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

加工是在三轴联动的数控成形机上进行的，工作时，在计算机控制下成形工具头先走到指定位置，并设定下压量，然后根据控制系统的指令，按照第一层截面轮廓的要求，以走等高线的方式对板材施行渐进塑性加工，并形成所需第一层轮廓后；成形工具头再压下设定高度，按第二层截面轮廓要求运动，并形成第二层轮廓。如此重复直到整个工件成形完毕。

金属板材数字化渐进成形的整个工作过程并不复杂，以汽车覆盖件车门的成形为例，其过程如下：（1）首先在计算机上用三维CAD软件建立工件的三维数字模型。（2）进行成形工艺分析、工艺规划，制造工艺辅助装置。（3）用专用的切片软件对三维模型进行分层(切片)处理，并进行成形路径规划。（4）生成成形轨迹文件，进行成形速度规划，最终对加工轨迹源文件进行处理并产生NC代码。（5）将NC代码输入控制用计算机，控制板料成形机成形出所需工件形状。（6）对成形件进行后续处理，形成最终产品。

日本AMINO公司已研制出样机，并用此方法生产出薄壳样件，如图2-8所示。

图2-8AMNIO公司生产的样机及薄壳样件

华中科技大学快速制造中心与湖北省三环集团黄石锻压机床有限公司合作研制了国内第一台数控无模成形机,并开发了相应的系统控制软件,该设备的最大加工范围为800mm×500mm×300mm，通过一系列的工艺实验及汽车覆盖件的产品试制,取得了良好的效果。图2-9为开发的样机及成形零件。华中科技大学对汽车覆盖件的数字化渐进成形工艺展开了研究，加工了汽车门及翼子板等部件，图2-10所示为车辆工业中的各种数字化渐进成形零件。本田汽车公司已经利用数字化渐进成形技术进行了概念车覆盖件的成形，并已投入设计生产。

图2-9开发的样机及成形的样件

图2-10车辆工业中数字化渐进成形零件

数字化渐进成形的技术特点是无须一一对应的模具，零件的结构和形状也相应不受约束。因而极大地降低了新产品开发的周期和成本。所以对于飞机、卫星等多品种小批量的产品以及汽车新型样车试制、家用电器等新产品的开发，都具有潜在的经济价值，而且该方法所能成形的零件复杂程度比传统成形工艺高。目前数字化渐进成形技术还仅限于实验室研究阶段。其存在的主要问题是：（1）成形零件的尺寸精度差，其曲率半径受到工具球头半径的限制，不能很小，而且

划痕严重，表面质量较差。（2）由于工具压头在板材上作干摩擦滑动，阻力大，易起皱和拉裂。（3）由于受到模芯的结构影响，成形零件的尺寸受到限制，不能太小。

2.3喷丸成形

喷丸成形是一种借助高速弹丸流撞击金属构件表面，使构件产生变形的金属成形方法，喷丸成形是一种无模成形工艺，是大中型飞机金属机翼整体壁板首选的成形方法，其原理如图2-11所示。按照驱动弹丸运动的方式，喷丸成形分为叶轮式喷丸成形和气动式喷丸成形，两者没有本质区别；按照喷打方式，喷丸成形分为单面喷丸成形和双面喷丸成形，双面喷丸成形主要用于复杂型面构件的成形；根据喷丸成形时构件是否承受弹性外力，喷丸成形分为自由状态喷丸成形和预应力喷丸成形，预应力喷丸成形可以获得更大的喷丸变形量和更复杂的构件外型。目前大型机翼整体壁板喷丸成形技术已经被美国金属改进公司和美国波音公司等少数几家公司垄断。国内飞豹、枭龙、歼10、ARJ21等飞机机翼整体壁板也采用了喷丸成形工艺。

图2-11喷丸成形原理示意图

喷丸成形的主要优点是：（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30多米，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。

波音系列客机和空客系列客机的金属机翼整体壁板喷丸成形是喷丸成形技术成功应用的典型代表。如图2-12所示，A380飞机超临界外翼下翼面整体壁板

长度30余米、厚度30余毫米，是迄今采用喷丸成形技术所获得的长度最长、厚度最大的构件，代表了国际喷丸成形工艺技术的最新成果。在国内，开展喷丸成形技术研发已近40年，历经机械控制喷丸和数控喷丸等发展阶段，20世纪90年代以来迈入数控喷丸成形时代，之后数控喷丸成形成功运用到第三代飞机等机翼整体壁板，以研制成功ARJ21飞机超临界外翼下翼面整体壁板为标志，国内首次实现真正意义上的喷丸成形。图2-13为ARJ21飞机机翼下中壁板零件。

图2-12通过喷丸成形的A380机翼下壁板

图2-13ARJ21飞机机翼下中壁板零件

德国KSA公司是自动化喷丸成形工艺研究领域的先锋，在KSA公司获得空客A380飞机机身壁板喷丸成形总承包项目后，瑞士Baiker公司与KSA公司合作，为A380飞机项目制造了世界最大喷丸室的数字化喷丸成形机。如图2-14，该喷丸成形设备在每天三班连续生产的整个生产线(包括激光焊接设备在内)中、在不需要任何人工辅助的情况下，对4～11m长度的激光焊接飞机机身整体壁板

进行全自动喷丸成形加工。

图2-14世界上最大的数字化喷丸成型机

2.4爆炸成形

爆炸成形是利用烈性炸药爆炸产生的冲击波仿形，适用于大型工件的拉深、胀形、弯曲和校平等。无模爆炸成形加工不用模具对金属板、管进行爆炸加工，是金属爆炸成形领域里一个质的飞跃。把金属板组焊成一定几何形状，经过爆炸加工得到所需球类容器的方法，克服了有模成形的缺点，大大降低了成本，扩大了加工范围。球形容器无模爆炸成形的研究相对成熟。图2-15为球形容器爆炸胀形原理图。

图2-15球形容器爆炸胀形原理图

具体原理是：在预制直径为D的球内内接多节锥台并注满水，在壳体中心

引爆球形药包，水中产生的球面冲击波首先冲击各锥台侧面及上下圆形极板距球心最近部分。球面冲击波的能量密度随距离R按平方关系衰减，冲击波峰值压力亦随距离的增大而减小，由此造成壳体金属板料质点运动速度的矢量差，从而使壳体向外接球面靠拢，该外接球即为最终成形目标球，通过控制炸药的能量，使壳体变形恰好达到消除直边并与外接球面重合为止，壳体环向焊缝不参与变形。

内蒙古工业大学曾为某啤酒厂成功爆炸涨形了5台直径4800mm的双层金属球形清酒罐。该罐为二类压力容器，外壳为6mm厚的16MnR，内衬为1.5mm 厚的1Cr18Ni9Ti。制造过程中，根据板料宽度设计为7节球内接锥台结构，爆炸涨形装药量为1340gTNT，成型后的误差很小，5台设备已经正常运行多年，图2-16和图2-17分别为爆炸成形前后的照片。

图2-16爆炸成形前壳体照片图2-17爆炸成形厚壳体照片

爆炸成形安全性较差且工艺过程复杂，工艺参数难以控制，而且激波作用时间长达数毫秒，扩散效应大，不能精确成形。爆炸成形多为户外作业，受气候环境影响严重，且自动化程度低，生产效率较低，只适合单件小批量生产，危险性高、操作条件高，阻碍了其广泛应用。

2.5激光热应力成形

激光热应力成形是一种较新的金属板料成形方法，它利用激光扫描金属薄板时，在热作用区域内产生强烈的温度梯度，引起超过材料屈服极限的热应力，使板料实现热塑性变形。通过激光束扫描，在板料的受热区形成很大的不均匀温度场，由于周围冷态材料的约束，使该温度场所诱发的热应力超过了随温度变化的材料屈服极限，从而产生了压缩塑性变形，当材料冷却后形成残余应力和弯曲变

形。图2-18为激光热应力成形示意图。

图2-18激光热应力成形示意图

板料激光热应力成形技术的研究工作，在国外最早始于1985年，Y.Namba 以碳钢激光硬化处理为例研究了材料的温度分布和热变形，并用简单的弯曲实验证实了板料激光成形的可能性，从而提出了一种在不加外力的条件下，仅利用热应力使板料塑性变形的新的加工方法—激光热应力成形法。20世纪90年代以来，德国爱尔兰根大学的F.V ollertsen领导的激光成形研究组对板料激光成形技术作了较多研究。波兰基础技术研究所的H。Frackiewicz教授利用激光热应力成形先后制造出了筒形件、球形件、波纹管和金属管的缩口、弯曲成形件等德国学者M.Geiger等将激光热应力成形与其他加工工序复合应用于汽车制造业，进行了汽车覆盖件的柔性校平和其他成形件的成形，而且对弯曲成形过程进行计算机闭环控制，提高了成形精度，德国Trump公司于1997年开发了商品化激光热应力成形多用机床Trumatic L3030。在国内,清华大学、北京工业大学、北京航空航天大学、燕山大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、山东大学等单位的学者也在年代开始从事激光热应力成形技术的研究,并取得了一定的成果。

激光热应力成形虽对激光束的模式无特殊要求，因此，目前市场上用于切割、焊接等的常规激光加工机（如CO2、准分子、ND.YAG激光器)均可用于激光成形。图2-19为激光热应力成形的汽车车门。

图2-19激光热应力成形的汽车车门

与常规成形相比，激光成形技术有一些独特的优点：（1）采用激光源作为成形工具，无需任何形式的外力，因而生产周期短、柔性大；（2）因不受模具限制，可容易地复合成形，制作各类异形件，属于真正意义上的无模成形；（3）属于热态成形，可成形在常温下难于成形的难变形或脆性材料；（3）对激光束模式无特殊要求，易于实现成形、切割、焊接等激光加工工序的复合化。

影响激光热应力成形的主要因素有激光参数、弯曲件的几何参数和材料的性能等。成形技术中还存在许多问题有待于进一步深入的研究：（1）影响激光成形的因素较多，目前还难以精确成形。（2）热量直接作用于工件表面，形成的热效应负面影响大，表面质量较差。（3）成形形状受到限制，不适合于复杂形状，特别是三维成形加工。

2.6激光冲击成形

激光冲压成形是在激光冲击强化基础上发展起来一种全新的板料成形技术，其基本原理如图2-20所示。

图2-20激光冲击成形系统

利用高功率密度、短脉冲的强激光作用于覆盖在金属板料表面上的能量转换体，使其汽化电离形成等离子体，产生向金属内部传播的强冲击波。由于冲击波压力达到GPa数量级，远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生屈服和冷塑性变形。同时在成形区域产生残余压应力，改善了成形件的抗疲劳和耐腐蚀性能。通过选择激光脉冲能量、激光冲击轨迹和作用区域的脉冲次数，在数控系统控制下，可实现板料的局部或大面积成形。另外采用预先制作好的凹模，可实现激光冲击仿形。

激光冲击成形源于1964年，Frank Neuman对金属受到高功率脉冲激光冲击所形成的凹坑的研究。1969年，N.C.Anderholm证实在靶材表面沉积上一层铝膜，并用透明材料阻碍等离子体的膨胀，可以强化冲击效果。1972年，J.D.O Keefe等在实验中观察到脉冲激光照射板材时产生的等离子体爆炸可使铝箔和不锈钢板产生宏观塑性变形，并从应力波的角度对变形过程和变形机理进行了深入研究。2001年，M.A.Meyers等研究了单晶铜在激光冲击时的塑性变形行为。分析了位错产生机制、位错密度与冲击波压力的关系。但至此人们并没有将激光冲击作为主动的金属塑性成形手段。

一个重要的变革发生在2002年，Hackel Lloyd等提出用激光冲击来进行板料塑性成形的原理和方法，同期周建忠等从工艺实验、数值模拟、理论推导方面获得了系列成果。M.Geiger等用高速像机拍摄到金属箔弯曲过程中的等离子体云，分析认为箔片发生弯曲是热应力和等离子体冲击的双重结果。2004年，Y.Fan 等完成了超薄板材的微弯曲，并将其成形方法称为激光微冲击成形(μLPF)。Gary J.Cheng等进一步扩展了激光冲击成形工艺。K.R.Edwards等研究了激光冲击所致的弯曲工艺及变形组织，并与激光热应力成形进行了对比，发现激光冲击时热影响区明显减轻更适宜于高精度成形。J.L.Ocana等研究了Nd：YVO4激光冲击50μm厚的悬臂不锈钢板梁的变形情况，发现整体变形量是光斑处的局部凹面变形和板梁宏观弯曲变形的复合。为了避免激光直接作用于变形体时可能产生的烧蚀等现象，以获得更好的表面质量，K.Okada等采用激光驱动飞片加载完成了金属箔的塑性成形。在工程应用方面，2008年已有关于采用Livermore的技术成形波音747-8新型飞机复杂曲面机翼以及进行微机电系统结构元器件整形的报道。图2-21为采用激光冲击成形制造的弯曲及复合弯曲件。

（a）厚25mm的金属弯曲件（b）厚为0.075mm的钢板弯曲件

图2-21采用激光冲击成形制造的弯曲及复合弯曲件激光冲压成形是一种集板料成形与强化于一体的复合工艺，其有四个鲜明的特点：（1）成形压力高，达到GPa量级。（2）超快，几十纳秒内完成冷塑性变形。（3）高应变率，达107s-1。（4）由于能量转化体的热障保护，仅是力作用下的冷冲压成形。由激光冲压成形系统的示意图可以看出，工件冲击体系及夹具安装在数控工作台上，数控系统发出的数控指令控制激光脉冲的激发、工作台和导光头的多轴联动，从而可实现多工位上工件的立体冲压成形。

3.结束语

本文介绍的几种无模成形技术都属于柔性制造技术的范畴，即利用同一台设备可加工出不同形状的零件，他们摆脱了传统板料成形依靠模具的束缚，特别适合新产品的开发和小批量生产。数字化渐进成形和无模多点成形还是处于传统的机械冲压的框架中，依靠机械手段传递压力，产生变形，获得所需形状。激光热应力成形和激光冲压成形是利用激光光源作为手段，已完全脱离了传统的框架，是一种新的成形理论和技术。但他们的机理不同，激光热应力成形由于是靠“热”的作用，会给材料的微观组织及机械性能带来一些影响；激冲压成形利用的是激光的力效应，在材料的种类、成形零件的尺寸与精度、表面质量和力学性能等方面，具有很大的优势。随着研究的深入，这些无模成形技术必将在板料加工领域显示出很强的生命力和广阔的应用前景，并产生巨大的经济效益和社会效益。