Invar 钢由于其低膨胀性能,越 来越多地被应用于复合制件模具的 制作中[1-2]。其中,模具型面是由 Invar 钢中厚板通过压力机等弯曲设 备预成形后焊接,再用数控机床加工 而成 [3]。传统的压力机成形方法具 有型面切割较小、精度低、效率低等 问题,而切割较小又会导致焊缝长度 大,出现缺陷的概率也增大;精度低 会导致需要用较厚的板来预成型,数 控加工工作量大,且型面厚度不均 匀,影响总体质量。在此背景下,更 高效率和质量的 Invar 钢板材成形方 法十分必要。
方形压头可调活络模具非对压 技术 [4-6] 是一种新型的双曲度板材成 形加工技术。实际生产表明,该技术 能够显著提高双曲度板材的成形加工 效率。该技术在抑制压痕、起皱方面 具有良好的作用,压制的双曲度板材 表面光顺,消除了光滑曲面离散化成 平面后导致加工工件不光顺的问题。
但是,板材成形过程中存在的回 弹现象,严重影响了板材的成形质 量、加工效率和成本 [7-10]。该装置原 有的解决回弹的方法是多次冲压,反 复测量、补偿,直至满足精度要求,实 践证明,该方法是可行的,但补偿效 率较低。由于回弹问题本身的复杂 性,至今没有适用性较广、准确性较 高的回弹理论出现。本项目旨在通 过试验研究,针对武汉理工大学研发 的数控弯板机的特定板材成形环境 和 Invar 钢材料 , 分析其回弹规律, 以期能够提高回弹补偿效率。
加工方法及加工对象介绍
1 活络方形压头非对压技术
活络方形压头非对压技术是一 种新型的双曲度板材成形加工方法, 依托该技术研制的三维数控弯板机 已在船舶建造领域应用,并取得了良 好的效果。大幅提高加工效率,并有 效地保证了加工质量,克服了之前的可重构模具和多点成形技术易产生 压痕和皱折的问题,特别适合于双曲 度中厚、厚板的成形加工。下面将对 该装置及其原理作简要介绍。三维数控弯板机的工作原理如 图1 所示。
通过电机推动螺杆实现 单个下压头的上下运动,下模调型完 成后,放置板材并定位,液压装置推 动上模下压,上下压头都可根据目标 曲面形状旋转,所构成的包络面能够 很好地拟合板材曲面形状。单元体为控制板材形状的基本 单位,由方形压头、支柱和螺杆构成, 电机驱动螺杆控制压头高度,以拟合 曲面形状。
方形压头表面为四边形 平面,在边缘和四角有一定的倒角和 切削,倒角和切削能改善压头与板材 表面的接触状况,更有效地限制压 痕。压头下部分为半球形,以便于压 头表面随着板材形状作一定的旋转, 更好地贴合曲面;底端与弹簧相连, 固定在支柱上,当一次冲压完成后, 弹簧可保证压头回复到水平状态。上模施压时,板材与压头局部区 域面接触。非对压方式,使得每个上 压头由 4 个下压头支撑;每个下压 头由 4 个上压头支撑,这样能够更好 地限制板材的面外变形,防止变形区 域过于集中形成折横,包络面更为光 顺。在冲压时,为防止皱折的产生, 下模形状一般凹面朝上,上模下压 时,板材边缘区域先被压住(类似板 料冲压时的压延边),板材在冲压过 程中,面内具有较大拉应力,可有效 防止板材局部失稳起皱和减少回弹。生产实践表明,数控弯板机(图 2)板材成形效果良好,不会出现压痕和局部不光顺等成形缺陷。
对于长板的冲压,采用分段逐段 冲压成形工艺,在两段之间设置重叠 区与过渡区,以保证纵向线型的连续 性。在板材一段加工完成后,上模抬 起,调节下模形状,继续压制下一段。两段之间的过渡区域可减弱加工区 域对已成形区域的影响,过渡区的大 小根据实际形状和经验确定。这样, 可以逐段加工,逐步测量,加工长度 远大于模具的板材。
2 Invar钢型板
本文研究对象材料为 Invar36, 标称厚度 20mm,实际厚度 19.05mm。其主要机械性能见表1[11]。
由表1 可知,Invar 钢具有良好 的塑性,强度不高,适合于冷弯成形 加工。与 Q235 相比,弹性模量小, 屈服强度相近,从材料的角度看,便 于使用活络模具加工。Invar 钢模具型板在形状上通常 具有曲率较大,且分布不均匀,板材大小相差较大等特点。此外,模具框 架较船体框架密集,故装配时对精度 的要求较高。从加工要求看,加工难 度较船体外板高。
试验研究方案
由理论分析可知,回弹主要与工 件形状、材料性质、板材厚度等因素有 关。实际板材弯曲影响因素更为复杂, 与成形速度、载荷,摩擦情况、下压力 的加载形式、分析点在板材的位置等 都密切相关。由于试验条件和分析手 段所限,本文主要分析曲面形状和距 边缘距离对回弹量的影响,即弯曲程 度和位置对回弹的影响。
1 回弹描述
本文采用回弹后的曲率 K1 与回 弹前的曲率 K0 之比,即 K1/K0 来描 述回弹量,称之为成形比,成形比越 大,则成形效果越好,回弹越小。双曲度板材某点处的曲率有无 数个,根据回弹的机理,本文将选择 两个主曲率作为研究对象。
2 测量装置及测量方案
为保证数据精度,本项目将采用 两种测量方案,并对两种方案的测量 结果进行对比综合,用较好的数据来 进行回弹分析。
(1)基于激光位移传感器的随 动点扫描测量。试件冲压加工前,在试件测量面 划上纵横间距均为 100mm 的网格 线,冲压完成后,对网格上的节点进 行测量,通过节点及其周围数据计算 回弹量。采用随动测量的原因在于 保持传感器与板材表面处于最佳的 测量距离,确保测量精度(图 3)。
(2)基于计算机视觉的手持式 激光扫描仪测量。板材冲压完成后,在其测量面粘 贴一系列标定点,通过手持式激光 扫描仪对板材局部进行扫描(图4)。一个扫描视图只能涵盖较小的区域, 通过标定点间的相对位置特征,可将 不同视图拼接为完整的曲面。
3 板材形状设计
形状对板材回弹的影响是本文 考虑的重点,同时为了分析数据的方 便及分析回弹点离板材中心位置的 不同带来的回弹差别,本文设计的形 状均为等曲率的形状。试验板材共 14 块,其中帆形板 7 块,鞍形板 7 块,部分板材形状方 程为:
帆形板(1#)、鞍形板(8#)形状 分别如图 5、6 所示。
4 冲压及成形效果
对14 块试件进行了冲压试验, 试验用三维数控弯板机完成(图 7)。冲压成形效果良好,没有压痕和皱折 产生(图 8),根据观察,回弹明显较 Q235钢大。