一、基本概念

　　無模多點成形就是將多點成形技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合為一體的先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)利用一系列規(guī)則排列的、高度可調(diào)的基本體，通過對各基本體運動的實時控制，自由地構(gòu)造出成形面，實現(xiàn)板材的三維曲面成形。它是對三維曲面扳類件傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。

　　二、技術(shù)特點

　　實現(xiàn)無模成形：取代傳統(tǒng)的整體模具，節(jié)省模具設(shè)計、制造、調(diào)試和保存所需人力、物力和財力，顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競爭力。與模具成形法相比，不但節(jié)省巨額加工、制造模具的費用，而且節(jié)省大量的修模與調(diào)模時間：與手工成形方法相比，成形的產(chǎn)品精度高、質(zhì)量好，并且顯著提高生產(chǎn)效率。

　　優(yōu)化變形路徑：通過基本體調(diào)整，實時控制變形曲面，隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài)，提高材料成形極限，實現(xiàn)難加工材料的塑性變形，擴大加工范圍。

　　實現(xiàn)無回彈成形：可采用反復(fù)成形新技術(shù)，消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并實現(xiàn)少無回彈成形/保證工件的成形精度。

　　小設(shè)備成形大型件：采用分段成形新技術(shù)，連續(xù)逐次成形超過設(shè)備工作臺尺寸數(shù)倍的大型工件。

　　易于實現(xiàn)自動化：曲面造型、工藝計算。壓力機控制、工件測試等整個過程全部采用計算機技術(shù)，實現(xiàn)CAD/CAM/CAT一體化生產(chǎn)，工作效率高，勞動強度小，極大地改善勞動者作業(yè)環(huán)境。

　　三、技術(shù)發(fā)展概況

　　多點成形的研究起源于日本。 70年代日本造船協(xié)會西岡等人試制了多點壓力機，進(jìn)行船體外板自動成形的研究，但因關(guān)鍵技術(shù)未能解決好，多點壓機的制造費用太高，未能實用化。日本三菱重工業(yè)株式會社的熊本等人也研制了三列多點成形設(shè)備。由于其整體設(shè)計不周，該壓機只適用于變形量很小的船體外板的彎曲加工。另外，東京大學(xué)的野本及東京工業(yè)大學(xué)的井關(guān)等人也進(jìn)行了多點壓機及成形實驗方面的研究工作，但未取得重大進(jìn)展。宮80年代以來，美國麻省理工學(xué)院D。E。Hardt的研究室對多點模具成形進(jìn)行了十多年的研究。最近麻省理工學(xué)院與美國航空航天技術(shù)研究部門合作，投入1400多萬美元的巨額經(jīng)費開發(fā)出多點張力拉伸成形機。

　　吉林工業(yè)大學(xué)教授李明哲博士在日本日立公司從事博士后研究期間系統(tǒng)地研究了多點成形基本理論，深入地分析了成形機理與成形特點，并主持開發(fā)出多點成形實用機(主要技術(shù)參數(shù)見表(l)。

　　表1 多點成形實用機主要技術(shù)參數(shù)

　　項目 技術(shù)參數(shù)

　　總成形力 540T

　　整體成形最大面積 1200mmX1400mm

　　成形板材厚度 10-30mm

　　基本體調(diào)整量 500mm

　　基本體驅(qū)動方式 液壓伺服控制

　　該系統(tǒng)是世界上第一臺達(dá)到實用化程度的無模多點板材成形壓力機，己成功地用于三維曲面工件(如扭曲面、球面、馬鞍面等)的實際生產(chǎn)中，工作效率較傳統(tǒng)的線狀加熱法提高了數(shù)十倍，而且制品精度也得到很大的提高。

　　李明哲教授回國后，在吉林工業(yè)大學(xué)組建了無模成形技術(shù)開發(fā)中心，繼續(xù)對多點成形技術(shù)進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究，逐步形成了板材多點成形理論。“該中心從學(xué)術(shù)與實際應(yīng)用兩個方面建立了板材多點成形新理論與新方法，開發(fā)出多點成形實用化技術(shù)，并研制出集CAD/CAM/CAT于一體的無模多點成形樣機。

　　四、技術(shù)基礎(chǔ)與水平

　　由吉林工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的國家重點科技攻關(guān)項目“大型板材三維曲面的自動無模成形設(shè)備”已經(jīng)通過驗收鑒定，驗收鑒定專家組對該項成果的總的評價是“多點成形技術(shù)是傳統(tǒng)的板類件三維曲面成形生產(chǎn)方式的重大刨新，具有良好的市場前景。該項目在多點成形設(shè)備、多點成形理論與實用技術(shù)的研究成果已達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，已具備工業(yè)應(yīng)用條件。”

　　(一)在多點成形設(shè)備方面：

　　吉林工業(yè)大學(xué)開發(fā)的集CAD/CAE/CAM/CAT于一體、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的板材無模多點成形設(shè)備總體構(gòu)成如圖：所示。計算機軟件系統(tǒng)主要進(jìn)行曲面幾何造型、工藝計算、成形過程有限元模擬等。自動控制系統(tǒng)用于調(diào)整基本體群形狀，控制液壓加載系統(tǒng)成形出所需形狀的工件;三維曲面測量檢測成形后的工件形狀，并將測量結(jié)果反饋到計算機軟件系統(tǒng)進(jìn)行修正，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

　　該設(shè)備與國外同類研究相比，具有如下特點：

　　1、一體化的CAD/CAE/CAM/CAT軟件系統(tǒng)：該軟件是目前國際上多點成形計算機軟件中規(guī)模最大、功能最多、考慮因素最全的系統(tǒng)，實現(xiàn)了多點成形過程的一體化處理。其CAD子系統(tǒng)根據(jù)零件的幾何形狀、材質(zhì)、板厚等原始資料，采用NURBS方法進(jìn)行曲面造型，進(jìn)行工藝設(shè)計與計算;CAE子系統(tǒng)基于彈塑性大變形有限元程序，可以預(yù)測成形缺陷，計算回彈，確定關(guān)鍵的工藝參數(shù)，CAM子系統(tǒng)調(diào)節(jié)多點成形主機的上下基本體群，構(gòu)造柔性成形面，并控制主機進(jìn)行板材成形。

　　2、多功能的自動無模多點成形機：既能實現(xiàn)多點模具成形，又能模擬多點壓機成形;而且既能進(jìn)行整體成形，又能進(jìn)行分段成形。

　　在此設(shè)備上己成形出大量的形狀復(fù)雜、變形量大、表面質(zhì)量好、尺寸比設(shè)備工作臺面積大數(shù)倍的三維曲面成形件。而且，在實際工件的模擬實驗中，對高速列車車頭覆蓋件流線型部分的不對稱件也成功地進(jìn)行了多點成形，取得了在國際同類成形設(shè)備中最好的效果。

　　(二)在多點成形理論方面：

　　在多點成形理論研究方面取得了一系列新進(jìn)展，主要創(chuàng)新點有：

　　1.多點成形基本理論，提出了四種成形原理不同的、具有代表性的多點成形基本方式，即多點模具成形、多點壓機成形、半多點模具成形及半多點壓機成形。

　　2.缺陷產(chǎn)生機理：研究了多點成形中典型不良現(xiàn)象(壓痕、皺紋、回彈、直邊效應(yīng))的產(chǎn)生機理，并研制出這些缺陷的抑制方法。

　　3.工藝設(shè)計理論：提出了抑制壓痕的工藝方法、消除直邊效應(yīng)的分段成形工藝方法、改變變形路徑的工藝方法和無回彈的反復(fù)成形工藝方法。

　　4.設(shè)備設(shè)計理論：提出了基本體與基本體群設(shè)計方法。多點成形設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和優(yōu)化設(shè)計方法。

　　(三)在實用技術(shù)開發(fā)方面：

　　在大量實驗的基礎(chǔ)上，解決了一系列實用化關(guān)鍵技術(shù)，主要有：

　　1、無缺陷彈性墊技術(shù)：可以有效地抑制壓痕，起皺等成形缺陷，使成形件的表面質(zhì)量大大提高;

　　無回彈反復(fù)成形技術(shù)：即利用多點成形柔性化的特點，采用反復(fù)成形工藝方法，減小工件的回彈及材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，實現(xiàn)板材小回彈或無回彈成形。

　　分段成形技術(shù)：即優(yōu)化過渡區(qū)成形模型，進(jìn)行大變形量、大尺寸零件的成形，實現(xiàn)小設(shè)備成形大工件，并使無模成形設(shè)備小型化。應(yīng)用該技術(shù)已成形出超過設(shè)備工作臺面積七倍的樣件，扭曲面總扭曲角超過40G。

　　多道成形技術(shù)：對于變形量很大的制品，選取最佳路徑多道成形，使成形過程中板材各部分變形盡量均勻，以消除起皺等成形缺陷，提高板材的成形能力。

　　閉環(huán)成形技術(shù)：即將自動控制技術(shù)與CAT、CAD結(jié)合起來，對成形后的工件進(jìn)行三維測量，將測量的數(shù)據(jù)反饋到CAD系統(tǒng)，經(jīng)過控制算法運算后，計算出基本體群形狀的修正量，傳遞給控制系統(tǒng)再次成形，這樣反復(fù)幾次，可以達(dá)到精確的目標(biāo)形狀。

　　五、應(yīng)用前景

　　不同形狀、不同尺寸的大型三維曲面板制品在輪船、艦艇、飛機、航天器、陸地車輛、大型容器以及不銹鋼雕塑等軍工和民品上比比皆是。近年來，隨著航空、航天、海運、高速鐵路、化工以及城市建筑等行業(yè)的發(fā)展，對其需求也在不斷地增加，但落后的扳金彎形方法己不能適應(yīng)這種發(fā)展要求，三維曲面板制品生產(chǎn)迫切地需要先進(jìn)的制造技術(shù)。無模多點成形技術(shù)已經(jīng)成熟，可以直接用于實際生產(chǎn)。它特別適合于曲面板制品的多品種小批量生產(chǎn)及新產(chǎn)品的試制，所加工的零件尺寸越大、其優(yōu)越性越突出。無模多點成形技術(shù)將在輪船和艦艇的外扳、飛機和航天器的蒙皮、車輛、大型容器和城市雕塑的覆蓋件等三維曲面板制品加工中有著廣闊應(yīng)用前景，并將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。