金属板材无模成形

无模成形技术简介1.引言无模成形是以计算机为主要手段，利用多点成形或增量成形的方法，实现板料的无模具塑性成形的先进智能化制造技术。

金属板料成形在制造业中有着十分重要的地位，该技术广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件和家电等生产行业，但传统的金属板料加工工艺都离不开模具，采用模具成形生产周期长，而且缺乏柔性，产品变化时就需要重新更换模具，这就延长了新产品的开发周期。

而现代社会产品的更新换代非常迅速，如何快速、低成本和高质量地开发出新产品，是企业生存和发展的关键。

为此，国内外许多学者都在致力于板料塑性成形新技术的研究，努力实现金属板料快速高效的柔性冲压和无模成形，以适应现代制造业产品快速更新的市场竞争需要。

2.研究概况国内外许多学者都对板料塑性成形新技术进行了大量的研究，从无模多点成形和数字化渐进成形到喷丸成形、爆炸成形、激光热应力成形和激光冲击成形等，并取得了一定的成果。

2.1 无模多点成形无模多点成形是利用高度可调节的数控液压加载单元（基本群体）形成离散曲面，来替代传统模具进行三维曲面成形的方法，是一种多点压延加工技术。

此法特别适合于多品种小批量生产，体现了敏捷制造的理念。

目前已在高速列车流线型车头制作、船舶外板成形、建筑内外饰板成形及医学工程等领域，得到广泛应用。

与传统模具成形方法相比，其主要区别就是他具有“柔性”，可以在成形前也可在成形过程中改变基本体的相对位移状态，从而改变被成形件的变形路径及受力状态，以达到不同的成形效果。

图2-1 为传统模具成形与多点成形的比较。

图 2-2 为多点模具成形的过程。

图 2-1 模具成形与多点成形的比较图 2-2 多点模具成形过程20 世纪 70 年代，日本造船界开始研究多点成形压力机，并成功应用于船体外板的曲面成形。

此后许多学者为开发多点成形技术进行了大量的探讨与研究，制作了不同的样机，但大多只能进行变形量较小的整体变形。

吉林大学李明哲等人对无模多点成形技术进行了较为系统的研究，已自主设计并制造了具有国际领先水平的无模多点成形设备，2002 年底，李教授组建了产学研实体：长春瑞光科技有限公司。

摘要：金属板料成形在制造业中有着广泛的应用，但传统的金属板料加工工艺都离不开模具，采用模具成形生产周期长，而且缺乏柔性，产品变化时就需要重新更换模具，这就延长了新产品的开发周期。

而现代社会产品的更新换代非常迅速，如何快速、低成本和高质量地开发出新产品，是企业生存和发展的关键。

因此一些新型的无模成形技术应运而生，如：喷丸成形、数字化渐进成形、无模多点成形、激光热应力成形、激光冲压成形等。

这些技术都是在数控系统的支撑下，实现板料的无模成形，具有很大的柔性。

他们克服了模具成形的不足，节省了模具制造费用与时间，特别适合新产品的开发和小批量生产。

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

[1]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。

其主要优点是：（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。

[2]喷丸成形的工艺方法有弯曲喷丸、延伸喷丸和预应力喷丸3种，其成形机理十分复杂。

由于影响成形过程的因素较多，使得喷丸成形工艺参数的选择仍要依靠庞大的实验数据库和操作经验，采用试喷渐进的方法来确定，耗时费资。

在采用CNC喷丸成形后，这一问题更需解决。

西北工业大学的康小明等人提出喷丸成形CAD/CAM/CAE系统，以机翼整体壁板全信息模型及喷丸成形数据库为基础，解决了喷丸成形的参数选取问题；对喷丸成形进行运动模拟，简化了喷丸成形的数控编程工作；对喷丸成形进行有限元模拟，增强了对这一复杂过程的预见。

图1 成形锤成形法
无模多点成形技术，是把模具曲面离散成有限个高度分别可调的基本单元，用多个基本单元代替传统
图2 多点成形技术 图3 多点成形技术加工马鞍形曲面解成为一系列二维局部塑性成形，实现手段一般是在数控铣床上利用成形工具压头旋转压延逐层依次成形
，该系
图5 AMINO公司单点渐进成形系统及成形的零件
比利时Duflou教授在CNC加工中心上用单点渐误差补偿的方法做出了改进
图6 零件3D设计图 图7零件实物照片加拿大皇后大学的Jeswiet等人设计试验台，用
图8 双边渐进成形技术
以上这些渐进成形技术都是基于CNC机床，并利用高速旋转的球形或半球形工具头，对工件进行渐进塑性成形。

针对这种工作方式，还有许多学者对成。

金属板材三点渐进式无模成形机理与仿真研究的开题报告1. 研究背景和意义随着工业化进程的不断发展，金属板材加工领域也在不断改进和创新。

传统的金属板材成形方式通常采用模具的方式进行，但模具成本高昂，加工周期长，不适用于小批量、多品种的生产需求。

与传统模具成形相比，无模成形具有成本低、适应性强、丰富度高等优点，也在金属板材成形领域备受瞩目。

渐进式无模成形技术是一种新型的金属板材成形方式，它不需要使用大型模具，通过一系列小的成形动作实现金属板材的成形。

在此基础上，三点式渐进式无模成形技术进一步将板材固定在三个点上，通过位移和加载的方式实现板材的成形。

这种成形方式不仅可以节约成形成本，而且具有灵活性高、成形品质好等优点，实现了高效率、高精度的金属板材成形。

因此，深入研究金属板材三点渐进式无模成形机理和仿真方法，可以为金属板材成形领域提供新的技术路线和发展思路。

2. 研究内容本课题拟开展以下研究内容：（1）分析三点渐进式无模成形的工艺过程和原理，阐述金属板材三点渐进式无模成形的机理和特点。

（2）建立三点渐进式无模成形数学模型，研究金属板材在渐进式无模成形过程中的力学行为和变形规律。

（3）基于数值仿真方法，探究不同加工工艺参数对渐进式无模成形过程的影响，优化参数组合，提高成形质量和效率。

（4）通过实验验证数值仿真结果的准确性，并对不同工艺参数进行实验比较，验证优化后的工艺参数的有效性。

3. 研究方法本课题主要应用力学、数学建模方法和数值仿真方法进行研究。

具体内容包括：（1）通过力学原理和板材变形规律分析，建立金属板材三点渐进式无模成形的数学模型。

（2）基于有限元分析（FEA）软件，采用PLS-Explicit程序对三点渐进式无模成形的过程进行数值模拟仿真，并分析其成形规律和变形情况。

（3）通过数值仿真结果优化工艺参数，通过实验验证优化参数的有效性。

4. 预期成果（1）建立金属板材三点渐进式无模成形的数学模型，深入分析板材的变形规律和机理。

万方数据２００９年第４３卷№５器手越来越多的被应用到数控渐进成形技术中，更好地实现了制造的柔性化与自动化【５】（如图２所示）。

图２工业机器手在数控渐进成形中的应用２．１金属板材单点渐进成形工艺及精度的研究成形工件尺寸精度不高是金属板材单点渐进成形技术难以得到广泛应用的主要原因【６，７｜，也是目前该技术国内外研究的热点，现行的大部分的成形工艺研究也正是围绕如何提高成形精度而展开。

由于成形力越小越有利于提高工件的成形精度，而成形力又随着步长、成形角、工具头半径和板材厚度的减少而减小，因此可以通过控制工艺参数达到提高成形精度的目的。

为得到确切的工艺参数与工件成形精度的关系，意大利的Ａｍｂｒｏｇｉｏ【８Ｊ通过调整工艺参数对工件进行多次试验成形，然后利用统计分析方法对试验数据进行分析总结，从而得到了工艺参数与工件尺寸精度的关系表达式。

但该方法适用范围有限，一般只适合于简单的零件，对于复杂零件很难找到工艺参数与工件尺寸精度的确切关系表达式。

另外，工艺参数中板材厚度的选定并不能只根据成形力的需要而随意更改，而其它工艺参数对成形力的影响并不显著，而且还会降低成形效率【７．９１。

工具头与板材接触区域附近不必要的塑性变形和回弹是成形件几何尺寸精度不高的主要原因№Ｊ。

为了获得良好的成形精度，一般希望在成形区（即板材与工具头接触的区域）内的金属板材具有较低的屈服强度和较好的延伸性，这样有益于板材在较小的成形力下加工成形，并且还能防止板材卸载后的回弹；但与此同时又希望在成形区域外的金属板材具有较高的屈服强度，这样有助于避免成形区外板材产生不必要的塑性变形，从而达到板材的准确成形。

对金属板材的上述两个要求看起来有些冲突，因为同一金属板材很难同时具备相互矛盾冲突的两９种属性。

通过改变装置可以达到提高成形区外材料刚度、并由此提高成形精度的目的，但该方法会降低工艺的柔性［１０］。

比利时的Ｄｕｆｌｏｕ［６，７］利用激光对板材成形区域进行局部动态加热，从时间和空间上改变材料性质，达到了减小成形区材料屈服强度的目的。

薄板无模分层成形技术
薄板无模分层成形技术是一种特殊的金属成形加工方法，它通过将厚度小于1mm的金属板分层，在不使用模具的情况下进行形状精确的成形。

这种技术可以将复杂的零部件成形，可以满足多种生产需求，并可以大大降低模具制造成本。

薄板无模分层成形技术的基本流程是：首先，在薄板上利用专用的数控磨床精确地切割出所需的形状；然后，用专用的装配设备将各个部件拼接在一起；最后，采用压力成型设备，将复杂的零部件精确地压缩成所需的形状。

薄板无模分层成形技术的优势在于：①不需要模具，大大降低了生产成本；②可以对厚度小于1mm的金属板进行精确的成形；③可以快速生产复杂的零件；④可以满足多种生产需求。

数字化成性理论报告金属板材三维曲面类零件因其面积比重量轻、材料省、受力状态好，往往作为主要零部件，在民用产品、军用产品以及现代高技术产品等许多制造领域广为应用。

这些三维曲面类零件一般都是由轧制的二维平板坯料成形出来的，其传统的成形方法主要有整体模具成形与手工成形。

但是由于模具制造费用昂贵，主要应用于大批量生产。

而大尺寸、小批量的零件只能采用手工成形方法，如在造船行业，每一块船体外板形状都各不相同，并且都非批量生产，因此，广泛采用的是线加热成形方法（即水火加工方法）。

但是手工成形方法成形质量差、生产效率低，而且劳动强度极大。

无模多点成形（(Multi-point Forming，简称MPF）【1】是板料三维曲面数字化成形新技术，其基本原理是有一系列规则排列的基本体点阵代替整体式冲压模具（即实现无模化），通过数字化调形系统调整基本体单元高度形成所需要的成形面，实现板料的无模、快速、柔性化成形。

上图为多点成形示意图，与模具成形相比在模具成形中，板件由模具的形面来成形;而多点成形时则由基本体单元的包络面(或称成形曲面)来完成。

多点成形方法与传统模具成形方法的主要区别就是它具有“柔性”特点，即可控制各基本体单元的高度。

利用这个特点，既可以在成形前也可在成形过程中改变基本体的相对位移状态，从而不仅可以实现无模成形，还可以改变被成形件的变形路径及受力状态，达到不同的成形结果。

多点成形设备的这种柔性加工特点，比传统模具成形能为工件提供更多的变形路径，从而能够实现如分段成形、多道成形、闭环成形等诸多特色加工工艺。

目前，经过二十多年的研究，多点成形技术由早期的探索性研究与试验阶段进入了实际应用阶段，在与多点成形工艺相关的基础研究与开发应用方面实现了分段成形、多道成形、闭环成形及薄板成形等多种工艺方法，并且应用于实际生产中。

板料多点成形按成形原理可分为四种基本方式：多点模具成形、多点压力机成形、半多点模具成形及半多点压力机成形。