第1章 绪论
1.1 多点柔性复合成形技术概述
金属板材成形是以*少的材料制造复杂三维形状金属零件的有效手段，因此板料成形是制造业中应用*为广泛的成形方法之一。传统的板料成形工艺加工一种零件往往需数套模具，经多道工序才能完成；模具设计与制造周期长、费用高；而且需要进行多次调试与修改，才能用于实际生产，因此比较适合于品种单一、批量大、更新换代周期长的产品生产。
随着科技的发展，工业的制造模式和水平不断提高。三维*面件大量应用于航空航天、船舶舰艇、高速列车等交通工具及现代建筑的装饰幕墙等方面。模具成形是常用的三维*面件加工技术，但模具成形要使用整体模具，需要长时间的模具设计、加工制造和调试等过程，生产准备周期很长；而且使用一套模具只能成形一种特定形状与尺寸的*面件，针对每一种形状与尺寸的*面零件都需要一套或数套与之对应的模具，所以前期制造成本很高。长时间的生产准备周期和昂贵的前期制造成本使得模具成形适用于大批量生产，但不适合单件或小批生产，从而限制其在产品的个性化、多样化以及更新换代等方面的发展。
为替代传统的*面成形用整体模具，国内外很多机构与企业开展了大量与柔性制造相关的研究，并开发了多种柔性成形技术，如应用在造船业的水火弯板与航空制造业的喷丸成形、单点渐进成形等，但普遍存在加工效率低、成形精度差等问题。
多点柔性复合成形技术是指基于产品的数字化信息，由产品的三维CAD模型直接驱动，通过形状简单的轮廓包络体及其多种构型方式，基于多点成形和其他成形方法的有效组合，实现三维*面零件成形的技术。多点柔性复合成形属于一种先进的柔性成形技术，主要特点是将整体模具离散为规则排列的基本体单元，通过数控手段调整各基本体单元的高度，构造出不同的成形型面，从而实现板料的不同三维*面成形。
多点柔性复合成形的核心理念即可变形状的模具成形（可重构模具）一直以来都具有吸引力，因为它可以减少模具设计成本，使得设计迭代能够快速进行且几乎不需要额外的工具费用。基于多点成形技术的灵活性，可以通过分段多点成形技术逐段形成大型零件，从而可以用小型多点成形设备制造大型零件。此外，还可以轻松实现传统冲压成形无法实现的变形路径可变的成形模式。多点成形工艺不仅降低了模具生产成本，提供更为灵活的制造方式，而且能方便地实现*均匀的变形分布。
许多学者和企业界人士对可重构模具技术进行了不同的研究。日本的Nakajima、Nishioka、Iwasaki、Iseki、Otsuka等发表了大量有关多点成形技术的研究成果［1-5］。他们使用多冲头成形船板，开发了一种三排压力机来成形简单的三维金属板材零件，并通过使用带有多个油缸的万能压力机来弯*板材。Hardt、Eigen、Hale、Webb等在美国探索了离散化模具的机械设计和形状控制算法，这项开发技术被称为用于柔性制造的可重构模具［6-13］，所开发的可重构模具取代了拉伸成形金属薄板飞机部件中使用的传统模具。Li、Wang等分别对金属板材的多点成形技术和多点夹层成形力学进行了一系列研究［14-21］。此外，Papazian、Umetsu、Haas、Berteau、Todoroki等分别对可变模具装置、可调形状模具、模块化可重构加热成形模具以及可变配置模具的生产方法进行了研究［22-27］。Li等在金属板材的多点成形方法方面取得了进展［28，29］。图1.1展示了多点成形的概念以及吉林大学团队开发的相应成形装置，目前多点成形技术已被用于制造国家体育场“鸟巢”（北京奥运会）的钢结构、航空航天面板的外皮、高速列车车身和建筑立面等领域。
图1.1 吉林大学团队多点成形技术及所开发的成形设备
多点成形技术起源于20世纪五六十年代的日本，为适应造船业的快速发展，模具离散化的概念被*次提出［30，31］。近年来，国内外科研工作者对多点成形技术进行了深入的探索，提出了一些极具创新性的改进方法［101-104］。Hwang等［32］开发了集成系统，可以自动执行回弹补偿过程和冲头模具位移的计算，提高了厚板材的成形精度。Beglarzadeh等［33］基于有限元模拟并采用FLD准则，预测了多点成形板材破裂的位置和深度，并通过研究表明弹性垫对成形件的凹坑、断裂缺陷和尺寸精度有不可避免的影响。Shen等［34］对基本体进行了创新，研究表明采用表面接触代替点接触的方法，减少了板材局部凹痕和应力集中。Abosaf等［35］研究了弹性垫厚度、摩擦系数、基本体尺寸和*率半径等参数对柔性多点冲压成形零件质量的影响，并应用响应面法得到了*佳的工艺参数的组合。Elghawail等［36］采用响应面法和方差分析技术确定了多点成形的主要工艺参数，并确定其*优设置，研究了这些参数对成形件厚度变化、回弹量的影响。
吉林大学李明哲教授团队研发了多点成形（multi point forming，MPF）设备，如图1.2所示，该设备不需要实体模具，只需给出所需零件的几何形状和材料信息就能成形所需形状的零件［37，38］。刘纯国等［39］讨论了MPF技术在钣金件柔性成形中的应用，实现了三维形状钣金件的快速制造。Cai等［40］采用动态显式的有限元方法对球形件和马鞍形件的MPF过程进行了广泛的数值模拟，揭示了MPF过程中板材和基本体群之间的接触过程，并给出关于基本体群的总成形力，为MPF方法提供了参考和充分的技术指导。张庆芳等［41-43］提出了一种双*面板的回弹补偿算法，通过不同形状零件的仿真模拟和实验结果证明了该算法的实用性。
图1.2 板材多点成形设备
Li等［44］提出了一种多步MPF技术，通过不同变形路径的多步MPF工艺的数值模拟，多步MPF工艺可以有效改善工件应力分布状态，显著减少了等*率半径板材制件的回弹。杨万沔［45］结合单点渐进成形和多点成形的技术特点，提出了一种多点循环渐进成形技术，并研究了成形*面件的褶皱和回弹。王卫卫、贾彬彬等［46-50］提出了一种新型单点控制的力-位移多点成形工艺（MPF-ICFD），建立了MPF-ICFD的解析理论模型，并研究了制件的成形缺陷。针对力-位移多点成形板材的起皱现象，探明了起皱的原因，提出了鞍形件起皱的抑制方法。
柔性拉伸成形技术起源于20世纪80年代，Hardt等［51］介绍了一种适用于成形金属板的可重构几何模具的拉伸成形设备。Papazian［52］详细研究了柔性拉伸成形装置设计以及成形原理，如图1.3所示。Seo等［53，54］利用考虑弹性恢复的有限元方法，对比分析了将柔性拉伸成形与整体模具成形的结果，验证了柔性模具的有效性。Bae等［55］采用静态隐式算法进行了柔性拉伸成形过程的有限元分析，采用弹塑性接触模型模拟了板材表面的残余变形。
图1.3 柔性拉伸成形设备
随着航空航天技术的蓬勃发展，近年来，国内多所高校对柔性拉伸成形技术进行了深入的探索。李明哲、彭赫力等［56-58］分别采用力加载和位移加载两种模式进行了柔性拉伸成形的数值模拟，研究了不同工艺参数对回弹和起皱缺陷的影响规律。张文阳等［59］构建了可重构柔性模具的几何模型，探究了模具型面的计算算法。蔡中义等［60］探讨了制件由于弹性垫导致的不均匀变形以及卸载后回弹对成形精度的影响，为了优化弹性垫造成不均匀变形和回弹，提出了一种反复修改模具型面的补偿方法。陈雪等［61，62］提出一种应用离散化夹钳柔性拉伸成形的新方法，并利用数值模拟和实验的方法研究了离散夹钳数量、夹钳形状对制件的应变、厚度和夹持面形状的影响。王少辉等［63-65］研究了弹性垫的厚度和基本体的尺寸对应力分布和局部应变的影响，研究结果表明离散模具的表面不连续，成形部位存在应力集中和局部应变，导致在成形区的表面产生凹窝。严大伟等［66］利用数值模拟的方法研究了拉伸成形过程，研究表明基本体群向上移动到一定高度时，板材贴模区的中间位置应力会降低。刘纯国等［67］研究了三种主动加载路径对板料成形质量的影响，并分析了成形后板料的应力与应变、延伸率的变化。王友等［68-70］对板材成形过程中拉力加载路径、过渡区长度进行了探究，研究表明水平—倾斜—垂直拉力加载路径可以在较小的应变下实现板料的拉伸成形，并且成形件具有较高成形精度；板料的过渡区长度越小，拉伸成形过程中所需的拉力就越小，工件的应力应变分布越均匀，成形质量越好。
20世纪90年代，Murata等［71，72］提出了柔性弯*成形技术，其设备如图1.4所示，其成形原理是通过改变模具的角度和位置使管材得到不同程度的变形，实现型材或管材任意弯*半径和任意方向的柔性弯*。Gantner等［73-75］建立了柔性弯*成形的有限元模型，并通过数值模拟和弯*试验验证了柔性弯*技术的可行性。Cheng等［76］结合自由弯*技术，建立了应力分析模型，预测了弯*过程中等效应力和应力分布，揭示了各参数对成形质量的影响规律，并通过仿真试验进行了验证。Vasudevan等［77］研究了电镀锌(Eg)钢板在空气弯*过程中的回弹行为。研究发现，回弹量随涂层厚度、冲头半径、冲头行程、模具半径、模具开口和冲头速度的增加而增大。Guo等［78-80］开发了完整的三维弹塑性模型，设计了新型球面连接结构的自由弯*设备，并验证了连接结构的可行性，利用新设备研究了小弯*半径管材自由弯*过程的成形特性。
图1.4 柔性弯*成形设备
李鹏飞等［81，82］研究了非对称截面型材的柔性弯*过程，成形了无侧弯缺陷的弯*型材。周永平等［83-85］通过数值模拟和试验的方法，研究了不同工艺参数对管材的成形力以及成形缺陷的影响，并针对Ｌ型铝型材探讨了成形缺陷的产生机理及抑制方法。时超凡等［86］对型材、管材的柔性弯*成形过程进行了研究，以球扁型材为研究对象，分析了其应力应变、成形*率以及成形稳定性，并对成形后型材的旁弯缺陷提出了相应的抑制方法。
Chatti和Hermes基于运动成形方法，开发了扭矩叠加空间(TSS)弯*工艺［87，88］，与传统的弯*工艺相比，TSS弯*工艺的优点是弯*轮廓的运动学调整，有更好的灵活性。图1.5是TSS弯*成形技术的成形原理。为了不仅能够准确地弯*二维形状，还能够弯*三维形状，Staupendah等［89］开发了增强的分析模型，通过数值模拟和实际试验研究了纵向应力和剪应力计算中弯*和扭力的相互影响，准确地计算了弯*力的目标值。
图1.5 TSS弯*成形技术
Muranaka等［90］提出了“橡胶辅助拉弯法”，用于具有恒定*率半径型材的均匀弯*。Capilla等［91］提出了利用平面拉弯试验数据确定应力-应变*线的新方法，并讨论了该方法的各向异性和包辛格效应。在室温下很难形成Ti-6Al-4V钛合金材料，Deng等［92］利用本构模型表征了钛合金材料在单轴拉伸和应力松弛中
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