金属板材数控增量成形方法综述及未来市场趋势

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，导致市场少量多样化。如果制造成本保持不变，但需求减少，制造商将难以收回成本。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制作模具或产品，达到快速送样的目的。为赢得订单，降低开发风险，已成为国际上热门的研究项目。为了应对市场趋势，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，样品可以在三周内快速送达。在大量样品的情况下，直接制造产品会导致产品开发成本高。在大量试生产的情况下，将使用Rapid tolling来制作试制样品。一般压铸和钣金行业则需要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，使模具复杂化，需要反复的模具修理才能满足质量要求。 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研究

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高度定制化的产品。近年来，ISF技术已成为越来越重要的技术之一。目前已成为国际上众多研发单位关注的焦点。

在塑料成型材料的传统加工工艺中，通常需要对材料进行加热或施加高压，使材料成型为目标形状。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能等，都会增加制造成本。另一方面，冲压用于钣金成形，这需要模具和冲床。同时，模具钢的机械性能要求高，包括硬度高、耐温、或摩擦小，导致模具材料成本高。

为了解决这些问题，开发新技术迫在眉睫，用更短的生命周期和更短的生产时间来制造小批量的产品。采用ISF技术，以简单的模具和室温、数字路径控制技术、简单的设备，即可完成钣金件的成型目的。ISF技术的应用市场是汽车、船舶、航空航天，单位内有研究人员将该技术应用于医疗领域，如假人骨、假关节等。

近年来，为应对全球化生产，产品开发周期不断缩短，行业必须具备快速响应能力，才能获得国际订单，于是快速试制技术应运而生。通过数字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

为了应对全球化生产，产品开发周期缩短。为了满足这一需求，必须具备快速响应的能力，以获得国际订单，从而缩短模具制造周期。国内厂商需要能够以小批量和低成本的制造工艺为客户提供高质量的试制件，才能有能力争夺订单。此外，为了应对少数多样化的市场，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，各行各业包括塑料制品、金属制品、钣金、块状材料等不同形式的产品，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，但在大量提交样品的情况下，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，可采用树脂模具或易切削钢进行快速加工。小批量试模结构打样，或3D打印砂模结合可回收锌合金铸造模具，降低试模成本。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、有规则排列的冲孔矩阵。每个离散点是一个独立的可移动单元。通过控制各点的相对垂直高度，可以改变成形表面的形状。冲孔矩阵形成的包络面就是所需的成形面。无需更换模具即可控制。点定位快速成型技术，具有不同复杂形状的各种曲面产品，已在国际上的许多领域得到应用，包括高速列车车头盖、汽车盖、船舶外板等大型钣金制品。在传统旋压中，材料轴向快速旋转，成形辊头类似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以增加成形自由度，并可采用数控成形非轴对称旋转薄壁件，旋压得到的产品精度较高。质量更高、质量更好，已广泛应用于世界航空航天、军事、核能等金属精密加工领域。

级进成形技术也是采用数控方法，通过CNC或机械臂等硬件设施，按照路径控制辊头模具，将夹紧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、双点和多点模式，成形方向是正方向或负方向。上述成形过程大多以数控的形式进行，因为它可以减少传统制造过程中使用的专用模具的数量。降低模具成本和加工时间，并能在产品试开发期间有效地对设计变更提供快速响应，或响应需要小批量生产而不需要摊销大模具成本的行业。

增量成形工序及参数设计

增量成形技术的成形性受辊头直径、进给量、辊头速度、板料与辊头之间的摩擦、成形壁角(即成形面与水平面的夹角)等参数的影响。其中，成形壁角受制品形状的限制，很难通过随意调整成形参数来改变。在连续成形过程中，成形件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。国际上许多学者通过实验发现，成形极限与材料厚度是一致的。成形角度与之密切相关。成形极限是在板料成形过程中判断成形是否断裂的一种措施。由于没有判断渐变成形所对应的失效模式的标准，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.

对不同材料的单次最大成形角进行了研究。大多数材料的最大成形角在60°~ 70°之间。以低碳钢为例，最大成形角约为65°。当产品特性超过最大成形角度时，必须通过多道次路径进行规划。例如，对于90°延伸的产品，可采用中间孔道使成形角40°~50°，然后设计中间孔道，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。采用延伸法，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。与冲压成形分析的最大区别在于增量成形过程中需要考虑辊头轨迹的驱动方式。由于辊头的成形方法是随时间向各个方向运动，因此需要通过路径的离散化来实现其运行条件。像Mastercam或visual mesh这样的软件可以用来离散路径。将离散化后的路径转换为每个点的坐标系，然后从坐标点数据中得到点之间的X、Y、Z移动距离，使滚轮机头移动到初始位置后，沿着X、Y、Z三个方向的移动距离在路径上移动。

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头，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型。通过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，可以相对容易地形成复杂的几何零件。

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

• 刀具轨迹规划的CAM软件。
• 直径小的半球形辊头。
• 数控铣床实现自动刀具移动。
• 钣金夹紧工具。
• 金属薄板。

有时在复杂的几何形状中需要CAD软件从CAD模型中生成滚头路径。轧辊头的材质有冷模具钢、高速钢、硬质合金、塑料等。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型方法应运而生。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。并将其应用于各种钣金件的增量成形工艺中进行试制。