采用离散式模具的大型曲面逐段成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属塑性加工领域，涉及了一种板料成形方法，适用于大型三维曲面 零件的快速、低成本加工。
【背景技术】
[0002] 目前，在轮船、飞机、高速列车、化工容器等制造领域以及现代建筑结构、城市雕塑 中对大型三维曲面零件的需求量越来越大。模具成形质量好、精度高，是加工曲面零件的有 效方法，但是，传统的整体成形方法加工的曲面其尺寸不能超过模具的成形面积，因此，大 型曲面零件成形需要大型模具及大台面加工设备，由于大型模具制造费用极大，大型设备 造价昂贵，大型三维曲面零件的生产成本极高，特别是当大型曲面超过一定尺寸，例如十几 米、几十米时，由于制造超大台面加工设备存在技术上的困难，整体成形方法无法实现的。 随着工程上对大型曲面零件的需求越来越多，大型曲面零件成形的技术难题亟待解决，急 需开发出快速、低成本的大型曲面加工新技术。
[0003] 采用离散式模具的大型曲面逐段成形方法，是解决大型三维曲面成形问题的一种 有效途径。这种成形方法以一套离散式型面可调的上、下模具作为成形工具，利用离散式模 具的型面可调性，逐次调整模具型面的形状，通过对板料实施逐段对压成形获得大尺寸的 曲面零件。这种成形方法只需要一套离散式模具，在小设备上就可实现大尺寸曲面零件的 成形，可大大降低加工成本，为大型三维曲面零件成形开辟一条新途径。
【发明内容】
[0004] 针对大型三维曲面零件的成形问题，本发明将提供一种采用离散式模具的逐段成 形方法，将待成形的大型曲面顺序地分成若干个模具成形面积大小的区段，基于离散式模 具型面的可调性，逐次调整用于各区段成形的模具型面，对板料逐段进行对压成形。在各区 段成形时，离散式模具分成有效成形区与成形过渡区两部分，通过合理地设计成形过渡区 的模具型面形状，使相邻成形区段衔接处的变形均匀过渡，从而避免成形缺陷产生，经逐段 成形后最终得到大型曲面零件。
[0005] 本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的，结合【附图说明】如下：
[0006] 采用离散式模具的大型曲面逐段成形方法，以一套离散式型面可调的上模具与下 模具作为成形工具，大型板料顺序地分成多个成形区段，通过逐段实施对压成形，获得尺寸 大于模具的一次成形面积的大型曲面成形件；所述的离散式上模具和下模具均由规则排 列的高度可调节的基本体单元阵列组成，上模具型面与下模具型面的曲面形状由各基本体 单元的高度来控制；所述的逐段成形方法在各成形区段成形时，板料的变形发生在上模具 与下模具对压的区域即成形区内，各成形区段的成形区分成有效成形区与成形过渡区两部 分，通过合理地设计有效成形区成形过渡区的模具型面形状，使相邻成形区段衔接处的变 形均匀过渡，从而避免成形缺陷产生，经逐段成形后最终得到大型曲面成形件，其特征在 于，所述的采用离散式模具的大型曲面逐段成形方法的具体步骤如下：
[0007] 步骤一、以离散式模具基本体单元的高度方向为z-坐标轴方向，并以基本体单元 的列排列方向为X-坐标轴方向，以基本体单元的行排列方向为y-坐标轴方向；待成形的 曲面成形件的长度方向取为分段方向，待成形的曲面成形件的宽度方向与y-坐标轴方向 一致；确定第i列基本体单元的中心线在X-方向的坐标Xi，其中i= 1，2,…，m，m是基本 体单元的列数；确定第j行基本体单元的中心线在y-方向的坐标y_j，其中j= 1，2,…，n， η是基本体单元的行数；
[0008] 步骤二、确定各成形区段的成形区的有效成形区与成形过渡区的长度，按公式（1) 计算出逐段成形需要的总成形区段数Ν，将待成形的曲面成形件的目标曲面均匀划分成Ν 成形区段，确定各成形区段的目标曲面Sk，其中k= 1，2,…，Ν;
[0010] 式中，L为待成形的曲面成形件沿分段方向的总长度，1?为有效成形区的基本体单 元的列数，m-niiS成形过渡区的基本体单元的列数，d为相邻基本体单元之间的中心线距 离；
[0011] 步骤三、确定用于各成形区段板料成形的模具型面形状；第1成形区段至第N-1成 形区段中的各成形区段的成形区分成有效成形区与成形过渡区两部分，成形区的模具型面 也相应地分成有效成形区模具型面与成形过渡区模具型面两部分；根据第1成形区段至第 N-1成形区段中的各成形区段的曲面Sk，其中k= 1，2,…，N-1，确定各成形区段的有效成形 区的模具型面形状；根据曲率均匀变化的原则确定各成形区段的成形过渡区的模具型面形 状；首先，调整上模具与下模具的基本体单元的高度形成用于第1成形区段成形的上模具 型面与下模具型面，对板料的第1成形区段进行对压成形；然后调整基本体单元的高度形 成用于下一成形区段成形的上模具型面与下模具型面，将未变形的板料向前进给，以前一 成形区段成形出的成形过渡区成形曲面及一段长度为（m-nOd的未变形板料为坯料进行下 一成形区段的曲面成形，通过有效成形区的成形获得有效成形区成形曲面，随着逐段成形 的进行，形成逐段扩大的已成形的曲面；
[0012] 步骤四、根据最后成形区段，即第N成形区段的曲面&确定用于最后成形区段即 第N成形区段的板料成形的模具型面形状，调整上模具与下模具的基本体单元高度，构成 用于第N成形区段成形的上模具型面与下模具型面，以第N-1成形区段的成形过渡区成形 曲面及剩余部分的未变形板料作为坯料进行第N成形区段成形，完成大型曲面成形件的逐 段成形过程。
[0013] 进一步的技术方案包括：
[0014] 步骤三中，确定用于第1成形区段至第N-ι成形区段板料成形的有效成形区模具 型面与成形过渡区模具型面的过程为：
[0015] i.确定待成形的曲面成形件的第k成形区段目标曲面&在χ-y平面投影面积最 大的投影方向，设定其为第k成形区段成形的冲压方向，使冲压方向与离散式模具基本体 单元的高度方向即z-坐标轴的方向一致，将曲面冲压方向定位，并确定曲面Sk的方程 s(k) (X，y)，其中k= 1，2,…，N-1 ;
[0016] ii.有效成形区的模具型面根据该成形区段曲面零件的目标曲面s(k)(x，y)确定， 使板料在有效成形区内成形后获得该成形区段的最终曲面形状；有效成形区的上模具与下 模具的第1至第叫列基本体单元的高度利用公式（2)计算：
[0017]
[0018] 式中，<为上模具的第i列第j行基本体单元的高度方向坐标，< 为下模具的第 i列第j行基本体单元的高度方向坐标；r为基本体单元球冠的半径，t为曲面零件的厚度； if为上模具的第i列第j行基本体单元与曲面(X，y)切点的X-坐标，为上模具的第 i列第j行基本体单元与曲面s(k) (X，y)切点的y-坐标，；< 为下模具的第i列第j行基本 体单元与曲面S(k) (X，y)切点的X-坐标，为下模具的第i列第j行基本体单元与曲面s(k) (X，y)切点的y-坐标，由方程⑶求解得到：
[0019]
[0020] 式中，计算上模具的基本体单元与曲面s(k) (X，y)切点时，δ= 1，计算下模具的基 本体单元与曲面s(k)(x，y)切点时，δ= -1 ;Xi为基本体单元的中心线在X-方向的坐标， 为基本体单元的中心线在y-方向的坐标；
[0021] iii.成形过渡区的模具型面基于曲率均匀变化的原则来进行设计，使板料在成形 过渡区变形后获得的成形过渡区成形曲面的曲率从有效成形区与成形过渡区边界到成形 过渡区与未变形板料边界均匀减小为零，确定成形过渡区模具型面形状的具体过程为：
[0022]a.根据第k成形区段成形曲面方程s(k) (X，y)，确定处于有效成形区与成形过渡 区边界上的系列点(?%)的y_方向曲率其中j= 1，2,…，η;求解方程组，计算出第 k成形区段的成形过渡区成形曲面在（Xi,y_j)处的ζ-坐标ζΜ，其中i= 11^+1，j= 1，2,…，η ;
[0023]
[0024] b.基于有序的空间数据点(Xi,y.j,ζ^)，其中i=π^+1,…，m;j= 1，2,…，n，进 行三次B样条曲面插值，得到由方程（5)表示的第k成形区段的成形过渡区成形曲面：
[0025]
[0026] 其中，Bp,4(x)与Bq,4(y)为三次B样条基函数；B样条曲面的控制点bp,q由方程组 (6)确定：
[0027]
[0028]c.成形过渡区内的上模具与下模具的第叫+1至第m列基本体单元的高度利用公 式（7)计算：
[0029]
[0030] 其中，<为上模具的第i列第j行基本体单元的高度方向坐标，$为下模具的第i 列第j行基本体单元的高度方向坐标，4为上模具的第i列第j行基本体单元与曲面g(k) (X，y)切点的X-坐标，为上模具的第i列第j行基本体单元与曲面g(k) (X，y)切点的y-坐 标，4为下模具的第i列第j行基本体单元与曲面g(k) (X，y)切点的X-坐标，％为下模具 的第i列第j行基本体单元与曲面g(k) (X，y)切点的y-坐标，由方程（8)求解得到：
[0031]
[0032] 式中，计算上模具的基本体单元与曲面g(k) (x,y)切点时，δ= 1，计算下模具的基 本体单元与曲面g(k) (X，y)切点时，