三维曲面件柔性成形技术的现状

三维曲面件的应用非常广泛，很多重点工程与重大项目中都需要能够快速加工高质量三维曲面件的先进制造技术。由于模具设计与制造成本高、准备周期长；在单件生产或批量较小的曲面件制造中，急需不用模具的柔性成形技术；然而在大型曲面件室温成形时，由于材料加工后的回弹大，而且容易产生多种加工缺陷，实现柔性成形的难度比较大。为了解决大型曲面件柔性成形难题，吉林大学开展了大量的基础理论研究、生产装备研制、成形工艺开发及实际应用等多方面的工作，研究了多点数字化模具成形、柔性拉伸成形、柔性辊压成形等多种柔性成形技术，形成为柔性成形与数字化制造系列技术，已经应用于多个重点项目中。

三维曲面件大量应用于航空航天、船舶舰艇、高速列车等交通工具及现代建筑的装饰幕墙等方面。模具成形是常用的三维曲面件加工技术，但模具成形要使用整体模具，需要长时间的模具设计、加工制造和调试等过程，生产准备周期很长；而且使用一套模具只能成形一种特定形状与尺寸的曲面件，针对每一种不同形状与尺寸的曲面零件都需要一套或数套与之对应的模具，所以前期制造成本很高。长时间的生产准备周期和昂贵的前期制造成本使得模具成形适用于大批量生产，但不适合单件或小批生产，从而限制其在产品的个性化、多样化以及更新换代等方面的发展。为替代传统的曲面成形用整体模具，国内外很多机构与企业开展了大量与柔性制造相关的研究，并开发了多种柔性成形技术，如应用在造船业的水火弯板、航空制造业的喷丸成形、单点渐进成形等，但普遍存在加工效率低、成形精度差等问题。

多点数字化模具成形

多点数字化成形是一种先进的板料柔性成形技术，其将柔性制造和计算机技术结合为一体，基本原理是用多个规则排列的基本体单元构成的点阵代替实体模具的型腔，通过数控方式调整基本体单元高度形成所需要的成形型面，进行板料的柔性成形。图1(a)所示为普通的多点数字化成形示意图；图1(b)所示为具有柔性压边功能的多点数字化成形示意图。有了柔性压边功能，能够有效抑制薄板成形时的起皱现象，适合成形复杂形状的三维曲面件。多点数字化成形能够用一套多点模具成形很多种形状的曲面件，从而实现板料的柔性化成形和数字化制造，具有无模、高效以及低成本等优势。

图1 多点数字化成形示意图

吉林大学在基础理论研究、关键技术攻关、专用软件开发及成形工艺研发的基础上，研制出多种多点数字化成形压力机，并应用于多个领域的重点工程中，解决了柔性加工难题。图2(a)为北京奥运会鸟巢建筑工程用多点数字化成形压力机及钢构箱型单元照片。鸟巢工程由大量的弯扭钢板结构件拼焊成箱型单元，其尺寸大、品种多、形状各异，单件生产的弯扭结构件个性化成形是突出的技术难题；采用多点数字化成形技术，圆满完成了大量个性化弯扭结构件的成形。图2(b)为薄板用多点成形压力机及0.5mm 薄板成形件照片。薄板在成形时容易起皱，而且还容易拉裂；采用柔性压边成形技术，成功解决了薄板成形难题。图2(c)为高强钢板成形用大型多点数字化成形装备，其一次成形尺寸可达3.15m×2.7m，成形件照片为板厚50mm 的室温加工曲面件。图3(a)所示为新开发的精密多点数字化成形设备，该设备配有在线激光测量装置，能够直接测量成形件的加工精度，自动分析成形件的回弹分布。根据测量反馈的回弹分布数据，可以生成回弹量修正数据，进行回弹修正。该设备还可以用于成形带筋板材，图3(b)为正在加工中的铝合金型材。图3(c)为成形后的带筋铝合金型材。

图2 几种多点数字化成形设备及应用例

图3 新型多点数字化成形设备及成形例

蒙皮件柔性拉伸成形

柔性拉伸成形是在融合了传统拉伸成形和多点离散成形的基础上，综合运用液压系统的帕斯卡定理、材料的加工硬化特性以及最小阻力定律等理论，构思与开发的新型柔性成形技术，图4 所示为柔性拉伸成形示意图。柔性拉伸成形用多个离散夹钳代替传统拉伸成形时的整体刚性夹钳，每个离散夹钳由水平、倾斜、垂直布置的三个液压缸加载；能够实现板料加载与变形的自协调；即在拉伸成形过程中，每个夹钳都可以根据模具形状的变化自动调整钳口的位移和转角，实现钳口处板料与拉伸成形模具端面的曲率变化趋势一致，从而使板料更容易贴合模具，提高工件的材料利用率和成品率。

图4 柔性拉伸成形示意图

基于柔性拉伸成形原理研发出多种柔性拉伸成形机，大量应用于航空、高铁、建筑幕墙等曲面件的柔性成形中，所成形的曲面件质量好，精度高。图5 所示为柔性拉伸成形设备照片及拉伸成形工件。图6 所示为出口韩国的拉压复合多点数字化成形设备，并完美地应用于韩国首尔的新地标建筑——东大门设计广场的建筑覆层成形中(图7)，保证了工程的顺利完成。该建筑由两万多张尺寸与形状各异的双曲率铝合金曲面件组成。

图5 柔性拉伸成形设备照片及拉伸成形件

图6 拉压复合多点数字化成形设备

图7 首尔东大门设计广场

近几年又为航空制造企业开发出两种规格的数控柔性拉伸成形设备，专门用于拉伸成形飞机蒙皮件。这些设备具有数控设置压力与速度的功能，并具有示教与自动成形功能。图8(a)所示为拉伸成形有效尺寸为1200mm×3000mm 的数控柔性拉伸成形机，图8(b)与图8(c)为拉伸成形的工件照片。

图8 数控柔性拉伸成形设备及成形例

柔性辊压成形

为了显著提高板料柔性成形效率，大幅度降低生产成本，提出了三维曲面件柔性辊压成形思路。柔性辊压成形可以采用可弯曲柔性辊作为成形工具，也使用刚性的弧形辊实现三维曲面件的柔性成形。下面，只介绍基于刚性弧形辊的柔性成形。

刚性弧形辊轧机的一个辊设计成凸形辊，另一个设计成凹形辊；而且两个弧形辊的纵向圆弧半径有一定差值。因此，板料轧制时，其横截面的辊缝分布是变化的，而且随压下量的不同，其辊缝分布还产生变化；其结果在加工件的横向与纵向都产生弯曲，成形结果为三维曲面。如果加工件的横截面中心区域的压下量大于左右区域的压下量，所成形的曲面呈现球形面，如图9(a)所示，如果加工件的横截面中心区域的压下量小于左右区域的压下量，所成形的曲面呈现鞍形面，如图9(b)所示。

图9 刚性弧形辊轧示意图

通过调整轧辊横截面的辊缝分布和压下量，只用一种组合的轧辊，就可以获得球形面和鞍形面，而且可以获得多种曲率半径的加工件。图10 所示为刚性弧形辊轧机及使用不同厚度的板料获得的球形面和鞍形面试验件照片，图11 所示为通过不同的压下量获得的不同曲率半径的加工件照片。

图10 刚性弧形辊轧机及加工件

图11 不同曲率半径的加工件

总之，三维曲面件的柔性成形技术在国民经济多个行业的需求非常大，随着柔性成形技术与设备的进一步完善与成熟，将在多个领域发挥重要作用。