板料柔性成形技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

文／李明哲，付文智，依卓·吉林大學(xué)無模成形技術(shù)開發(fā)中心

板料柔性成形技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

文／李明哲，付文智，依卓·吉林大學(xué)無模成形技術(shù)開發(fā)中心

板料三維曲面件的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，大量應(yīng)用于航空航天、船舶艦艇、高速列車、現(xiàn)代建筑、醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。模具成形是常用的三維曲面件加工技術(shù)，但模具成形要使用整體型腔模，需要長時間的模具設(shè)計、制造和調(diào)試過程，生產(chǎn)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(shù)套與之對應(yīng)的模具，所以前期制造成本很高。長時間的生產(chǎn)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(chǎn)，但不適于單件或小批量生產(chǎn)，從而限制了其在產(chǎn)品的個性化、多樣化以及更新?lián)Q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(nèi)外專家、學(xué)者開展了大量與柔性制造相關(guān)的研究，并開發(fā)了多種柔性成形技術(shù)，如應(yīng)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(chǎn)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(shù)，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(shù)控方式調(diào)整各基本體單元的高度，構(gòu)造出不同的成形型面，從而實現(xiàn)板料的不同三維曲面成形。基于多點成形理念，吉林大學(xué)針對板料三維曲面柔性成形技術(shù)做了大量的研究，相繼開發(fā)出一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的柔性成形和數(shù)字化制造技術(shù)，包括多點數(shù)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(chǔ)上研發(fā)出相應(yīng)的設(shè)備，并且實際應(yīng)用于多個重大項目與重點工程中，實現(xiàn)了三維曲面件的高效率、低成本、高質(zhì)量和柔性化生產(chǎn)。本文介紹三維曲面件柔性成形技術(shù)的現(xiàn)狀，主要敘述所開發(fā)的柔性成形和數(shù)字化制造技術(shù)原理、自主研發(fā)的設(shè)備以及實際應(yīng)用情況。

多點數(shù)字化成形

多點數(shù)字化成形是一種先進的板料柔性成形技術(shù)，其將柔性制造和計算機技術(shù)結(jié)合為一體，基本原理是用多個規(guī)則排列的基本體單元構(gòu)成的點陣代替實體模具的型腔，通過數(shù)控方式調(diào)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(shù)字化成形示意圖，其中圖1a為常規(guī)的多點數(shù)字化成形示意圖；圖1b為帶柔性壓邊功能的多點數(shù)字化成形示意圖，其能夠有效抑制薄板成形時的起皺現(xiàn)象，適合成形復(fù)雜形狀的三維曲面件。多點數(shù)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(xiàn)板料的柔性化成形和數(shù)字化制造，具有無模、高效以及低成本等優(yōu)勢。

在基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、專用軟件開發(fā)及成形工藝研發(fā)的基礎(chǔ)上，成功研制出多種多點數(shù)字化成形壓力機，并實際應(yīng)用于多個領(lǐng)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(shù)字化成形壓力機及鋼構(gòu)箱型單元照片。鳥巢工程由大量的彎扭鋼板結(jié)構(gòu)件拼焊成箱型單元，其尺寸大、品種多、形狀各異，彎扭結(jié)構(gòu)件的成形是突出的技術(shù)難題，采用多點數(shù)字化成形技術(shù)，圓滿完成了大量個性化彎扭結(jié)構(gòu)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(shù)，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(shù)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(shù)字化成形示意圖

柔性拉伸成形

圖2 幾種多點數(shù)字化成形設(shè)備及應(yīng)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(chǔ)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(shè)計開發(fā)的一種新型柔性成形技術(shù)，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?qū)崿F(xiàn)板料加載與變形的自協(xié)調(diào)，即在拉伸成形過程中，多個夾鉗可以根據(jù)模具形狀的變化自動調(diào)整鉗口的位移和轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)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(yīng)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(zhì)量好，精度高。圖4所示為柔性拉伸成形設(shè)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(shè)備及拉伸成形件

圖5 拉壓復(fù)合多點數(shù)字化成形設(shè)備

圖6 韓國首爾的新地標建筑——東大門設(shè)計廣場

為了實現(xiàn)復(fù)雜曲面件成形，將柔性拉伸成形技術(shù)與多點對壓成形技術(shù)相結(jié)合，研制了柔性拉伸與對壓復(fù)合成形設(shè)備，并出口韓國（圖5）。該設(shè)備已用于著名設(shè)計師Zaha Hadid設(shè)計的韓國首爾新地標建筑——東大門設(shè)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(shù)，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(chǔ)上，最近又為航空制造企業(yè)開發(fā)出兩臺數(shù)控柔性拉伸成形設(shè)備，專門用于成形各種飛機蒙皮件。這些設(shè)備具有數(shù)控設(shè)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(shè)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(xiàn)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(chǎn)成本，提出了基于柔性輥和多點調(diào)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(diào)形單元控制，通過調(diào)整每個調(diào)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(jù)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(xiàn)板料橫向彎曲，通過上柔性輥下壓實現(xiàn)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(zhuǎn)動，板料雙向彎曲所產(chǎn)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(zhuǎn)；通過柔性輥的彎曲實現(xiàn)圓形板料的徑向變形，通過上柔性輥的下壓實現(xiàn)周向變形；通過柔性輥的旋轉(zhuǎn)帶動板料旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生塑性變形，從而完成板料的回轉(zhuǎn)曲面成形。圖7c為柔性軋制成形示意圖，通過調(diào)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(xiàn)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(yīng)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(diào)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(gòu)成，能夠成形回轉(zhuǎn)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(diào)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(shè)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?qū)崿F(xiàn)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(shè)計與制造成本，設(shè)備投資少，在單件或小批量三維曲面件的生產(chǎn)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(shù)以其特有的優(yōu)勢將具有更加廣闊的應(yīng)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(shù)特別適用于單件或小批量三維曲面件的生產(chǎn)及新產(chǎn)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(shù)的推廣與普及，設(shè)備的一次成形尺寸也在逐漸變大，將達到數(shù)十平方米。

⑵精密化。柔性成形技術(shù)起初只能用于中厚板料的簡單形狀曲面成形，現(xiàn)在已經(jīng)在薄板成形與復(fù)雜形狀件成形方面取得了顯著進展，已經(jīng)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(fù)雜的曲面工件。柔性成形技術(shù)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(shù)的結(jié)合可以實現(xiàn)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(shù)正在向高質(zhì)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(shù)特點，將具有良好的應(yīng)用前景。