现代工程复杂曲面金属板材加工技术研究

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　　摘    要：本文对复杂曲面金属板工程做了基本的界定，对复杂曲面金属板弯板加工工艺进行详尽的整理，通过对不同工艺的原理及优缺点的归纳总结，提示了不同的材料和板型在限定的经济条件下如何比选加工工艺。通过总结具体工程加工经验，对实际工程实施中的回弹、模具、试件、背筋及喷涂等方面的问题提出建议和解决思路。
　　关键词：复杂曲面金属板工程;表皮划分;展开计算;冷弯成型;无模成形
　　1  复杂曲面金属板装饰工程简述
　　1.1  复杂曲面金属板工程
　　金属板材冷弯成型的技术在上世纪中叶进入工业化，继而开始大量的出现专用于建筑上的各种金属屋面、金属幕墙金属构件等现代工业产品。时至今日，出现很多曲面金属板维护而成的复杂曲面金属板装饰工程。
　　本文所主要关注的“复杂”曲面金属板的概念是指：①数学概念上，各种可解析的双曲面或非数学解析曲面等等;②钣金概念上，需要对板料拉伸发生形变的几何不可展开曲面;③实际工程上，曲面板型规格多无法套用固定模具等情况。而其使用非双曲面拟合成双曲面表皮的项目不是本文讨论范畴。初等解析曲面都有一个数学定义并可使用数学公式表达如：球面、双曲抛物面等;复杂不可展曲面往往是建筑师使用软件在电脑中“揉捏”而成的一个“独特”又“随机”的抽象形体。
　　但因为加工工艺的复杂性，可以用于复杂曲面加工的板料可选择并不多。不同的材质金属板材或采用不同的厚度的金属板材会表现出不用的力学性能如：抗折抗拉/抗弯、弹性系数、可加工的最大、最小半径等，板料的折、拉、滚弯所需施加的力可以通过计算确定。现在铜板、铝单板、冷轧钢板及不锈钢板都有成功的复杂曲面装饰工程案例，其中又以铝板和不锈钢应用较为普遍，技术也相对成熟。
　　不可展开曲面板料要经过展开计算来辅助钣金工艺设计。对于大部分一次冲压或冷压成型钣金工艺来说，弯板工序前要通过展开计算确定平面形状来裁切。而且，如果展开计算的结果提示了板材加工难度很大，就要考虑调整钣金加工工艺如：使用延展性更好的板材、板材加厚或使用大功率成型设备，甚至考虑使用数控精密成型设备。
　　板金的展开算法为几何学领域的技术，在实际工程中幕墙设计人员往往将曲面板信息以RHION模型的方式交到钣金厂，由钣金厂负责计算和输出。
　　2  建筑装饰用复杂曲面金属板材的加工工艺
　　三轴辊压机加工拱面（单曲面）及锥面是金属板冷弯技术工业化的标志，但仅适用于曲面曲率固定，批量大的产品，不能用于复杂曲面板的加工。曲面展开复杂性越大，成形的精确度就越低（如：马鞍面、双曲抛物面这种具有正反弧的板料压板时容易出现褶皱，弧度大、曲率变化大的压板也很容易破裂和褶皱）。几何不可展曲面金属板的冷弯主要用到以下工艺。
　　2.1  金属弯板手工成型
　　金属冷弯手工/半手工成型工艺是钣金最传统的加工工艺，装饰工程一般使用锤艺手工工艺。锤艺是使用锤子在细沙表面敲打金属，使板材延展变形成型技术。锤艺往往由经验丰富的工艺技师手工操作，它能够实现基本精准、几乎所有复杂曲面板型。
　　手工金属板曲面成型工艺需要高度纯熟的技艺。该工艺成品精度较差，表面有凸凹不平的锤纹，且效率低只能小批量生产。但因其经济可靠（目前在日用品加工等钣金行业，还大量存在熟悉传统技艺的工人），在某些项目整体大部分为常规板型，局部有部分双曲板型这样的项目中还是普遍应用。
　　锤艺前先使用优化后的三轴辊压机预成型，可以提高成型效率。使用预制钢靠模辅助找形来提高成形精度，这些都是手工工艺向半机械化提升的方法。
　　另外，因为铜板材质较“软”，成品原板料表面本身就不够钢板或铝板那样平整，所以铜板加工精度不需要太高，现有少量铜板曲面项目都是手工成型。
　　2.2  拉弯成型
　　胎膜拉弯成型工艺是目前较新的双曲面金属板弯板成型技术。其基本原理是在给定的模床上覆盖金属板料，使用大功率的拉伸设备夹持板边将板料向模床下方向施加拉力，板材屈服變形，待内应力消除后脱模裁切，即可得到符合设计要求的的曲面板型。
　　胎膜拉弯成型工艺特点有：①该工艺是一次性加工成型工艺，一次不成往往就把钢板拉坏成为废板，所以需要提前准备完善的工艺方案和准备工作。②该工艺会导致板材沿板面延展并变薄，但回弹小，质量有保证。③因为板面要承受较大的拉力，所以只适合冷轧钢板和不锈钢板这两种高强度板料。这种工艺适合1.5mm～3mm厚板料，太薄板容易拉坏，太厚设备拉不动容易破坏胎膜。④该工艺适合单向弯曲板（如类球面板），不适合有正反弧的曲面板（如双曲抛物面板）。⑤胎膜拉伸成形可使用固定的整体钢制胎膜或可变多点矩阵胎膜，模床都要求有很高的刚度。⑥因受设备参数和模床成本的制约，板幅也不宜太大。
　　在实际生产中，如项目板型规格较为统一，建议使用钢胎膜，如板型规格多就尽量使用多点矩阵模床。
　　2.3  柔性压弯成型
　　胎膜柔性压弯成型也是目前实际项目中较新、较常用的弯板工艺。该工艺是一种同时具有良好的经济性和实现效果的加工工艺。胎膜柔性压弯成型一般使用钢模或实木模，原板裁切或半裁切后固定在胎膜上，使用帆布条覆盖在板面上，通过拉力机夹持和拉动帆布对板面形成“缓慢、柔和的”压力，使其贴附在模床。其主要特点：①更适用于质地较“软”的铝板（因铝板是装饰领域最常用的面材，所以改工艺目前应用广泛）或铜板。②柔性压弯一般是多次成型，在实际加工过程中可调整甚至可少量修改返工，③可应用于板型复杂、曲率较大或曲率复杂多变的特殊双曲板。
　　2.4  冲压/静压成型
　　金属模一次性冲压或静压成形基本方式为：根据成形板材的最终成形面的性质，预先制作出金属上模和下模，一般为下模固定放置，把需要加工的板料放在固定模上并固定，可动上模通过液压驱动，向下方快速冲压或静压板材，把板材压出所需要的形状。 　　冲压/压成形主要使用下固定模（模床）、上方冲压的活动模及机械冲压机这三个要素工作。该工艺适用于大批量的金属板材成形，成形精度高、成品表面平整度高。
　　近年来随着无模成型技术的发展，开始有应用改进出多点冲压的模具技术结合冲压机械设备生产复杂曲面、多规格板料的技术出现。该技术突破了传统冲压尺寸较小，板料规格限制等约束，开始应用在各种复杂曲面工程中。目前，在为数不多的实现案例中，多点冲压的模具技术结合大功率冲压机技术已经完成了不可展曲面/多规格且厚板（比较适用4mm～10mm厚板。但如果板太薄，容易被压出褶皱，成型效果反而不如拉弯工艺）、大尺寸板形/高精度成型这三个技术难度制高点的突破。该工艺理论基础已非常成熟，虽然还有回弹控制和设备费用较高这两个问题要解决，但该技术是复杂曲面钣金技术开始摆脱传统手段向工业化/数字化/智能制造方向迈进的重要标志，极有发展前景。
　　3  复杂曲面金属板材加工在工程应用方面的相关问题
　　3.1  板材的回弹原理及回弹控制
　　金属板材回弹控制是复杂曲面金属板加工从项目整体质量角度最应该要重点考虑的问题，尤其是在冲压和静压这样一次成型的加工工艺中。
　　弯曲加工同任何塑性变形一样都会伴随弹性变形，当冷压或冲压所形成的外载荷卸除后，板料产生弹性回弹，其形状和尺寸都发生与外载变形方向相反的变化，使弯曲板加工的几何精度偏离设计值。板材回弹的形状是其整个成型过程的积累效应，与众多因素密切相关，极为“复杂”，很难用计算机或数学公式来准确解析。回弹量与材料屈服点成正比、和弹性模数E成反比。板材弯曲加工时要通过经验值表估算出弧面失高的回弹量，综和回弹值和设计值得出摸具规格。对于给定的弯曲成型薄板，其弹性弯曲变形量是一定的。随着弯曲变形程度的改变，弹性变形弯曲变形量在总的弯曲变形量中的比例也变化，弯曲变形程度越大，弹性彎曲部分占的比例就越小，这就是板材最大弯曲半径的概念——即越“弯”的板越容易加工。
　　3.2  关于模具
　　模具对项目的实施成本影响量极大，是复杂曲面金属板加工从项目整体经济角度最应该重点考虑的问题。
　　在高端的航空航天制造业中，使用靠模机床解决曲面板材零件的加工是通用且高效方法，即“靠模法”，但对于工程而言靠模机床太“贵”也太“慢”。工程上一般使用靠模装置在通用机床上或利用其他辅助工具进行机械或半机械加工方式。这种仅参照“靠模法”基本原理，通过简化加工工艺和加工手段的方式提升技术经济意义的做法，才是目前复杂曲面板项目得以实现的真正原因。
　　钢靠模的优点有较强的硬度和强度、精度通过设计预先设定等优点，在装饰工程领域应用广泛。钢靠模制作方法是：依据计算机中的数字模型，先使用两组相互垂直切面对曲面进行剖切，依据剖切线的数据裁切平面钢板，然后把裁切后钢板网格化正交叉接焊制成为整体模床。制作时，剖切面的间距越小模床精度越高。钢靠模一般为临时用模具，对板材规格很多的项目来说低经济性的缺点凸显。
　　实木靠模使用硬质木，先依据模具的大概形状将木块粘接成为粗胚，然后上3D雕刻机雕刻成型。数控雕刻机可以直接从计算机上读取模型数据，所以精度、效率很高。加工厂往往从曲率较大的板块开始制模加工，分批逐步推向曲率较小的板料。模料可以多次切削逐渐“变平”，从而使模料重复使用形成增效减耗的工艺亮点，所以这几年发展很快。
　　无模（多点矩阵）成形技术并不是说没有模床，而是区别传统固定模的一个概念。模具表面由离散的可调位置的点构成，这些“点”的表现形式是较小的球表面和下方的支撑杆件。模具表面形状是通过每一个杆件的支撑高度调增实现的，每个小球表面所形成的弧面与模床要实现的整体弧面相切。该技术的基本原理是通过点状矩阵构成离散的上下工具表面来进行板材冲压，进而实现弯板加工的数字化和高精度可控化，最终大幅提高加工效率和精度。板料规格较多的工程，无模成型技术会极大地提升加工效率并节省大批的模具费用。与普通钢靠模相比多点矩阵模床会产生局部形状的误差，可以用加弹性垫或改用厚板料来解决。
　　3.3  复杂曲面板金加工的试件
　　每一个复杂金属曲面工程的实施过程，其本质是一项整套技术系统的研发过程，所以板料的试件环节非常重要。试件要验证试制产品的损耗、成本水平，还要检验产品的视觉效果以及工工艺的效率等。工程中需要根据试件的结果调整工艺，为批量生产创造技术条件和控制标准，所以对试件一定要重视，设定计划、打足余量。
　　在深圳创新展示中心项目中使用1.5mm厚的不绣钢板，试件发现种钉以后板面出现明显的热变形“晕斑”，于是改用2mm厚板;珠海十字门城市绸带项目，规范限定3系铝板，试件时出现了褶皱、破裂，后部分板料改为材质较“软”的1系才成功量产。
　　3.4  其他问题
　　复杂曲面板加工一般是先裁切后冷弯成型。但拉弯工艺例外，因需要预留板边给设备夹持，所以只能先拉弯定型后手工割焊裁切。
　　金属幕墙板材背面会依据风载计算布置背筋。背筋对于复杂曲面金属板具有找形、定形和结构三重意义。①找形：根据实际工程经验，曲面板材的边部曲线的精确控制，是项目成败与否最关键的地方。因为人们对曲面板项目在视觉效果上的接受度和认可度，往往首先是由板边拼缝的精确程度决定的。而且控制板边精度的边背筋属于平面内、二维加工的范畴，加工精度更易控制。②定形：复杂曲面金属板金属板料一般为“柔韧”的薄板，只有安装了背筋，才能将板材的形状真正“固定”，并保证板材在放置，搬运，吊装等过程中不会有变形。③结构：复杂曲面金属板板规格较大，支撑板材的结构连接点一般布置背筋框架上。
　　在弯曲金属板材上固定背筋需要进行焊接工序。为避免板材发生焊接变形，弯曲板的背筋固定应避免通焊而使用点焊和种钉两种方式。尤其推荐种钉，因其可以通过螺栓进行少量的进出位调节，所以精确可靠。 　　4  发展前景与展望
　　复杂金属曲面板工程既是现代工业产品，也是点亮城市、代言建筑师个性的“公众艺术品”。弯板工艺也既简单又复杂——简单是指相对于应用在航空、汽车等高等端钣金工艺技术而言，装饰工程领域的弯板技术“真实水平”还是半机械化状态;复杂是指因为工程本身有个性化和经济性限制等要求，导致复杂板型弯板加工技术几乎没有可以借鉴的技术“套路”。建筑师设计新项目时往往倾向于：要不有把握从工艺效果上远远超过原有项目，要不干脆就去寻找更新的材料或形式。因此，工程的艺术属性会压抑其工业产品的本质。历尽艰辛积累的技术经验因为后续无项目继承而无法积累升华，好不容易找到的合适的设备，却因为使用率不能维持而费用居高，这似乎是一种“永恒的矛盾”。
　　但冷弯成形是个“灵活变通”的工艺，在现代最先进的冷弯工艺中依然存有千年前传统工法经验的价值，现代理论值和传统经验值依然同时存在。在已有的案例中，很多看似不可能的特殊板形最终都是用冷弯成形实现的。
　　参考文献：
　　[1] 张雪冬.浅议建筑工程弯曲表面与计算机三维模型分析技术[J].中国房地产业，2012（10）.
　　[2] 张国强，董红，吴承格译.金属板料成形及其模具设计实例[R].美.Vukota Boljanovic化工工业出版社.
　　[3] 张彦强.曲面金属幕墙平面展开算法及计算机应用设计[D].西安理工大学硕士论文，2006.
　　[4] 胡忠明，吴明君.曲面铝板幕墙成形技术浅析.2013全国铝门窗幕墙行业年会论文.
　　作者简介：
　　张雪冬（1974—）男，本科，高级工程师;研究方向：建筑外装饰工程设计和施工技术。
　　郑家碧（1973—）女，本科，高级工程师;研究方向：建筑外装饰工程设计。
　　李伟（1980—）男，2014年至今任职珠海市晶艺玻璃工程有限公司，曾担任：主任设计师、设计院副院长，现担任：设计二院院长，学历：本科（土木工程专业），职称：工程师，研究方向：建筑外装饰工程设计。
　　何国辉（1974—）男，2010年至今任职珠海市晶艺玻璃工程有限公司，曾担任：主任设计师，现担任：设计所副院长，学历：专科（建筑装饰专業），职称：中级工程师，研究方向：建筑外装饰工程设计和施工技术。
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