金属板材无模成形.docx

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金属板材无模成形

类型多样的金属板材无模成形技术

1.金属板材无模成形简介

金属板材无模成形是指使用非模具的成形工具强迫金属板材发生渐进的塑性变形，最终得到所需零件的加工方法。

由于市场需求的多样化，机械和控制技术的进步，促使金属板材无模成形有了较快的发展，国外许多企业学者进行了大量的研究。

目前比较典型的板材无模成形方法有成形锤渐进成形、旋压成形、多点成形和数字化渐进成形等。

通过不同的板材成形方法来了解各种成形技术的发展及其优缺点。

2.无模成形的类型及特点

2.1CNC成形锤渐进成形法[1]

该方法使用刚性冲头和弹性下模，对板材各局部区域分别打击成形，逐步成形为所需形状的加工工艺。

成形锤渐进成形法成形方法简单，成形速度较快，但是该技术只能成形形状比较简单的工件，而且成形后留下大量的锤击压痕点，影响制品的表面质量，因而还必须进行后续处理。

成形锤渐进成形示意图

2.2喷丸成形[2]

喷丸成形是利用高速弹丸撞击金属板材的一个表面，使受撞击表面及其下一层金属产生塑性变形，导致面产生残余应力，在此应力作用下逐步使板材达到要求外形的一种成形方法。

目前其主要应用在航空航天领域，如波音和空中客车等飞机制造公司在其现代客机的生产中，都已采用了喷丸成形方法。

喷丸成形的主要优点：

（1）零件长度不受喷丸成形方法的限制，现代飞机蒙皮零件的长度已达32m，若采用其他方法，设备投资将急剧增加；

（2）工艺装备简单，无需成形模具，只需简单的夹具，准备周期短，固定投资少；

（3）在进行成形的同时，可对板料起到强化作用；

（4）可对变厚度的板料进行成形；

（5）既可成形单曲率外形，又可成形双曲率外形，如机翼上下气动弯折区或非直母线区。

A380飞机超临界外翼下翼面整体壁板长度30余m、厚度30余mm，是迄今采用喷丸成形技术所获得的长度最长、厚度最大的构件，代表了国际喷丸成形工艺技术的最新成果。

2.3旋压成形[3-5]

旋压成形是一种将金属坯料装在芯模的顶部，旋轮通过轴向运动和径向运动，使旋转坯料在旋轮滚压作用下产生局部连续塑性变形，最终获得所要求的薄壁回转体零件的塑性加工方法。

旋压原理图

旋压成形作为金属塑性加工的一个重要分支，具有柔性好、成本低廉等优点，适合加工多种金属材料，是一种经济、快速成形薄壁回转体零件的方法。

与其他冲压工艺方法相比，由于它能制造出形状多样、尺寸各异的产品，特别是在结合高效、精密的数控技术后，更具有明显的优越性。

因此，不仅在航空、航天、兵器等金属精密加工技术领域占有重要地位，而且在化工、机械制造、电子及轻工业等领域也得到了广泛的应用。

但是，旋压成形只能用于加工轴对称零件。

旋压成形轮毂技术

2.4多点成形[6-7]

多点成形是由规则排列的基本体点阵代替传统的整体模具，通过计算机控制基本体的位置形成形状可变的“柔性模具”，从而实现不同形状板类件的快速成形的方法。

多点成形系统的上、下基本体群

多点模具成形

多点压机成形

多点成形技术的特点：

（1）实现无模成形，降低了生产成本，显著提高了生产效率，成形的产品精度高、质量好。

（2）优化变形路径，通过基本体调整，实时控制变形曲面，随意改变板材的变形路径和受力状态，提高材料成形极限，实现难加工材料的塑性变形，扩大加工围。

（3）实现无回弹成形：

可采用反复成形新技术，消除材料部的残余应力，并实现少无回弹成形，保证工件的成形精度。

（4）易于实现自动化：

曲面造型、工艺计算、压力机控制、工件测试等整个过程全部采用计算机技术，实现CAD／CAM／CAE/CAT一体化生产，工作效率高，劳动强度小，极改善劳动者作业环境。

多点成形法虽然初步实现了无模化，但它存在以下几个问题：

（1）该技术是将冲头和下模的形状离散化为所谓的柔性模具，可是冲头和下模不能做得很小，不能加工形状复杂的工件。

（2）加工小冲头和下模、安装、调试同样花费大量的时间。

（3）多点成形法易产生压痕、起皱等缺陷使加工精度难以保证。

（4）只能加工厚板，对于薄板成形不适用。

列车流线型车头采用无模成形能更好的符合流线形设计，降低空气动力学阻力和噪声。

2008年奥运会国家体育馆（鸟巢工程）中的弯扭板件

2.5激光热应力成形[8-9]

激光热应力成形是一种利用激光束照射材料表面时形成的部非均匀热应力场实现材料成形的新技术。

通过调整激光加工工艺参数和选择合适的扫描轨迹就能够成形任意的弯曲件、异型件和其它复杂的三维曲面等零件。

激光热应力成形示意图

激光热应力成形的特点：

（1）采用激光源作为成形工具，无需任何形式的外力，因而生产周期短，柔性大；

（2）因不受模具限制，可容易地复合成形，制作各类异形件，属于真正意义上的无模成型；

（3）属于热态成形，可成形在常温下难于成形的难变形或脆性材料；

（4）采用的激光束模式无特殊要求，易于实现成形、切割、焊接等激光加工工序的复合化。

但热应力成形技术中还存在许多问题有待于进一步深入的研究：

影响激光成形的因素较多，目前特别复杂的三维形状还难以精确成形；热量直接作用于工件表面，形成的热效应负面影响大，表面品质较差；由于成形是靠拉应力作用，成形后有害残余的拉应力影响产品的使用性能。

2.6板材数控渐进成形

金属板材数控渐进成形的特点是引入快速原型制造技术“分层制造”的思想，将复杂的三维形状沿Z轴方向离散化，即分解成一系列二维断面层，并在这些二维断面层上局部进行塑性加工，实现了设计与制造一体化的柔性快速制造[10]。

数控成形的原理是将复杂的三维数字模型沿高度方向分层，形成一系列断面二维数据，并根据这些断面轮廓数据，从顶层开始逐层对板材进行局部的塑性加工；在计算机控制下，安装在三轴联动的数控成形机床上的成形压头，先走到模型的顶部设定位置，对板材压下设定压下量，然后按照第1层断面轮廓，以等高线的方式，对板材施行渐进塑性加工。

在模型顶部板料加工面形成第1层轮廓曲面后，成形压头再压下一个设定高度，沿第2层断面轮廓运动，并形成第2层轮廓曲面，如此重复直到整个工件成形完毕[11-12]。

金属板材数控渐进成形原理图

从成形过程来看，在成形工具头作用区域（为一个球冠面）下（也可以超出这个作用区域）的金属板材在成形力的作用下克服屈服极限，发生塑性变形，由原来的平面通过变薄拉延延展为表面积较大的曲面，随着工具头的不断碾压，塑性变形逐层累加，最终板材获得所需要的形状。

华中科技大学开发研制的板材无模渐进成形机

与传统板料成形技术相比，数控渐进成形技术具有以下优点：

（1）数控渐进成形集CAD和CAM，即零件模型设计、加工代码生成于一体，易于实现自动化生产，具有较高的生产制造柔性；

（2）渐进成形技术不需要开发传统模具，即使加工复杂曲面，也只需要简单支撑模型，能够节省成本，降低开发风险；

（3）渐进成形技术较传统板料成形技术有更高的成形极限，能够加工出高质量、高精度的板料零件。

由于是分层加工，更能充分利用板料的成形性能，制造出变形程度更大的零件；

（4）渐进成形技术具有开发周期短，方便改进，适宜小批量高质量零件加工，而且生产过程噪音低，安全性高。

航天器铝合金薄壁结构件

3.金属板材无模成形技术的前景

从国外研究现状可以看出，金属板料无模成形技术是当前研究的热点之一。

尤其是其中的渐进成形技术，从原理上看，这种方法可以加工任意形状复杂的工件，所以对于飞机、卫星等多品种、小批量的产品以及用于其它薄壳类新产品的开发，都具有巨大的经济价值。

而且所能成形工件的复杂程度和延伸率比传统工艺高，它可以对板材成形工艺产生革命性的影响，也将引起板壳类零件设计概念的更新，使新产品设计思想得到更大的发挥。

该技术的发展可推动相关学科尤其是塑性加工理论的发展，既有重要的理论意义又有广阔的应用前景。

结合目前的研究状况，我认为金属板材无模成形技术要实现真正意义上的工业应用，至少还需在以下方面进行深入的研究：

（1）提高工件的精度。

一些金属板材无模成形技术本身是一种近似拟合的加工方法，带来一定的精度误差；板材成形后存在翘曲和回弹，工件的形状和尺寸将达不到所需要的精度，必须采取相应措施抑制回弹的发生，提高产品精度。

（2）提高成形效率。

目前的许多无模成形技术，比如数字化渐进成形技术，与传统的模具成形相比，非常耗时。

因此需要进行高速无模成形技术的研究。

（3）有限元数值模拟技术的应用。

有限元数值模拟技术能为数字化渐进成形工艺优化提供强有力的工具。

但目前为止，对板材数字化渐进成形有限元数值模拟的研究还处于初步阶段，仅仅停留在简单零件的成形性和应力、应变等分析上。

在对复杂零件的回弹预测、加工路径优化、精度控制等方面的模拟研究还远远不够。

参考文献

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空制造工程，1998（6）：

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[12]旭，周杰，军超等．板材单点数控渐进成形回弹控制及模拟优化研究[J]．热加工工艺，2010，39（9）：

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