三维无模快速成形柔性化制造技术

■山东鲁南机床有限公司 （滕州 277500） 王绍存■滕州市天旋旋转接头制造有限公司 （山东 277500） 王 磊

三维无模快速成形柔性化制造技术

■山东鲁南机床有限公司 （滕州 277500） 王绍存
■滕州市天旋旋转接头制造有限公司 （山东 277500） 王 磊

摘要：本文主要介绍了金属板材三维无模快速成形的主要技术特点、原理及方法，还有典型零件应用的范围。

目前，在市场需求不断变化的驱动下，制造业的生产规模沿着“小批量-少品种大批量-多品种变批量”的方向发展。作为广泛应用于制造业的金属板料成形技术，传统的模具成形方法生产效率高、加工件精度高，适合大批量生产，多年来一直占据着主导地位。但缺点是模具设计制造周期长、维护费用高，而且缺乏柔性。

如何缩短新产品的开发周期，满足多品种小批量和样品试制的需求，实现板料的高效、智能及柔性成形，是板料成形技术的发展趋势。因此，一些新型的板料成形技术应运而生，如：喷丸成形、激光成形、无模多点成形、水射流无模成形技术以及数字化渐进成形等，都实现了金属板料的无模成形，具有很大的柔性。

我公司现开发了一种金属板材三维无模快速成形复合机床，可实现金属板材的无模快速成形及实体轮廓的切削精加工。机床的工作原理运用了快速成形技术中“分层制造”的思想，将复杂的三维钣金整体成形分解成为一系列二维局部塑性成形，再利用专门的球头刀具，单点渐进，逐层压延，依次成形，可以形象地比喻为金属板材的3D打印。

1. 单点渐进无模成形主要技术特点

（1）无缺陷弹性垫技术：可以有效地抑制压痕、起皱等成形缺陷，使成形件的表面质量大大提高。

（2）无回弹反复成形技术：采用反复成形工艺方法，减小工件的回弹及材料内部的残余应力，实现板材小回弹或无回弹成形。

（3）分段成形技术：即优化过渡区成形模型，进行大变形量、大尺寸零件的成形，实现小设备成形大工件，并使无模成形设备小型化。

（4）多道成形技术：对于变形量很大的制品，选取最佳路径多道成形，使成形过程中板材各部分变形尽量均匀，以消除起皱等成形缺陷，提高板材的成形能力。

（5）闭环成形技术：即将自动控制技术与CAT、CAD结合起来，对成形后的工件进行三维测量，将测量的数据反馈到CAD系统，经过控制算法运算后，计算出基本体群形状的修正量，传递给控制系统再次成形，这样反复几次，可以达到精确的目标形状。

（6）根据需要可以进行精加工，采用去除材料办法。

2. 金属板材三维无模快速成形复合机床的技术特点

（1）可实现金属板材全无模、半模或简易支撑工具等3种成形方式。

（2）数控系统控制，柔性好，通过改变程序就可改变成形形状。

（3）可实现普通冲压无法实现的复杂成形过程。

（4）智能检测，实现板材成形后轮廓实体的切削精加工。

（5）低噪声、高安全性。

3. 数控无模成形的原理及方法

（1）原理：一种基于压力点运动形成点、线、面的成形工艺。如图1为佛像头的成形轨迹图；图2为一般拉伸件的成形轨迹图；图3为女性内衣类模具轨迹图。

图1

图2

图3

（2）数控程序设计方法：在板材三维无模成形时，采用Mastercam软件，先实体造型，再利用编程软件对型腔分层挖槽，根据三维轮廓曲线形成若干小线段或圆弧进给。刀具路径根据工件的不同，分别可以采用平行陡斜面加工、三维轮廓偏置加工、交线清角加工以及环线等距加工等。进给速度结合材料拉伸系数来设定，不仅有数控加工经验，还要有锻压知识。

如图4为用于女性内衣行业加工程序生成，图5为异形回转件程序生成图。

（3）成形方式分为：凹成形和凸成形。图6为凹成形加工图，图7为凹成形夹具结构简图，图8为凸成形轨迹仿真生成图，图9为凹成形夹具结构简图。

图4

图5

图6

图7

图8

图9

4. 成形的典型零件及应用范围

金属板材三维快速成形复合机床可广泛用于汽车覆盖件、航空航天零件、家电、医疗器械和工艺展品等产品的无模快速制造，减少模具开发，降低产品制造费用。

（1）汽车零部件行业如图10所示。

（2）餐饮器具行业如图11所示。

（3）工艺艺术品如图12所示。

（4）其他异形件的成形如图13所示。

图10

图11

图12

图13

现在无模单点成形技术已经成熟，它特别适合于曲面钣金件的多品种小批量生产及新产品的试制，所加工的零件尺寸越大、其优越性越突出。随着航空、航天、海运、高速铁路、化工以及城市建筑等行业的发展，对不同形状、不同尺寸的大型三维曲面钣金件的需求也在不断地增加，该技术必将产生巨大的经济效益和社会效益。

收稿日期：（20150415）