板料柔性成形技術的現狀與發(fā)展趨勢

文／李明哲，付文智，依卓·吉林大學無模成形技術開發(fā)中心

板料柔性成形技術的現狀與發(fā)展趨勢

文／李明哲，付文智，依卓·吉林大學無模成形技術開發(fā)中心

板料三維曲面件的應用領域非常廣泛，大量應用于航空航天、船舶艦艇、高速列車、現代建筑、醫(yī)學工程等領域。模具成形是常用的三維曲面件加工技術，但模具成形要使用整體型腔模，需要長時間的模具設計、制造和調試過程，生產準備周期很長；而且一套模具只能成形一種特定形狀與尺寸的曲面件，每一種不同形狀的零件都需要一套或數套與之對應的模具，所以前期制造成本很高。長時間的生產準備周期和昂貴的前期制造成本使得模具成形適用于大批量生產，但不適于單件或小批量生產，從而限制了其在產品的個性化、多樣化以及更新換代等方面的發(fā)展。為替代傳統(tǒng)的曲面成形用整體型腔模具，國內外專家、學者開展了大量與柔性制造相關的研究，并開發(fā)了多種柔性成形技術，如應用在造船業(yè)的水火彎板、航空制造業(yè)的噴丸成形、單點漸進成形等，但均存在生產效率低、工件精度差等缺點。

多點成形屬于一種典型的柔性成形技術，其基本思想是將實體模具離散為規(guī)則排列的基本體單元，通過數控方式調整各基本體單元的高度，構造出不同的成形型面，從而實現板料的不同三維曲面成形?；诙帱c成形理念，吉林大學針對板料三維曲面柔性成形技術做了大量的研究，相繼開發(fā)出一系列具有自主知識產權的柔性成形和數字化制造技術，包括多點數字化成形、柔性拉伸成形、連續(xù)輥壓多點成形等，并在此基礎上研發(fā)出相應的設備，并且實際應用于多個重大項目與重點工程中，實現了三維曲面件的高效率、低成本、高質量和柔性化生產。本文介紹三維曲面件柔性成形技術的現狀，主要敘述所開發(fā)的柔性成形和數字化制造技術原理、自主研發(fā)的設備以及實際應用情況。

多點數字化成形

多點數字化成形是一種先進的板料柔性成形技術，其將柔性制造和計算機技術結合為一體，基本原理是用多個規(guī)則排列的基本體單元構成的點陣代替實體模具的型腔，通過數控方式調整基本體單元高度形成所需要的成形型面，進行板料的柔性成形。圖1所示為多點數字化成形示意圖，其中圖1a為常規(guī)的多點數字化成形示意圖；圖1b為帶柔性壓邊功能的多點數字化成形示意圖，其能夠有效抑制薄板成形時的起皺現象，適合成形復雜形狀的三維曲面件。多點數字化成形能夠用一套多點模具成形不同形狀的曲面件，從而實現板料的柔性化成形和數字化制造，具有無模、高效以及低成本等優(yōu)勢。

在基礎理論研究、關鍵技術攻關、專用軟件開發(fā)及成形工藝研發(fā)的基礎上，成功研制出多種多點數字化成形壓力機，并實際應用于多個領域的重點工程，解決了柔性加工難題。圖2a為北京奧運會鳥巢建筑工程用多點數字化成形壓力機及鋼構箱型單元照片。鳥巢工程由大量的彎扭鋼板結構件拼焊成箱型單元，其尺寸大、品種多、形狀各異，彎扭結構件的成形是突出的技術難題，采用多點數字化成形技術，圓滿完成了大量個性化彎扭結構件的成形。圖2b為薄板用多點成形壓力機及0.5mm薄板成形件照片。薄板在成形時容易發(fā)生塑性失穩(wěn)而起皺，而且還容易拉裂，采用柔性壓邊技術，成功解決了薄板成形難題。圖2c為高強度鋼板成形用大型多點數字化成形裝備，其一次成形尺寸達3.15m×2.7m，能夠在室溫加工板厚為50mm的曲面件。

圖1 多點數字化成形示意圖

柔性拉伸成形

圖2 幾種多點數字化成形設備及應用例

柔性拉伸成形是在傳統(tǒng)拉伸成形和多點離散成形的基礎上，綜合運用液壓系統(tǒng)的帕斯卡定理、材料的加工硬化特性與最小阻力定律等理論，設計開發(fā)的一種新型柔性成形技術，圖3所示為柔性拉伸成形示意圖。柔性拉伸成形用多個離散夾鉗代替?zhèn)鹘y(tǒng)拉伸成形時的整體剛性夾鉗，每個離散夾鉗由水平、傾斜、垂直布置的三個液壓缸加載，能夠實現板料加載與變形的自協(xié)調，即在拉伸成形過程中，多個夾鉗可以根據模具形狀的變化自動調整鉗口的位移和轉角，實現鉗口處板料與拉伸成形模具端面的曲率變化趨勢一致，從而使板料更容易貼合模具，提高工件的成品率和材料利用率。

基于柔性拉伸成形原理研發(fā)出多種柔性拉伸成形機，其大量應用于高鐵、建筑幕墻等曲面件的柔性成形中，所成形的曲面件質量好，精度高。圖4所示為柔性拉伸成形設備及拉伸成形工件實例。

圖3 柔性拉伸成形示意圖

圖4 柔性拉伸成形設備及拉伸成形件

圖5 拉壓復合多點數字化成形設備

圖6 韓國首爾的新地標建筑——東大門設計廣場

為了實現復雜曲面件成形，將柔性拉伸成形技術與多點對壓成形技術相結合，研制了柔性拉伸與對壓復合成形設備，并出口韓國（圖5）。該設備已用于著名設計師Zaha Hadid設計的韓國首爾新地標建筑——東大門設計廣場的建筑覆層成形中（圖6），保證了工程的順利完成。該建筑由兩萬多張尺寸與形狀各異的雙曲率鋁合金曲面件組成。Zaha Hadid在出席該建筑的開館儀式時說，如果采用英國的曲面加工技術，需要20多年的時間才能完成這么多個性化曲面覆層的加工。

在這些工作的基礎上，最近又為航空制造企業(yè)開發(fā)出兩臺數控柔性拉伸成形設備，專門用于成形各種飛機蒙皮件。這些設備具有數控設置壓力與速度的功能，并具有示教與自動成形功能。其中一臺設備的柔性拉伸成形工件有效尺寸達5m×4m。

圖7 連續(xù)輥壓多點成形示意圖

連續(xù)輥壓多點成形

為了實現板料的連續(xù)成形，進一步提高板料柔性成形效率，降低生產成本，提出了基于柔性輥和多點調形原理的連續(xù)輥壓多點成形新方法。連續(xù)輥壓多點成形采用可彎曲柔性輥作為成形工具，柔性輥由多個沿軸線分布的調形單元控制，通過調整每個調形單元的相對高度獲得柔性輥的彎曲度，使板料連續(xù)進給和塑性變形，完成三維曲面件的柔性成形。

連續(xù)輥壓多點成形根據其成形原理可分為柔性卷板成形、高效旋壓成形和柔性軋制成形等，圖7所示為其成形原理示意圖。在柔性卷板成形過程中(圖7a)，可以通過柔性輥的彎曲度實現板料橫向彎曲，通過上柔性輥下壓實現縱向彎曲，使板料在局部范圍處于雙向彎曲狀態(tài)；隨著柔性輥的轉動，板料雙向彎曲所產生的塑性變形不斷積累，形成所需要的三維曲面。圖7b為高效旋壓成形示意圖，圓形板料被定心，并繞圓心旋轉；通過柔性輥的彎曲實現圓形板料的徑向變形，通過上柔性輥的下壓實現周向變形；通過柔性輥的旋轉帶動板料旋轉并產生塑性變形，從而完成板料的回轉曲面成形。圖7c為柔性軋制成形示意圖，通過調形單元控制柔性輥形狀和輥縫的分布，使板料在厚度方向不均勻壓縮，沿縱向不均勻伸長，從而實現曲面成形。柔性軋制成形采用兩個柔性輥作為成形工具，上下兩個柔性輥之間的輥縫沿輥軸方向不均勻分布。

基于連續(xù)輥壓多點成形原理，分別開發(fā)出相應的成形裝置，如圖8所示。圖8a為柔性卷板成形裝置，其采用鋼絲軟軸作為柔性輥，每個柔性輥由21個調形單元控制，柔性輥的直徑為15mm，兩個下柔性輥之間的距離為30mm。圖8b為高效旋壓成形裝置，其柔性輥分為兩組，每組柔性輥由一個上柔性輥和兩個下柔性輥構成，能夠成形回轉曲面件。圖8c為柔性軋制裝置，所使用的柔性輥為直線光軸，每個柔性輥由31個調形單元控制，柔性輥直徑均為10mm，可軋制的最大板料寬度為1200mm。

圖8 連續(xù)輥壓多點成形設備

圖9 連續(xù)輥壓多點成形試件

圖9所示為柔性卷板、高效旋壓和柔性軋制成形的不同曲面件。連續(xù)輥壓多點成形能夠實現三維曲面件的連續(xù)、高效柔性成形；而且由于不需要專用的成形模具，可節(jié)省模具設計與制造成本，設備投資少，在單件或小批量三維曲面件的生產中具有明顯的優(yōu)勢。

發(fā)展趨勢

隨著航空、航天、海運、高速鐵路等行業(yè)的高速發(fā)展，對板料三維曲面件的需求也在不斷地增加，柔性成形技術以其特有的優(yōu)勢將具有更加廣闊的應用前景，其主要發(fā)展趨勢為大型化、精密化和連續(xù)化。

⑴大型化。柔性成形技術特別適用于單件或小批量三維曲面件的生產及新產品的試制，所加工的三維曲面件尺寸越大，其優(yōu)越性越突出。隨著柔性成形技術的推廣與普及，設備的一次成形尺寸也在逐漸變大，將達到數十平方米。

⑵精密化。柔性成形技術起初只能用于中厚板料的簡單形狀曲面成形，現在已經在薄板成形與復雜形狀件成形方面取得了顯著進展，已經能夠用厚度為0.5mm甚至0.3mm的板料成形曲面件，而且可以成形比較復雜的曲面工件。柔性成形技術正在向精細化方面發(fā)展，其成形精度也將得到更大提高。

⑶連續(xù)化。柔性成形與連續(xù)成形技術的結合可以實現三維曲面件的連續(xù)柔性成形，從而大大提高曲面件的成形效率；柔性成形技術正在向高質量、高精度曲面件的連續(xù)成形方面發(fā)展。連續(xù)柔性成形因其自身突出的技術特點，將具有良好的應用前景。