變角度緩面零件單點漸進成形軌跡優化

王華畢, 魏目青, 桑文剛

(合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

變角度緩面零件單點漸進成形軌跡優化

王華畢, 魏目青, 桑文剛

(合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

文章針對變角度緩面零件加工表面波紋不均勻、成形尺寸精度差的問題,提出了一種基于增量角度Δθ來控制增量步長Δz的方法,建立了Δz與Δθ之間的數學方程,并利用Matlab軟件求解出給定Δθ時的增量步長Δz,并將該方法成功應用于變角度緩面零件成形。試驗對比結果表明:該方法改善了變角度緩面零件的表面波紋,減小了底部圓形區域大小,能提高成形效率,提高變角度緩面零件的使用性能。

漸進成形;刀具軌跡優化;增量步長;表面質量;波紋度

金屬板料單點漸進成形技術是一種新型的柔性無模成形[1-6]。板料數控漸進成形原理如圖1所示。首先將被加工板料放在支撐模型上,用夾板將板料夾緊在托板上,托板可以沿著導柱自由上下滑動。將夾緊在托板上的板料固定在三軸聯動的數控無模成形機上。成形時,成形工具頭對板料壓下設定的壓下量為Δz,并且沿設計的工具路徑移動。在板料成形過程中,計算機控制成形工具在x、y方向的移動和z方向的下降運動。在高度相同的每一層中,成形工具在x、y平面運動。在形成零件第1層截面輪廓后,成形工具在z軸方向下降相同的壓下量,再按第2層截面軌跡運動,并且形成零件第2層輪廓。如此重復,直到整個零件成形[7]。

圖1 漸進原理圖

漸進成形的零件質量問題主要包括尺寸精度、零件表面質量和成形零件的強度要求。對于變角度緩面零件漸進成形,增量步長Δz一定時,在平緩曲面處零件表面會出現明顯的工具頭壓痕,表現出較為明顯的表面波紋，且在零件底部出現未被加工的圓形區域,如圖2所示;這種表面大大影響了零件的使用性能,而且看起來很不美觀。基于殘余波峰高度來控制零件表面質量的方法[8]適用于加工緩面零件,也能改善緩面處零件表面質量,但會增加加工時間。文獻[9]采用不同成形深度設置不同增量步長的方法,即在零件底部成形區域設置更小的增量步長Δz,在一定程度上能改善零件底部表面波紋和圓形區域大小,但增加了成形時間,降低了成形效率。

本文針對變角度緩面零件加工表面波紋不均勻、成形尺寸精度差的問題,提出了一種基于增量角度Δθ來控制增量步長Δz的方法,建立了Δz與Δθ之間的數學方程,并利用Matlab軟件求解出給定Δθ時的增量步長Δz,并將該方法成功應用于變角度緩面零件的成形。

圖2 緩面零件加工痕跡

1 原理說明

本文方法的原理圖如圖3所示。

圖3 本文方法原理圖

由圖3可知,需要加工的層數N為:

(1)

過原點O的第i條直線的方程和斜率分別為:

zi=kixi

(2)

(3)

與零件截面曲線(母線)方程Z=F(x)交于點Ai(xi,zi),則原點O到點Ai的距離為:

(4)

則增量步長Δz與增量角度Δθ之間的關系為:

(5)

由方程(5)可知,增量步長Δzi僅和Δθ有關,給定Δθ的值即可求出Δzi,且越靠近零件底部增量步長Δzi越小。

需要注意的是,對于非對稱或者非旋轉類零件,可選其重要表面的截面線作為母線。

2 試驗驗證

為了驗證本文方法的可行性,試驗加工方案見表1所列。試驗1為給定固定增量步長Δz=0.500 0 mm,即傳統加工方法;試驗2采用文獻[9]中提到的方法,即在不同的成形深度區間內給定不同的增量步長;試驗3為給定增量角度Δθ=0.5°,即本文方法;試驗4為傳統加工方法與本文方法的結合,其目的是在本文方法的基礎上獲得表面波紋均勻、底部圓形區域小、表面質量更好的零件，實驗中進給速度均為1 000 m/min；潤滑油為機油。

表1 試驗加工方案

試驗設備采用南京航空航天大學研制的JBT5040漸進成形數控機床,成形工具頭直徑為10.0 mm；試驗材料為1060鋁板,板坯尺寸為 150.0 mm×150.0 mm,板厚0.7 mm。

本文提到的方法適用于變角度緩面零件加工,結合實際加工條件,為了得到一個較緩的零件表面,本文選擇具有代表意義的截面曲線(母線)為二次曲線的零件進行加工驗證,加工代碼由NX9.0生成,零件母線尺寸如圖4所示。

圖4 零件用線尺寸

試驗1加工層數N=L/Δz=15/0.5=30；試驗2加工層數N=11/0.5+4/0.2=42；試驗3加工層數N=θ/Δθ=15°/0.5°=30；試驗4加工層數N=11/0.5+5°/0.5°=32。

3 結果與分析

3.1 表面波紋

表面波紋原理圖如圖5所示,表面波紋跟增量步長Δz和零件截面曲線有關。截面曲線一定時,Δz越大,波紋越明顯,Δz越小,波紋越不明顯;增量步長Δz一定時,截面曲線斜率大的表面波紋不明顯,截面曲線斜率小的表面波紋明顯。

圖5 表面波紋原理圖

圖5a中,截面曲線一定,Δz0+Δz1>Δz0,此時x2-x>x2-x1,即Δz越大,波紋越明顯。圖5b中,Δz一定時,x1-x>x2-x1,即截面曲線斜率越小,波紋越明顯。

試驗完成后零件表面波紋如圖6所示。試驗1中,固定增量步長Δz=0.500 0 mm,加工的零件表面波紋最差,隨著加工深度的增加波紋越來越明顯,相鄰刀軌間的痕跡距離越來越大,在接近零件底部的位置波紋最大,測量零件兩波紋間最大距離為4 mm。試驗2中,靠近零件底部固定增量步長Δz=0.200 0 mm,加工出來的零件表面波紋與試驗1相比有所改善,但在中間增量步長過渡區域和零件底部都能夠觀察到不均勻的波紋,測量零件兩波紋間最大距離為2.0 mm。試驗3中,增量步長Δz是變化的,且越靠近零件底部增量步長越小,加工此零件時最底層增量步長Δz=0.056 7 mm,加工出來的零件表面波紋最均勻,從上部到底部波紋均勻一致,測量零件兩波紋間最大距離僅為0.8 mm。試驗4中,增量步長Δz在接近零件底部時是變化的,且越靠近零件底部增量步長越小,測量零件兩波紋間最大距離也為0.8 mm,與試驗3得到的零件表面相比,試驗4得到的零件不但波紋均勻,表面質量也明顯改善,提高了零件的使用性能。

圖6 零件表面波紋

3.2 底部成形尺寸精度

對于變角度緩面零件而言,尺寸誤差主要存在于零件底部區域。加工零件時由于零件底部比較平緩,在加工完成后會在零件底部形成一定的未被加工的圓形區域,該區域的存在使本來應是圓弧形狀的底部區域變得平直,大大影響了零件外形美觀及成形尺寸精度。

零件底部圓形區域的大小主要與底部增量步長Δz有關,Δz越小，圓形區域面積越小。增量步長Δz對圓形區域的影響如圖7所示。

圖7 增量步長Δz對圓形區域的影響

圖7中,成形工具加工完上一層后由進刀點Ai-1沿輪廓向最后一層進刀(進給量Δz),當到達點Ai時完成進刀,理論上成形工具從點Ai開始對最后一層板料擠壓變形。因為點Ai為零件輪廓最底部頂點,最后一層需要成形的區域僅有點Ai,所以當成形工具完成進刀時也就完成了對最后一層的加工,且成形工具與板料接觸方式為點接觸；因此板料進行最后一層加工時僅僅因進刀在金屬板上留下一道淺淺的印記,并不會使板件變形,板件底部出現圓形平直或者近似平直區域。

零件底部形狀如圖8所示。

圖8 成形零件底部形狀

試驗1中,底部增量步長Δz=0.500 0 mm,得到的零件底部圓形區域最大,其直徑可達16 mm;試驗3、試驗4中,Δz=0.056 7 mm,得到的零件底部圓形區域最小直徑只有5 mm;試驗2中,Δz=0.200 0 mm,得到的零件底部圓形區域直徑為10 mm。

3.3 成形厚度

對零件厚度進行測量,得到厚度變化曲線如圖9所示,厚度測量的方法是從底部中心沿x軸測18個點,多次測量取平均值。因為試驗3、試驗4的不同之處僅在零件底部區域,且兩者厚度變化幾乎相同,所以比較厚度時僅比較試驗1、試驗2、試驗3。從圖9可以看出,零件厚度總體變化趨勢是隨著成形角度的不斷增大板料逐漸減薄,在某一位置厚度達到最薄然后逐漸變厚。試驗1～3的板料厚度在距離中心點35 mm左右時均達到最小值,此附近減薄最嚴重。在距離中心點15～35 mm附近時,試驗1、試驗3的板料厚度優于試驗2,因為不同的加工方法導致不同的金屬流動,所以試驗1、試驗3零件成形時更利于金屬向中間區域流動。

圖9 零件厚度變化

3.4 加工時間

金屬板件漸進成形時間越短說明成形效率越高。機床進給率一定的條件下,加工時間與工具頭走過的路徑成反比,隨著成形深度的增加,刀具在每一層所走的路徑長度逐漸減小。試驗所用的加工時間如下：試驗1為334 s;試驗2為417 s;試驗3為257 s;試驗4為335 s。由以上數據可以看出,本文方法(試驗3)所用時間最短,成形效率最高;試驗2雖然能改善零件表面波紋及成形精度,但所用時間最長,成形效率最低,試驗2所用時間比試驗3多62%;試驗3中的增量步長是不斷變化的,且越靠近零件底部越小,而在零件開始加工的時候增量步長要大于0.5 mm;試驗4獲得的零件表面質量最好,所用時間與試驗1幾乎相同,且比試驗2少用時19.5%。

4 結 論

(1) 采用固定增量步長Δz的方法加工變角度緩面零件時,在零件底部表面會出現明顯的刀軌痕跡和波紋,大大影響了零件外形美觀、成形尺寸精度和使用性能。通過減小Δz可以在一定程度上改善這些問題,但成形時間會明顯增加,成形效率降低。

(2) 本文基于增量角度Δθ來控制增量步長Δz的方法能有效改善變角度零件加工時刀軌痕跡和表面波紋明顯以及成形尺寸精度差的問題，而且成形效率大大提高,采用傳統加工方法與本文方法相結合還能夠改善零件表面質量,改善零件使用性能。

(3) 基于本文方法生成的增量步長Δz需要手動輸入到三維軟件中，進而生成加工代碼,這樣費時費力,下一步希望通過二次開發將生成的增量步長直接導入到三維軟件中去,并探究使用Δz、Δθ控制的條件及其明確判據,解決實際加工零件尺寸形狀和加工條件不同的情況下加工策略的選擇問題。

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(責任編輯 胡亞敏)

Tool path optimization of variable angle surface parts in single point incremental forming

WANG Huabi, WEI Muqing, SANG Wengang

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In this paper, a new method of controlling incremental step Δzbased on incremental angle Δθis proposed to improve the surface quality and geometrical accuracy and reduce forming time of variable angle surface parts. A mathematical equation between Δzand Δθis built, Δzis determined only by Δθand it is solved by using the Matlab software. The method is applied to the variable angle surface parts forming. The experimental results show that both the surface quality and the geometrical accuracy are significantly improved, especially the surface waviness of the parts. The method is effective in improving the forming efficiency and the performance of the variable angle surface parts.

incremental forming; tool path optimization; incremental step; surface quality; waviness

2015-09-16；

2015-11-02

合肥工業大學產學研校企合作資助項目(W2014JSFW0263)

王華畢(1973-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.03.002

TG386.32

A

1003-5060(2017)03-0294-05