分析多点数字化成形技术的发展及应用

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随着生产力水平的不断提高及制造业的飞速发展，金属板类件制品的需求也在快速增长。在航空航天、船舶舰艇、各种车辆及建筑雕塑等许多军用与民用制造领域，都需要使用大量的各种材质的三维曲面板类件。随着我国制造业的飞速发展，需要不断研发新型产品，提高更新换代速度，因此，对三维曲面件的需求会越来越大。传统的三维曲面件成形方法通常要采用模具成形或手工制造方式来实现，但模具成形不仅制造费用昂贵、加工周期长，而且不利于产品的更新换代、制约着制造业的快速发展；而手工成形又存在质量差、效率低、劳动强度大等缺点。传统的三维曲面件成形方法已无法满足现代制造业高速发展的要求，因此，数字化成形技术成为热门研究课题，是现代制造领域的重要发展方向。多点数字化成形是将柔性成形与计算机技术结合为一体的模具数字化设计与制造技术，在一套柔性装置上就可实现不同厚度、不同形状、不同大小的三维曲面件成形，非常适用于多品种、小批量零件的生产及新产品的试制。目前，已发展为多点成形与连续多点成形2 个方向。多点成形技术的发展日趋成熟，吉林大学研制出了多品种的系列化多点成形装置，在飞机、列车、建筑、船舶及医学工程等多个领域得到成功应用。连续多点成形是以多点成形相关成果为基础，开发与研究出的效率更高、成本更低的成形技术，目前，已开发出试验装置，并压制成功多种样件，成形效率高，且成形质量好，将会逐渐实现产业化及各领域应用。

' R/ T: M4 n5 Y0 F" Z4 i6 Q多点数字化成形技术的基本思想

; S5 R) e- b! T3 y; z1 多点成形
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: P( O5 B! i! {) G, ~& J多点成形技术采用“离散化”思想，将传统的整体模具离散成一个个紧密排列的小冲头，通过计算机调整冲头的相对位置构成任意所需的三维曲面，制造出目标零件。因此，一套多点成形装置可代替数十甚至数百套整体模具。多点成形还可分为多点对压成形与多点拉形2 种方式。多点对压成形由上、下冲头群组成成形模面，通过上、下2 个模面对压实现三维板类零件压制；多点拉形利用两边的夹钳夹紧板料，与多点调形装置逐渐贴合，实现板料拉伸成形。

2 连续多点成形

+ c7 M- k& u) C5 d3 Z3 R连续多点成形是在多点成形技术的基础上发展起来的，是一种效率更高、成本更低的成形技术。该技术通过建立轴线可弯曲、辊型可调整的新颖的柔性辊机构，将传统的刚性辊与固定式旋轮替换成柔性辊，通过柔性辊的转动带动板料进给，形成板料线接触式连续滚压成形新技术，实现双曲度曲面与回转曲面的快速成形。

多点数字化成形装置的发展现状
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1 多点成形装置

吉林大学在多点成形方面进行了长期深入的研究，解决了一系列关键技术，形成了系统的板料多点成形理论。不仅在基础研究、专用软件开发、工艺开发、装备设计等方面取得了突出成果，还成功开发出具有自主知识产权的10 余种规格的成形装置，并实现了商品化制造与产品出口。开发的成形装置包括多点对压式与多点拉形式2 种，下面分别举例进行介绍。
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（1） YAM10-200 型多点对压成形装置。

YAM10-200 型多点对压成形装置是吉林大学自主研发的设备，该装置属于三梁四柱式结构，一次成形尺寸为800mm×600mm，上、下冲头群采用16×12 布置方式，冲头单元调整高度为200mm，可成形板材厚度为5 ～ 20mm，额定成形压力为2000kN。该装置采用串行控制模式，使用2 套机械手进行调形，平均调形时间为8min。采用分块成形与分段成形方式时，可成形出比一次成形尺寸大几倍甚至十几倍的曲面零件。

（2） SM25-1200 型多点调形装置。

5 u3 d& Q" J2 Q' V! S6 o; rSM25-1200型多点调形装置是为飞机蒙皮类零件的拉伸成形要求设计的，调形尺寸为1200×800mm，可成形板厚1~5mm，冲头群排列方式为48×32，冲头截面尺寸为25mm×25mm。该装置采用机械手调形方式，可同时调整8 个冲头单元，平均调形时间约需30min，能实现不同形状蒙皮件的快速制造。制造出的蒙皮件表面质量好、成形精度高，达到了传统整体模具的成形效果。

2 连续多点成形装置

近年来，在连续多点成形技术及装置的研发方面取得了较大进展，制造出体现原创性发明的柔性卷板成形装置及高效旋压成形装置。

* [% n' J) L# b5 r$ d7 I8 T柔性卷板成形装置采用3 个直径为15.5mm 的软轴作为可弯曲柔性辊，各柔性辊由21 个支撑点进行支撑与调形，可成形件宽度为300mm，采用电机驱动方式进行双曲度曲面件成形。基于柔性辊的高效旋压成形装置采用6 个柔性辊进行成形，可成形件宽度为300mm，柔性辊各由10 个支撑点进行支撑与调形，能够实现回转曲面件快速成形。
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多点数字化成形装置的应用
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多点成形装置已应用于飞机蒙皮、高速列车、建筑工程、船舶舰艇及医学工程等多个领域。以下为多点成形装置在几个不同领域的应用例。
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1 飞机蒙皮件拉形
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数字化制造是现代飞机制造业的重要发展方向，飞机数字化制造的难点之一就是大量的蒙皮件的成形问题，传统的整体式拉形模制造周期长、成本高，而多点拉形技术可在数周内完成一个新机型的蒙皮类零件从设计到生产的全过程，制造周期缩短为原来的几分之一。因此，多点拉形技术是实现飞机蒙皮件数字化成形的有效途径。
2 B3 X- d  F! ?! b2 z2 Q, ]2 流线型车头制造
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9 f: _/ J3 e  V7 p; L- U2 e- {- a高速列车流线型车头的外覆盖件通常要分成50 ～ 80 块不同曲面，每一块曲面都要分别成形后进行拼焊。采用多点成形装置，只需几天时间就可以完成一台新型车头覆盖件的成形，大大提高了成形效率与质量。

* i: p# e6 H9 ~) E) @+ @6 L3 北京奥运会主场馆——鸟巢建筑

: F- O9 k$ M; c, x' W工程中钢构件成形
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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，所用高强度钢板的厚度从10mm 到60mm，且形状各异，成形相当困难。如采用模具成形，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。

4 船体外板成形
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; r9 O2 f) k3 ]! _船体的外板一般要依据在海水中运行阻力小的原则进行造型设计。这里使用的为钛合金材质，属高回弹材料，传统的方法很难成形，采用多点成形技术圆满解决了这一问题。
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; s: U/ [$ \6 i; Z1 z! u$ O; c5 人脑颅骨修复体成形

采用多点成形技术成形的钛网板颅骨修复体是数字化制造技术在医学工程中的应用实例。人脑颅骨受伤缺损后，需要植入钛网板修复体。因每个人的头形各异，而且颅骨缺损部位也有区别，在手术前需要按照患者的头形与手术部位成形钛合金网板。采用多点成形技术制造的颅骨修复体已成功用于数百例临床手术中。连续多点成形技术也在逐渐成熟，采用柔性卷板装置与高效旋压装置成形出多种效果良好的曲面件，为该技术的广泛应用奠定了基础。

' |  B2 f; v& I4 S: p结束语
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2 H- S. K1 ?% l# N多点数字化成形装置作为一种高效、柔性的数字化模具，特别适用于三维曲面件的多品种小批量生产及新产品试制，所加工的零件尺寸越大，其优越性越突出。以数字化装备代替传统模具进行板料成形，是现代制造领域的重要发展方向。随着航空、航天、海运、高速铁路等行业的高速发展，对于三维曲面件的需求也在不断地增加，多点数字化成形技术将具有更加广阔的应用前景。