現(xiàn)代工程復(fù)雜曲面金屬板材加工技術(shù)研究

張雪冬 鄭佳碧 李偉 何國輝

摘? ? 要：本文對復(fù)雜曲面金屬板工程做了基本的界定，對復(fù)雜曲面金屬板彎板加工工藝進(jìn)行詳盡的整理，通過對不同工藝的原理及優(yōu)缺點(diǎn)的歸納總結(jié)，提示了不同的材料和板型在限定的經(jīng)濟(jì)條件下如何比選加工工藝。通過總結(jié)具體工程加工經(jīng)驗(yàn)，對實(shí)際工程實(shí)施中的回彈、模具、試件、背筋及噴涂等方面的問題提出建議和解決思路。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜曲面金屬板工程;表皮劃分;展開計(jì)算;冷彎成型;無模成形

1? 復(fù)雜曲面金屬板裝飾工程簡述

1.1? 復(fù)雜曲面金屬板工程

金屬板材冷彎成型的技術(shù)在上世紀(jì)中葉進(jìn)入工業(yè)化，繼而開始大量的出現(xiàn)專用于建筑上的各種金屬屋面、金屬幕墻金屬構(gòu)件等現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品。時至今日，出現(xiàn)很多曲面金屬板維護(hù)而成的復(fù)雜曲面金屬板裝飾工程。

本文所主要關(guān)注的“復(fù)雜”曲面金屬板的概念是指：①數(shù)學(xué)概念上，各種可解析的雙曲面或非數(shù)學(xué)解析曲面等等;②鈑金概念上，需要對板料拉伸發(fā)生形變的幾何不可展開曲面;③實(shí)際工程上，曲面板型規(guī)格多無法套用固定模具等情況。而其使用非雙曲面擬合成雙曲面表皮的項(xiàng)目不是本文討論范疇。初等解析曲面都有一個數(shù)學(xué)定義并可使用數(shù)學(xué)公式表達(dá)如：球面、雙曲拋物面等;復(fù)雜不可展曲面往往是建筑師使用軟件在電腦中“揉捏”而成的一個“獨(dú)特”又“隨機(jī)”的抽象形體。

但因?yàn)榧庸すに嚨膹?fù)雜性，可以用于復(fù)雜曲面加工的板料可選擇并不多。不同的材質(zhì)金屬板材或采用不同的厚度的金屬板材會表現(xiàn)出不用的力學(xué)性能如：抗折抗拉/抗彎、彈性系數(shù)、可加工的最大、最小半徑等，板料的折、拉、滾彎所需施加的力可以通過計(jì)算確定?，F(xiàn)在銅板、鋁單板、冷軋鋼板及不銹鋼板都有成功的復(fù)雜曲面裝飾工程案例，其中又以鋁板和不銹鋼應(yīng)用較為普遍，技術(shù)也相對成熟。

不可展開曲面板料要經(jīng)過展開計(jì)算來輔助鈑金工藝設(shè)計(jì)。對于大部分一次沖壓或冷壓成型鈑金工藝來說，彎板工序前要通過展開計(jì)算確定平面形狀來裁切。而且，如果展開計(jì)算的結(jié)果提示了板材加工難度很大，就要考慮調(diào)整鈑金加工工藝如：使用延展性更好的板材、板材加厚或使用大功率成型設(shè)備，甚至考慮使用數(shù)控精密成型設(shè)備。

板金的展開算法為幾何學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)，在實(shí)際工程中幕墻設(shè)計(jì)人員往往將曲面板信息以RHION模型的方式交到鈑金廠，由鈑金廠負(fù)責(zé)計(jì)算和輸出。

2? 建筑裝飾用復(fù)雜曲面金屬板材的加工工藝

三軸輥壓機(jī)加工拱面（單曲面）及錐面是金屬板冷彎技術(shù)工業(yè)化的標(biāo)志，但僅適用于曲面曲率固定，批量大的產(chǎn)品，不能用于復(fù)雜曲面板的加工。曲面展開復(fù)雜性越大，成形的精確度就越低（如：馬鞍面、雙曲拋物面這種具有正反弧的板料壓板時容易出現(xiàn)褶皺，弧度大、曲率變化大的壓板也很容易破裂和褶皺）。幾何不可展曲面金屬板的冷彎主要用到以下工藝。

2.1? 金屬彎板手工成型

金屬冷彎手工/半手工成型工藝是鈑金最傳統(tǒng)的加工工藝，裝飾工程一般使用錘藝手工工藝。錘藝是使用錘子在細(xì)沙表面敲打金屬，使板材延展變形成型技術(shù)。錘藝往往由經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝技師手工操作，它能夠?qū)崿F(xiàn)基本精準(zhǔn)、幾乎所有復(fù)雜曲面板型。

手工金屬板曲面成型工藝需要高度純熟的技藝。該工藝成品精度較差，表面有凸凹不平的錘紋，且效率低只能小批量生產(chǎn)。但因其經(jīng)濟(jì)可靠（目前在日用品加工等鈑金行業(yè)，還大量存在熟悉傳統(tǒng)技藝的工人），在某些項(xiàng)目整體大部分為常規(guī)板型，局部有部分雙曲板型這樣的項(xiàng)目中還是普遍應(yīng)用。

錘藝前先使用優(yōu)化后的三軸輥壓機(jī)預(yù)成型，可以提高成型效率。使用預(yù)制鋼靠模輔助找形來提高成形精度，這些都是手工工藝向半機(jī)械化提升的方法。

另外，因?yàn)殂~板材質(zhì)較“軟”，成品原板料表面本身就不夠鋼板或鋁板那樣平整，所以銅板加工精度不需要太高，現(xiàn)有少量銅板曲面項(xiàng)目都是手工成型。

2.2? 拉彎成型

胎膜拉彎成型工藝是目前較新的雙曲面金屬板彎板成型技術(shù)。其基本原理是在給定的模床上覆蓋金屬板料，使用大功率的拉伸設(shè)備夾持板邊將板料向模床下方向施加拉力，板材屈服變形，待內(nèi)應(yīng)力消除后脫模裁切，即可得到符合設(shè)計(jì)要求的的曲面板型。

胎膜拉彎成型工藝特點(diǎn)有：①該工藝是一次性加工成型工藝，一次不成往往就把鋼板拉壞成為廢板，所以需要提前準(zhǔn)備完善的工藝方案和準(zhǔn)備工作。②該工藝會導(dǎo)致板材沿板面延展并變薄，但回彈小，質(zhì)量有保證。③因?yàn)榘迕嬉惺茌^大的拉力，所以只適合冷軋鋼板和不銹鋼板這兩種高強(qiáng)度板料。這種工藝適合1.5mm～3mm厚板料，太薄板容易拉壞，太厚設(shè)備拉不動容易破壞胎膜。④該工藝適合單向彎曲板（如類球面板），不適合有正反弧的曲面板（如雙曲拋物面板）。⑤胎膜拉伸成形可使用固定的整體鋼制胎膜或可變多點(diǎn)矩陣胎膜，模床都要求有很高的剛度。⑥因受設(shè)備參數(shù)和模床成本的制約，板幅也不宜太大。

在實(shí)際生產(chǎn)中，如項(xiàng)目板型規(guī)格較為統(tǒng)一，建議使用鋼胎膜，如板型規(guī)格多就盡量使用多點(diǎn)矩陣模床。

2.3? 柔性壓彎成型

胎膜柔性壓彎成型也是目前實(shí)際項(xiàng)目中較新、較常用的彎板工藝。該工藝是一種同時具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)現(xiàn)效果的加工工藝。胎膜柔性壓彎成型一般使用鋼模或?qū)嵞灸?，原板裁切或半裁切后固定在胎膜上，使用帆布條覆蓋在板面上，通過拉力機(jī)夾持和拉動帆布對板面形成“緩慢、柔和的”壓力，使其貼附在模床。其主要特點(diǎn)：①更適用于質(zhì)地較“軟”的鋁板（因鋁板是裝飾領(lǐng)域最常用的面材，所以改工藝目前應(yīng)用廣泛）或銅板。②柔性壓彎一般是多次成型，在實(shí)際加工過程中可調(diào)整甚至可少量修改返工，③可應(yīng)用于板型復(fù)雜、曲率較大或曲率復(fù)雜多變的特殊雙曲板。

2.4? 沖壓/靜壓成型

金屬模一次性沖壓或靜壓成形基本方式為：根據(jù)成形板材的最終成形面的性質(zhì)，預(yù)先制作出金屬上模和下模，一般為下模固定放置，把需要加工的板料放在固定模上并固定，可動上模通過液壓驅(qū)動，向下方快速沖壓或靜壓板材，把板材壓出所需要的形狀。

沖壓/壓成形主要使用下固定模（模床）、上方?jīng)_壓的活動模及機(jī)械沖壓機(jī)這三個要素工作。該工藝適用于大批量的金屬板材成形，成形精度高、成品表面平整度高。

近年來隨著無模成型技術(shù)的發(fā)展，開始有應(yīng)用改進(jìn)出多點(diǎn)沖壓的模具技術(shù)結(jié)合沖壓機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)復(fù)雜曲面、多規(guī)格板料的技術(shù)出現(xiàn)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)沖壓尺寸較小，板料規(guī)格限制等約束，開始應(yīng)用在各種復(fù)雜曲面工程中。目前，在為數(shù)不多的實(shí)現(xiàn)案例中，多點(diǎn)沖壓的模具技術(shù)結(jié)合大功率沖壓機(jī)技術(shù)已經(jīng)完成了不可展曲面/多規(guī)格且厚板（比較適用4mm～10mm厚板。但如果板太薄，容易被壓出褶皺，成型效果反而不如拉彎工藝）、大尺寸板形/高精度成型這三個技術(shù)難度制高點(diǎn)的突破。該工藝?yán)碚摶A(chǔ)已非常成熟，雖然還有回彈控制和設(shè)備費(fèi)用較高這兩個問題要解決，但該技術(shù)是復(fù)雜曲面鈑金技術(shù)開始擺脫傳統(tǒng)手段向工業(yè)化/數(shù)字化/智能制造方向邁進(jìn)的重要標(biāo)志，極有發(fā)展前景。

3? 復(fù)雜曲面金屬板材加工在工程應(yīng)用方面的相關(guān)問題

3.1? 板材的回彈原理及回彈控制

金屬板材回彈控制是復(fù)雜曲面金屬板加工從項(xiàng)目整體質(zhì)量角度最應(yīng)該要重點(diǎn)考慮的問題，尤其是在沖壓和靜壓這樣一次成型的加工工藝中。

彎曲加工同任何塑性變形一樣都會伴隨彈性變形，當(dāng)冷壓或沖壓所形成的外載荷卸除后，板料產(chǎn)生彈性回彈，其形狀和尺寸都發(fā)生與外載變形方向相反的變化，使彎曲板加工的幾何精度偏離設(shè)計(jì)值。板材回彈的形狀是其整個成型過程的積累效應(yīng)，與眾多因素密切相關(guān)，極為“復(fù)雜”，很難用計(jì)算機(jī)或數(shù)學(xué)公式來準(zhǔn)確解析。回彈量與材料屈服點(diǎn)成正比、和彈性模數(shù)E成反比。板材彎曲加工時要通過經(jīng)驗(yàn)值表估算出弧面失高的回彈量，綜和回彈值和設(shè)計(jì)值得出摸具規(guī)格。對于給定的彎曲成型薄板，其彈性彎曲變形量是一定的。隨著彎曲變形程度的改變，彈性變形彎曲變形量在總的彎曲變形量中的比例也變化，彎曲變形程度越大，彈性彎曲部分占的比例就越小，這就是板材最大彎曲半徑的概念——即越“彎”的板越容易加工。

3.2? 關(guān)于模具

模具對項(xiàng)目的實(shí)施成本影響量極大，是復(fù)雜曲面金屬板加工從項(xiàng)目整體經(jīng)濟(jì)角度最應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題。

在高端的航空航天制造業(yè)中，使用靠模機(jī)床解決曲面板材零件的加工是通用且高效方法，即“靠模法”，但對于工程而言靠模機(jī)床太“貴”也太“慢”。工程上一般使用靠模裝置在通用機(jī)床上或利用其他輔助工具進(jìn)行機(jī)械或半機(jī)械加工方式。這種僅參照“靠模法”基本原理，通過簡化加工工藝和加工手段的方式提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義的做法，才是目前復(fù)雜曲面板項(xiàng)目得以實(shí)現(xiàn)的真正原因。

鋼靠模的優(yōu)點(diǎn)有較強(qiáng)的硬度和強(qiáng)度、精度通過設(shè)計(jì)預(yù)先設(shè)定等優(yōu)點(diǎn)，在裝飾工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。鋼靠模制作方法是：依據(jù)計(jì)算機(jī)中的數(shù)字模型，先使用兩組相互垂直切面對曲面進(jìn)行剖切，依據(jù)剖切線的數(shù)據(jù)裁切平面鋼板，然后把裁切后鋼板網(wǎng)格化正交叉接焊制成為整體模床。制作時，剖切面的間距越小模床精度越高。鋼靠模一般為臨時用模具，對板材規(guī)格很多的項(xiàng)目來說低經(jīng)濟(jì)性的缺點(diǎn)凸顯。

實(shí)木靠模使用硬質(zhì)木，先依據(jù)模具的大概形狀將木塊粘接成為粗胚，然后上3D雕刻機(jī)雕刻成型。數(shù)控雕刻機(jī)可以直接從計(jì)算機(jī)上讀取模型數(shù)據(jù)，所以精度、效率很高。加工廠往往從曲率較大的板塊開始制模加工，分批逐步推向曲率較小的板料。模料可以多次切削逐漸“變平”，從而使模料重復(fù)使用形成增效減耗的工藝亮點(diǎn)，所以這幾年發(fā)展很快。

無模（多點(diǎn)矩陣）成形技術(shù)并不是說沒有模床，而是區(qū)別傳統(tǒng)固定模的一個概念。模具表面由離散的可調(diào)位置的點(diǎn)構(gòu)成，這些“點(diǎn)”的表現(xiàn)形式是較小的球表面和下方的支撐桿件。模具表面形狀是通過每一個桿件的支撐高度調(diào)增實(shí)現(xiàn)的，每個小球表面所形成的弧面與模床要實(shí)現(xiàn)的整體弧面相切。該技術(shù)的基本原理是通過點(diǎn)狀矩陣構(gòu)成離散的上下工具表面來進(jìn)行板材沖壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)彎板加工的數(shù)字化和高精度可控化，最終大幅提高加工效率和精度。板料規(guī)格較多的工程，無模成型技術(shù)會極大地提升加工效率并節(jié)省大批的模具費(fèi)用。與普通鋼靠模相比多點(diǎn)矩陣模床會產(chǎn)生局部形狀的誤差，可以用加彈性墊或改用厚板料來解決。

3.3? 復(fù)雜曲面板金加工的試件

每一個復(fù)雜金屬曲面工程的實(shí)施過程，其本質(zhì)是一項(xiàng)整套技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)過程，所以板料的試件環(huán)節(jié)非常重要。試件要驗(yàn)證試制產(chǎn)品的損耗、成本水平，還要檢驗(yàn)產(chǎn)品的視覺效果以及工工藝的效率等。工程中需要根據(jù)試件的結(jié)果調(diào)整工藝，為批量生產(chǎn)創(chuàng)造技術(shù)條件和控制標(biāo)準(zhǔn)，所以對試件一定要重視，設(shè)定計(jì)劃、打足余量。

在深圳創(chuàng)新展示中心項(xiàng)目中使用1.5mm厚的不繡鋼板，試件發(fā)現(xiàn)種釘以后板面出現(xiàn)明顯的熱變形“暈斑”，于是改用2mm厚板;珠海十字門城市綢帶項(xiàng)目，規(guī)范限定3系鋁板，試件時出現(xiàn)了褶皺、破裂，后部分板料改為材質(zhì)較“軟”的1系才成功量產(chǎn)。

3.4? 其他問題

復(fù)雜曲面板加工一般是先裁切后冷彎成型。但拉彎工藝?yán)?，因需要預(yù)留板邊給設(shè)備夾持，所以只能先拉彎定型后手工割焊裁切。

金屬幕墻板材背面會依據(jù)風(fēng)載計(jì)算布置背筋。背筋對于復(fù)雜曲面金屬板具有找形、定形和結(jié)構(gòu)三重意義。①找形：根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，曲面板材的邊部曲線的精確控制，是項(xiàng)目成敗與否最關(guān)鍵的地方。因?yàn)槿藗儗η姘屙?xiàng)目在視覺效果上的接受度和認(rèn)可度，往往首先是由板邊拼縫的精確程度決定的。而且控制板邊精度的邊背筋屬于平面內(nèi)、二維加工的范疇，加工精度更易控制。②定形：復(fù)雜曲面金屬板金屬板料一般為“柔韌”的薄板，只有安裝了背筋，才能將板材的形狀真正“固定”，并保證板材在放置，搬運(yùn)，吊裝等過程中不會有變形。③結(jié)構(gòu)：復(fù)雜曲面金屬板板規(guī)格較大，支撐板材的結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)一般布置背筋框架上。

在彎曲金屬板材上固定背筋需要進(jìn)行焊接工序。為避免板材發(fā)生焊接變形，彎曲板的背筋固定應(yīng)避免通焊而使用點(diǎn)焊和種釘兩種方式。尤其推薦種釘，因其可以通過螺栓進(jìn)行少量的進(jìn)出位調(diào)節(jié)，所以精確可靠。

4? 發(fā)展前景與展望

復(fù)雜金屬曲面板工程既是現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品，也是點(diǎn)亮城市、代言建筑師個性的“公眾藝術(shù)品”。彎板工藝也既簡單又復(fù)雜——簡單是指相對于應(yīng)用在航空、汽車等高等端鈑金工藝技術(shù)而言，裝飾工程領(lǐng)域的彎板技術(shù)“真實(shí)水平”還是半機(jī)械化狀態(tài);復(fù)雜是指因?yàn)楣こ瘫旧碛袀€性化和經(jīng)濟(jì)性限制等要求，導(dǎo)致復(fù)雜板型彎板加工技術(shù)幾乎沒有可以借鑒的技術(shù)“套路”。建筑師設(shè)計(jì)新項(xiàng)目時往往傾向于：要不有把握從工藝效果上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原有項(xiàng)目，要不干脆就去尋找更新的材料或形式。因此，工程的藝術(shù)屬性會壓抑其工業(yè)產(chǎn)品的本質(zhì)。歷盡艱辛積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)因?yàn)楹罄m(xù)無項(xiàng)目繼承而無法積累升華，好不容易找到的合適的設(shè)備，卻因?yàn)槭褂寐什荒芫S持而費(fèi)用居高，這似乎是一種“永恒的矛盾”。

但冷彎成形是個“靈活變通”的工藝，在現(xiàn)代最先進(jìn)的冷彎工藝中依然存有千年前傳統(tǒng)工法經(jīng)驗(yàn)的價值，現(xiàn)代理論值和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)值依然同時存在。在已有的案例中，很多看似不可能的特殊板形最終都是用冷彎成形實(shí)現(xiàn)的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張雪冬.淺議建筑工程彎曲表面與計(jì)算機(jī)三維模型分析技術(shù)[J].中國房地產(chǎn)業(yè)，2012（10）.

[2] 張國強(qiáng)，董紅，吳承格譯.金屬板料成形及其模具設(shè)計(jì)實(shí)例[R].美.Vukota Boljanovic化工工業(yè)出版社.

[3] 張彥強(qiáng).曲面金屬幕墻平面展開算法及計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[D].西安理工大學(xué)碩士論文，2006.

[4] 胡忠明，吳明君.曲面鋁板幕墻成形技術(shù)淺析.2013全國鋁門窗幕墻行業(yè)年會論文.

作者簡介：

張雪冬（1974—）男，本科，高級工程師;研究方向：建筑外裝飾工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。

鄭家碧（1973—）女，本科，高級工程師;研究方向：建筑外裝飾工程設(shè)計(jì)。

李偉（1980—）男，2014年至今任職珠海市晶藝玻璃工程有限公司，曾擔(dān)任：主任設(shè)計(jì)師、設(shè)計(jì)院副院長，現(xiàn)擔(dān)任：設(shè)計(jì)二院院長，學(xué)歷：本科（土木工程專業(yè)），職稱：工程師，研究方向：建筑外裝飾工程設(shè)計(jì)。

何國輝（1974—）男，2010年至今任職珠海市晶藝玻璃工程有限公司，曾擔(dān)任：主任設(shè)計(jì)師，現(xiàn)擔(dān)任：設(shè)計(jì)所副院長，學(xué)歷：?？疲ńㄖb飾專業(yè)），職稱：中級工程師，研究方向：建筑外裝飾工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。