多点成形技术及设备介绍吉林大学无模成形技术开发中心长春瑞光科技有限公司一、多点成形技术简介多点成形是金属板材三维曲面成形的全新技术，是对传统板料生产方式的重大变革。

其原理是将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体（或称冲头）。

在整体模具成形中，板材由模具曲面来成形，而多点成形中则由基本体群冲头的包络面（或称成形曲面）来完成，如图1-1所示。

相当于重新构造了成形模具，由此体现了多点成形的柔性特点。

调节基本体行程需要专门的调整机构，而板材成形又需要一套加载机构，以上、下基本体群及这两种机构为核心就构成了多点成形压力机。

一个基本的多点成形装备应由三大部分组成，即CAD软件系统、控制系统及多点成形主机，如图1-2所示。

CAD软件系统根据要求的成形件目标形状进行几何造型、成形工艺计图1-2 多点成形系统的基本构成算，将数据文件传给控制系统，控制系统根据这些数据控制压力机的调整机构，构造基本体群成形面，然后控制加载机构成形出所需的零件产品。

二、技术先进性与应用领域在多点成形装备中，基本体群及由其形成的“可变模具”是多点成形压力机的主要组成部分。

从这个意义上讲，“多点成形”也可称为“无模成形”。

这种成形装备具有很多传统成形方式无法比拟的优点，其先进性主要表现为：1）实现无模成形，不需另外配置模具。

因此，不存在模具设计、制造及调试费用的问题。

与整体模具成形方法相比节省了大量的资金与时间；更重要的是过去因模具造价太高而不得不采用手工成形的单件、小批零件的生产，在此系统上可完全实现规范的自动成形。

无疑，这将大大提高成形质量。

2）该技术由基本体群的冲头包络面成形板材，而成形面的形状可通过对各基本体运动的实时控制自由地构造出来，甚至在板材成形过程中都可随时进行调整。

因而，板材成形路径是可以改变的，这也是整体模具成形无法实现的功能。

结合有效的数值模拟技术，设计适当的成形路径，即可消除板材的成形缺陷，提高板材的成形能力。

另外，根据成形面可变的特点，还能实现反复成形的工艺过程，消除回弹，减小残余应力。

3）利用成形面可变的特点，可以实现板材的分段、分片成形，在小设备上能成形大于设备成形面积数倍甚至数十倍的大尺寸零件。

4）这种成形装备的通用性强，适用范围宽。

通常整体模具成形方法只适用于指定厚度的板材，而该系统可成形最大厚度与最小厚度之比达到10的各种材质板料。

5）多点成形的几何造型等处理都是由CAD 软件系统完成的，多点成形压力机又是采用计算机进行控制，因而容易实现自动化。

总之，多点成形技术不仅适用于大批量的零件生产，而且同样适用于单件、小批的零件生产。

采用该技术可以节省大量的模具设计、制造及修模调试的费用。

所加工的零件尺寸越大，批量越小，这些优越性越突出。

这种成形方法在轮船、舰艇、航空、航天、车辆、化工、压力容器以及城市雕塑等许多行业的覆盖件三维曲面成形中具有广阔的应用前景。

三、多点成形主要原理1．基本原理多点模具成形图3-1 多点模具成形过程 多点模具成形法是在成形前把基本体调整到所需的适当位置，使基本体群形成制品曲面的包络面，而在成形时各基本体间无相对运动。

其实质与模具成形基本相同，只是把模具分成离散点。

这种成形方法的整个成形过程如图3-1（a ，b ，c ）所示。

多点模具成形的主要特点是其装置简单，而且容易制作成小型设备。

2．技术特点与传统模具成形相比，多点成形具有如下特点：（b）成形过程中（c）成形结束（a）成形开始●实现无模成形通过对各基本体运动的控制来构造出各种不同的成形曲面，可以取代传统的整体模具，节省模具设计、制造、调试和保存所需人力、物力和财力，显著地缩短产品生产周期，降低生产成本，提高产品的竞争力。

与模具成形法相比，不但节省巨额加工、制造模具的费用，而且节省大量的修模与调模时间。

与手工成形方法相比，成形的产品精度高、质量好，并且显著提高生产效率。

● 优化变形路径通过基本体调整，实时控制变形曲面，随意改变板材的变形路径和受力状态，提高材料成形极限，实现难加工材料的塑性变形，扩大加工范围。

● 实现无回弹成形可采用反复成形新技术，消除材料内部的残余应力，并实现少无回弹成形，保证工件的成形精度。

● 小设备成形大型件采用分段成形新技术，可以连续逐次成形超过设备工作台尺寸数倍或数十倍的大型工件。

● 易于实现自动化曲面造型、工艺计算、压力机控制、工件测试等整个过程都可以采用计算机技术，实现CAD/CAM/CA T一体化生产，工作效率高，劳动强度小，极大地改善劳动者作业环境。

四、多点成形设备1．多点成形主机目前已开发出十余个品种YAM与SM两个系列的多点成形设备，已开发的部分设备技术参数表如表4-1所示，若用户需要其他规格与参数的设备，可以根据需求进行设计，并可根据用户需求选配接送料装置、测试装置。

表4-1 已开发的多点成形设备规格及性能参数型号 YAM-1 YAM-3 YAM-4 YAM-5 YAM-8 YAM-10YAM-20 （SM-150）一次成形尺寸(mm) 210×210 400×320 500×400 840×600 1000×720 800×600 1350×1350 基本体布置方式 30×30 40×32 25×20 28×20 25×18 16×12 9×9基本体调整量(mm) 50 100 100 200 300 200 300可加工板料厚度(mm) 0.5～2 0.5～5 2～8 2～10 3～16 4～20 10～70 额定成形力(KN) 50 630 1000 2000 3150 2000 20000 多点成形主机的设计可采用多种方式。

它主要由如下几部分组成：● 机架机架结构可采用开式、四柱式、框架式等。

● 基本体调型机构主要有如下几种调型方式：1．机械手式：通过机械手依次调整每个基本体的行程。

2．电机式：每个基本体由一个小型电机控制，调型效率高。

3．液压缸式：每个基本体由一个小型液压缸控制，调型效率高。

● 控制系统可采用工控机进行控制，应针对不同的基本体调型机构作相应的设计。

2．柔性成形控制系统对于多点成形设备，为实现自动化生产，良好的计算机控制系统是必不可少的。

典型的设备控制系统总体结构如下：CAD软件系统根据要求的目标形状进行几何造型，多点成形工艺计算，并对多点成形过程进行有限元数值模拟，将无误的数据文件传给控制系统，控制系统根据此文件指挥多点成形压力机成形工件。

在成形系统中，测试装置是三坐标测量仪。

工件多点成形结束后，进行形状测量，测得的三维形状数据反馈到控制系统进行修正。

3．闭环成形系统由于回弹等问题的存在以及摩擦条件、材料参数变化等不确定因素，即使用数值模拟软件事先进行成形预测，也很难一次得到精确的合格产品。

多点成形系统可以利用其柔性的特点，采用闭环的概念实现智能化的精确成形。

即第一次成形后，在线测量出零件的曲面参数，与目标形状进行比较。

根据二者的几何误差成形面进行再次成形，这一过程反复多次，直到得到所需形状的零件（图4-1）。

五、多点成形CAD/CAM软件系统要把多点成形用于三维曲面成形，并使其向实用化、自动化方向发展，开发多点成形CAD/CAM一体化软件是必不可少的。

自主开发了一套多点成形专用CAD/CAM软件，利用该软件，对于所需成形的曲面，只需将已知的设计信息传给计算机，由程序按照曲面造型法自动生成曲面，计算所需点的坐标，并进行一系列工艺计算与判断，就可以由计算机控制多点成形设备完成基本体位置的调整和工件的压制以及成形件形状测量、修正等工作。

1．软件总体结构多点成形CAD/CAM一体化软件是整个多点成形设备的控制核心，相当于人体的大脑。

鉴于目前微机性能价格比不断提高，并已占据了计算机市场的主流，图5-1 多点成形CAD/CAM软件总体结构选择了微机作为软件的基本硬件运行环境。

软件支撑系统选择的是微机主流操作系统WINDOWS平台。

软件大部分采用VISUAL C++ 6.0开发，另外在压力机控制部分还嵌入了一些汇编代码，以获得较好的控制实时性。

多点成形一体化软件总体上可以分为CAD和CAM两个子系统(见图5-1)。

多点成形CAD按功能可以划分为曲面造型、确定成形位置和多点成形工艺计算三个主要部分。

多点成形CAM主要是对CAD子系统传送来的数据进行仿真以进行检验，并把成形数据翻译成二进制码指令直接送到多点压力机的控制系统来控制压机进行压制。

多点成形CAD/CAM软件借助于自身的曲面造型功能可以使用户根据原始数据的不同以多种方式输入工件信息，可与计算机进行交互式设计以决定工件的最佳成形位置，完成多点成形过程中必要的计算，并提供多种方式对计算结果进行检验，确保计算结果的正确性。

同时，利用该软件也可直接控制压机完成压制工件的过程。

软件所采用的高品质三维彩色图像显示技术及与用户的实时交互功能提高了软件的易用性。

2．软件的功能特点本软件使用方便、运行稳定、界面美观、与用户的交互性好，能够处理的工件范围广泛，工艺计算的速度快、精度高，能够给出几乎所有必须的多点成形工艺计算结果。

软件的自动化程度高，用户无须培训，只需经简单指导，即可压制出合格的工件。

本软件具有下述功能特点：1．集成化的软件系统本软件集CAD、CAM于一体，涵盖了板材多点成形工艺的全过程。

利用本软件可以完成从工件的几何和材料参数输入、曲面造型、多点成形工艺计算一直到直接控制多点压机进行压制、误差检测和闭环控制系统等多点成形的各个步骤，从而可以实现整个成形过程的自动化。

2．基于NURBS的曲面造型技术非均匀有理B样条（NURBS）曲面造型造型方法由于具有几何直观、易于控制、能够统一表达解析曲面与自由型曲面等诸多优点，已成为目前国际上最先进的曲面造型方法。

本软件内部实现了NURBS曲面造型方法，从而使本软件能够处理形状非常复杂的工件，使工件的曲面描述的准确性、表达形式的统一性得到了保证，为进一步的工艺计算奠定了坚实的基础。

3．多种曲面造型方法本软件提供了四种工件的曲面造型方法，大大方便了有不同需求用户的使用。

其中包括基于NURBS的网点坐标法、四条边界线法、截面轮廓线法三种曲面造型方法，主要用于处理各种非规则曲面，也可用于表达规则曲面。

同时针对生产实际中常见的马鞍形、球形、扭曲形曲面提供了利用解析方法对其进行快速处理的规则曲面造型方法。

用户可以根据自己需要灵活选择不同的曲面造型方法。

4．精确、完善的多点成形工艺计算功能本软件实现了整个多点成形的工艺计算过程，其中包括冲头与工件的接触点计算、冲头行程确定、回弹处理、成形力计算等诸多方面。