1.4.5 柔性拉伸成形
拉伸成形因工艺简单、回弹小等优点被主要应用于航空航天领域中的大型蒙皮件的加工成形。随着对产品多样性和小批量需求的日益增加，使用传统拉伸成形会造成很大的模具制造及调试费用的浪费；此外，传统拉伸成形时的材料利用率较低且板料的贴模度也较差，亟须提高拉伸成形装置及工艺的柔性以解决现有问题。拉伸成形装置的柔性主要体现在模具的柔性化和加载机构的柔性化两个方面［93］。
1.4.5.1 模具柔性化方面
传统拉伸成形所用模具为整体模具，由此造成昂贵的模具制造、储存及调试费用，基于此，美国国防部先进研究项目局资助麻省理工学院、Northrop Grumman公司与Cyril Bath公司进行可重构模具柔性制造项目（RTFF），其目的在于开发大型、计算机控制的可重构模具以用于飞机蒙皮拉形。Boas［94］开发了可重构模具，验证了可重构模具的包络面调节方式。Walzyck等对冲头形状及离散冲头夹持方式、模具快速调形方式［95］、冲头液压驱动方式［96］进行了细致的研究。Eigen［97］提出了一种解决可重构模具成形中模具表面不连续问题的方法，该方法首先将乙烯醋酸乙烯酯加热到软化点，然后再贴到可重构模具的表面，结果表明该方法的成形精度要高于在可重构模具和板料之间放置氯丁橡胶的方式。Valjavec［98］提出了一种可重构模具闭环型面控制算法，并对其进行了试验验证。
图1.9为Cyril Bath公司研制的可重构模具，该模具由2688个可移动单元体（42×64）组成，其中每8个单元体为一组并由1个控制器控制，总调形时间约12min。此外，Surface Generation公司开发了一种半可重构模具，其原理和可重构模具相似，采用可切削材料代替可重构模具的单元体，在完成单元体调形后使用数控加工机床将单元体顶端切削成目标形状。
图1.9 CyrilBath公司研制的可重构模具
国内对模具柔性化的研究主要在吉林大学、北京航空航天大学等。2004年，北京航空制造工程研究所与北京航空航天大学、沈阳飞机工业（集团）有限公司合作，在国内开展了柔性多点模具蒙皮拉伸成形工艺方法的研究，在初期的原型机研制阶段，解决了柔性多点模具蒙皮拉伸成形可行性的相关关键技术［99］。白雪飘等［100，101］选取单双曲率蒙皮零件为研究对象，研究了基于多点模具的拉伸成形过程。汪华等［102］指出了基于多点模具拉伸成形时成形件存在的压痕缺陷类型，并研究了压痕缺陷抑制和零件成形精度控制方法［103］。罗红宇等［104］针对基于多点模具的蒙皮拉伸成形开展了模具型面的生成系统开发及其应用研究。王丽丽等［105，106］开发了基于多点模具的蒙皮包覆拉伸成形仿真系统，并提出了模具型面补偿算法。于成龙等［107］开发了基于多点模具的蒙皮拉伸成形工艺设计系统。曹珺雯等［108］提出了多点模具蒙皮拉伸成形的有限元等效模型。张文阳等［109］研究了多点模具蒙皮拉伸成形中模具型面的生成方法与实现。
基于多点成形的研究成果，吉林大学无模成形技术开发中心进行了基于多点模具的拉伸成形工艺研究，成形装置如图1.10所示。周朝晖等［110］研究了基于整体模具与多点模具的拉伸成形结果，提出使用弹性垫可以消除由于多点模具型面不光顺导致的压痕缺陷。陈志红等［111］分析了板料材质、厚度、力学性能及变形程度对压痕的影响，同时研究了板料厚度及目标件形状对回弹的影响。蔡中义等［112］研究了拉力与位移加载模式对成形结果的影响，指出使用位移加载模式可以获得更为理想的成形结果，同时基于该工艺中存在的回弹现象提出了一种模具型面补偿方法；对成形过程中存在的起皱、压痕及回弹缺陷进行数值模拟研究，并给出了相应的解决方法［113］；研究了弹性垫厚度、单元体矩阵及目标件曲率对成形结果的影响［114］。王少辉等［115，116］采用数值模拟分析了单元体矩阵、冲头半径对成形精度的影响；同时研究了拉伸量、板料厚度及弹性模量、摩擦系数、弹性垫厚度和目标型面曲率对成形精度的影响［117-119］；提出了一种蒙皮拉伸成形加载轨迹实现方法，分析了该方法中网格数量对成形误差的影响［120］。张传敏等［121，122］分析了基于多点模具的拉伸成形中压痕的产生及消除措施；研究了水平预拉力、曲面形状及曲率、板料材质及厚度对成形结果的影响［123］。高燕［124］采用数值模拟研究了冲头排布方式对成形结果的影响，结果表明蜂窝状紧密排列的冲头排列方式可以有效抑制压痕缺陷的产生。
图1.10 吉林大学研制的多点模具
1.4.5.2 加载机构柔性化方面
国外文献中涉及加载机构柔性化的研究工作相对较少，并且大多仅限于试验机研究。20世纪90年代初，德国斯图加特大学金属成形技术研究所研制了CNC控制的具有6个独立夹钳的轴向拉伸成形试验装置，如图1.11所示。成形时，首先通过夹钳对板料施加水平拉伸力，然后通过同时控制夹钳的水平和垂直位移实现板料与模具的贴合。K.Siegert等［125，126］采用有限元模拟方法研究了4个夹钳和6个夹钳时成形件内的应变分布，结果表明使用6个夹钳可以使成形件内的应变分布更加均匀；同时针对夹钳在成形过程中存在的弹性变形，提出了倾斜位移补偿。但是对该工艺的研究仅限于实验室研究阶段，其实际应用并未见诸报端。
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图1.11 轴向拉伸成形试验装置及试验件
针对传统拉伸成形工艺的贴模度差和材料利用率低等问题，吉林大学无模成形技术开发中心先后提出了多辊下压式柔性拉伸成形［127］、后部下拉式高柔性拉伸成形［128，129］和前部下拉式高柔性拉伸成形［130］。图1.12为多辊下压式柔性拉伸成形试验装置，该装置主要由机架、夹料机构及压辊机构组成，成形时依靠夹料机构的拉伸和压辊机构的下压实现板料成形。茅梦云等［131］分析了多辊下压式柔性拉伸成形原理，研究了不同压辊加载方式对成形结果的影响。张昊晗等［132］对比分析了传统拉伸成形与多辊下压式拉伸成形对成形结果的影响；研究了压辊与模具之间距离、过渡区长度对成形结果的影响［133］；提出了基于柔性浮动夹持装置的多辊下压式拉伸成形，分析了其成形原理并对其成形过程进行了数值模拟研究［134］。付文智等［135］利用解析法建立了球形曲面件成形时各个压辊机构的位移量与板料延伸率的关系，同时对比分析了力加载路径和位移加载路径对等效应力和等效应变的影响，模拟结果验证了该解析法的可行性，同时表明位移加载可以获得更加均匀的应力应变分布。此外，李永丰等［136］分析了加载量、板厚、摩擦条件等参数对成形件回弹的影响，同时给出了马鞍形和球形曲面件成形时压辊下压量与压缩率的关系。
图1.13为后部下拉式柔性拉伸成形装置，装置中采用数个离散的夹料机构代替传统拉伸成形机中的整体夹钳，成形过程中同一排内的液压缸提供的拉力相同、依靠板料加工硬化的差异性实现夹料机构位移和转动的自协调控制，进而驱使板料与模具完全贴合。陈雪等［137-139］对比分析了传统拉伸成形与后部下拉式柔性拉伸成形对成形结果的影响，研究了过渡区长度及摩擦系数对成形结果的影响；研究了使用多点模具的高柔性拉伸成形中，板料厚度及弹性垫厚度对压痕的影响，给出了球形曲面件无压痕极限图［140］；分析了整体夹钳、可调曲面夹钳及离散夹钳对成形结果的影响［141］，研究了离散夹钳拉伸成形中夹钳数量对应力、厚度分布及夹持区形状的影响［142］；同时研究了板料材质及厚度、成形件形状对夹持力的影响［143］。彭赫力等［144］分析了成形速率、摩擦系数及夹钳外形对成形结果的影响；通过对比分析马鞍形曲面件的数值模拟结果与试验结果，验证了数值模拟的可靠性［145］。
图1.12 多辊下压式柔性拉伸成形试验装置
图1.13 后部下拉式柔性拉伸成形装置
图1.14为前部下拉式柔性拉伸成形装置，该装置是后部下拉式柔性拉伸成形装置的改进，二者的主要区别在于垂直液压缸与夹料机构的安装位置不同，后部下拉式装置中水平缸、倾斜缸和垂直缸相互铰接在一处，而前部下拉式装置则表现为水平缸和倾斜缸铰接于一处、垂直液压缸活动连接到夹料机构的前端。与后部下拉式装置相比，前部下拉式装置具有结构简单、板料贴模度更好、材料利用率更高等优势。
图1.14 前部下拉式柔性拉伸成形装置
Peng等［146-148］对比分析了后部下拉式和前部下拉式柔性拉伸成形工艺对成形结果的影响，结果表明前部下拉式柔性拉伸成形工艺所得零件的应力及板厚分布更加均匀，且回弹更小。Wang等［149］对比分析了传统拉伸成形和前部下拉式柔性拉伸成形对成形结果的影响，研究了前部下拉式柔性拉伸成形过渡区长度对成形结果的影响；同时研究了前部下拉式柔性拉伸成形中拉力加载路径、预拉力、包覆力等工艺参数对成形结果的影响［150］。程艳艳等［151］研究了非规则曲面前部下拉式柔性拉伸成形中板料形状及过渡区长度对成形结果的影响。韩奇钢等［152］提出了柔性拉伸对压复合成形工艺，并对该工艺的成形装置（图1.15）构成及工作原理进行了详细说明；Park等［153］以马鞍形曲面件为研究对象分析了柔性拉压复合成形过程，并通过试验验证了该工艺的可行性；同时研究了预拉伸对成形精度的影响［154］。
图1.15 柔性拉伸对压复合成形装置
