钣金数控增量成形方法概述及未来市场趋势

近年来，由于国际法规和消费习惯的变化，产品生命周期较短，导致市场少量多元化。如果制造成本保持不变，但需求减少，制造商将很难收回成本。快速试制技术可以满足消费者和生产者的需求，用低成本的制造方法使模具或产品达到快速送样的目的。赢得订单，降低开发风险，已成为国际上热门的研究项目。针对市场趋势，目前塑料和金属制品行业大多采用快速原型技术(3D打印或CNC加工)直接打印或加工产品。通常，样品可以在三周内很快寄出。在样品数量较多的情况下，直接制造产品会导致产品开发成本较高。在试制量大的情况下，将采用快速打样来制作试制样品。压铸和钣金行业一般需要2~2.5个月。由于近年来对特殊曲面的需求不断增加，同时要求高精度、高强度的要求，这使得模具变得复杂，需要反复修理模具以满足质量要求。 The application of trial molds cannot effectively shorten the development time and provide samples, and the opportunity to grab orders is lost. RP technology is the technology to quickly complete the prototype of the product. Different manufacturing methods can be divided into removal (CNC processing), addition multilayer manufacturing, and forming (injection, stamping, casting).

增量成形技术在钣金件试制中的应用市场调研:

钣金增量成形技术属于成形范畴，其目的是以最合理的制造成本生产出高度定制化的产品。ISF技术已成为近年来越来越重要的技术之一。目前已成为国际上众多研发单位的重点。

在传统的塑料成型材料加工工艺中，通常需要对材料进行加热或施加高压，使材料成形为目标形状。考虑到材料的微观结构变化和材料的流动方式，材料加热起着重要的作用，但加热系统，无论是加热炉的建设还是加热所消耗的电力等，都会增加制造成本。另一方面，冲压用于钣金成型，这需要一个模具和冲床。同时，模具钢的机械性能高，包括硬度高、耐温度高，或摩擦小，导致模具材料成本高。

为了应对这些问题，开发新技术迫在眉睫，以更短的生命周期和更短的生产时间制造小批量产品。采用ISF技术，用简单的模具和室温，数字路径控制技术，简单的设备，就可以完成钣金的成形目的。ISF技术的应用市场是汽车、船舶、航空航天等，该单位有研究人员将该技术应用于假人骨、假关节等医疗领域。

近年来，为应对全球化生产，产品开发周期缩短，行业必须具备快速反应能力获得国际订单，因此快速试制技术应运而生。通过数字化路径控制在短时间内生产零件，减少专用模具使用的增量成形技术是目前国际上相关成形技术的发展趋势。

增量成形技术的发展趋势:

为了适应全球化生产，产品开发周期缩短了。要满足这一需求，就必须具备快速反应能力，获得国际订单，从而缩短模具制造周期。国内制造商需要能够为客户提供小批量、低成本制造工艺的高质量试制件，才能竞争订单。此外，为了应对数量较少的多样化市场，品牌工厂每年都需要开发新产品和新零件，产品试制成本逐年增加。目前，包括塑料制品、金属制品、钣金、块状材料等不同形态的产品，大多采用快速原型技术直接打印或机械加工产品。所需的产品形状可以在一周内完成，但在提交大量样品的情况下，直接生产或3D打印进行产品开发的成本太高。目前有快速工装，可以用树脂模具或易切削钢材进行快速加工。小批量试制模具结构，或3D打印砂型结合可回收锌合金铸造模具，降低试制模具成本。与直接打样相比，小批量试制虽然可以降低成本，但会增加生产进度。

弹性多点模具成形技术将传统模具的整体表面离散成一系列高度可控且排列规律的凸模矩阵。每个离散点都是一个独立的移动单元。通过控制每个点的相对垂直高度，可以改变成形面的形状。冲头基体形成的包络面是所需的成形面。无需更换模具即可控制。点定位快速成型，各种不同复杂形状的曲面产品，在国际上已应用于许多领域，包括高铁车头罩、汽车罩、船舶外板等大型钣金产品。在传统的纺丝中，材料快速地轴向旋转，成型辊头类似于车床接近旋转的工件，使工件发生轴对称变形。弹性旋压成形是传统的旋压成形加多轴控制来增加成形自由度，采用数控可成形非轴对称旋转薄壁零件，旋压得到的产品精度比较高。更高、更好的质量，在世界范围内被广泛应用于航空航天、军事、核能等金属精密加工领域。

渐进成形技术也是采用数控方法，通过数控或机械臂等硬件设施，按路径控制辊头模具，对夹在夹具上的板材按顺序进行塑性变形，逐渐形成最终产品形状。不同类型的增量成形技术，包括单点、双点、多点模式，成形方向为正或负。上述的成形工艺大多采用数控的形式进行，因为这样可以减少传统制造工艺中使用的专用模具的数量。降低模具成本和加工时间，并能在产品试制期间有效提供设计变更的快速响应，或响应需要小批量生产而不需要摊销大模具成本的行业。

增量成形工艺道次及参数设计:

增量成形技术的成形性受到许多参数的影响，包括辊头直径、进给量、辊头速度、板材与辊头之间的摩擦以及成形壁角，即成形面与水平之间的角度。其中，成形壁角受产品形状的限制，很难通过随意调整成形参数来改变。在逐级成形中，成形产品的角度对金属落料板的厚度有很大的影响。当成形角超过材料的最大成形角时，就会产生裂纹。国内外许多学者通过实验发现，成形极限与材料厚度是一致的。形成角密切相关。成形极限是在板料成形过程中判断成形是否断裂的一种度量。由于没有判断渐进成形所对应的破坏模式的准则，因此通过对厚度和成形角度的评价来预测成形状态。在增量成形过程中，材料的厚度遵循正弦规律。变形板厚是成形角Φ和初始板厚的函数。 The thickness of the sheet material gradually becomes thinner under the shear force applied by the forming roller head. Since the area of the roller head relative to the product is quite small, the deformation of each point has little or no influence on the undeformed area.

研究了不同材料的单次最大成形角。大多数材料的最大成形角度在60°~ 70°之间。以低碳钢为例，最大成形角约为65°。当产品特征超过最大成形角时，必须通过多道次路径进行规划。例如，对于90°延伸产品，可以采用中间道次使成形角度40°~50°，然后设计中间道次使材料的应变在各个位置分布更均匀，避免局部位置变形和变薄。利用延伸法，可以利用成形区域外的材料来弥补成形过程中成形区域内材料的变薄。可通过夹紧来实现。

CAE分析模型建立:

采用六轴机械臂进行增量成形试验。初步建立了增量成形CAE分析技术。与冲压成形分析最大的不同是增量成形过程中需要考虑辊头路径的驱动方式。由于辊头的成形方法是随时间向各个方向移动，因此其操作条件需要通过路径离散化来实现。可以使用Mastercam或可视化网格等软件对路径进行离散化。将离散化后的路径转换为每个点的坐标系，然后从坐标点数据得到点间的X、Y、Z运动距离，这样当辊头移动到初始位置后，将沿着X、Y、Z三个方向的运动距离在路径上运动。

增量成形技术及其应用

有许多不同类型的增量成形技术。由于ISF不需要特殊的模具和冲床，它适用于航空航天和汽车工业的小批量生产。该技术利用局部变形来提高成形性，因此可以有效地用于低强度材料的成形。利用数字控制可以进行复杂的路径设置，因此与其他传统的成形方法相比，可以相对容易地成形复杂的几何零件。

单点增量成形(SPIF)可以很容易地在数控铣床上进行。以下是基金的基本组成部分:

• 刀具路径规划CAM软件。
• 直径小的半球形辊头。
• 数控铣床用于自动化工具移动。
• 钣金夹具。
• 钣金毛坯。

在复杂的几何结构中，有时需要CAD软件从CAD模型中生成轧辊头路径。辊头材质为冷模具钢、高速钢、硬质合金、塑料等。而坯料有铜、高温钢、低碳钢、黄铜、铝合金、不锈钢、金、银、铂等。

增量成形法的市场前景:

面对未来消费者日益增长的定制化需求，柔性多点板金属成形技术等特殊成形方法应运而生。柔性旋压成形技术是国际上为满足少量薄板零件的需求而发展起来的。并已应用于各种钣金件的增量成形工艺试制。