單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響

文懷興， 杜宣莉， 史鵬濤， 上燕燕

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.中國人民解放軍第5702工廠， 陜西 咸陽 712200)

0 引言

現(xiàn)代制造過程越來越重視成形工藝過程，這樣可以使產(chǎn)品定制，減小成本和交貨時(shí)間.單點(diǎn)漸進(jìn)成形[1]不需要特定的成形工具，在計(jì)算機(jī)的作用下，使工具頭在板料上進(jìn)行逐層的等高線加工，最終一層一層累積成想要的形狀[2-4].這種新型的成形方式，最大的特點(diǎn)是可以顯著降低產(chǎn)品成本，縮短生產(chǎn)周期[5].由于成形軌跡是采用計(jì)算機(jī)的編程來實(shí)現(xiàn)，所以靈活性較強(qiáng)，適合單件和小批量生產(chǎn)，也非常適合加工形狀比較復(fù)雜的鈑金類零件[6].

單點(diǎn)漸進(jìn)成形思想從20世紀(jì)60年代由LESZAK[7]提出，20世紀(jì)90年代中期至今經(jīng)過科學(xué)家的廣泛研究，單點(diǎn)漸進(jìn)成形的研究主要集中在成形軌跡、數(shù)值模擬、成形設(shè)備、成形精度、成形力等方面[8-10].由于影響表面質(zhì)量問題的因素極為復(fù)雜，目前對板料漸進(jìn)成形表面質(zhì)量方面的研究不是很深入，但是表面質(zhì)量對成形零件的外觀和正常使用影響較大，是單點(diǎn)漸進(jìn)成形非常重要的一方面[11,12].因此，對于板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形的表面質(zhì)量問題的研究具有重要的意義.

根據(jù)理論分析可知，影響表面質(zhì)量的加工因素主要是加工步長、刀具頭半徑和成形角這三個因素.由于表面粗糙度是衡量表面質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，所以利用表面粗糙度來研究這三個因素對板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量的影響，可為選擇單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量的最優(yōu)的加工參數(shù)作為參考依據(jù)[13].通過正交試驗(yàn)研究這三個加工因素對板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面粗糙度的影響規(guī)律[14,15]，可以大大減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，提高了效率.

1 理論分析

表面粗糙度是衡量表面質(zhì)量微觀精度最為常用的一種表面形貌參數(shù).它采用表面某個截面的輪廓曲線表示，通過數(shù)學(xué)計(jì)算得到的值來表示該截面的波動程度.由理論分析得Rz=r(1-cosβ)、β=arcsin(h′/2r)、h′=h/sinα[13]，其中Rz為表面粗糙度，h為加工步長、r為刀具半徑、α為成形角.由這3個公式可知，表面粗糙度Rz的理論分析式最終和加工步長h、刀具半徑r、成形角α相關(guān).若考慮單因素，只改變加工步長h，不改變其它加工參數(shù)時(shí)，根據(jù)公式可知，表面粗糙度隨著加工步長h的減小而減?。蝗糁桓淖児ぞ哳^半徑r，不改變其它加工參數(shù)時(shí)，根據(jù)公式可知，表面粗糙度隨著工具頭半徑r的增大而減?。蝗糁桓淖兂尚谓铅?，不改變其它加工參數(shù)時(shí)，根據(jù)公式可知，表面粗糙度隨著成形角α的增大而減小.所以可以通過正交試驗(yàn)分析表面粗糙度和加工步長、刀具頭半徑、成形角這三個因素的相關(guān)順序，為改善成形件表面質(zhì)量提供幫助.

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)材料性能

表1 鋁板2Al2材料性能

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)是在數(shù)控加工中心上進(jìn)行的.試樣為150 mm*150 mm，厚度為1.1 mm的2Al2的鋁合金薄板.實(shí)驗(yàn)采用的工具頭為硬質(zhì)合金的半球形工具頭，球頭部分淬火后硬度大于68HRC，之后進(jìn)行研磨和拋光，直徑分別為Φ6 mm、Φ8 mm、Φ10 mm，實(shí)驗(yàn)采用的潤滑油為普通機(jī)油.將加工步長h、刀具半徑r、成形角α這三個加工參數(shù)作為正交試驗(yàn)的三個因素，這三個因素在如圖1中顯示.這三個因素分別取三個水平因素，正交試驗(yàn)的水平因素如表2所示.在不考慮實(shí)驗(yàn)的相互作用下，采用3因素3水平方案，選用L9(34)正交表.正交試驗(yàn)方案如表3所示.

圖1 正交試驗(yàn)三水平因素h、r、α表2 水平因素表

水平因素ABC加工步長h/mm工具頭半徑r/mm成形角α/ °10.5330 °21.0445 °32.0560 °

表3 正交試驗(yàn)方案

2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃图庸こ绦?/h3>

為了正確的反映出成形表面質(zhì)量的工藝參數(shù)和成形件表面粗糙度之間的關(guān)系，選用板料漸進(jìn)成形中典型、簡單、易于觀察的實(shí)驗(yàn)幾何模型—截倒方錐.

利用UGNX6.0軟件的CAM模塊編制數(shù)控程序[16]，加工程序設(shè)置的詳細(xì)信息如表4所示.

表4 加工參數(shù)與信息

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在單點(diǎn)漸進(jìn)成形過程中，成形件表面粗糙度和表面形貌最能反映成形件表面質(zhì)量的好壞.研究影響成形件表面質(zhì)量的因素用表面粗糙度的數(shù)值和曲線表現(xiàn)，因此，可將表面粗糙度作為因素的評價(jià)指標(biāo)，粗糙度值反映了板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形過程中的成形表面質(zhì)量，該值越小，則說明表面質(zhì)量越好.

根據(jù)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用 TR200粗糙度儀來測量正交試驗(yàn)所得的成形件層與層之間橫向粗糙度，實(shí)驗(yàn)以Rz作為測量的主要參數(shù)，然后用PXS5-T體視顯微鏡觀察樣件表面形貌，表面粗糙度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示.對表5正交試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析法處理，采用極差分析法所得的結(jié)果見表6.圖2所示為試驗(yàn)樣件號為7的樣件，選用的加工步長為2 mm，刀具半徑為3 mm，成形角為60 °，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1,進(jìn)給速度為600 mm·min-1，測量出表面粗糙度為12.79 um.圖3表示試驗(yàn)號為7的表面粗糙度測量圖.

圖2 試驗(yàn)號為7的樣件

圖3 試驗(yàn)號為7的粗糙度測量圖表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)號因素A/mmB/mmC/(°)試驗(yàn)結(jié)果/μm1 0.5330 °9.8820.5445 °6.72730.5560 °3.87241.0345°10.8751.0460°7.93561.0530°5.92572.0360°12.7982.0430°12.3792.0545°10.36

表6 極差分析

經(jīng)過極差分析法得出：極差越大的數(shù)值，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的變化對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上的變化影響最大，所以極差數(shù)值最大的那一列就是水平因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最主要的因素.經(jīng)本實(shí)驗(yàn)分析，RA>RB>RC，因此各個因素從主要到次要的順序依次排列為：A因素(加工步長)、B因素(工具頭半徑)、C因素(成形角),也就是說：加工步長對表面質(zhì)量影響最大，其次是工具頭半徑，最后是成形角.為了直觀起見，以各個因素的水平變化為橫坐標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的平均值為縱坐標(biāo)，繪制出水平因素和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系圖如圖4.

由圖4可以看出，按照平均值大小選取優(yōu)水平為A1B3C3，既選擇0.5 mm的加工步長、5 mm的加工半徑，60 °的成形角為最優(yōu)組合.由圖4(a)所示，表面粗糙度隨著加工步長的增加而升高，較小的加工步長可以使得成形件表面質(zhì)量提高.但是加工步長的減小也會使得加工時(shí)間變長，影響了產(chǎn)品生產(chǎn)的周期，所以也不能太小，一般0.5 mm左右適宜.圖4(b)所示，表面粗糙度隨著工具頭半徑的增大而減小，較大的工具頭產(chǎn)生較好的成形件表面質(zhì)量.但是較大的工具頭制造成本較高，所以綜合考慮，一般的工具頭半徑選用5mm適宜.圖4(c)所示，表面粗糙度隨著成形角的增大而減小，較大的成形角產(chǎn)生較好的成形件表面質(zhì)量.因?yàn)樵诩庸げ介L、工具頭半徑不變的情況下，較大成形角的成形樣件每兩層之間的殘余波峰高度比較小成形角的小，而殘余波峰高度直接影響表面粗糙度，殘余波峰高度越大，表面粗糙度越大，所以，較大成形角有利于成形件的表面質(zhì)量.當(dāng)成形角接近90°時(shí)，表面質(zhì)量應(yīng)該最好，但是一般的鋁制材料一次成形的成形極限角為72 °左右，所以成形角在70 °左右最好.

(a)水平因素加工步長和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系圖

(b)水平因素工具半徑和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系圖

(c)水平因素成形角和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系圖圖4 各水平因素和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系圖

對實(shí)驗(yàn)方案中的樣件進(jìn)行表面形貌分析，分析圖如圖5所示.由于篇幅有限，只列出兩個實(shí)驗(yàn)樣件的表面形貌圖.圖5(a)為試驗(yàn)號2的表面形貌，圖5(b)為試驗(yàn)號7的表面形貌.為了便于測量表面粗糙度，所以將所有的實(shí)驗(yàn)樣件進(jìn)行了線切割，線切割之后的樣件紋路圖如圖6所示.圖6(a)為試驗(yàn)號2的表面紋路，圖6(b)為試驗(yàn)號7的表面紋路.

(a)試驗(yàn)號為2的表面紋理圖

(a)試驗(yàn)號為2的表面紋路圖

(b)試驗(yàn)號為7的表面紋路圖圖6 試驗(yàn)的表面紋路圖

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，不同的工藝參數(shù)對成形件表面紋路也有影響.在相同的測量距離200 um范圍內(nèi)，加工步長為0.5 mm，刀具半徑為4 mm，成形角為45 °，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1,進(jìn)給速度為600 mm·min-1的條件下，試驗(yàn)2中出現(xiàn)的波紋淺而多，波紋之間的距離也非常小，其值為765.956 um，觀察圖6(a)樣件的波紋高度也較小，波紋密密麻麻一個緊挨著一個，波紋基本沒有凹凸，此樣件的表面粗糙度小，成形件表面較光滑.而加工步長為2 mm，刀具半徑為3 mm，成形角為60 °，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1,進(jìn)給速度為600 mm·min-1的試驗(yàn)7中出現(xiàn)的波紋深而少，波紋之間的距離也較大，其值為2 209.775 um,觀察圖6(b)樣件的波紋高度較大，波紋的凹凸非常明顯，此樣件的表面粗糙度較大，成形件表面不光滑.

3 結(jié)論

(1)板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量的加工工藝參數(shù)中，影響最大的為加工步長、其次是工具頭半徑、最后為成形角.

(2)板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量隨著加工步長的減小而得到改善，加工步長越小，成形件表面質(zhì)量越好.但加工步長太小，成形時(shí)間大大增加，延長了成形周期，一般取0.5 mm為宜.

(3)板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量隨著成形角的增大而得到改善，成形角越大，成形件表面質(zhì)量越好.但是成形角不能取得過大，否則會由于超過成形極限角而破裂，所以一般成形角略小于對應(yīng)板料的成形極限角，取70 °適宜.

(4) 板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量隨著工具頭半徑的增加而得到改善，工具頭半徑越大，成形表面質(zhì)量越好.但工具頭半徑太大，成形工具頭的成本大大提高，一般工具頭半徑取5 mm為宜.

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