5182-O鋁合金板材圓孔漸進(jìn)翻邊精度研究

胡桃桃，喻家俊，吳 琦，王會(huì)廷

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

板料漸進(jìn)成形工藝是通過將復(fù)雜的三維薄壁零件分解為一系列等高線，成形工具在數(shù)控系統(tǒng)的控制下沿著等高線逐層碾壓板料，直至最終得到完整的零件[1]。該工藝具有柔性高、成形力小及成形性能高等優(yōu)點(diǎn)，成形零件時(shí)不使用模具或使用簡(jiǎn)單模具，可顯著降低小批量產(chǎn)品零件的制造成本和開發(fā)周期[2]。翻邊是將板材上的孔緣或外緣翻成豎邊，其作為金屬板料成形的基本工藝，可提高零件剛度、隱藏部件、強(qiáng)化板料的邊緣，在薄壁件生產(chǎn)中廣泛使用[3]。

將漸進(jìn)成形技術(shù)應(yīng)用于板料翻邊中，成形步驟簡(jiǎn)單，可大大縮短零件的制作周期。但圓孔漸進(jìn)翻邊件工藝窗口小，只能在較小的工藝參數(shù)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，成形精度與成形過程中零件幾何形狀、材料性能、板料初始形狀、工藝條件等因素有關(guān)[4-5]，且預(yù)制孔的尺寸對(duì)圓孔漸進(jìn)翻邊成形性能影響較大[6]。文懷興等[7]研究了不同板料原始厚度對(duì)成形件精度的影響，發(fā)現(xiàn)板料厚度越大，側(cè)壁的加工精度越高；張其龍等[8]比較了3種不同路徑圓孔漸進(jìn)翻邊的成形性，并確定了最佳初始成形角；Lu等[9]提出了一種等變形梯度分層的螺旋線成形軌跡加工方法，使成形件表面質(zhì)量和幾何精度均得到較大提高。對(duì)于漸進(jìn)成形件壁厚分析，曹宇等[10]，周玉等[11]提出了最小厚度的理論計(jì)算公式，并以此建立了翻邊中部厚度減薄的判定標(biāo)準(zhǔn)，利用多道次圓孔漸進(jìn)翻邊有效消除了單道次成形時(shí)出現(xiàn)的翻邊中部厚度減薄現(xiàn)象；崔震等[12]研究了翻邊過程中成形力與零件壁厚的變化，分析了成形工藝參數(shù)(成形工具頭直徑、每層進(jìn)給量和零件的最終孔徑)對(duì)板料翻邊成形過程的影響。

以上關(guān)于圓孔漸進(jìn)翻邊的研究，大部分集中于圓孔漸進(jìn)翻邊能力、翻邊路徑優(yōu)化、工藝參數(shù)對(duì)成形性能影響等，較少涉及圓孔漸進(jìn)翻邊中工藝參數(shù)對(duì)其精度的影響。為此，研究5182-O鋁合金板材圓孔漸進(jìn)翻邊過程中，工藝參數(shù)(道次分配、工具頭直徑、每層進(jìn)給量和進(jìn)給速度等)對(duì)翻邊件加工精度的影響，探討工藝參數(shù)對(duì)孔翻邊件成形過程的影響規(guī)律，以期為漸進(jìn)成形翻邊零件的加工提供工程參考。

1 圓孔漸進(jìn)翻邊試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

以5182-O鋁合金板為試驗(yàn)材料，材料厚度為1 mm，其機(jī)械性能參數(shù)如表1[14]。

表1 5182-O鋁合金板材機(jī)械性能Tab.1 Mechanical properties of 5182-O aluminum alloy sheet

1.2 試驗(yàn)原理與方法

板材圓孔漸進(jìn)翻邊是利用漸進(jìn)成形方式將預(yù)制圓孔邊緣翻成豎立直邊的成形方式，如圖1。由于圓孔漸進(jìn)翻邊成形角大，一般不能一次成形，需采用多道次成形[13]。文中采用三道次圓孔漸進(jìn)翻邊，設(shè)計(jì)的三道次圓孔漸進(jìn)翻邊路徑如圖2。其中：第一道次成形角度即為初始成形角θ1；第二道次成形角度為θ2=(90°-θ1)/2；第三道次成形角度與第二道次相同，成形完成后零件形成直壁，圓孔翻邊完成。

圓孔漸進(jìn)翻邊試驗(yàn)在NH4050漸進(jìn)成形機(jī)床上進(jìn)行，在板材上預(yù)先開制圓孔并由夾板夾緊。成形前對(duì)成形裝置(如圖3)進(jìn)行定位，使工具頭中心、板材預(yù)制孔中心和凹模中心在同一平面上。成形工具頭用YG8 硬質(zhì)合金制造，底部為球頭，以等高線軌跡運(yùn)動(dòng)，且三道次成形過程連續(xù)進(jìn)行，以減少多次定位帶來的誤差。為降低摩擦，選用46號(hào)抗磨液壓油潤(rùn)滑。

圖1 圓孔漸進(jìn)翻邊原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole incremental flanging

圖2 三道次變角度圓孔漸進(jìn)翻邊路徑設(shè)計(jì)Fig.2 Path design of hole incremental flanging with three passes of variable angle

以翻邊件不同高度上截面實(shí)測(cè)直徑與目標(biāo)直徑的差值Δd 作為圓孔漸進(jìn)翻邊精度判據(jù)，如圖4所示，探討道次分配、成形工具頭直徑(8，10，12，14 mm)、層進(jìn)給量(0.2，0.3，0.5，1.0 mm)和進(jìn)給速度(400，1 000，2 000，3 000 mm/min)等工藝參數(shù)對(duì)5182-O 鋁合金板材三道次圓孔漸進(jìn)翻邊精度的影響。初始坯料為100 mm×100 mm，預(yù)制孔直徑為45 mm，最終翻邊直徑為66 mm。

1.3 初始成形角的確定

道次圓孔漸進(jìn)翻邊過程中，初始成形角的確定是其成形路徑的關(guān)鍵。板材圓孔翻邊的初始成形角和板材的漸進(jìn)成形極限角相關(guān)，多道次漸進(jìn)成形翻邊初始成形角必須小于板材的漸進(jìn)成形極限角。5182-O 鋁合金板的漸進(jìn)成形極限角的確定采用變曲面模型，模型如圖5。曲面母線上每一個(gè)點(diǎn)相應(yīng)代表一個(gè)成形角，通過成形此零件直至裂紋產(chǎn)生，測(cè)量成形零件的破裂高度，計(jì)算裂紋處的成形角，即板材的漸進(jìn)成形極限角[13]。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木唧w參數(shù)為：零件口部最大直徑為66 mm，母線半徑R 為57.5 mm，底部開口直徑為29.43 mm，零件高度y1為42.05 mm，實(shí)際成形高度為hs，相應(yīng)模型成形角為43°～90°?？紤]層壓下量對(duì)成形極限角的影響，設(shè)置層壓下量為0.3，1 mm進(jìn)行漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)，得到破裂高度為20.07，17.14 mm，根據(jù)式(1)求得其對(duì)應(yīng)成形極限角分別為68°和64°。因此5182-O鋁合金板材漸進(jìn)成形翻邊初始成形角應(yīng)小于64°。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 成形角度分配的影響

為研究三道次圓孔漸進(jìn)翻邊過程中成形角分配對(duì)圓孔翻邊件精度的影響，實(shí)驗(yàn)中工具頭直徑為12 mm，層進(jìn)給量設(shè)定為0.3 mm，工具頭進(jìn)給速度設(shè)定為2 000 mm/min，分別采用30°、40°、50°、60°不同的初始成形角進(jìn)行圓孔漸進(jìn)翻邊實(shí)驗(yàn)，再逐步分析兩道次中間成形和三道次最終成形結(jié)果。分析計(jì)算各道次成形零件的實(shí)測(cè)直徑與目標(biāo)直徑的偏差，結(jié)果如表2。

圖6是采用不同的初始成形角后成形件實(shí)測(cè)直徑與目標(biāo)直徑的偏差結(jié)果。由圖6可看出：第一道次漸進(jìn)成形后，采用不同初始成形角得到的成形件實(shí)測(cè)直徑與目標(biāo)直徑都存在一定偏差；初始成形角為40°時(shí)，最大直徑偏差較大，為8.62 mm；初始成形角度在50°和60°時(shí)成形精度較好，最大直徑偏差值在4.5 mm左右，和初始成形角40°相比精度改善大。

圖3 成形裝置Fig.3 Forming device

圖4 實(shí)測(cè)與目標(biāo)直徑偏差示意圖Fig.4 Diagram of deviation between measured and target diameter

圖5 極限成形角確定模型，mmFig.5 Model of the limit forming angle determining，mm

表2 各道次成形直徑偏差值ΔdTab.2 Deviation value of forming diameter of each pass Δd

圖6 第一道次成形結(jié)果Fig.6 Forming results of the first pass

圖7為兩道次漸進(jìn)成形后成形件的實(shí)測(cè)直徑與目標(biāo)直徑偏差結(jié)果。由圖7可知：零件成形角度由40°到75°的成形過程，最大直徑偏差為2.10 mm，成形角度由40°到65°的成形過程，最大直徑偏差為2.22 mm，即當(dāng)初始成形角都為40°時(shí)，第二道次成形角大的成形件精度高；當(dāng)經(jīng)兩道次漸進(jìn)成形后零件目標(biāo)成形角皆為75°時(shí)，初始成形角為40°時(shí)的成形精度比60°時(shí)的精度高，即第二道次變形大有助于提高成形目標(biāo)件精度。由上分析可以得出：第一道次成形精度對(duì)最終目標(biāo)件成形精度影響不大，而第二道次的變形程度顯著影響目標(biāo)成形件精度；第二道次必須保證一定的變形量，以消除成形件回彈，提高零件成形精度。

圖8為兩種三道次圓孔漸進(jìn)翻邊后翻邊件實(shí)測(cè)直徑與目標(biāo)直徑的偏差結(jié)果。由圖8可看出，兩種三道次成形的圓孔翻邊件，其實(shí)測(cè)直徑與目標(biāo)直徑均存在偏差，但偏差值均在成形過程中逐漸減小。其中：道次分配40°～65°～90°的圓孔翻邊件最大直徑偏差值為1.515 mm；道次分配60°～75°～90°圓孔翻邊件最大直徑偏差值為3.289 mm；道次分配40°～65°～90°成形出的圓孔翻邊件精度更高。即在三道次圓孔漸進(jìn)翻邊過程中，初始成形角對(duì)最終翻邊件成形精度影響顯著；在初始成形角不大于材料允許的漸進(jìn)成形極限角的情況下，宜采用較小的初始成形角來保證第二、三道次具有較大的成形角，從而使第二、三道次成形時(shí)有足夠的變形，成形件經(jīng)每道次成形后，其實(shí)測(cè)直徑和目標(biāo)直徑偏差逐漸減小，進(jìn)而得到精度較高的圓孔漸進(jìn)翻邊件。

2.2 工具頭直徑的影響

在成形角度分配為60°～75°～90°、層進(jìn)給量為0.3 mm、工具頭進(jìn)給速度為2 000 mm/min的條件下，工具頭直徑(6，8，10，12，14 mm)對(duì)圓孔翻邊件精度的影響如圖9。圖9可看出：不同工具頭直徑條件下圓孔翻邊件實(shí)測(cè)直徑均比目標(biāo)直徑小，當(dāng)工具頭直徑為14 mm時(shí)，圓孔漸進(jìn)翻邊件的實(shí)測(cè)直徑最接近目標(biāo)直徑；工具頭直徑在8～12 mm范圍內(nèi)，隨著工具頭直徑的增大，圓孔翻邊件的實(shí)測(cè)直徑越偏離目標(biāo)直徑。即隨著工具頭直徑的增加，工具頭與下夾板之間的材料接觸面積增加，徑向成形力增大，更多的材料參與直壁成形，變形區(qū)材料相對(duì)增加，變形增大。

圖7 二道次成形結(jié)果Fig.7 Forming results of two passes

圖8 三道次成形結(jié)果Fig.8 Forming results of three passes

2.3 層進(jìn)給量的影響

在成形角度分配為60°～75°～90°、工具頭直徑為12 mm、工具頭進(jìn)給速度為2 000 mm/min的條件下，層進(jìn)給量(0.2，0.3，0.5，1.0 mm)對(duì)圓孔翻邊件精度的影響如圖10。由圖10可看出：不同壓下量條件下圓孔翻邊件的實(shí)測(cè)直徑與目標(biāo)直徑均存在差值，層壓下量在0.2～0.5 mm范圍內(nèi)，圓孔翻邊件的直徑偏差比較穩(wěn)定，且都比目標(biāo)尺寸小，為負(fù)偏差；當(dāng)成壓下量上升至1 mm，成形件實(shí)際尺寸比目標(biāo)尺寸大，成形件尺寸偏大，為正偏差。這是由于層壓下量大時(shí)，工具頭軸向進(jìn)給大，工具頭和板料接觸部位完全位于變形區(qū)和未變形區(qū)分界線未變形板料一側(cè)，當(dāng)工具頭繼續(xù)漸進(jìn)擠壓板料時(shí)，工具頭附近變形區(qū)厚度比未變形區(qū)小，變形區(qū)將帶動(dòng)附近成形區(qū)繼續(xù)變形，造成變形區(qū)尺寸變大，進(jìn)而使最終成形件尺寸變大，甚至產(chǎn)生成形件尺寸正偏差現(xiàn)象。

圖9 工具頭直徑對(duì)加工精度的影響Fig.9 Influence of tool head diameter on machining accuracy

圖10 層壓下量對(duì)加工精度的影響Fig.10 Influence of depth increment on the machining accuracy

2.4 進(jìn)給速度的影響

在成形角度分配為60°～75°～90°、工具頭直徑為12 mm、層進(jìn)給量為0.3 mm 的條件下，工具頭進(jìn)給速度(400，1 000，2 000，3 000 mm/min)對(duì)圓孔翻邊件精度的影響如圖11。由圖11可看出：不同進(jìn)給速度條件下成形圓孔翻邊件的實(shí)測(cè)直徑均小于目標(biāo)直徑，進(jìn)給速度為400 mm/min 時(shí)，圓孔翻邊件的實(shí)測(cè)直徑最接近目標(biāo)直徑；進(jìn)給速度在1 000～3 000 mm/min 范圍內(nèi)，進(jìn)給速度越大，圓孔翻邊件的實(shí)測(cè)直徑越接近目標(biāo)直徑。即小進(jìn)給速度有利于圓孔翻邊精度的提高，但進(jìn)給速度增大至一定值時(shí)，進(jìn)給速度與圓孔翻邊精度成正比，但均呈負(fù)偏差。這是由于進(jìn)給速度越大，所需成形力越大，致使成形過程中板料不參與變形的部分(支撐作用部分)彈性變形大，支撐部分在彈性變形與彈性恢復(fù)中造成形狀偏差。

圖11 進(jìn)給速度對(duì)加工精度的影響Fig.11 Effect of feed speed on machining accuracy

3 結(jié) 論

1)5182-O鋁合金板材圓孔三道次漸進(jìn)翻邊過程中，初始成形角對(duì)圓孔翻邊件精度影響顯著，在初始成形角不大于材料允許的漸進(jìn)成形極限角的情況下，宜采用較小的初始成形角來保證第二、三道次具有較大的成形角，從而使第二、三道次成形時(shí)有足夠的變形，成形件經(jīng)每道次成形后其實(shí)測(cè)直徑和目標(biāo)直徑偏差逐漸減小，進(jìn)而得到精度較高的圓孔漸進(jìn)翻邊件；第一道次成形精度對(duì)最終零件精度影響不大，第一道次的成形直徑偏差能夠在后續(xù)道次成形過程中消除。

2)層壓下量對(duì)圓孔翻邊件直徑偏差影響很大，當(dāng)工具頭層壓下量大于一定值時(shí)，工具頭和板料接觸部位完全位于變形區(qū)和未變形區(qū)分界線未變形板料一側(cè)；當(dāng)工具頭繼續(xù)漸進(jìn)擠壓板料時(shí)，由于工具頭附近變形區(qū)厚度比未變形區(qū)小，變形區(qū)帶動(dòng)附近成形區(qū)繼續(xù)變形，造成變形區(qū)尺寸變大，進(jìn)而使最終成形件尺寸變大，甚至產(chǎn)生成形件尺寸正偏差現(xiàn)象。

3)工具頭直徑、進(jìn)給速度對(duì)圓孔漸進(jìn)翻邊精度有一定的影響，工具頭直徑較大即為14 mm，進(jìn)給速度較小即為400 mm/min，更有利提高圓孔漸進(jìn)翻邊精度。