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杆系柔性成形模具及其板成形加工关键技术1
摘要：提出了一种可重构、低成本、高效率的板件成形加工模具——杆系柔性成形模，该装置可以快速重构各种形状的板件成形加工模具。详细地分析了杆系柔性成形模的结构及其重构方案，采用可更换的l变形冲压头”与离散杆配合，较好地构成模具成形面，保证板件有较好的成形精度；提出了一种新颖的板成形方法——模内压板与成形复合工艺，通过这种工艺方法与杆系柔性成形模相结合，可以抑制板件在成形过程中的受压屈曲与起皱，并可以减小成形板件的回弹量。该模具对复杂曲面板件的成形加工具有明显的优越性。
引言
板料在冲压成形中一直存在板的起皱、拉裂与回弹三大问题，国内外学者对这方面进行了长期的研究，其研究的主要对象是整体成形模对板的成形加工。由于整体成形模结构的局限性，限制了一些理论与技术的应用，也约束了整体成形模理论与技术的深人研究。为此，本文首先从模具的结构入手，提出一种由阵列式杆系组成的可重构的板成形模具，由于其独特的结构，产生了一种新颖的板成形工艺技术，通过该技术能较好地解决板冲压成形中存在的起皱与拉裂等问题。
1 可重构的杆系柔性成形模具
杆系柔性成形模具是一种可快速重构的柔性成形模具，有良好的可重构性，并有较好的工艺能力。在分析国内外可重构模具的基础上，本文提出的可重构成形模具的基本结构如图1所示。
该模具由若干个单元调节杆组成，这些杆组合成一个阵列，每个杆通过步进电机由计算机控制，计算机在分析被加工板件表面三维模型数据后，自动编程井调节各个杆长度。杆的前端是冲压头，冲压头可以更换，选用与被冲压板件局部成形面相似形状的冲压头组成一定尺寸的模具冲压面，以适应加工件的表面形式，从而构成冲压成形模。与之相配的凹模结构与其相似，通过旋转调节螺杆和更换冲压头可以构造凹模成形面。
单元调节杆主要由步进电机、螺杆、伸缩套、冲压头组成，众多单元调节杆装配在支撑架中，组合成模具体。单元调节杆机构原理图如图2所示，其中冲压头的位置由螺杆控制，步进电机可以驱动螺杆使冲压头置于确定的位置，由若干个变形冲压头的成形面组合成模具的整体成形面，这样可以保证板成形件有较好的表面成形精度。
2 模内压板与成形复合工艺
通常使用整体冲压模对曲面板料的成形过程。
OA部分以胀形的方式变形，在凸模的作用下紧贴凸模表面，在以后的变形过程中，OA部分基本上不再变形，但OA部分的范围不断扩大。悬空区AC部分不与冲模接触，其变形主要靠断面A到断面C的内力实现，该区域在拉应力作用的同时，AC间一点B点要向模具中心点（O点）移动，同时B处纬向尺寸收缩，在B处纬向产生切向压应力，该压应力会引起板的压缩屈曲与起皱[1] 。
在曲面板料成形时，产生拉深变形的外周边法兰部分CD和以胀形方式完成变形并与凸模表面贴靠的部分OA都受到模具表面的直接作用，在受约束的条件下完成变形过程，所以在一般情况下，不会发生变形缺陷，可以顺利地成形，而悬空区是否能顺利成形是曲面形状零件成形的关键[2] 。
根据板料悬空区的受力特征，可以推导出悬空区所受的径向拉应力σr与切向压应力σθ：
式中，σs为材料屈服应力；R1、R2、R分别为悬空区最小、最大、任意处的径向尺寸；β为材料塑变硬化系数，可近似取1．l。
设W是在压边力Q的作用下C点产生的径向拉应力（图4），则式中，μ为摩擦系数t为板厚。
由式（1）的径向拉应力与切向压应力等式，绘制出悬空区径向拉应力σr与切向压应力σθ的分布图，如图4所示。可以看出：悬空区径向拉应力的数值向外渐小；悬空区切向压应力的绝对值向外渐大，在悬空区与压边区交界点C处绝对值最大山B′处径向拉应力与切向压应力数值相等。
根据式（1）可知，增大压边力Q，会使W增大，可引起图4中的应力分布曲线上移，这样会使最大径向拉应力增大，最大切向压应力减小，过分地增大Q值，在AB′区间易引起板料拉裂；反之，减小压边力Q，会引起悬空区切向压应力增大，在B′C区间易产生板受压屈曲与起皱。在保证板料不产生压缩失稳的条件下，尽量采用小压边力，以免引起板料拉裂，但板料受压屈曲、板料拉裂与压边力的关系是相反的，如果能采用一种板成形加工工艺可以抑制板料受压屈曲，就可以减小压边力，同时也就可以避免板料拉裂。
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