无模成形技术简介

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。目前，公司已有的多台产品投入到工程使用中，表2-1给出了产品的具体型号。

表2-1长春瑞光科技有限公司产品具体型号

YAM-4型1000KN多点成形压力机

1.总成形力：1000KN

2.基本体调整量：100mm

3.有效成形尺寸：500x400mm

4.可加工板材厚度：2~8mm

机

1.总成形力：630KN

2.基本体调整量：100mm

3.有效成形尺寸：400×320mm

4.可加工板材厚度：0.5~3.0mm YAM-3型630KN薄板多点成形压力

机

1.总成形力：630KN

2.基本体调整量：100mm

3.有效成形尺寸：400×320mm

4.可加工板材厚度：0.5~3.0mm YAM-5型2000KN多点成形压力

1.总成形力：2000KN

2.基本体调整量：200mm

3.有效成形尺寸：840×600mm

4.可加工板材厚度：2.0～10.0mm

小型多点成形压力机

1.总成形力：100KN

2.基本体调整量：50mm

3.有效成形尺寸：140x140mm

4.可加工板材厚度：0.3~3.0mm

压力机

1.总成形力：3150KN

2.基本体调整量：300mm

3.有效成形尺寸：1000×720mm

4.一次调形时间：3~5分钟

5.可加工板材厚度：3.0~15.0mm

SM150型鸟巢工程用多点成形压力机

1.最大成形力：15000KN

2.基本体群布置：9×9

3.一次成形尺寸：1350×1350mm

该公司的产品目前已应用于许多行业，以应用领域如下：

（1）列车流线型车头覆盖件成形

长春轨道客车股份有限公司使用无模多点成形系统生产出44种成形难度大的高速列车车头覆盖件，节省了巨额模具费用。按原工艺方案生产新车型的模具需6～8个月时间，采用多点成形技术后，仅用几天的时间就完成了一台新型高速列车车头覆盖件的成形，大大缩短了新产品的开发周期，提高了成形效率与成形质量。同时，显著地降低了工人的劳动强度，改善了工作环境。唐山机车车辆厂定制的多点成形系统也已通过验收，即将投入300公里动车组的生产中。图2-3为采用多点成形压力机生产的高速列车流线型车头的拼焊制造过程。

图2-3高速列车流线型车头的拼焊制造过程

（2）钛合金板成形

我国新一代潜艇的外板用钛合金材料，成形后的回弹极大，用传统的方法很难成形，采用多点成形设备较好地解决了钛合金成形问题。洛阳725所已利用该设备加工了数件潜艇钛合金外板，缩短了生产周期。图2-4为潜艇外壳的部分成形件。

图2-4潜艇外壳（钛合金）的部分成形件

（3）医学工程中的钛网板塑形

在医学工程中，人脑受损伤后，颅骨缺损部位需要植入钛网板进行修补。采用多点成形技术，很好地解决了钛板塑形问题。这项技术首先根据CT断层照片完成颅骨修补部位的三维重建，然后进行修复体的数字设计、模拟装配、优化工艺参数，最后将设计好的修复体数据直接传输到无模多点成形设备上制造出修复体。图2-5为医学中用到的钛网板。

图2-5钛网板颅骨修复体

（4）弯扭板件

鸟巢建筑工程在施工时遇到多项技术难题，其中一大难题就是鸟巢建筑中大量使用的大型弯扭箱形钢构件需要成形。由于各构件的弯扭形状与尺寸都不一样，所用钢板的厚度从10mm变化到60mm，且形状各异，成形相当困难。如采

用模具成形，模具费用高昂，而采用水火弯板手工成形则不易保证成形精度，且工人劳动强度大。采用多点成形技术圆满解决了上述问题，不仅实现了与传统整体模具成形相同的效果，节约了高额模具费用，还显著提高了成形效率。图2-6为鸟巢工程用钢构件制造过程。

图2-6鸟巢工程用钢构件制造过程

2.2数字化渐进成形

数字化渐进成形是20世纪90年代日本学者松原茂夫提出的金属板料成形新方法，将零件复杂的三维形状沿Z轴方向离散化，即分解成一系列二维断面层，并用工具头在这些二维断面层上局部进行等高线塑性加工，达到所要求的形状，实现了板料设计制造一体化的柔性快速制造，其成形原理如图2-7所示。

图2-7渐进成形示意图