5083 鋁合金變曲率零件的漸進(jìn)成形壁厚均勻性研究＊

范素香 梁惠俊④ 郝用興 李宇航

（①華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045；②華北水利水電大學(xué)材料學(xué)院，河南 鄭州 450045；③河南省數(shù)字化智能裝備工程研究中心，河南 鄭州 461111；④北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

漸進(jìn)成形技術(shù)是一種柔性制造技術(shù)，具有十分靈活的加工工藝過程[1]。該技術(shù)不需要設(shè)計(jì)和制造專用模具，只需要賦予成形工具正確的成形軌跡使板材塑性變形逐漸積累即可得到目標(biāo)零件的最終形狀，其加工過程不會造成材料浪費(fèi)，符合當(dāng)下綠色制造的理念[2-7]。

目前單點(diǎn)無模漸進(jìn)成形技術(shù)研究的對象基本是具有固定成形角的圓臺件、方盒件、多面體臺件，建模簡單，設(shè)置路徑方便，漸進(jìn)成形容易。Yue T W 等[8]研究了漸進(jìn)成形板材的成形性能。Ye Y 等[9]對漸進(jìn)成形圓錐臺件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探究了不同工藝參數(shù)對漸進(jìn)成形的影響。朱知壽等[10]使用上下往復(fù)交替形加工軌跡解決了漸進(jìn)成形直壁方盒形零件壁厚減薄較為嚴(yán)重的問題。何正琛等[11]建立了正八邊形錐件的漸進(jìn)成形數(shù)值模擬模型探究影響單點(diǎn)漸進(jìn)成形板料厚度的影響因素。而針對變曲率零件，如人體頭蓋骨補(bǔ)片，由于其曲率變化較大，漸進(jìn)成形時(shí)具有不同的成形角，建模困難，刀具路徑復(fù)雜，利用漸進(jìn)成形固定成形角零件的加工技術(shù)已無法滿足質(zhì)量要求，零件的壁厚均勻性受到加工層數(shù)、工具頭直徑、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和加工進(jìn)給率等多種因素制約。

本文通過逆向工程的技術(shù)路線生成零件的三維模型，編制數(shù)控加工程序，通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)研究加工層數(shù)、工具頭直徑、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和加工進(jìn)給率等不同工藝參數(shù)組合對零件壁厚均勻性的影響大小，尋求最佳工藝參數(shù)組合。

1 成形軌跡設(shè)計(jì)

通過三維掃描儀可得到頭蓋骨的曲面數(shù)據(jù)，首先對頭蓋骨模型的表面進(jìn)行清潔，在桌面上貼上參考標(biāo)識點(diǎn)方便掃描儀識別，采用紅色激光進(jìn)行掃描成像，快門設(shè)為0.6 ms，掃描過程如圖1 所示。

基于逆向工程技術(shù)使用Geomagic Studio 2014軟件得到顱骨數(shù)據(jù)，消除干擾并封裝曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)定位點(diǎn)1～4 生成頭蓋骨模型，如圖2 所示，將該文件導(dǎo)入U(xiǎn)G NX 軟件，選擇輪廓銑削加工方式中的深度型腔銑削方法，生成加工軌跡的G 代碼。

圖2 頭蓋骨補(bǔ)片曲面

編程軟件如果采用常規(guī)等高線加工方式，即采用固定層高Δz，會導(dǎo)致零件底部平緩處嚴(yán)重失真。國內(nèi)外學(xué)者提出了幾種數(shù)控加工曲面零件的優(yōu)化方法[11-12]：王華畢等[13]采用增量弧長控制增量步長的方法，增加曲線平緩處的走刀次數(shù)；Cui Z 等[14]提出了數(shù)控漸進(jìn)成形中鼓包問題的消除方法。這些方法均改善了零件的成形輪廓精度。本文對曲面的分層進(jìn)行了優(yōu)化，如圖3 所示，首先根據(jù)零件截面線上的長度L將曲面進(jìn)行粗分層，每層的增量步長為Δzi，則需要的加工層數(shù)N為粗分層數(shù)量的總和。其次將Δzi進(jìn)行精分層，在精分層中根據(jù)每層輪廓步長的成形角α，將層高Δzi劃分成若干個(gè)不同的子分層數(shù)Δzij。成形角較大時(shí)，較少Δzij數(shù)目就能保證加工質(zhì)量，成形角較小時(shí)，Δzij數(shù)目較多，該方法可以實(shí)現(xiàn)零件的變成形角加工。為了防止材料硬化和加工時(shí)間過長，Δzij數(shù)目需要設(shè)定限制。

圖3 加工原理圖

刀具路徑優(yōu)化對比如圖4 所示。

圖4 數(shù)控加工軌跡

2 漸進(jìn)成形數(shù)值模擬

2.1 刀位點(diǎn)提取

圖5a 所示為數(shù)控加工G 代碼，使用C++編寫轉(zhuǎn)換程序?qū)?shù)控G 代碼轉(zhuǎn)換為工具頭的X、Y、Z坐標(biāo)，如圖5b 所示。對刀具各位移點(diǎn)按照進(jìn)給量進(jìn)行時(shí)間分配，得到關(guān)于時(shí)間參數(shù)的3 個(gè)坐標(biāo)平面T-X、T-Y、T-Z運(yùn)動數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入到 ABAQUS 軟件中，實(shí)現(xiàn)成形工具加工軌跡的動態(tài)加載。

圖5 刀位點(diǎn)提取

2.2 材料屬性

5083 鋁合金材料的基本屬性見表1，為了保證數(shù)值模擬變形情況結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需要輸入材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，使用拉伸試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下以1 mm/min 的拉伸速率對試樣緩慢加載，使試樣受到軸向拉力，直至試樣被拉斷，得到5083鋁合金材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6 所示。

表1 5083 鋁合金材料力學(xué)性能參數(shù)

圖6 5083 鋁合金真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 有限元模擬

選擇ABAQUS/Explicit 建立有限元模擬模型，5083 鋁合金成形板材的尺寸為250 mm×250 mm×1.5 mm，成形板材網(wǎng)格尺寸為2 mm×2 mm，板材的單元類型選擇為S4R 殼單元。漸進(jìn)成形接觸相互作用選擇接觸對算法，使用面-面接觸方式。最終漸進(jìn)成形過程如圖7 所示。

圖7 成形過程

2.4 數(shù)值模擬分析

頭蓋骨補(bǔ)片屬于定制化產(chǎn)品，采用壁厚均勻性評估該零件的壁厚分布，即通過漸進(jìn)成形加工得到的零件壁厚均勻性越大，則成形區(qū)域壁厚的差異值越小，零件壁厚分布越均勻，成形質(zhì)量較優(yōu)。零件的壁厚均勻性計(jì)算公式如下：

式中：tmax為零件的最大厚度；tmin為零件的最小厚度；tave為零件的平均厚度。

考慮到漸進(jìn)成形技術(shù)的可行性、成形過程的總時(shí)間、經(jīng)濟(jì)效益、試驗(yàn)機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性等影響因素，選取加工層數(shù)為20～100 時(shí)，每層的增量步長將為0.2～1.0 mm，基本符合一般漸進(jìn)成形加工試驗(yàn)的要求。此外，根據(jù)試驗(yàn)機(jī)床的型號和實(shí)際條件，初步選取工具頭直徑為8～12 mm、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速0～600 r/min、加工進(jìn)給率200～1 000 mm/min進(jìn)行模擬仿真。

2.4.1 加工層數(shù)

分別使用20、40、60、80、100 的加工層數(shù)對漸進(jìn)成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其他工藝參數(shù)為工具頭直徑10 mm、進(jìn)給率600 mm/min、主軸轉(zhuǎn)速300 r/min。由圖8 可知，隨著步長距離的增加，零件的壁厚均勻性逐漸增大。這是因?yàn)榧庸訑?shù)增大使得成形工具數(shù)控加工軌跡的插補(bǔ)精度越高，引起板材層間變形減小，板材減薄更均勻，使得零件的壁厚均勻性逐漸增大。但加工層數(shù)過多要求數(shù)控機(jī)床具有較高的加工精度，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。

圖8 加工層數(shù)對零件壁厚均勻性的影響

2.4.2 工具頭直徑

分別使用工具頭直徑為8 mm、9 mm、10 mm、11 mm、12 mm 的成形工具對漸進(jìn)成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其他工藝參數(shù)為進(jìn)給率600 mm/min、加工層數(shù)60、主軸轉(zhuǎn)速300 r/min，由圖9 可知，隨著工具頭直徑的增加，零件的壁厚均勻性逐漸增大，且壁厚均勻性的增加值較為恒定。

圖9 工具頭直徑對零件壁厚均勻性的影響

2.4.3 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速

分別使用速度為0 r/min、150 r/min、300 r/min、450 r/min、600 r/min 的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速對漸進(jìn)成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其他工藝參數(shù)為工具頭直徑10 mm、加工層數(shù)60、進(jìn)給率600 r/min。由圖10 可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，零件的壁厚均勻性先減小后增大，但壁厚均勻性值均在77.4%左右范圍內(nèi)波動，變化幅度為0.5%，波動較小，這是由于機(jī)床主軸繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動對成形力的影響不大，因此可以認(rèn)為主軸轉(zhuǎn)速的變化不影響零件的壁厚均勻性值。

圖10 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速對零件壁厚均勻性的影響

2.4.4 加工進(jìn)給率

分別使用速度為200 mm/min、400 mm/min、600 mm/min、800 mm/min、1 000 mm/min 的加工進(jìn)給率對漸進(jìn)成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其他工藝參數(shù)為工具頭直徑10 mm、加工層數(shù)60、主軸轉(zhuǎn)速300 r/min，由圖11 可知，隨著進(jìn)給率的增加，零件的壁厚均勻性逐漸減小。這是因?yàn)殡S著進(jìn)給率的增加，成形工具的運(yùn)動速度逐漸增加，導(dǎo)致板材成形區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變的變化速率較大。板材的成形趨勢發(fā)生變化，使得零件的壁厚均勻性逐漸減小。但加工進(jìn)給率設(shè)置過低將導(dǎo)致加工時(shí)間延長，影響生產(chǎn)效率。

圖11 加工進(jìn)給率對零件壁厚均勻性的影響

3 正交試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

如圖12 所示，試驗(yàn)機(jī)床采用三軸數(shù)控漸進(jìn)成形試驗(yàn)機(jī)，型號為JJCX300。為探究數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和漸進(jìn)成形工藝參數(shù)對零件壁厚均勻性的影響，針對漸進(jìn)成形的成形工具頭直徑、加工層數(shù)、加工進(jìn)給率和機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速這4 個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖12 三軸數(shù)控漸進(jìn)成形試驗(yàn)機(jī)

3.2 極差分析

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，通過三軸數(shù)控漸進(jìn)成形試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行漸進(jìn)成形加工得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示。試驗(yàn)因素編碼值與試驗(yàn)結(jié)果見表2，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算后對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行R極差值分析，見表3。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 極差分析

圖13 各試驗(yàn)方案得到的試驗(yàn)結(jié)果

通過表3 可以發(fā)現(xiàn)影響零件成形區(qū)域壁厚均勻性因素的主要程度依次為D＞B＞A＞C，即加工進(jìn)給率＞加工層數(shù)＞成形工具頭直徑＞機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，因此根據(jù)影響成形壁厚的主要程度選取得到的最佳工藝參數(shù)組合為A1B3C3D2。

3.3 最佳工藝參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)機(jī)床上選擇最佳工藝參數(shù)組合進(jìn)行加工試驗(yàn)，實(shí)際加工參數(shù)為成形工具頭直徑7.5 mm，加工層數(shù)100，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速300 r/min，進(jìn)給率500 mm/min。最后得到的頭蓋骨補(bǔ)片形零件如圖14所示，使用三維掃描儀對其進(jìn)行測量，其最小壁厚值為1.270 mm，壁厚均勻性經(jīng)計(jì)算為84.67%。

圖14 最佳工藝參數(shù)組合試驗(yàn)結(jié)果

將數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對照和比較。圖15 所示為工件XZ截面上掃描樣本、數(shù)值模擬、實(shí)際加工零件三者的Z方向位移值，由圖可知數(shù)值模擬與試驗(yàn)機(jī)床加工得出零件的成形輪廓與掃描樣本基本一致。圖16 所示為在XZ截面上測量9 個(gè)點(diǎn)的壁厚，求出數(shù)值模擬和實(shí)際加工相對于掃描樣本的壁厚偏差率，可以看出，數(shù)值模擬的壁厚偏差率最大為1.898%，實(shí)際加工的壁厚偏差率為1.679%，均小于2%，這很好地證明了使用ABAQUS 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的可靠性并且通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)找到零件的漸進(jìn)成形最佳工藝參數(shù)組合是可行的。

圖15 成形輪廓對比

圖16 壁厚偏差率

4 結(jié)語

本文利用ABAQUS 軟件建立漸進(jìn)成形數(shù)值模擬模型，結(jié)合試驗(yàn)分析成形工具頭直徑、加工層數(shù)、加工進(jìn)給率和機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速對零件壁厚均勻性的影響并得出使其壁厚均勻性達(dá)到最優(yōu)的最佳工藝參數(shù)組合，結(jié)論如下：

（1）采取優(yōu)化路徑后，實(shí)際加工零件截面輪廓的成形精度得到有效改善，結(jié)合數(shù)值模擬和極差分析可將零件的壁厚均勻性優(yōu)化至84.67%。

（2）變曲率零件負(fù)漸進(jìn)成形過程中，零件的壁厚均勻性與成形工具頭直徑、加工層數(shù)均成正比關(guān)系，與加工進(jìn)給率成反比關(guān)系，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速對零件壁厚均勻性的影響較小。

（3）通過試驗(yàn)得出，4 種工藝參數(shù)對零件壁厚均勻性影響大小的排序?yàn)椋杭庸訑?shù)＞加工進(jìn)給率＞成形工具頭直徑＞機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速。