无模成形技术简介1.引言无模成形是以计算机为主要手段，利用多点成形或增量成形的方法，实现板料的无模具塑性成形的先进智能化制造技术。

金属板料成形在制造业中有着十分重要的地位，该技术广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件和家电等生产行业，但传统的金属板料加工工艺都离不开模具，采用模具成形生产周期长，而且缺乏柔性，产品变化时就需要重新更换模具，这就延长了新产品的开发周期。

而现代社会产品的更新换代非常迅速，如何快速、低成本和高质量地开发出新产品，是企业生存和发展的关键。

为此，国内外许多学者都在致力于板料塑性成形新技术的研究，努力实现金属板料快速高效的柔性冲压和无模成形，以适应现代制造业产品快速更新的市场竞争需要。

2.研究概况国内外许多学者都对板料塑性成形新技术进行了大量的研究，从无模多点成形和数字化渐进成形到喷丸成形、爆炸成形、激光热应力成形和激光冲击成形等，并取得了一定的成果。

2.1无模多点成形无模多点成形是利用高度可调节的数控液压加载单元（基本群体）形成离散曲面，来替代传统模具进行三维曲面成形的方法，是一种多点压延加工技术。

此法特别适合于多品种小批量生产，体现了敏捷制造的理念。

目前已在高速列车流线型车头制作、船舶外板成形、建筑内外饰板成形及医学工程等领域，得到广泛应用。

与传统模具成形方法相比，其主要区别就是他具有“柔性”，可以在成形前也可在成形过程中改变基本体的相对位移状态，从而改变被成形件的变形路径及受力状态，以达到不同的成形效果。

图2-1为传统模具成形与多点成形的比较。

图2-2为多点模具成形的过程。

图2-1模具成形与多点成形的比较图2-2多点模具成形过程20世纪70年代，日本造船界开始研究多点成形压力机，并成功应用于船体外板的曲面成形。

此后许多学者为开发多点成形技术进行了大量的探讨与研究，制作了不同的样机，但大多只能进行变形量较小的整体变形。

吉林大学李明哲等人对无模多点成形技术进行了较为系统的研究，已自主设计并制造了具有国际领先水平的无模多点成形设备，2002年底，李教授组建了产学研实体：长春瑞光科技有限公司。

目前，公司已有的多台产品投入到工程使用中，表2-1给出了产品的具体型号。

表2-1长春瑞光科技有限公司产品具体型号YAM-4型1000KN多点成形压力机1.总成形力：1000KN2.基本体调整量：100mm3.有效成形尺寸：500x400mm4.可加工板材厚度：2~8mm机1.总成形力：630KN2.基本体调整量：100mm3.有效成形尺寸：400×320mm4.可加工板材厚度：0.5~3.0mm YAM-3型630KN薄板多点成形压力机1.总成形力：630KN2.基本体调整量：100mm3.有效成形尺寸：400×320mm4.可加工板材厚度：0.5~3.0mm YAM-5型2000KN多点成形压力1.总成形力：2000KN2.基本体调整量：200mm3.有效成形尺寸：840×600mm4.可加工板材厚度：2.0～10.0mm小型多点成形压力机1.总成形力：100KN2.基本体调整量：50mm3.有效成形尺寸：140x140mm4.可加工板材厚度：0.3~3.0mm压力机1.总成形力：3150KN2.基本体调整量：300mm3.有效成形尺寸：1000×720mm4.一次调形时间：3~5分钟5.可加工板材厚度：3.0~15.0mmSM150型鸟巢工程用多点成形压力机1.最大成形力：15000KN2.基本体群布置：9×93.一次成形尺寸：1350×1350mm该公司的产品目前已应用于许多行业，以应用领域如下：（1）列车流线型车头覆盖件成形长春轨道客车股份有限公司使用无模多点成形系统生产出44种成形难度大的高速列车车头覆盖件，节省了巨额模具费用。

按原工艺方案生产新车型的模具需6～8个月时间，采用多点成形技术后，仅用几天的时间就完成了一台新型高速列车车头覆盖件的成形，大大缩短了新产品的开发周期，提高了成形效率与成形质量。

同时，显著地降低了工人的劳动强度，改善了工作环境。

唐山机车车辆厂定制的多点成形系统也已通过验收，即将投入300公里动车组的生产中。

图2-3为采用多点成形压力机生产的高速列车流线型车头的拼焊制造过程。

图2-3高速列车流线型车头的拼焊制造过程（2）钛合金板成形我国新一代潜艇的外板用钛合金材料，成形后的回弹极大，用传统的方法很难成形，采用多点成形设备较好地解决了钛合金成形问题。

洛阳725所已利用该设备加工了数件潜艇钛合金外板，缩短了生产周期。

图2-4为潜艇外壳的部分成形件。

图2-4潜艇外壳（钛合金）的部分成形件（3）医学工程中的钛网板塑形在医学工程中，人脑受损伤后，颅骨缺损部位需要植入钛网板进行修补。

采用多点成形技术，很好地解决了钛板塑形问题。

这项技术首先根据CT断层照片完成颅骨修补部位的三维重建，然后进行修复体的数字设计、模拟装配、优化工艺参数，最后将设计好的修复体数据直接传输到无模多点成形设备上制造出修复体。

图2-5为医学中用到的钛网板。

图2-5钛网板颅骨修复体（4）弯扭板件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，所用钢板的厚度从10mm变化到60mm，且形状各异，成形相当困难。

如采用模具成形，模具费用高昂，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。

图2-6为鸟巢工程用钢构件制造过程。

图2-6鸟巢工程用钢构件制造过程2.2数字化渐进成形数字化渐进成形是20世纪90年代日本学者松原茂夫提出的金属板料成形新方法，将零件复杂的三维形状沿Z轴方向离散化，即分解成一系列二维断面层，并用工具头在这些二维断面层上局部进行等高线塑性加工，达到所要求的形状，实现了板料设计制造一体化的柔性快速制造，其成形原理如图2-7所示。

图2-7渐进成形示意图加工是在三轴联动的数控成形机上进行的，工作时，在计算机控制下成形工具头先走到指定位置，并设定下压量，然后根据控制系统的指令，按照第一层截面轮廓的要求，以走等高线的方式对板材施行渐进塑性加工，并形成所需第一层轮廓后；成形工具头再压下设定高度，按第二层截面轮廓要求运动，并形成第二层轮廓。

如此重复直到整个工件成形完毕。

金属板材数字化渐进成形的整个工作过程并不复杂，以汽车覆盖件车门的成形为例，其过程如下：（1）首先在计算机上用三维CAD软件建立工件的三维数字模型。

（2）进行成形工艺分析、工艺规划，制造工艺辅助装置。

（3）用专用的切片软件对三维模型进行分层(切片)处理，并进行成形路径规划。

（4）生成成形轨迹文件，进行成形速度规划，最终对加工轨迹源文件进行处理并产生NC代码。

（5）将NC代码输入控制用计算机，控制板料成形机成形出所需工件形状。

（6）对成形件进行后续处理，形成最终产品。

日本AMINO公司已研制出样机，并用此方法生产出薄壳样件，如图2-8所示。

图2-8AMNIO公司生产的样机及薄壳样件华中科技大学快速制造中心与湖北省三环集团黄石锻压机床有限公司合作研制了国内第一台数控无模成形机,并开发了相应的系统控制软件,该设备的最大加工范围为800mm×500mm×300mm，通过一系列的工艺实验及汽车覆盖件的产品试制,取得了良好的效果。

图2-9为开发的样机及成形零件。

华中科技大学对汽车覆盖件的数字化渐进成形工艺展开了研究，加工了汽车门及翼子板等部件，图2-10所示为车辆工业中的各种数字化渐进成形零件。

本田汽车公司已经利用数字化渐进成形技术进行了概念车覆盖件的成形，并已投入设计生产。

图2-9开发的样机及成形的样件图2-10车辆工业中数字化渐进成形零件数字化渐进成形的技术特点是无须一一对应的模具，零件的结构和形状也相应不受约束。

因而极大地降低了新产品开发的周期和成本。

所以对于飞机、卫星等多品种小批量的产品以及汽车新型样车试制、家用电器等新产品的开发，都具有潜在的经济价值，而且该方法所能成形的零件复杂程度比传统成形工艺高。

目前数字化渐进成形技术还仅限于实验室研究阶段。

其存在的主要问题是：（1）成形零件的尺寸精度差，其曲率半径受到工具球头半径的限制，不能很小，而且划痕严重，表面质量较差。

（2）由于工具压头在板材上作干摩擦滑动，阻力大，易起皱和拉裂。

（3）由于受到模芯的结构影响，成形零件的尺寸受到限制，不能太小。

2.3喷丸成形喷丸成形是一种借助高速弹丸流撞击金属构件表面，使构件产生变形的金属成形方法，喷丸成形是一种无模成形工艺，是大中型飞机金属机翼整体壁板首选的成形方法，其原理如图2-11所示。

按照驱动弹丸运动的方式，喷丸成形分为叶轮式喷丸成形和气动式喷丸成形，两者没有本质区别；按照喷打方式，喷丸成形分为单面喷丸成形和双面喷丸成形，双面喷丸成形主要用于复杂型面构件的成形；根据喷丸成形时构件是否承受弹性外力，喷丸成形分为自由状态喷丸成形和预应力喷丸成形，预应力喷丸成形可以获得更大的喷丸变形量和更复杂的构件外型。

目前大型机翼整体壁板喷丸成形技术已经被美国金属改进公司和美国波音公司等少数几家公司垄断。

国内飞豹、枭龙、歼10、ARJ21等飞机机翼整体壁板也采用了喷丸成形工艺。

图2-11喷丸成形原理示意图喷丸成形的主要优点是：（1）零件长度不受喷丸成形方法的限制，现代飞机蒙皮零件的长度已达30多米，若采用其他方法，设备投资将急剧增加。

（2）工艺装备简单，无需成形模具，只需简单的夹具，准备周期短，固定投资少。

（3）在进行成形的同时，可对板料起到强化作用。

（4）可对变厚度的板料进行成形。

（5）既可成形单曲率外形，又可成形双曲率外形，如机翼上下气动弯折区或非直母线区。

波音系列客机和空客系列客机的金属机翼整体壁板喷丸成形是喷丸成形技术成功应用的典型代表。

如图2-12所示，A380飞机超临界外翼下翼面整体壁板长度30余米、厚度30余毫米，是迄今采用喷丸成形技术所获得的长度最长、厚度最大的构件，代表了国际喷丸成形工艺技术的最新成果。

在国内，开展喷丸成形技术研发已近40年，历经机械控制喷丸和数控喷丸等发展阶段，20世纪90年代以来迈入数控喷丸成形时代，之后数控喷丸成形成功运用到第三代飞机等机翼整体壁板，以研制成功ARJ21飞机超临界外翼下翼面整体壁板为标志，国内首次实现真正意义上的喷丸成形。

图2-13为ARJ21飞机机翼下中壁板零件。

图2-12通过喷丸成形的A380机翼下壁板图2-13ARJ21飞机机翼下中壁板零件德国KSA公司是自动化喷丸成形工艺研究领域的先锋，在KSA公司获得空客A380飞机机身壁板喷丸成形总承包项目后，瑞士Baiker公司与KSA公司合作，为A380飞机项目制造了世界最大喷丸室的数字化喷丸成形机。