[发明专利]一种由模具型面变化驱动的曲面胀拉成形方法

摘要

本发明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。

主权项

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(1)各基本体单元(6)高度方向初始位置取于z_min处，离散式模具(1)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(5)的目标曲面方程s(x,y)，利用方程(8)计算曲面s(x,y)在(x_i,y_j)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(8)，设定t时刻的成形曲面(8)在离散点(x_i,y_j)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(8)在(x_i,y_j)处的z‑坐标z_i,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(x_i,y_j)处的点在x‑、y‑方向的曲率，x_i(i＝1,2,…,m)为第i列基本体单元(6)的中心线在x‑方向的坐标，y_j(j＝1,2,…,n)为第j行基本体单元(6)的中心线在y‑方向的坐标；d为相邻基本体单元(6)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(8)，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时刻的成形曲面(8)的曲面方程s(t)(x,y)：其中，B_k,4(x)与B_l,4(y)为三次B样条基函数；b_k,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b_k,l；步骤六：确定离散式模具(1)的各个基本体单元(6)球冠与t时刻的成形曲面(8)的接触点，求解方程(15)得到离散式模具(1)的第i列第j行基本体单元(6)与曲面s^(t)(x,y)的切点坐标利用方程(16)计算离散式模具(1)的第i列第j行基本体单元(6)在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(1)各基本体单元(6)的高度方向坐标控制各基本体单元(6)的高度，形成t时刻胀拉成形的模具型面(3)；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(6)的高度的随时间变化历程，实时控制离散式模具(1)的型面，使四边夹持于夹钳(2)的板料(4)逐渐变形，实现三维曲面的胀拉成形。