三維無模快速成形柔性化制造技術(shù)

■山東魯南機(jī)床有限公司 （滕州 277500） 王紹存■滕州市天旋旋轉(zhuǎn)接頭制造有限公司 （山東 277500） 王 磊

三維無?？焖俪尚稳嵝曰圃旒夹g(shù)

■山東魯南機(jī)床有限公司 （滕州 277500） 王紹存
■滕州市天旋旋轉(zhuǎn)接頭制造有限公司 （山東 277500） 王 磊

摘要：本文主要介紹了金屬板材三維無?？焖俪尚蔚闹饕夹g(shù)特點(diǎn)、原理及方法，還有典型零件應(yīng)用的范圍。

目前，在市場(chǎng)需求不斷變化的驅(qū)動(dòng)下，制造業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模沿著“小批量-少品種大批量-多品種變批量”的方向發(fā)展。作為廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的金屬板料成形技術(shù)，傳統(tǒng)的模具成形方法生產(chǎn)效率高、加工件精度高，適合大批量生產(chǎn)，多年來一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。但缺點(diǎn)是模具設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用高，而且缺乏柔性。

如何縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，滿足多品種小批量和樣品試制的需求，實(shí)現(xiàn)板料的高效、智能及柔性成形，是板料成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，一些新型的板料成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如：噴丸成形、激光成形、無模多點(diǎn)成形、水射流無模成形技術(shù)以及數(shù)字化漸進(jìn)成形等，都實(shí)現(xiàn)了金屬板料的無模成形，具有很大的柔性。

我公司現(xiàn)開發(fā)了一種金屬板材三維無?？焖俪尚螐?fù)合機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)金屬板材的無?？焖俪尚渭皩?shí)體輪廓的切削精加工。機(jī)床的工作原理運(yùn)用了快速成形技術(shù)中“分層制造”的思想，將復(fù)雜的三維鈑金整體成形分解成為一系列二維局部塑性成形，再利用專門的球頭刀具，單點(diǎn)漸進(jìn)，逐層壓延，依次成形，可以形象地比喻為金屬板材的3D打印。

1. 單點(diǎn)漸進(jìn)無模成形主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）無缺陷彈性墊技術(shù)：可以有效地抑制壓痕、起皺等成形缺陷，使成形件的表面質(zhì)量大大提高。

（2）無回彈反復(fù)成形技術(shù)：采用反復(fù)成形工藝方法，減小工件的回彈及材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)板材小回彈或無回彈成形。

（3）分段成形技術(shù)：即優(yōu)化過渡區(qū)成形模型，進(jìn)行大變形量、大尺寸零件的成形，實(shí)現(xiàn)小設(shè)備成形大工件，并使無模成形設(shè)備小型化。

（4）多道成形技術(shù)：對(duì)于變形量很大的制品，選取最佳路徑多道成形，使成形過程中板材各部分變形盡量均勻，以消除起皺等成形缺陷，提高板材的成形能力。

（5）閉環(huán)成形技術(shù)：即將自動(dòng)控制技術(shù)與CAT、CAD結(jié)合起來，對(duì)成形后的工件進(jìn)行三維測(cè)量，將測(cè)量的數(shù)據(jù)反饋到CAD系統(tǒng)，經(jīng)過控制算法運(yùn)算后，計(jì)算出基本體群形狀的修正量，傳遞給控制系統(tǒng)再次成形，這樣反復(fù)幾次，可以達(dá)到精確的目標(biāo)形狀。

（6）根據(jù)需要可以進(jìn)行精加工，采用去除材料辦法。

2. 金屬板材三維無模快速成形復(fù)合機(jī)床的技術(shù)特點(diǎn)

（1）可實(shí)現(xiàn)金屬板材全無模、半?；蚝?jiǎn)易支撐工具等3種成形方式。

（2）數(shù)控系統(tǒng)控制，柔性好，通過改變程序就可改變成形形狀。

（3）可實(shí)現(xiàn)普通沖壓無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜成形過程。

（4）智能檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)板材成形后輪廓實(shí)體的切削精加工。

（5）低噪聲、高安全性。

3. 數(shù)控?zé)o模成形的原理及方法

（1）原理：一種基于壓力點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形成點(diǎn)、線、面的成形工藝。如圖1為佛像頭的成形軌跡圖；圖2為一般拉伸件的成形軌跡圖；圖3為女性內(nèi)衣類模具軌跡圖。

圖1

圖2

圖3

（2）數(shù)控程序設(shè)計(jì)方法：在板材三維無模成形時(shí)，采用Mastercam軟件，先實(shí)體造型，再利用編程軟件對(duì)型腔分層挖槽，根據(jù)三維輪廓曲線形成若干小線段或圓弧進(jìn)給。刀具路徑根據(jù)工件的不同，分別可以采用平行陡斜面加工、三維輪廓偏置加工、交線清角加工以及環(huán)線等距加工等。進(jìn)給速度結(jié)合材料拉伸系數(shù)來設(shè)定，不僅有數(shù)控加工經(jīng)驗(yàn)，還要有鍛壓知識(shí)。

如圖4為用于女性內(nèi)衣行業(yè)加工程序生成，圖5為異形回轉(zhuǎn)件程序生成圖。

（3）成形方式分為：凹成形和凸成形。圖6為凹成形加工圖，圖7為凹成形夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖8為凸成形軌跡仿真生成圖，圖9為凹成形夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

4. 成形的典型零件及應(yīng)用范圍

金屬板材三維快速成形復(fù)合機(jī)床可廣泛用于汽車覆蓋件、航空航天零件、家電、醫(yī)療器械和工藝展品等產(chǎn)品的無?？焖僦圃?，減少模具開發(fā)，降低產(chǎn)品制造費(fèi)用。

（1）汽車零部件行業(yè)如圖10所示。

（2）餐飲器具行業(yè)如圖11所示。

（3）工藝藝術(shù)品如圖12所示。

（4）其他異形件的成形如圖13所示。

圖10

圖11

圖12

圖13

現(xiàn)在無模單點(diǎn)成形技術(shù)已經(jīng)成熟，它特別適合于曲面鈑金件的多品種小批量生產(chǎn)及新產(chǎn)品的試制，所加工的零件尺寸越大、其優(yōu)越性越突出。隨著航空、航天、海運(yùn)、高速鐵路、化工以及城市建筑等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)不同形狀、不同尺寸的大型三維曲面鈑金件的需求也在不斷地增加，該技術(shù)必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

收稿日期：（20150415）