具的生命。它可能使成形過程無法進行。所以有效地抑制皺紋似乎是非常重要的。[1]近年來,為了滿足金屬板輕和強度的需求,薄板金屬零件廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。起皺的研究成為最熱門的研究主題。[2]</p><p>　　近世紀(jì)以來,許多學(xué)者對板料的不穩(wěn)定性進行了大量的研究和討論。這些研究涉及范圍從實驗研究和理論分析,數(shù)值模擬,從薄板拉伸和彎曲成形的液壓成形,從皺紋預(yù)測到屈曲控制等等。[1-3]&l

5、t;/p><p>　　最近,一個成形過程的數(shù)值模擬應(yīng)用于研究皺紋。根據(jù)現(xiàn)代先進的研究方法,幾十年來基于有限元方法的數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究起皺的主要研究工具。[4]</p><p>　　然而,目前多數(shù)研究只是圍繞分叉鈑金的起皺和起皺的情況。這些不能對沖壓中控制起皺帶來任何可行的方法。</p><p>　　目前,可重構(gòu)模具技術(shù)研究和應(yīng)用的代表是多點成形技術(shù)?；镜脑硎抢靡?/p>

6、系列的常規(guī)和可調(diào)的基本體(桿)構(gòu)建模具的結(jié)構(gòu)。因此,重建模具可以實現(xiàn),但在板料起皺現(xiàn)象沒有被抑制。[5]</p><p>　　本文強調(diào)如何控制板料的起皺成形。本文主要的兩個思想是:一是提高支持條件的金屬片和增加其屈曲臨界應(yīng)力。因此,“多點沖壓成形板”技術(shù)將被提出。另一個是探索一種結(jié)合“多點沖壓成形板”技術(shù)的可重構(gòu)模具。</p><p>　　2 桿系柔性成形模具</p><

7、;p>　　為了減少板料的起皺,一種在沖壓過程中利用彈性壓力擠壓板料表面的方法被提出,這種方法可以提高金屬薄板的穩(wěn)定性。一個新的可重構(gòu)模具被開發(fā)。這種模具重新配置的效率很高,,這樣就可以實現(xiàn)多用途使用。同時模具可實現(xiàn)“多點沖壓成形板”的應(yīng)用。</p><p>　　彎曲金屬板材零件被用在許多產(chǎn)品上,如航空航天產(chǎn)品、軍工產(chǎn)品、船舶、工程機械、零件的批量很小。不同的形狀需要不同的模具成形金屬板。它會導(dǎo)致高成本和長周

8、期[6 - 7]。為了滿足這種情況,可重構(gòu)沖壓模具被發(fā)明。這種模具可通過重構(gòu)用于形成各種不同板料零件上。這種新奇的模具被命名為“桿系柔性?！薄?lt;/p><p>　　桿柔性模是一種可重構(gòu)的沖壓模具。圖1顯示了結(jié)構(gòu)。模具結(jié)合了聚集在一個組里的離散的可調(diào)桿。桿的長度可以調(diào)整。在分析板材零件三維模型的數(shù)據(jù)后,每個桿的長度可以準(zhǔn)確調(diào)整[8]</p><p>　　1 框架,2 螺旋桿,3調(diào)節(jié)套筒,4

9、擋板 ,5 連接器,6沖頭,7 壓邊圈, 8 金屬板</p><p>　　圖1.桿系柔性模的結(jié)構(gòu)</p><p>　　位于桿末端的沖頭可以根據(jù)有關(guān)形狀沖頭更換。所有的沖頭構(gòu)成了模具的表面,以便符合板間的形狀。</p><p>　　模具是由柔性桿組成的。為了實現(xiàn)多點沖壓和板料成形過程,可調(diào)桿被設(shè)計為一個具有“壓料”和“形成板料”功能的柔性桿,圖2顯示了該柔性桿的方案。

10、</p><p>　　1 步進電機,2 框架 ,3 螺旋桿架,4 壓力彈簧、5 調(diào)整螺母,6 可調(diào)節(jié)套筒</p><p>　　7 沖頭,8 沖壓距離</p><p>　　圖2，柔性桿的原理圖</p><p>　　可以從圖2中看出,套筒的位置被柔性桿上的可調(diào)螺母限制。旋轉(zhuǎn)螺旋桿可以控制套筒的位置。套筒被調(diào)整螺母的壓力彈簧緊緊地鎖住。圖3顯示了具

11、體的柔性桿。</p><p>　　1 螺旋桿,2 壓力彈簧,3 可調(diào)節(jié)螺母,4 壓距離槽,5 可調(diào)節(jié)套筒,6 沖壓頭</p><p><b>　　圖3柔性桿</b></p><p>　　在金屬板料成形過程中,上、下模上相應(yīng)柔性桿首先被壓力彈簧壓入“壓板”。隨著上模的下行,沖孔頭和套筒向內(nèi)收縮。在彈簧的作用下沖壓頭壓力逐步增加。當(dāng)所有沖頭和套筒收

12、縮到一定的距離(壓距),調(diào)節(jié)螺母會抵住套筒定位套筒。因此,沖頭和套筒不能縮回，所有沖壓頭將被組合起來以形成模表面,這樣一個金屬板可以被迫形成。壓距槽的長度大小有不同的尺寸。壓緊行程槽的長度可用于構(gòu)建壓邊。壓在金屬板的壓力是由模具內(nèi)壓力彈簧產(chǎn)生的。改變相應(yīng)的彈簧彈性系數(shù)可以生成所需的壓力。壓在金屬板上的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬薄板成形力，應(yīng)用于金屬板上的壓力從50到600 。</p><p>　　圖4顯示了固定在沖壓機上工

13、作臺的上模。模具的表面是由沖頭組成的球形面。模具外圍的桿是壓邊圈桿。</p><p>　　1壓邊圈，2模具表面</p><p><b>　　圖4球形表面的上模</b></p><p>　　3多點沖壓和板料成型的沖壓過程</p><p>　　柔性桿可以實現(xiàn)“多點沖壓成形”沖壓工藝。離散柔性桿的沖壓工藝可以在圖5看出。它必須

14、經(jīng)歷四個步驟,是“坯料壓緊”、“壓板料”、“成形板料”和“塑造板料”。</p><p>　　在成形的第一階段,模具的壓邊圈實現(xiàn)“壓緊坯料”見圖5(a)。然后上下模沖頭成形板料,這個過程被稱為“多點壓板”,見圖5(b)。在沖壓的過程中,首先一些套筒到達(dá)指定點然后其他的套筒和沖頭壓緊薄板表面,如圖5(c)。最后,所有的套筒和桿上的沖頭到達(dá)指定點，沖頭面和模具表面結(jié)合,金屬板受模具擠壓成型,如圖5所示(d)。在此過程中

15、,板料總是受沖頭限制的。</p><p>　　在板料成型過程中、桿柔性模由“柔性桿”“沖壓薄板”和“形成薄板”組成。這個過程的“模內(nèi)多點壓板與成形”可以防止板料的屈曲和起皺。沖壓過程中壓板力遠(yuǎn)小于薄板成形力,壓板力是由彈簧產(chǎn)生，成型力是由沖壓機產(chǎn)生。</p><p>　　實驗結(jié)果表明,桿柔性模具具有良好的成形特點而且可以抑制板料的起皺。為了提高金屬板的穩(wěn)定性，成形過程中金屬板上下表面被柔性

16、桿擠壓。</p><p>　　從圖6(a)可以看出,金屬板受負(fù)載Px,彈性壓力Fe作用于金屬板的上、下表面。壓力是由柔性桿內(nèi)彈簧產(chǎn)生的。上面的彈性壓力等于下面相應(yīng)的壓力，金屬板保持平面,見圖6(a)。</p><p>　　(a)壓緊坯料 (b)沖壓板料</p><p>　　(c)沖壓成型板料

17、 （d）板料成形</p><p>　　1 耦合桿,2 坯料,3 壓邊,4 變體頭</p><p>　　圖5.模內(nèi)多點壓板與成形的沖壓過程</p><p>　　. . (a)板表面上的壓力 (b)表面壓力差</p><p>　　(c)壓力彈簧的壓力差</p>

18、<p>　　圖6板上彈性壓力和屈曲臨界應(yīng)力的關(guān)系</p><p>　　K是柔性桿內(nèi)彈簧的彈性系數(shù),L是彈簧壓縮長度,見圖6(c)。當(dāng)金屬板產(chǎn)生撓曲變形δ,板凸側(cè)內(nèi)彈簧可以進一步壓縮，彈簧的彈性力逐漸增加。料板凹側(cè)的彈簧會放松一點。由兩側(cè)彈簧產(chǎn)生的彈性壓力差ΔFe可以獲得ΔFe = 2 kδ。</p><p>　　當(dāng)板料受壓力載荷Px發(fā)生彎曲由見圖6(b),在壓力點將產(chǎn)生壓力差,

19、ΔFe1ΔFe2…….。</p><p>　　這些壓力差可抑制板料的進一步彎曲和抑制起皺。</p><p>　　金屬板的上下表面受負(fù)載Fe,當(dāng)板料發(fā)生屈曲,它必須克服壓力差ΔFe產(chǎn)生的功。這個功是W = mΔFeδ/2。</p><p>　　這里的m是壓力點的數(shù)量, δ是彎曲后撓度最大值，δ/2 是m個壓力點的平均撓度。</p><p>　　

20、當(dāng)板料表面不受壓力F、板料受平行載荷Px。</p><p>　　臨界壓力用能量法計算,臨界應(yīng)力σcr的公式[9-10]</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　當(dāng)板料的表面受壓力fe作用,屈曲臨界應(yīng)力σcrq可以得到</p><p>　　根據(jù)ΔFe = 2Kδ</p><p&g

21、t;<b>　　(2)</b></p><p>　　當(dāng) d是金屬板厚度 ET是切線模量,μ是泊松比。</p><p>　　從方程式中可以看出。(1)和(2)中顯然σcrq大于σcr。比較式(1)與式(2),它可以在公式(2)里看出板料屈曲臨界應(yīng)力隨著彈簧彈性系數(shù)的增加而增加。增加彈簧彈性系數(shù)將擴大壓力差ΔFe.提高屈曲臨界應(yīng)力。它表明,作用于板料表面的彈性壓力可以提高

22、板料的屈曲臨界應(yīng)力。多點沖壓成形過程可以有效的抑制屈曲和起皺。</p><p><b>　　4測試</b></p><p>　　“多點沖壓成形”的過程由桿系柔性模實現(xiàn)。桿柔性模有快速重構(gòu)的能力。模具可以通過調(diào)整桿的長度，選擇合適的套筒,在桿上裝配合適的彈簧，改變相應(yīng)的沖頭來構(gòu)建。桿柔性模有許多優(yōu)點超過傳統(tǒng)的模具。它可以有效地抑制板料起皺,也可以帶來板料成形的新方法。接

23、下來的實驗將顯示“多點沖壓成形”的特點。</p><p>　　4.1球形板件的成形</p><p>　　球形金屬板件是一種典型的彎曲的板件。如果鈑金零件是由傳統(tǒng)的模具成形,褶皺通常發(fā)生在周圍的地區(qū)以及壓邊區(qū)域[11]。一個常見的解決起皺的方法是增加壓邊力。這個方法可以減少板料起皺。然而,如果該值的壓邊力太大,金屬板可能產(chǎn)生開裂[12]。如何控制板料的起皺是實驗的關(guān)鍵。用DYNA-form軟

24、件可以模擬成形過程。從圖7可看出:材料沿著M-N部分容易起皺。</p><p>　　圖7板料成形的應(yīng)力狀態(tài)</p><p>　　在重構(gòu)的過程中,板件的三維模型可以被分析,擴展延伸的每個桿和每個沖壓頭的形狀首先被計算出。隨后,調(diào)整可調(diào)螺母的位置，改變沖頭的形狀,構(gòu)建模具表面。下一步是構(gòu)建模具的壓邊結(jié)構(gòu)。模具周邊的一些桿用于壓邊。板件的球形部分球面半徑為150毫米。桿上的沖頭是定制的。<

25、/p><p>　　上模安裝在沖壓機的上工作臺上，如圖4.下模安裝在下工作臺上。在板料成形的過程中，板料的壓邊部分被固定在下模面上，然后上模下行，最后上下模閉合，完成板料的成形。</p><p>　　圖8是成形的板件，沒有起皺存在，這歸功于“多點沖壓成形”。</p><p><b>　　圖8球形板件</b></p><p>　

26、　材料AISI1020,彈性模量E = 2.06 GPa,屈服強度0.35 GPa。當(dāng)板料表面不受壓力時,根據(jù)公式(1)板料不受壓力的情況下,臨界壓力σcr可以得到。</p><p>　　這里, a, b = 80 mm, d = 1 mm, ET≈ 0.3E.</p><p>　　在形成球形板件時,板可以被每個柔性桿限制。板料表面受壓,根據(jù)公式(2),板料的臨界應(yīng)力和壓力可以得到。<

27、;/p><p>　　σcrq = 359.3 MPa (2) </p><p>　　對比公式（3）公式（4），很容易看出，在板料沒有受壓的情況下臨界屈曲壓力σcrq明顯大于σcr，桿中彈簧在采用更大彈性系數(shù)時板料不易起皺，作用在板料表面上的彈性壓力可以增大臨界屈曲壓力，從而減少板料的起皺</p><p>　　4.2半球形板

28、料的成形</p><p>　　半球形金屬板件是非對稱的,如圖9。開幕式曲面不方便設(shè)置壓邊。在板料成形時,在不受支撐的區(qū)域容易起皺,因為金屬板受到不平衡沖壓力。為了確保無故障成形,因此有必要增加板上壓力,防止板料起皺。</p><p>　　圖9 半球形板件的3D模型</p><p>　　通過撤掉球形沖壓模具的一半桿,它可以用來成形半球形板件?，F(xiàn)在,可以方便地觀察到有關(guān)

29、沖壓工藝的步驟。從圖10可以看到這個步驟。圖10(c)顯示了沖壓和成形板料的步驟。圖11顯示了半球形板的厚度為1.8 mm。</p><p>　　圖10多點沖壓成形的步驟</p><p>　　圖11半球形金屬板件</p><p>　　4.3馬鞍板件的成形</p><p>　　如圖12,馬鞍金屬板是一種雙曲面彎曲的板件。如果單是直接成形,起皺是

30、經(jīng)常發(fā)生的[3]。壓邊不易構(gòu)造，因為馬鞍板件外圍邊界分布在不同的高度。目前,通過直接使用傳統(tǒng)的沖壓模具成形馬鞍板件是幾乎不可能。桿系柔性模的多點沖壓成形過程可以用來直接成形馬鞍板件。</p><p>　　圖13顯示了重構(gòu)的柔性模。在成形板的過程中，外圍桿就被收回相應(yīng)的尺寸，超過其他的桿。當(dāng)上、下模閉合,外圍桿和中間桿的表面結(jié)合為連續(xù)成形表面。然后板料直接被成形為馬鞍板件。壓邊的結(jié)構(gòu)被稱為“多點壓邊”。</p

31、><p>　　快速原型制造系統(tǒng)的熔融沉積制造(FDM)可迅速制造各種沖壓頭。一系列的沖壓頭可以用FDM系統(tǒng)在兩三天內(nèi)產(chǎn)生出。沖頭分別安裝在桿的末端見圖13。由FDM系統(tǒng)生產(chǎn)沖壓頭的材料是丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料。沖孔頭也可以通過快速原型系統(tǒng)的選擇性激光燒結(jié)(SLS)制造。圖14顯示了不銹鋼馬鞍板厚度1.0毫米。使用這種方法可以消除起皺現(xiàn)象。</p><p>　　圖12馬鞍金屬板的3D模

32、型</p><p>　　圖13柔性模外圍壓邊</p><p>　　圖14多點沖壓成型技術(shù)成形的馬鞍金屬板</p><p><b>　　5結(jié)論</b></p><p>　　實驗結(jié)果顯示桿系柔性模有很好的重構(gòu)能力，它可以被用來成型0.5mm到6mm厚度的板料。這種模具在中小批量曲面鈑金成型中有明顯的優(yōu)勢。而且它可以用一個模具

33、實現(xiàn)多用途。同時模具結(jié)合“多點沖壓成形”技術(shù)解決在板料成形過程中起皺的問題。</p><p>　　覆蓋件被廣泛應(yīng)用于航空，航天，汽車，船舶，工程機械領(lǐng)域。通常，覆蓋件模具價格高，制造周期長。可重構(gòu)模具可以減少制造成本，縮短制造周期，提高產(chǎn)品在市場的競爭力。</p><p><b>　　參考</b></p><p>　　[1] Li Heng,

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