第11期 龚学鹏等：三维曲面柔性卷板成形技术及其数值模拟 ,1297 和多点成形的有机结合，既具有卷板成形高效率的 同形状零件的成形，可以看出，柔性卷板成形具有 特点，又具有多点成形柔性化的特点，具体的实现 低成本、高效率、柔性化的特点，具有其他柔性成形 方法是将传统的卷板成形装置的刚性工作辊用可弯 方式所不具备的优点，所以，对柔性卷板成形这项 曲、可调整的柔性工作辊来代替，通过调整柔性辊的 新技术的研究具有重要的意义， 曲率来实现板材的三维曲面连续局部塑性成形山， 2柔性卷板成形装置 成形原理如图1所示.，可以看出，与传统的卷板成 形相比，柔性卷板不仅可以成形简单曲面件，还可以 新技术的开发需要新设备的支持，下面主要阐 比较容易的成形较复杂的三维曲面件；与多点成形 述柔性卷板成形装置的研制.柔性卷板成形装置是 相比，柔性卷板成形时所需要的控制点数量要远远 卷板成形装置和多点成形装置的有机结合，而将这 少于多点成形.所以，柔性卷板成形装置的结构相 两种装置结合在一起的关键件就是柔性辊.本文的 对比较简单，成本相对较低，比较容易推广和应用. 柔性辊采用钢丝软轴.柔性卷板成形装置主要包括 本文研究的柔性卷板成形技术是以柔性辊的数量为 调形机构、进给机构和驱动机构，采用柔性辊的目 3的成形装置为基础，基本的成形过程如下：首先根 的就是利用其可弯曲的特点来实现曲率的变化，为 据目标零件横向形状调整柔性辊的曲率，然后给予 了实现这一目的，需要调形机构来调整柔性辊的曲 上面的柔性辊一定的压下量，同时驱动柔性辊实现 率。柔性辊的曲率调整后，即实现了板材一个方向 板材的三维曲面成形，如图2所示，当目标零件的 的曲率改变；板材另一个方向的曲率改变需要通过 形状发生变化时，只需要调整柔性辊得到所需要的 上柔性辊的压下量实现，这就要求进给机构实现上 曲率以及控制上面柔性辊的压下量，便可以实现不 柔性辊的进给，板材的两个方向的曲率都发生变化 后，为了实现连续成形，则需要驱动机构来实现柔性 辊的转动.图3为吉林大学无模成形技术开发中心 开发的柔性卷板成形装置 图1柔性卷板成形原理 Fig.I Principle of flexible roll bending ⊕ 图3柔性卷板成形装置照片 Fig-3 Photo of a flexible roll bending equipment ⊕⊕ 通过图3所示的成形装置，采用钢板和铝板做 了大量的实验，得到了比较理想的实验结果，成形出 (a)调形 球形件、鞍形件、扭曲形件等典型的三维曲面件，如 A-A 图4所示，这些实验结果很好地验证了这种新型板 材柔性成形技术的可行性， 3柔性卷板成形过程的数值模拟 A (b)给予一定压下量并驱动柔性辊 A 在柔性卷板成形装置研制的同时，其相关的数 A-A 值模拟研究也在同步进行，数值模拟研究所涉及的 内容非常丰富，这里主要论述柔性卷板成形过程有 限元模型的建立以及总体的模拟结果，本文主要采 A (c)卷板成形 用显式动力分析软件LS-DYNA来对柔性卷板成形 过程进行数值模拟 图2柔性卷板成形基本过程 3.1有限元模型的建立 Fig.2 Basic prcoess of flexible roll bending 因为研究对象是柔性卷板成形的过程，关键是和多点成形的有机结合‚既具有卷板成形高效率的 特点‚又具有多点成形柔性化的特点．具体的实现 方法是将传统的卷板成形装置的刚性工作辊用可弯 曲、可调整的柔性工作辊来代替‚通过调整柔性辊的 曲率来实现板材的三维曲面连续局部塑性成形［11］‚ 成形原理如图1所示．可以看出‚与传统的卷板成 形相比‚柔性卷板不仅可以成形简单曲面件‚还可以 比较容易的成形较复杂的三维曲面件；与多点成形 相比‚柔性卷板成形时所需要的控制点数量要远远 少于多点成形．所以‚柔性卷板成形装置的结构相 对比较简单‚成本相对较低‚比较容易推广和应用． 本文研究的柔性卷板成形技术是以柔性辊的数量为 3的成形装置为基础‚基本的成形过程如下：首先根 据目标零件横向形状调整柔性辊的曲率‚然后给予 上面的柔性辊一定的压下量‚同时驱动柔性辊实现 板材的三维曲面成形‚如图2所示．当目标零件的 形状发生变化时‚只需要调整柔性辊得到所需要的 曲率以及控制上面柔性辊的压下量‚便可以实现不 图1 柔性卷板成形原理 Fig．1 Principle of flexible roll bending 图2 柔性卷板成形基本过程 Fig．2 Basic prcoess of flexible roll bending 同形状零件的成形．可以看出‚柔性卷板成形具有 低成本、高效率、柔性化的特点‚具有其他柔性成形 方式所不具备的优点．所以‚对柔性卷板成形这项 新技术的研究具有重要的意义． 2 柔性卷板成形装置 新技术的开发需要新设备的支持‚下面主要阐 述柔性卷板成形装置的研制．柔性卷板成形装置是 卷板成形装置和多点成形装置的有机结合‚而将这 两种装置结合在一起的关键件就是柔性辊．本文的 柔性辊采用钢丝软轴．柔性卷板成形装置主要包括 调形机构、进给机构和驱动机构．采用柔性辊的目 的就是利用其可弯曲的特点来实现曲率的变化．为 了实现这一目的‚需要调形机构来调整柔性辊的曲 率．柔性辊的曲率调整后‚即实现了板材一个方向 的曲率改变；板材另一个方向的曲率改变需要通过 上柔性辊的压下量实现‚这就要求进给机构实现上 柔性辊的进给．板材的两个方向的曲率都发生变化 后‚为了实现连续成形‚则需要驱动机构来实现柔性 辊的转动．图3为吉林大学无模成形技术开发中心 开发的柔性卷板成形装置． 图3 柔性卷板成形装置照片 Fig．3 Photo of a flexible roll bending equipment 通过图3所示的成形装置‚采用钢板和铝板做 了大量的实验‚得到了比较理想的实验结果‚成形出 球形件、鞍形件、扭曲形件等典型的三维曲面件‚如 图4所示．这些实验结果很好地验证了这种新型板 材柔性成形技术的可行性． 3 柔性卷板成形过程的数值模拟 在柔性卷板成形装置研制的同时‚其相关的数 值模拟研究也在同步进行．数值模拟研究所涉及的 内容非常丰富‚这里主要论述柔性卷板成形过程有 限元模型的建立以及总体的模拟结果．本文主要采 用显式动力分析软件 LS-DYNA 来对柔性卷板成形 过程进行数值模拟． 3∙1 有限元模型的建立 因为研究对象是柔性卷板成形的过程‚关键是 第11期 龚学鹏等： 三维曲面柔性卷板成形技术及其数值模拟 ·1297·