电磁辅助钣金拉延快速成形技术

优胜编程龚老师

电磁辅助钣金拉延快速成形技术：

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      金属板材三维曲面类零件具有薄壳的结构特点，因其重量轻、材料省、力学性能好、几何造型流畅，往往作为主要零件，在民用产品、军用产品以及现代高技术产品等各种制造领域广为应用。特别是随着现代工业的飞速发展和人民生活水平的不断提高，金属板材成形件的需求量越来越大。尤其是在航空航天、造船、汽车等生产行业，板材成形占有举足轻重的地位。在传统板材成形方法中，模具成形方法以其适应性广、生产效率高、适合大批量生产等诸多优点，多年来一直占据着主导地位。但随着时代的发展，产品的更新换代的速度越来越快，钣金件生产的多品种、小批量和个性化的趋势愈来愈明显。而传统模具的设计、制造周期比较长，在投入使用前，需要经过长时间的反复试模、修模，而且模具材料和加工成本都比较高，因此传统模具成形方法很难满足当前快速发展的社会需求。开发出能迅速适应产品更新换代、自动化程度高、适应性广的新技术、新设备已经成为板材成形领域的迫切需要。


    在这种需求下，许多板材成形的新技术和新方法应运而生。主要有：成形锤渐进成形、数字化渐进成形、激光热应力成形、激光冲压成形、无模多点成形等等。这些技术都是在计算机控制系统的支撑下，实现板材的无模成形，具有很大的“柔性”。它们克服了传统模具成形的不足，节省了模具制造费用，缩短了开发周期，特别适合新产品的开发和小批量生产，体现了敏捷制造的理念。我们实验室通过对传统整体模和作者简介：刘敬平，男，青岛理工大学在读硕士研究士，研究方向为模具制造与快速成形。多种无模成形技术的研究，在无模多点成形技术基础上提出了一种新的板材拉伸成形技术一电磁辅蹴金拉伸快速成形技术。首先介绍一下无模多点成形技术。



      1无模多点成形技术



    无模多点成形技术是基于“离散”思想，将柔性制造技术和计算机控制技术结合为一体的先进制造技术。其基本思想是将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的单元体，通过对各单元体运动的实时控制，自由地构造出成形面，从而实现板材三维曲面成形。



    我们可以看出，在整体模具成形中，板材由模具曲面来成形，而多点成形中则由单元体冲头的包络面(或成形曲面)来完成。



    由于各单元体的位置可根据成形零件的形状进行调节，因此每次改变各单元体的空问位置就可以改变成形曲面，这也就相当于重新构造了成形模具，具有很大的“柔性”。无模多点成形技术具有成形板材无需另外配置模具，成形模具的形状可变，成形路径町变，实现无回弹成形，小设备成形大型件，易于实现自动化的优点。但是它也存在一些特有的缺陷：压痕、阶梯效应和边界效应等。其中最主要的缺陷是压痕，通过对多点成形压痕成形机理的分析可知，压痕主要是由于接触压力的高度集中，变形过于局部化以及挠曲变形刚度不合理造成的。针对压痕的成形机理，多点成形技术也采取了一些措施，如采用大曲率半径的|中头，在冲头与板材之问使用弹性垫和采用多点压机成形方式等等。这些方法虽然在一定程度上能够抑止和减轻压痕，但是效果并不尽人意。



  我们实验室提出的电磁辅助钣金拉伸快速成形技术综合了多点成形和传统整体模的成形优点，能很好的消除阶梯效应和压痕。下面就介绍一下电磁辅助钣金拉伸快速成形技术。



  2电磁辅助钣金拉伸快速成形技术



  2．1系统组成



    电磁辅助钣金拉伸快速成形技术是在多点成形技术的基础上发展而来的，它的工作原理和多点成形技术有几分相似。它的工作原理可以简单地描述为：首先由步进电机将单元体驱动到指定位置，然后利用磁场对磁性材料粉末有力的作用和磁场的光顺性，用磁性材料粉末将单元体之间的凹坑填平，最后加上大强度的夹紧磁场，单元体与磁性材料粉末在强大磁场 的作用下成为一个整体，成为传统意义上的实体模。电磁辅助钣金拉伸快速成型技术的思想是：整体----离散一整体，而多点成形技术的思想是：整体一离散。因此这种技术不仅具有多点成形技术的优点，而且同时具有传统实体模成形精度高、表面光滑、美观的优点。



    电磁辅助钣金拉伸快速成形系统主要有单元体群、成形压力机、调形计算机控制系统、修形计算机控制系统、成形计算机控制系统及CAD软件系统构成。



      单元体群是由很多排列整齐的圆柱形单元体组成。由于直线步进电机具有结构简单、定位精度高、和反应速度快、灵敏度高的优点，我们选择直线步进电机来实现对各个单元体的驱动调整。为了防止单元体因受侧向力而产生侧向滑移，我们在单元体群四周都装有固定挡板，同时还可在基本体调整时起导向作用。当基本体群调形和修形完成后，就像整体模一样，直接固定于压力机的机架上，采用导柱导向，由液压系统驱动，实现基本体群的整体移动来成形零件。CAD软件系统可以根据成形零件的形状特征绘出成形零件的图形，为调形计算机控制系统和修形计算机控制系统提供数据信息。调形、修形和成形计算机控制系统根据cAD软件系统所提供的成形零件的几何形状的数据信息对基本体群进行调整和控制单元体中电磁线圈中的电流的大小，实现模具的电磁修形和控制压力机进行成形。该技术的难点是修形磁场的分析、计算和修形控制系统软件模块的开发。



2．2工作过程分析



    电磁辅助钣金拉深成形中所用的单元体。它主要有电磁线圈1、电磁铁心2、隔磁材料



3、连接头4、引线5等几部分组成，每个单元体通过连接头与直线步进电机连接。电磁辅助钣金拉伸成形过程一般可分为调形、修形和成形三个过程。在成形前，计算机根据成形零件的CAD图形数据，控制各单元体运动到指定位置，使单元体头部的包络面形成成形零件的曲面形状，这是调形过程。当单元体被驱动到指定位置后，然后再由另外一套控制电路，由计算机根据成形零件CAD制图的形状数据，通过对成形零件的数据结果分析，利用磁场分析理论，计算出每个通电线圈



    1一电磁线圈



    2一电磁铁心



    3一隔磁材料



    4一连接头



    5一引线



      电磁辅助钣金拉深单元体中的电流大小和向每个电磁线圈通电，形成修形所需的磁场。然后将单元体群放进一个装满磁陛材料粉末的容器中，拔出后单元体上吸满磁性材料粉末。再用一个大小相等的凹模磁场进行修形，由牛顿第三定律可知，凸模上多余的磁性粉末被去修除掉，形成成形所需的凸模，这是修形过程。凹模可以采用充满高压液体的橡胶皮囊或者橡胶软模，也可以用修形好的凹模，修形后的单元体群效果图如图4所示。反过来也

  1一直线步进电机

  2一单元体

  3一夹紧电磁线圈

  4一磁性材料粉末

      修形后的单元体群可以用凸模对凹模进行修形。这时的磁场只是修形磁场，还不可以用来成形，成形还需要另外一个强度很大的夹紧磁场。在强大的成形夹紧磁场力的作用下，使单元体与磁粉成为一个整体实模，这时就可以用来成形了。成形不受成形材料厚度的影响，可以达到与传统实体模一样的成形厚度。

    当需要成形新的零件时，只需取消夹紧磁场。通过调形控制系统控制直线步进电机，将单元体驱动到新的指定位置，然后再通过修形，夹紧，成为新的模具形状。

    电磁辅助钣金拉深成形技术已不同于无模多点成形技术，是一种全新的技术。在多点成形技术中，板材与单元体之问是点接触，接触面积比较小，因此最终成形中难免产生压痕缺陷。虽然使用了弹性垫技术，但由于弹性垫本身比较软，所以有时板料与单元体很难充分变形，容易产生回弹现象。而电磁辅助钣金拉伸成形技术，对成形零件已经不是每个离散的单元体，而是一个整体模，因此能够很好地消除压痕和阶梯效应等缺陷。


3结论

    电磁辅助钣金拉伸快速成形技术是个新课题，是涉及电磁学、力学、塑性成形学、计算机控制技术、CAD／CAM和摩擦学等领域的综合性课题，很有现实应用和理论研究意义。电磁辅助钣金拉深陕速成形技术不仅具有多点成形的优点，而且具有整体模的优点。不仅适合于新产品的开发和设计验证，而且能进行批量生产。这种模具的特点是：制作周期短，低成本，易于修改，还可作为制作正式钢模具前的工艺验证。可以预见，该技术将会在汽车、造船、航空航天业得到广泛的应用和发展，具有广阔的应用前景，将会产生显著的经济和社会效益