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多点成形技术的发展和应用

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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-pointforing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。

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上下基本体点阵的位置关系有两种。一种是对齐型（图4（a））即上下基本体一一对应其优点是上下基本体排列一样设计简单而且减少了自动控制的计算量，但易产生皱褶。其基本体行列数与基本体利用率如图5。由图可知基本体行列数为10左右为最佳选择区。

图4上下基本体排列方式图5基本体行列数与利用率关系

另一种是错移型，其基本体位置关系如图4（b）上下基本位置不同从而使得设计、制造及自动控制较上一种复杂，但它的优点是能使板材处于较好受力状态。同时基本体所围空隙中的板材受到了约束，有效防止了其由于受压应力产生皱褶缺陷的可能。一般基本体行列数也是选10左右为最佳选择区。

2.1.3基本体包络面成形缺陷及对策

多点成型工件的主要缺陷是压痕和失稳[5]，由于薄钢板刚度较差故易在板料和凸模接触处产生变形。所以当其他条件一样时板材越厚压痕越少，另一方面板厚一定时工件曲率半径越小处压痕越严重。

失稳主要产生折线和皱纹两种缺陷，其产生原因是板料与基本体接触面积小。因此板料的约束越少，失稳缺陷越大。另一方面，板料越薄变形程度越大都会使失稳更严重。

基本体端部为球形的多点成型机多采用加弹性垫的方式来增加板料与基本体的接触面积改善压痕与失稳缺陷，如图6。基本体端部为方形压头的多点成型机由于有效地增大了基本体与板料的接触面，若再加上采用错移形排列使个基本体均得到对侧三个基本体的支撑，如武汉理工大学与山东硕力机械合作研制的船用钢板三维数字加工机可不加弹性垫也能得到光滑的成型面。另外，采用逐次成型法可减小每次板材压型的变形量也有利于降低工件缺陷的产生。

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压痕示例失稳示例

图6图7串行调形机构

2.2调形系统

2.2.1串行调形

最早采用的是串行调形又称机械手调形。机构如图