1.3 柔性板材渐进成形技术特点

1.3.1 优点

1.成形力较小

与传统的冲压工艺相比，渐进成形是通过累积局部变形完成最终形状加工的。在渐进成形过程中的任一时刻，只有一小部分区域的板材被工具头挤压变形，与单位面积的厚度方向应力大小相当，故渐进成形所需成形力较小。因此，在双点渐进成形中，可以使用经济性很高的塑料或者是木材制作模具，这也进一步从板材厚度和材料类型方面拓宽了渐进成形的应用范围。尽管渐进成形过程中的成形力较小，但其变化趋势可用来预测和防止板材的破裂，以及实现对渐进成形过程的实时控制。

2.成形极限高

采用渐进成形技术加工板材时，其成形极限相对于其他传统成形工艺较高，如图1-6a所示。研究表明，由于材料的变形机制不同，渐进成形的成形极限曲线为一条负斜率的直线，且其值大大高于传统的成形方式，比如冲压和拉伸成形。图1-6b所示为一个通过渐进成形加工的圆锥件，高度为220mm，而顶部直径只有6mm。在传统的成形方式中，随着拉伸的进行，顶部通常会发生开裂，导致成形失败。

3.成形模具成本低

根据成形件的目标形状，在渐进成形过程中只需要部分模具甚至不需要模具就能完成加工。图1-7所示为使用日本AMINO机床将一张薄板加工成六种不同的形状（圆锥、方锥、五棱锥、六棱锥、八棱锥、十二棱锥），模具可以简化为一个基板外加六个棱锥的形式，降低了模具的加工成本。模具可以由廉价的木材或者塑料制成。如果最终的形状有连续的成形角，可以不使用模具。此外，使用一种成形工具头通过不同的成形轨迹可以加工出不同的形状。工具头的结构十分简单，其顶部一般为半球头形，也可以设计成其他不同形状。另外，渐进成形可依托传统的数控铣床、车床以及多轴机器人等完成对板材的加工，改装成本仅仅为夹具成本，这大大降低了渐进成形的设备成本。

4.柔性高

渐进成形工艺可以使用通用的三轴机床实现，大的工作面积和大的机床刚度更有利于渐进成形的进行。如图1-8a所示，在渐进成形研究的早期阶段，传统的渐进成形机床是在数控铣床上增设板材夹具实现的。如图1-8b所示，2002年AMINO公司开始研究专用于渐进成形的工业机床，在该设备中配置有气动夹具，用于加工过程中板材的固定。工业机器人同样可应用于渐进成形的加工，如图1-8c所示。图1-8d所示为美国西北大学自主研发的双面渐进成形机床。

渐进成形不依赖特定的模具，仅仅通过轨迹的改变就能改变加工形状，形状多变，大大缩短了成形周期。另外，渐进成形工艺参数包括板厚、步距、工具头直径和进给速度等，可通过优化工艺参数以获得不同的加工效果。

1.3.2 不足

1.几何精度有待提高

工业应用中，对板材构件的精度要求一般在±0.2mm以内，而当前渐进成形零件的几何误差普遍超过该要求，这是限制其工业化广泛应用的决定性因素之一。其几何误差是由残余应力引起的夹具夹紧放松偏差以及材料的回弹引起的。

2.表面质量欠佳

渐进成形所加工零件表面包括与工具头接触的内表面和外表面，其表面质量是影响零件服役性能和外观的关键因素之一。内表面形貌由工具头成形路径产生的大尺度波纹度及由大表面应变引起的小尺度粗糙度组成，外表面形貌度主要由大表面应变引起，并时常产生橘皮效应。表面质量受步距、工具头直径和板材厚度等因素的影响。

3.单件成形时间较长

渐进成形技术因其局部变形累加的特点，与其他加工方式相比，加工同一零件所需要的加工时间较长，因此需要设置合理的工艺参数以协调成形时间和成形性能，从而提高成形效率。

4.过度减薄

减薄现象是指在渐进成形过程中随着板材表面积的增大，厚度不断减薄的现象，当成形角较大（70°甚至更大）时会出现板材过度减薄现象。成形后的板材厚度是影响产品服役性能的重要因素之一。

上述不足为渐进成形技术的长远发展和商业化应用带来了挑战，这些不足也成了学者们重点研究的内容。