1.3 柔性板材漸進成形技術特點

1.3.1 優點

1.成形力較小

與傳統的沖壓工藝相比，漸進成形是通過累積局部變形完成最終形狀加工的。在漸進成形過程中的任一時刻，只有一小部分區域的板材被工具頭擠壓變形，與單位面積的厚度方向應力大小相當，故漸進成形所需成形力較小。因此，在雙點漸進成形中，可以使用經濟性很高的塑料或者是木材制作模具，這也進一步從板材厚度和材料類型方面拓寬了漸進成形的應用范圍。盡管漸進成形過程中的成形力較小，但其變化趨勢可用來預測和防止板材的破裂，以及實現對漸進成形過程的實時控制。

2.成形極限高

采用漸進成形技術加工板材時，其成形極限相對于其他傳統成形工藝較高，如圖1-6a所示。研究表明，由于材料的變形機制不同，漸進成形的成形極限曲線為一條負斜率的直線，且其值大大高于傳統的成形方式，比如沖壓和拉伸成形。圖1-6b所示為一個通過漸進成形加工的圓錐件，高度為220mm，而頂部直徑只有6mm。在傳統的成形方式中，隨著拉伸的進行，頂部通常會發生開裂，導致成形失敗。

3.成形模具成本低

根據成形件的目標形狀，在漸進成形過程中只需要部分模具甚至不需要模具就能完成加工。圖1-7所示為使用日本AMINO機床將一張薄板加工成六種不同的形狀（圓錐、方錐、五棱錐、六棱錐、八棱錐、十二棱錐），模具可以簡化為一個基板外加六個棱錐的形式，降低了模具的加工成本。模具可以由廉價的木材或者塑料制成。如果最終的形狀有連續的成形角，可以不使用模具。此外，使用一種成形工具頭通過不同的成形軌跡可以加工出不同的形狀。工具頭的結構十分簡單，其頂部一般為半球頭形，也可以設計成其他不同形狀。另外，漸進成形可依托傳統的數控銑床、車床以及多軸機器人等完成對板材的加工，改裝成本僅僅為夾具成本，這大大降低了漸進成形的設備成本。

4.柔性高

漸進成形工藝可以使用通用的三軸機床實現，大的工作面積和大的機床剛度更有利于漸進成形的進行。如圖1-8a所示，在漸進成形研究的早期階段，傳統的漸進成形機床是在數控銑床上增設板材夾具實現的。如圖1-8b所示，2002年AMINO公司開始研究專用于漸進成形的工業機床，在該設備中配置有氣動夾具，用于加工過程中板材的固定。工業機器人同樣可應用于漸進成形的加工，如圖1-8c所示。圖1-8d所示為美國西北大學自主研發的雙面漸進成形機床。

漸進成形不依賴特定的模具，僅僅通過軌跡的改變就能改變加工形狀，形狀多變，大大縮短了成形周期。另外，漸進成形工藝參數包括板厚、步距、工具頭直徑和進給速度等，可通過優化工藝參數以獲得不同的加工效果。

1.3.2 不足

1.幾何精度有待提高

工業應用中，對板材構件的精度要求一般在±0.2mm以內，而當前漸進成形零件的幾何誤差普遍超過該要求，這是限制其工業化廣泛應用的決定性因素之一。其幾何誤差是由殘余應力引起的夾具夾緊放松偏差以及材料的回彈引起的。

2.表面質量欠佳

漸進成形所加工零件表面包括與工具頭接觸的內表面和外表面，其表面質量是影響零件服役性能和外觀的關鍵因素之一。內表面形貌由工具頭成形路徑產生的大尺度波紋度及由大表面應變引起的小尺度粗糙度組成，外表面形貌度主要由大表面應變引起，并時常產生橘皮效應。表面質量受步距、工具頭直徑和板材厚度等因素的影響。

3.單件成形時間較長

漸進成形技術因其局部變形累加的特點，與其他加工方式相比，加工同一零件所需要的加工時間較長，因此需要設置合理的工藝參數以協調成形時間和成形性能，從而提高成形效率。

4.過度減薄

減薄現象是指在漸進成形過程中隨著板材表面積的增大，厚度不斷減薄的現象，當成形角較大（70°甚至更大）時會出現板材過度減薄現象。成形后的板材厚度是影響產品服役性能的重要因素之一。

上述不足為漸進成形技術的長遠發展和商業化應用帶來了挑戰，這些不足也成了學者們重點研究的內容。