多点成形技术的发展和应用

摘要：多点成型技术是模具可重构技术的一种，由于其重构特性，可以实现任意造型的板材加工，大大降低模具成本，便于实现准确的数字加工。因此其在各行业尤其是造船业意义重大，是最有潜力代替目前造船业的瓶颈——水火弯板的技术。本文详细介绍了多点成形技术的组成，基本体群、调形系统、成形方式、加工缺陷以及多点成型技术的应用前景。
论文关键词：多点成形,船体外板,成形加工,基本体群,调形方式

　　0、引言

　　随着现代工业的发展,金属板材成形件的需求量越来越大要求越来越高。特别是船舶制造领域由于船体曲面复杂，外板的大小、形状多变在现代化的生产制造中急需板材加工的高质量自动化数字化，现在通用的凭工人经验的水火弯板技术已成为现代化造船的瓶颈。因此开发一种便于实现自动化的方法，提高生产效率和加工精度的生产方式意义重大。多点成形技术很好地解决了这方面的问题。

　　1、金属板材多点成形技术

　　多点成形（mult-point foring简称MPF）[1]的基本原理是将传统的整体模具离散成一系列规则排列高度可调的基本体（或冲头）由冲头的包络面代替传统的连续模具曲面来成型不同形状的金属板件。

　　数字化多点成形加工机[2]加工流程为外界导入或CAD软件建立工件目标曲面形状CAM进行工艺设计和工艺计算确定上下基本体群的高度位置和调形路径，并由计算机集散控制系统精确控制各基本体到达指定位置高度，然后接送料装置将待加工工件送入并定位，最后加压成型。

　　2、多点成形加工机各系统组成

　　2.1上下基本体群

　　2.1.1基本体形状

　　基本体是多点加工的最小加工单元。基本体工作端需要适应与各种曲率曲面的接触，另外还要能很好地调整基本体的竖向高度。目前其一般形状如图1，1-球形端部；2-带精密内螺纹的长方形主体；3-丝杆。通过丝杆的旋转来调整基本体的竖向高度，也起支撑作用。此种基本体头部为球形故可与任意曲面的任意部位形成点接触。但由于接触面积小易引起材料应力集中产生压痕和皱褶。

　　另外一种是方形可调活络压头[3]，其形状如图2， 1-方形压头；2-支撑体；3-螺杆；4-电机；5-弹簧，其方形头部可在支撑体凹槽内自由转动使方形面能与任意板材曲面相切。这种基本体头部与板材形成面接触较上一种接触面积增加很多，可减少压痕的发生利于板材光滑曲面的形成。

　　

　　图1 一般基本体图2方形可调活络压头（a）图2方形可调活络压头（b）

　　2.1.2基本体的排列与数量

　　通过基本体的有序排列从而形成成形包络面。同一侧基本体的排列一般方格式排列，简单均匀规则。以往国外的研究均采用如图3（a）非接触型[4]。在成型三位曲面时必定会对基本体产生侧向力。这会使得基本体位置精度降低影响成型精度，降低基本体寿命。图3基本体排列方式

　　另外一种是滑动接触型如图3（b），这种接触排列使相邻基本体能够相互支撑，增加基本体的刚度防止水平方向上基本体的弯曲变形，保证了基本体的位置精度，提高了基本体的寿命，有利于提高工件的成型精度降低缺陷的产生。

　　

闭环成形保证了加工工件的尺寸精度。

　　3.2分段成型

　　分段成形[7]就是把工件在不分离的情况下分成若干个成型区域分别成型，这种方法扩大了一定大小加工机的加工尺寸范围，大大降低了生产成本，也提高了板材的成型效率。

　　 3.2.1分段成型的特点：在分段成型时，工件的压制区形成强制变形区，通过自由变形区与未变形区相连。由于未变形区的影响，压制区中并不全是目标成形区。另外当过渡区的塑性变形较大时容易产生加工硬化，这种缺陷导致留下不规则区面。因此控制过渡区图8 变形区分布

　　的的剧烈变形是保证分段成形质量的关键。变形区分布如图8。 1-强制变形区；2-过渡区；3-未变形区

　　3.2.2常见的分段成型方法：

　　重叠区域成型方法，在前后两部分压制区间留出一定的重叠区域，这种方法能够避免成型不充分，但过渡区会产生相对强烈的塑性变形，一旦产生后，就很难消除。

　　为了避免上述缺陷，采用过渡变形协调方法，通过预置合理的成型路径，避免加工硬化。此外，多道成型方法也是消除局部塑性变形的另一类方式，把工件进行多道分段压制，因为变形量减小，避免了局部剧烈变形的出现。但由于多道次缘故，大大降低了成型效率。另外还可以使用组合成形即综合使用几种上述方法，防止过渡区的剧烈变形，但其控制比较复杂。

　　3.3多点与渐进成形的结合

　　目前有两种复合方法：第一种是先在多点成形压力机上预成形，再将预成形板料在数控加工设备上进行精确逐渐成形[8]。这种方法不需要对多点成形机提出太多的精度要求，又能大大提高逐渐成形的加工效率和精度。第二种是用下基本体群作逐进成形的支撑模具。这种方法可将多点成形机和逐进成形数控装控各取一部分拼合成一种机器。可免去支撑模具的制造，降低生产成本，提高生产效率，较适用于形状复杂的三维曲面零件。

　　4、应用状况

　　上世纪较早根据可重构模具原理东德和日本等研制的多压头式数控弯板机设备由于技术困难，成形质量不佳均未成功。

　　日本研制的多点压力机也仅停留在研制和成形试验层面，后来我国吉林大学在2000年研制成功多点成形机，其无模成形技术开发中心随后开发出一系列商用多点成形设备，如YAM系列，成形压力由200kN到20000kN。成功应用于高速列车车头外覆盖件，楼宇装饰板，医用颅骨的生产成形，鸟巢主桁架构件的加工。

　　武汉理工大学与山东硕力机械联合成功研制出船舶三维数控弯板机。该机首次开发应用了方形压头，解决了起皱和压痕的问题，使用液压调形优化了结构和性能，其加工出的船用板材如帆形板、马鞍形板达到了船用板的加工要求。相信船舶三维数控弯板机的推广应用将会对造船业产生重大影响大大推进数字化造船进程。

　　5、结束语

　　多点成形技术不仅解决了制造大量模具的问题，降低了生产成本，而且是加工大型三维曲面板材的一个理想方法，迎合了实现数字化自动化生产加工的历史趋向，相信随着多点成型技术的发展，其加工缺陷的改善和结构、原理的成熟，其对目前三维曲面板件的加工将产生革命性的影响。

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参考文献
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