金属板料渐进成形专利技术分析

易明军 贾晓雪

摘要：板材数字化渐进成形技术具有无需专用模具、可提高板材成形极限、可用于加工变形程度大、形状非常复杂的板材零件、易于实现板材成形自动化等特点，适用于小批量、多品种、难成形的钣金件加工。本文通过对金属板料渐进成形的专利申请从申请年度分布、技术原创国分布、申请目标国分布进行了分析，并列出国外和国内的主要申请人，分析了金属板料渐进成形的技术演进过程，为熟悉的金属板料渐进成形提供一些参考。

关键词：渐进成形；增量成形；逐次成形

一、渐进成形简介

金属板材渐进成形是引入快速原型制造技术（rapid prototyping）的分层制造（layered manufacturing）的思想，将复杂的三维数字模型沿高度方向离散成许多断面层（即分解成一系列等高线层），并生成各等高线层面上的加工轨迹，成形工具在计算机控制下沿该等高线层面上的加工轨迹运动，使板材沿成形工具轨迹包络面逐次变形。

渐进成形包括两种方式，即正向成形（双点渐进成形TPIF）和反向成形（单点渐进成形SPIF），如图1、2所示，从图中可见，正向成形在与工具头相对的一侧设置有支撑模型，工具头对板料位于支承模与夹具之间的部分加压，同时夹具与工具头同向运动，从而在板料上形成凸起；而反向成形时，夹具固定不动，工具头对板料位于夹具之间的部分加压，从而在板料上形成凹腔。负成形可以成形一些形状比较简单的零件，它不需要支撑模型，只需要简单的夹具，板料由夹具夹紧，然后成形工具头按设定好的程序实现分层加工，每加工一层，成形工具头便下降一定距离，进行第二层的加工，如此直至结束，在加工过程中夹具夹紧板料始终不动。反向成形及板料成形角原理示意图如图1所示。形状复杂的零件要用正向成形的方法。在正向成形方法中，需要支撑模型，支撑模型的形状要与所成形的零件的形状一致，这种支撑模型与冲压成形中的模具有很大差别，支撑模型的精度要求不是很高，并且材料的选择比较灵活。在这种成形方法中，首先加工支撑模型，支撑模型加工完毕后再放上板料，以后的加工步骤与负向成形基本相同，所不同的是正向成形中成形工具头每走完一层的路径，托板都要带动板料与成形工具头共同向下移动相同距离。正向成形原理示意图如图2所示。

二、渐进成形专利分析

本节将从专利分析角度对渐进成形技术的专利申请进行分析，主要从申请分布、主要申请人等方面进行。

2.1申请分布

图3示出了在中国专利申请的年度分布情况，中国申请最早始于1999年，申请量从1999-2007年一直维持在个位数，2008年达到10个，2009年有所回落，然后从2011年开始显著上升，到2013年之后一直维持在20个以上，可以预见，在未来一段时间内，在中国的渐进成形技术的专利申请量会维持在一定数量。

图4示出了在世界范围内的专利申请的申请量的年度分布，最早的申請出现在1996年，2002年达到一个高点，之后有所下降，从2010年之后开始加速上升，近几年的申请量维持在25-30件之间波动。结合图2可知，从2010年后申请主要来自于中国申请。

由图5可见，该技术来自中国的申请量最大，超过申请总量的一半，其次是日本，然后是美国。

图6为申请目标国的分布，从图6可见，在中国的申请公布量最大，接近总量的一半，其次是日本和美国。

2.1申请人分布

由于技术原创主要为中国和日本，主要的申请人集中在中国和日本，见图7。中国的申请主体为高等院校、研究院所，而日本的申请主体为企业，由此可以推断，中国在渐进成形技术研究方面尚处于实验室阶段，而日本可能已经在产业上有所应用。

虽然中国申请人的申请量最大，但通过数据可以发现，中国的申请人几乎都是高等院校，而且由图8可见，中国申请人的申请全是中国专利申请，即没有向国外提交专利申请，主要的非中国申请主体都在本国之外申请了一定数量的专利。美国是除申请的技术原创国之外的主要目标国，几乎所有的主要申请人都在美国投放有专利申请，说明美国是渐进成形技术的重要市场，这也和渐进成形技术的应用领域集中于汽车覆盖件、飞机蒙皮等的成形，而美国是上述领域的重要市场直接相关。

结语

渐进成形技术源于日本，日本和中国是渐进成形技术专利申请的主要技术原创国，但源于日本专利申请的峰值已过，源于中国专利申请还在高位，中国的申请主体基本为高等院校、研究院所，或许表明渐进成形技术在中国还处于实验室阶段，另外也可能是渐进成形技术本身的特点，即适用于小批量生产决定的。

（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心）