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如图3所示。

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。

通过以上分析可知：板料在曲面成形时，板悬空区受切向压应力作用，同时由于没有受到模具体的约束，悬空区（特别在B′C区间）易产生压缩屈曲与起皱。为了解决这个问题，首先从模具的结构入手，在板曲面成形过程中对板悬空区易起皱处施加一种有效的约束，抑制其受压屈曲与起皱。在此基础上提出一种新颖的板成形技术——模内压板与成形复合工艺。

模内压板与成形复合工艺就是通过板成形模型腔内的弹性压板装置，使板料在成形过程中受板面法向压板力的约束，以保证板料顺利成形。如图5a所示，板料在曲面成形过程中，其悬空区易起皱部位一直受上下压板圈的约束，该约束力由弹簧7产生，该压力可以有效地抑制板的屈曲与起皱；上下模在合模过程中，上下压板圈不断内缩，最终到达限位点，这时压板圈的压板面与模具成形面构成一个完整的模具成形面，实现对曲面板件的定形（图5b）。

通过以上分析可以认为，在成形板的板面法向施加一定的压力可以很好地抑制板的起皱。这种方法可以应用于可重构的杆系柔性成形模具中，将上下压板圈用若干个可伸缩的离散杆替代，使离散杆具有“压板”与“成形”复合功能。

3 用“复合杆”代替“调节杆”

在图2“单元调节杆”的基础上进行改进，使其具有“压板”与“成形”复合功能，构成“压板与成形功能复合杆”（简称“复合杆”），并在此基础上形成“模内压板与成形”复合冲压工艺。“单元复合杆”的机构原理如图6所示。

在“单元复合杆”中，伸缩套的伸缩位置受调位螺母（或称限位块）的控制，而调位螺母由螺杆定位。在板成形过程中，凸凹模中相对应的“单元复合杆”在压簧的作用下首先进行“压板”，在上模具体的下行（或下模具体的上行）的带动下，冲压头和伸缩套向内缩，这时在压簧的作用下，压板力渐渐增大，当冲压头和伸缩套向内缩到一定行程（压板行程）后，调位螺母抵住伸缩套与冲压头，使冲压头定位，无法再内缩，这时冲压头迫使板料成形。

由“复合杆”构成的杆系柔性模具，在板料成形加工时，“压板”与“成形加工”同时进行，实现“模内压板与成形”复合冲压工艺，这种过程可以有效地阻止板料在成形过程中的受压屈曲与起皱；另外通过微调“调位螺母”的位置，可以有效地补偿成形板的回弹量。压板力的大小可以通过更换内压簧调节。“单元复合杆”与“单元调节杆”可以组合使用，也可以单一组合使用。

4 杆系柔性成形模的板加工工艺特点

杆系柔性成形模系统对板件的成形加工过程如图7所示。

与无模多点成形技术相比[2] ，杆系柔性成形模的创新点表现如下：①将可以伸缩与定位的“复合杆”应用于可重构模具，在板成形过程中将“压板”与“成形”相结合，形成l模内压板与成形”复合冲压工艺，这样可以有效地抑制板的受压屈曲与起皱；②采用“变形冲压头”与离散杆配合，可以较好地拟合理想成形面，增大板成形时的接触面，保证板成形件的表面形状精度；③由于模具中的“复合杆”具有压板功能，这样就可以省去直接成形。由于杆系柔性成形模结构和冲压工艺的独特性，杆系柔性成形模在板料成形加工过程中产生了一些鲜明的特点。

4．l 抑制成形板料的起皱

板料在离散单元复合杆作用下的成形过程上下成形模一般要经过“对板”、“压板”、“压板与成形”、“定形”4个过程。图8为复合杆成形模曲面成形示意图。可以看出，在离散复合杆成形模的曲面成形过程中，上下模的复合杆冲压头在弹簧的作用下对板施加了压板力。

在板料成形初期，上下模复合杆冲压头在弹簧的作用下压板，板在成形过程中，板的上下面都受压，悬空部分少；上模在下行过程中，S1杆首先到限位点，杆头促使板料成形，这时S2～S5杆的杆头仍在弹簧的作用下压板，上模继续下行，S2～S5杆的伸缩套依次到达限位点，这时若干个杆头成形面近似地拟合成模具成形面，对板件实现定形。下模中的复合杆也有类似的过程。板料在成形过程中，板的上下面受压板力的约束，从而可以抑制板的压缩屈曲与起皱。通过上面的分析可以认为，采用复合杆柔性成形模具进行板件的曲面成形，可以阻止板料的压缩屈曲与起皱。

4．2 降低成形板的回弹量

在成形过程中，减小板回弹量的途径有以下3种方法：

（1）应用有限元计算方法模拟板的成形过程，预测板的回弹量，或通过试加工，测量出已成形板的局部回弹量。根据预测或测量的回弹量预处理板件的三维曲面形状，对产生回弹的曲面，增大或减少其局部曲率半径，相应地调整模具复杆中限位块的位置，补偿弯曲成形板局部的回弹量。

（2）在板料弯曲成形过程中，在易产生回弹的部分设置较大的表面压力用以改变板的内应力状态，使弯曲成形板的内表面的压应力与外表面的拉应力差值减少，从而减小回弹量[1] 。

图9a表示板料在上下模间基本成形后，上下模对板施加较大的表面压力，可以减小弯曲板料内表面与外表面间的应力值之差。图9b中A与B分别表示弯曲板料变形区内表面与外表面上两点的应力状况，由于弯曲变形是塑性变形，所以A与B两点都处在屈服椭圆上。这时A点的切向应力为压应力出点的切向应力为拉应力，不同性质的切向应力形成较大的弯矩。当上下模对板施加较大的表面压力时，会使径向压力增大J与B两点会按箭头所示方向移动，向C点靠近。这样由于A点与B点上切向应力的差值减小，会使弯矩变小。当表面压力足够大时，可使A点与B点于C处会合，这时弯矩达到最小，当弯矩为零时，就不存在弯曲变形区的回弹现象。

用整体成形模加工板料时，通常是对整个成形板面施加较大的表面压力（定形力），这可能会使板的厚度产生变化，并且在斜率较大的斜坡面与平面处由定形力产生的压应力不同。这时施加较大的表面压力会使板件的整体内部应力增大，并且内应力不均匀，从而会导致板件的整体变形。而杆系柔性成形模由若干个离散杆构成，在板成形时微调局部的几个杆，在指定的局部可以产生较大的表面压力，从而可以减少局部变形区的回弹量，而不影响板件的整体形状。如图9所示，通过局部施加较大表面压力改变板的内应力状态，减少成形板的回弹量。

（3）在板成形过程中，可以采用反复成形技术，减小成形件内部的残余应力，实现板件的小回弹或无回弹成形[3] 。由于杆系柔性成形模可以快速地重构成形面，对于有较大深度的弯曲或拉深曲面，采用反复成形工艺，减少板件的每次加工变形量，从而减小工件内部的残余应力，减小回弹量。

5 变形冲压头的曲面拟合方法

杆系柔性成形模需要前端CAD模型数据来驱动。使用复合杆柔性成形模时，计算机首先读取被加工板件的三维模型数据，计算成形面的尺寸以及每个杆限位块的位置，同时分析出相应杆头的形状，输出每个位置杆头的形状数据，提示更换相应形状的冲压头；然后计算机控制步进电机带动螺杆旋转，调节限位块的位置，从而调整好整个杆系柔性成形模具。

可通过分析被加工板件的表面数据来确定选用何种形状的冲压头。由于板件的局部曲面（设杆头的截面尺寸为 40mm X 40mm）形式多种多样，不可能制作无限多个任意表面形状的冲压头。如图10所示，本系统是以冲压头型面的中间点Pc与周边四角点形成的 二 段 弧 线（弧P1＿Pc＿P3和P2＿Pc＿P4）的半径r1、r2和弧线中心点O1到Pc的方向矢与坐标轴Z向的夹角θ1、θ2，作为描述变形冲压头的主参数，将半径r1、r2和夹角θ1、θ2设定一定的间隔，将其数值系列化，这样大约可预制400～500种形式的冲压头，就可以近似地拟合绝大多数形式的零件曲面，并将预制的各种形状的冲压头依据其主参数设定代码。对于被加工凸板面，冲压头曲面半径小于或等于板面曲率半径；对于被加工四板面，冲压头曲面半径大于或等于形面曲率半径。在实际使用中，每个杆位的冲压头的选择由计算机分析板件局部区域的形状特征，并输出相应的代码。

参考文献：
[1] 李明哲，蔡中义，崔相吉．多点成形——属板材柔性成形的新技术．金属成形工艺，2002，20（6）：5～9
[2] 李硕本．冲压工艺理论与新技术．北京：机械工业出版社，2002
[3] Chen F K，Liao Y C．Ananalysis of Draw—wall Wrinkling in a Stamping Die Design．The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2002，19（4）：253～259

作者简介：宋爱平，男，1965年生。东南大学机械系博士研究生，扬州大学机械工程学院副教授。主要研究方向为先进制造技术及新型制造装备。易红，男，1963年生。东南大学机械系博士研究生导师。汤文成，男，1958年生。东南大学机械系教授、博士研究生导师。倪中华，男，1968年生。东南大学机械系副教授。李盂民，男，1963年生。杨州大学机械工程学院副教授。