現代工程復雜曲面金屬板材加工技術研究

張雪冬 鄭佳碧 李偉 何國輝

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

關鍵詞：復雜曲面金屬板工程;表皮劃分;展開計算;冷彎成型;無模成形

1? 復雜曲面金屬板裝飾工程簡述

1.1? 復雜曲面金屬板工程

金屬板材冷彎成型的技術在上世紀中葉進入工業(yè)化，繼而開始大量的出現專用于建筑上的各種金屬屋面、金屬幕墻金屬構件等現代工業(yè)產品。時至今日，出現很多曲面金屬板維護而成的復雜曲面金屬板裝飾工程。

本文所主要關注的“復雜”曲面金屬板的概念是指：①數學概念上，各種可解析的雙曲面或非數學解析曲面等等;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目不是本文討論范疇。初等解析曲面都有一個數學定義并可使用數學公式表達如：球面、雙曲拋物面等;復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“獨特”又“隨機”的抽象形體。

但因為加工工藝的復雜性，可以用于復雜曲面加工的板料可選擇并不多。不同的材質金屬板材或采用不同的厚度的金屬板材會表現出不用的力學性能如：抗折抗拉/抗彎、彈性系數、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算確定。現在銅板、鋁單板、冷軋鋼板及不銹鋼板都有成功的復雜曲面裝飾工程案例，其中又以鋁板和不銹鋼應用較為普遍，技術也相對成熟。

不可展開曲面板料要經過展開計算來輔助鈑金工藝設計。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算確定平面形狀來裁切。而且，如果展開計算的結果提示了板材加工難度很大，就要考慮調整鈑金加工工藝如：使用延展性更好的板材、板材加厚或使用大功率成型設備，甚至考慮使用數控精密成型設備。

板金的展開算法為幾何學領域的技術，在實際工程中幕墻設計人員往往將曲面板信息以RHION模型的方式交到鈑金廠，由鈑金廠負責計算和輸出。

2? 建筑裝飾用復雜曲面金屬板材的加工工藝

三軸輥壓機加工拱面（單曲面）及錐面是金屬板冷彎技術工業(yè)化的標志，但僅適用于曲面曲率固定，批量大的產品，不能用于復雜曲面板的加工。曲面展開復雜性越大，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沙表面敲打金屬，使板材延展變形成型技術。錘藝往往由經驗豐富的工藝技師手工操作，它能夠實現基本精準、幾乎所有復雜曲面板型。

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。但因其經濟可靠（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目中還是普遍應用。

錘藝前先使用優(yōu)化后的三軸輥壓機預成型，可以提高成型效率。使用預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械化提升的方法。

另外，因為銅板材質較“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，現有少量銅板曲面項目都是手工成型。

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。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，待內應力消除后脫模裁切，即可得到符合設計要求的的曲面板型。

胎膜拉彎成型工藝特點有：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，所以需要提前準備完善的工藝方案和準備工作。②該工藝會導致板材沿板面延展并變薄，但回彈小，質量有保證。③因為板面要承受較大的拉力，所以只適合冷軋鋼板和不銹鋼板這兩種高強度板料。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矩陣胎膜，模床都要求有很高的剛度。⑥因受設備參數和模床成本的制約，板幅也不宜太大。

在實際生產中，如項目板型規(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際項目中較新、較常用的彎板工藝。該工藝是一種同時具有良好的經濟性和實現效果的加工工藝。胎膜柔性壓彎成型一般使用鋼模或實木模，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：①更適用于質地較“軟”的鋁板（因鋁板是裝飾領域最常用的面材，所以改工藝目前應用廣泛）或銅板。②柔性壓彎一般是多次成型，在實際加工過程中可調整甚至可少量修改返工，③可應用于板型復雜、曲率較大或曲率復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：根據成形板材的最終成形面的性質，預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）、上方沖壓的活動模及機械沖壓機這三個要素工作。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的發(fā)展，開始有應用改進出多點沖壓的模具技術結合沖壓機械設備生產復雜曲面、多規(guī)格板料的技術出現。該技術突破了傳統(tǒng)沖壓尺寸較小，板料規(guī)格限制等約束，開始應用在各種復雜曲面工程中。目前，在為數不多的實現案例中，多點沖壓的模具技術結合大功率沖壓機技術已經完成了不可展曲面/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難度制高點的突破。該工藝理論基礎已非常成熟，雖然還有回彈控制和設備費用較高這兩個問題要解決，但該技術是復雜曲面鈑金技術開始擺脫傳統(tǒng)手段向工業(yè)化/數字化/智能制造方向邁進的重要標志，極有發(fā)展前景。

3? 復雜曲面金屬板材加工在工程應用方面的相關問題

3.1? 板材的回彈原理及回彈控制

金屬板材回彈控制是復雜曲面金屬板加工從項目整體質量角度最應該要重點考慮的問題，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，當冷壓或沖壓所形成的外載荷卸除后，板料產生彈性回彈，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計值。板材回彈的形狀是其整個成型過程的積累效應，與眾多因素密切相關，極為“復雜”，很難用計算機或數學公式來準確解析。回彈量與材料屈服點成正比、和彈性模數E成反比。板材彎曲加工時要通過經驗值表估算出弧面失高的回彈量，綜和回彈值和設計值得出摸具規(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? 關于模具

模具對項目的實施成本影響量極大，是復雜曲面金屬板加工從項目整體經濟角度最應該重點考慮的問題。

在高端的航空航天制造業(yè)中，使用靠模機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床太“貴”也太“慢”。工程上一般使用靠模裝置在通用機床上或利用其他輔助工具進行機械或半機械加工方式。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經濟意義的做法，才是目前復雜曲面板項目得以實現的真正原因。

鋼靠模的優(yōu)點有較強的硬度和強度、精度通過設計預先設定等優(yōu)點，在裝飾工程領域應用廣泛。鋼靠模制作方法是：依據計算機中的數字模型，先使用兩組相互垂直切面對曲面進行剖切，依據剖切線的數據裁切平面鋼板，然后把裁切后鋼板網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)格很多的項目來說低經濟性的缺點凸顯。

實木靠模使用硬質木，先依據模具的大概形狀將木塊粘接成為粗胚，然后上3D雕刻機雕刻成型。數控雕刻機可以直接從計算機上讀取模型數據，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”，從而使模料重復使用形成增效減耗的工藝亮點，所以這幾年發(fā)展很快。

無模（多點矩陣）成形技術并不是說沒有模床，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位置的點構成，這些“點”的表現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增實現的，每個小球表面所形成的弧面與模床要實現的整體弧面相切。該技術的基本原理是通過點狀矩陣構成離散的上下工具表面來進行板材沖壓，進而實現彎板加工的數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，無模成型技術會極大地提升加工效率并節(jié)省大批的模具費用。與普通鋼靠模相比多點矩陣模床會產生局部形狀的誤差，可以用加彈性墊或改用厚板料來解決。

3.3? 復雜曲面板金加工的試件

每一個復雜金屬曲面工程的實施過程，其本質是一項整套技術系統(tǒng)的研發(fā)過程，所以板料的試件環(huán)節(jié)非常重要。試件要驗證試制產品的損耗、成本水平，還要檢驗產品的視覺效果以及工工藝的效率等。工程中需要根據試件的結果調整工藝，為批量生產創(chuàng)造技術條件和控制標準，所以對試件一定要重視，設定計劃、打足余量。

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

3.4? 其他問題

復雜曲面板加工一般是先裁切后冷彎成型。但拉彎工藝例外，因需要預留板邊給設備夾持，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風載計算布置背筋。背筋對于復雜曲面金屬板具有找形、定形和結構三重意義。①找形：根據實際工程經驗，曲面板材的邊部曲線的精確控制，是項目成敗與否最關鍵的地方。因為人們對曲面板項目在視覺效果上的接受度和認可度，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、二維加工的范疇，加工精度更易控制。②定形：復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，吊裝等過程中不會有變形。③結構：復雜曲面金屬板板規(guī)格較大，支撐板材的結構連接點一般布置背筋框架上。

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

4? 發(fā)展前景與展望

復雜金屬曲面板工程既是現代工業(yè)產品，也是點亮城市、代言建筑師個性的“公眾藝術品”。彎板工藝也既簡單又復雜——簡單是指相對于應用在航空、汽車等高等端鈑金工藝技術而言，裝飾工程領域的彎板技術“真實水平”還是半機械化狀態(tài);復雜是指因為工程本身有個性化和經濟性限制等要求，導致復雜板型彎板加工技術幾乎沒有可以借鑒的技術“套路”。建筑師設計新項目時往往傾向于：要不有把握從工藝效果上遠遠超過原有項目，要不干脆就去尋找更新的材料或形式。因此，工程的藝術屬性會壓抑其工業(yè)產品的本質。歷盡艱辛積累的技術經驗因為后續(xù)無項目繼承而無法積累升華，好不容易找到的合適的設備，卻因為使用率不能維持而費用居高，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，在現代最先進的冷彎工藝中依然存有千年前傳統(tǒng)工法經驗的價值，現代理論值和傳統(tǒng)經驗值依然同時存在。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現的。

參考文獻：

[1] 張雪冬.淺議建筑工程彎曲表面與計算機三維模型分析技術[J].中國房地產業(yè)，2012（10）.

[2] 張國強，董紅，吳承格譯.金屬板料成形及其模具設計實例[R].美.Vukota Boljanovic化工工業(yè)出版社.

[3] 張彥強.曲面金屬幕墻平面展開算法及計算機應用設計[D].西安理工大學碩士論文，2006.

[4] 胡忠明，吳明君.曲面鋁板幕墻成形技術淺析.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：建筑外裝飾工程設計和施工技術。

鄭家碧（1973—）女，本科，高級工程師;研究方向：建筑外裝飾工程設計。

李偉（1980—）男，2014年至今任職珠海市晶藝玻璃工程有限公司，曾擔任：主任設計師、設計院副院長，現擔任：設計二院院長，學歷：本科（土木工程專業(yè)），職稱：工程師，研究方向：建筑外裝飾工程設計。

何國輝（1974—）男，2010年至今任職珠海市晶藝玻璃工程有限公司，曾擔任：主任設計師，現擔任：設計所副院長，學歷：專科（建筑裝飾專業(yè)），職稱：中級工程師，研究方向：建筑外裝飾工程設計和施工技術。