三維曲面件的應用非常廣泛，很多重點工程與重大項目中都需要能夠快速加工高質量三維曲面件的先進制造技術。由于模具設計與制造成本高、準備周期長；在單件生產或批量較小的曲面件制造中，急需不用模具的柔性成形技術；然而在大型曲面件室溫成形時，由于材料加工后的回彈大，而且容易產生多種加工缺陷，實現柔性成形的難度比較大。為了解決大型曲面件柔性成形難題，吉林大學開展了大量的基礎理論研究、生產裝備研制、成形工藝開發及實際應用等多方面的工作，研究了多點數字化模具成形、柔性拉伸成形、柔性輥壓成形等多種柔性成形技術，形成為柔性成形與數字化制造系列技術，已經應用于多個重點項目中。

三維曲面件大量應用于航空航天、船舶艦艇、高速列車等交通工具及現代建筑的裝飾幕墻等方面。模具成形是常用的三維曲面件加工技術，但模具成形要使用整體模具，需要長時間的模具設計、加工制造和調試等過程，生產準備周期很長；而且使用一套模具只能成形一種特定形狀與尺寸的曲面件，針對每一種不同形狀與尺寸的曲面零件都需要一套或數套與之對應的模具，所以前期制造成本很高。長時間的生產準備周期和昂貴的前期制造成本使得模具成形適用于大批量生產，但不適合單件或小批生產，從而限制其在產品的個性化、多樣化以及更新換代等方面的發展。為替代傳統的曲面成形用整體模具，國內外很多機構與企業開展了大量與柔性制造相關的研究，并開發了多種柔性成形技術，如應用在造船業的水火彎板、航空制造業的噴丸成形、單點漸進成形等，但普遍存在加工效率低、成形精度差等問題。

多點成形屬于一種先進的柔性成形技術，主要思路是將整體模具離散為規則排列的基本體單元，通過數控手段調整各基本體單元的高度，構造出不同的成形型面，從而實現板料的不同三維曲面成形。基于多點成形理念，吉林大學針對板料三維曲面柔性成形技術開展了很多研究，相繼開發出一系列具有自主知識產權的柔性成形和數字化制造技術，包括多點數字化模具成形、蒙皮件柔性拉伸成形、柔性輥壓成形等等，并在此基礎上研發出相應的設備，而且實際應用于多個重大項目與重點工程中，實現了三維曲面件的高效率、高質量、低成本和數字化生產。本文介紹三維曲面件柔性成形技術的現狀，主要敘述幾種柔性成形和數字化制造技術的主要思路、自主研發的設備及實際應用情況。

多點數字化模具成形

多點數字化成形是一種先進的板料柔性成形技術，其將柔性制造和計算機技術結合為一體，基本原理是用多個規則排列的基本體單元構成的點陣代替實體模具的型腔，通過數控方式調整基本體單元高度形成所需要的成形型面，進行板料的柔性成形。圖1(a)所示為普通的多點數字化成形示意圖；圖1(b)所示為具有柔性壓邊功能的多點數字化成形示意圖。有了柔性壓邊功能，能夠有效抑制薄板成形時的起皺現象，適合成形復雜形狀的三維曲面件。多點數字化成形能夠用一套多點模具成形很多種形狀的曲面件，從而實現板料的柔性化成形和數字化制造，具有無模、高效以及低成本等優勢。

圖1 多點數字化成形示意圖

吉林大學在基礎理論研究、關鍵技術攻關、專用軟件開發及成形工藝研發的基礎上，研制出多種多點數字化成形壓力機，并應用于多個領域的重點工程中，解決了柔性加工難題。圖2(a)為北京奧運會鳥巢建筑工程用多點數字化成形壓力機及鋼構箱型單元照片。鳥巢工程由大量的彎扭鋼板結構件拼焊成箱型單元，其尺寸大、品種多、形狀各異，單件生產的彎扭結構件個性化成形是突出的技術難題；采用多點數字化成形技術，圓滿完成了大量個性化彎扭結構件的成形。圖2(b)為薄板用多點成形壓力機及0.5mm 薄板成形件照片。薄板在成形時容易起皺，而且還容易拉裂；采用柔性壓邊成形技術，成功解決了薄板成形難題。圖2(c)為高強鋼板成形用大型多點數字化成形裝備，其一次成形尺寸可達3.15m×2.7m，成形件照片為板厚50mm 的室溫加工曲面件。圖3(a)所示為新開發的精密多點數字化成形設備，該設備配有在線激光測量裝置，能夠直接測量成形件的加工精度，自動分析成形件的回彈分布。根據測量反饋的回彈分布數據，可以生成回彈量修正數據，進行回彈修正。該設備還可以用于成形帶筋板材，圖3(b)為正在加工中的鋁合金型材。圖3(c)為成形后的帶筋鋁合金型材。

圖2 幾種多點數字化成形設備及應用例

圖3 新型多點數字化成形設備及成形例

蒙皮件柔性拉伸成形

柔性拉伸成形是在融合了傳統拉伸成形和多點離散成形的基礎上，綜合運用液壓系統的帕斯卡定理、材料的加工硬化特性以及最小阻力定律等理論，構思與開發的新型柔性成形技術，圖4 所示為柔性拉伸成形示意圖。柔性拉伸成形用多個離散夾鉗代替傳統拉伸成形時的整體剛性夾鉗，每個離散夾鉗由水平、傾斜、垂直布置的三個液壓缸加載；能夠實現板料加載與變形的自協調；即在拉伸成形過程中，每個夾鉗都可以根據模具形狀的變化自動調整鉗口的位移和轉角，實現鉗口處板料與拉伸成形模具端面的曲率變化趨勢一致，從而使板料更容易貼合模具，提高工件的材料利用率和成品率。

圖4 柔性拉伸成形示意圖

基于柔性拉伸成形原理研發出多種柔性拉伸成形機，大量應用于航空、高鐵、建筑幕墻等曲面件的柔性成形中，所成形的曲面件質量好，精度高。圖5 所示為柔性拉伸成形設備照片及拉伸成形工件。圖6 所示為出口韓國的拉壓復合多點數字化成形設備，并完美地應用于韓國首爾的新地標建筑——東大門設計廣場的建筑覆層成形中(圖7)，保證了工程的順利完成。該建筑由兩萬多張尺寸與形狀各異的雙曲率鋁合金曲面件組成。

圖5 柔性拉伸成形設備照片及拉伸成形件

圖6 拉壓復合多點數字化成形設備

圖7 首爾東大門設計廣場

近幾年又為航空制造企業開發出兩種規格的數控柔性拉伸成形設備，專門用于拉伸成形飛機蒙皮件。這些設備具有數控設置壓力與速度的功能，并具有示教與自動成形功能。圖8(a)所示為拉伸成形有效尺寸為1200mm×3000mm 的數控柔性拉伸成形機，圖8(b)與圖8(c)為拉伸成形的工件照片。

圖8 數控柔性拉伸成形設備及成形例

柔性輥壓成形

為了顯著提高板料柔性成形效率，大幅度降低生產成本，提出了三維曲面件柔性輥壓成形思路。柔性輥壓成形可以采用可彎曲柔性輥作為成形工具，也使用剛性的弧形輥實現三維曲面件的柔性成形。下面，只介紹基于剛性弧形輥的柔性成形。

剛性弧形輥軋機的一個輥設計成凸形輥，另一個設計成凹形輥；而且兩個弧形輥的縱向圓弧半徑有一定差值。因此，板料軋制時，其橫截面的輥縫分布是變化的，而且隨壓下量的不同，其輥縫分布還產生變化；其結果在加工件的橫向與縱向都產生彎曲，成形結果為三維曲面。如果加工件的橫截面中心區域的壓下量大于左右區域的壓下量，所成形的曲面呈現球形面，如圖9(a)所示，如果加工件的橫截面中心區域的壓下量小于左右區域的壓下量，所成形的曲面呈現鞍形面，如圖9(b)所示。

圖9 剛性弧形輥軋示意圖

通過調整軋輥橫截面的輥縫分布和壓下量，只用一種組合的軋輥，就可以獲得球形面和鞍形面，而且可以獲得多種曲率半徑的加工件。圖10 所示為剛性弧形輥軋機及使用不同厚度的板料獲得的球形面和鞍形面試驗件照片，圖11 所示為通過不同的壓下量獲得的不同曲率半徑的加工件照片。

圖10 剛性弧形輥軋機及加工件

圖11 不同曲率半徑的加工件

總之，三維曲面件的柔性成形技術在國民經濟多個行業的需求非常大，隨著柔性成形技術與設備的進一步完善與成熟，將在多個領域發揮重要作用。

——來源：《鍛造與沖壓》2020年第24期