1060鋁材雙點(diǎn)漸進(jìn)成形幾何精度的研究*

胡海瀚，王秋成，吳金晗，曹江

（浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310014）

0 引言

金屬板材漸進(jìn)成形技術(shù)是一種基于分層逐步塑性變形，通過積累，最終達(dá)到零件目標(biāo)形狀的先進(jìn)技術(shù)。隨著金屬板材雙點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)的發(fā)展，其逐漸被應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中。由于其具有無模具成形、可編程控制、柔性加工等特點(diǎn)，現(xiàn)在各國已逐漸將其應(yīng)用到一些零件的小批量生產(chǎn)上［1］。這種成形技術(shù)相比于其他的傳統(tǒng)板材成形技術(shù)，不需要特別設(shè)計、制造高成本的模具，可以有效地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。國內(nèi)外研究者針對該技術(shù)的成形設(shè)備、成形機(jī)理、成形工藝、工藝規(guī)劃及成形路徑、有限元模擬分析、試驗(yàn)應(yīng)用等問題進(jìn)行了研究。至今，板材漸進(jìn)成形技術(shù)獲得了一定的發(fā)展。

現(xiàn)在板材漸進(jìn)成形技術(shù)可分為兩種：①單點(diǎn)漸進(jìn)成形；②雙點(diǎn)漸進(jìn)成形?，F(xiàn)在國內(nèi)外對單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)研究的比較多，而雙點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)剛處于起步階段。

本研究提出一種雙點(diǎn)漸進(jìn)成形方法，通過實(shí)驗(yàn)研究分析雙點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)的幾何精度相對于單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)的優(yōu)勢。

1 成形原理與設(shè)備

成形原理包括單點(diǎn)漸進(jìn)成形原理和雙點(diǎn)漸進(jìn)成形原理；成形設(shè)備是一臺專門用于漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)加工的特種設(shè)備。下面將對兩種成形原理和成形設(shè)備作簡單介紹。

1.1 單點(diǎn)漸進(jìn)成形原理

單點(diǎn)漸進(jìn)成形示意圖如圖1所示，單點(diǎn)漸進(jìn)成形的結(jié)構(gòu)構(gòu)成非常簡單：1臺能控制刀具頭進(jìn)給的機(jī)床（比如立式銑床）、1個固定薄板的簡單夾具、1個刀具［2］。固定夾，顧名思義就是用于固定薄板并定義刀具的加工區(qū)域，夾具體是固定不動的。這里的刀具沒有刀刃，頭部是半球形狀。

圖1 單點(diǎn)漸進(jìn)成形示意圖

單點(diǎn)漸進(jìn)成形是一種分層累積塑性變形的加工技術(shù)，通過圖1中刀具的運(yùn)動，逐漸使板材產(chǎn)生塑性變形，通過積累最終達(dá)到目標(biāo)形狀。

1.2 雙點(diǎn)漸進(jìn)成形原理

雙點(diǎn)漸進(jìn)成形示意圖如圖2所示。雙點(diǎn)漸進(jìn)成形［3］又稱作雙面漸進(jìn)成形，因?yàn)楸“鍍擅娓饔幸粋€刀具與薄板接觸，兩面都受刀頭的成形力。

圖2 雙點(diǎn)漸進(jìn)成形示意圖

雙點(diǎn)漸進(jìn)成形的結(jié)構(gòu)相比于單點(diǎn)漸進(jìn)成形，多了一個刀具，其中一個刀具用做支撐工具，另一個刀具用于成形板料，在兩個刀具之間保留一個預(yù)定的距離s［4］。下刀具和上刀具分開控制，能夠通過數(shù)控編程，讓兩個刀具走不同的軌跡，所以在數(shù)控上，雙點(diǎn)成形要求更高。但是上、下兩個刀具是同步的，如果上方刀具被給定一個確定的速度，則下方刀具的速度將由控制器來調(diào)整，這樣兩個刀具能同一時間到達(dá)下一個點(diǎn)。這樣是為了使得上方刀具和下方刀具間不會出現(xiàn)滯后，成為一種主從關(guān)系［5］。

1.3 成形設(shè)備

這臺成形設(shè)備是專門用于漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)加工的，它不僅可以用于單點(diǎn)漸進(jìn)成形，也可以用于雙點(diǎn)漸進(jìn)成形加工。

漸進(jìn)成形設(shè)備的機(jī)械原理圖如圖3所示，左、右兩邊各有一個工作頭，工作頭通過滾珠絲桿受電機(jī)控制，可以沿著絲桿方向移動；在兩個工作頭上各有3個電機(jī)，每個電機(jī)通過絲桿連接一個刀具座（刀具座上可以裝備刀具，可更換），刀具座可以沿著絲桿方向移動；夾具通過滾動軸承被固定在設(shè)備支架上，一邊通過皮帶輪連接有一個電機(jī)，可帶動夾具旋轉(zhuǎn)［6］。

圖3 漸進(jìn)成形設(shè)備機(jī)械原理圖

2 成形軌跡

在進(jìn)行成形實(shí)驗(yàn)前，確定漸進(jìn)成形走刀軌跡是必不可少的。當(dāng)然單點(diǎn)漸進(jìn)成形和雙點(diǎn)漸進(jìn)成形的加工目標(biāo)必須是相同的，所以研究人員先要確定一個目標(biāo)零件，然后根據(jù)目標(biāo)零件計算確定單點(diǎn)漸進(jìn)成形和雙點(diǎn)漸進(jìn)成形的走刀軌跡。

2.1 板材試樣與目標(biāo)零件

漸進(jìn)成形薄板試樣選取材料型號為1060鋁，直徑為D=160 mm，厚度為T=1 mm的圓盤薄板。

目標(biāo)零件的確定，有兩個要求：

（1）由于該實(shí)驗(yàn)不是研究成形極限的，成形半錐角不能高于最大成形半錐角，否則會出現(xiàn)目標(biāo)零件破裂，以至于不能作準(zhǔn)確地比較，獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（2）成形半錐角不能太小，否則會導(dǎo)致單點(diǎn)漸進(jìn)成形和雙點(diǎn)漸進(jìn)成形的幾何精度差異很小，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

綜上兩個要求，在參考大量關(guān)于漸進(jìn)成形極限的國內(nèi)外文獻(xiàn)的條件下，選取的目標(biāo)零件參數(shù)為：上端面直徑60 mm，下端面半徑20 mm，深度15 mm，半錐角53.2°。

2.2 單點(diǎn)漸進(jìn)成形走刀軌跡

在加工軌跡的確定中，本研究選擇最常用的等高線，由外向內(nèi)加工軌跡。單點(diǎn)漸進(jìn)成形的加工軌跡示意圖如圖4所示，加工軌跡在縱向進(jìn)給上采用等高線加工，每個工步的進(jìn)給量都一樣ΔX［7］。

圖4 單點(diǎn)漸進(jìn)成形軌跡示意圖

在確定進(jìn)給量之前，需要說明的一點(diǎn)是，現(xiàn)在漸進(jìn)成形每個工步的進(jìn)給量一般都是小于1 mm的，這樣才能保證加工所得零件有一定的表面精度。再結(jié)合已經(jīng)確定的目標(biāo)零件，選取的進(jìn)給量為：ΔX=0.75 mm，ΔY=1 mm。經(jīng)過20個工步的漸進(jìn)成形加工，可獲得X=15 mm，Y=20 mm的成形零件，正好達(dá)到目標(biāo)零件的形狀［8］。

2.3 雙點(diǎn)漸進(jìn)成形走刀軌跡

和單點(diǎn)漸進(jìn)成形一樣，本研究選擇最常用的等高線，由外向內(nèi)加工軌跡。雙點(diǎn)漸進(jìn)成形的加工軌跡設(shè)計了兩種方案，雙點(diǎn)漸進(jìn)成形的加工軌跡示意圖如圖5所示，每個工步的進(jìn)給量都一樣ΔX，并且上、下兩個刀具一起移動。

圖5 雙點(diǎn)漸進(jìn)成形軌跡示意圖

與單點(diǎn)漸進(jìn)成形的進(jìn)給量一樣，進(jìn)給量為：ΔX=0.75 mm，ΔY=1 mm。經(jīng)過20個工步的漸進(jìn)成形加工，可獲得X=15 mm，Y=20 mm的成形零件，正好達(dá)到目標(biāo)零件的形狀。但是不同的是，雙點(diǎn)漸進(jìn)成形多了一個刀具，所以需要增加一個刀具的移動軌跡［9］。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上文確定的漸進(jìn)成形走刀軌跡，本研究進(jìn)行數(shù)控編程并使用漸進(jìn)成形進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。加工所得零件圖如圖6所示。

圖6 加工所得零件圖

3.2 三坐標(biāo)測量

本研究對實(shí)驗(yàn)結(jié)果做定量分析時需要測量所得零件母線上的坐標(biāo)。這里用到FARO便攜式三坐標(biāo)測量儀測量母線上離散點(diǎn)的坐標(biāo)，具體測量方法如下：

（1）清除被測件的表面污漬，噴涂顯像劑；

（2）使用FARO便攜式三坐標(biāo)測量儀，掃描被測件，獲得點(diǎn)云圖，保存為IGS格式；

（3）使用CATIA打開IGS格式的點(diǎn)云圖，利用投影原理截取母線投影圖；

（4）應(yīng)用Matlab處理母線投影圖，獲得母線上各個離散點(diǎn)的坐標(biāo)；

（5）在Excel表中處理離散點(diǎn)坐標(biāo)，并在Origin中繪制曲線。

3.3 數(shù)據(jù)對比分析方法

本次數(shù)據(jù)對比分析主要通過兩個數(shù)據(jù)的對比來進(jìn)行，對比分析曲線圖如圖7所示，這兩個數(shù)據(jù)分別是：最大回彈Δmax、回彈大于等于0.5 mm小于1 mm的百分比ε0.5～1和回彈大于1 mm的百分比ε1［10］。本研究以圖7為例來做簡要說明，以（0，15）點(diǎn)作為基準(zhǔn)，最大回彈：在x=-30 mm處，實(shí)際曲線的y-30值與目標(biāo)曲線Y-30值之差的絕對值，也就是：

回彈大于等于0.5 mm小于1 mm的百分比ε0.5～1：在實(shí)際曲線上取70個點(diǎn)，其坐標(biāo)分別是（-1，y1），（-2，y2），（-3，y3）…（-k，yk）…（-70，y70），其中k=-1,-2,-3..-70，與它們對應(yīng)的在目標(biāo)曲線上的點(diǎn)為（-1，Y1），（-2，Y2），（-3，Y3）…（-k，Yk）…（-70，Y70），每個點(diǎn)的回彈計為：

圖7 對比分析曲線圖

回彈超過0.5 mm小于1 mm的百分比ε0.5可以通過以下公式計算獲得：

回彈大于1 mm的百分比ε1為：

3.4 測量結(jié)果對比分析

本研究測量單點(diǎn)漸進(jìn)成形和雙點(diǎn)漸進(jìn)成形（軌跡b）加工所得的零件，繪制出的曲線如圖8所示。

圖8 單、雙點(diǎn)漸進(jìn)成形零件測量對比曲線圖

根據(jù)公式（1～4）可計算得出的對比數(shù)據(jù)如表1所示。分析表1中數(shù)據(jù)最大回彈這一項，單點(diǎn)漸進(jìn)成形比雙點(diǎn)漸進(jìn)成形大了2.58 mm，其表明單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝所加工的零件的回彈量是雙點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝的3.28倍。回彈在0.5 mm～1 mm之間的百分比雖然雙點(diǎn)漸進(jìn)成形比單點(diǎn)漸進(jìn)成形多5.7%，但是單點(diǎn)漸進(jìn)成形大于1 mm的回彈百分比比雙點(diǎn)漸進(jìn)成形多了48.6%，高達(dá)65.7%，而且對于回彈在0.5 mm～1 mm之間和1 mm以上的值，也是單點(diǎn)漸進(jìn)成形遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雙點(diǎn)漸進(jìn)成形。

表1 單點(diǎn)漸進(jìn)成與雙點(diǎn)漸進(jìn)成對比數(shù)據(jù)表

綜合上述結(jié)果，可以得出結(jié)論：在其他工藝參數(shù)都相同的前提下，鋁合金板材的雙點(diǎn)漸進(jìn)成形的幾何精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單點(diǎn)漸進(jìn)成形的幾何精度。

4 結(jié)束語

本研究提出了一種雙點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝技術(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的工藝參數(shù)條件下，鋁合金板材的雙點(diǎn)漸進(jìn)成形的幾何精度要優(yōu)于單點(diǎn)漸進(jìn)成形的幾何精度。

在下一階段，本研究將通過實(shí)驗(yàn)研究不同的走刀軌跡對雙點(diǎn)漸進(jìn)成形的幾何精度的影響；同時研究不同材料和不同厚度的板材對雙點(diǎn)漸進(jìn)成形的幾何精度的影響。

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