直壁件數(shù)控漸進成形厚度均勻化研究★

趙欣琦， 張博文， 韓文浩， 張敬東， 朱 虎

（沈陽航空航天大學機電工程學院， 遼寧 沈陽 110136）

0 引言

金屬板料數(shù)控漸進成形技術是一種融合了分層制造思想、塑性成形技術和數(shù)控加工技術的新興板料柔性成形技術[1]，具有無模成形、高柔性、低周期的特點，在航空、汽車和船舶等制造業(yè)具有廣闊的應用前景，成為國內(nèi)外科學研究的熱點[2-3]。傳統(tǒng)數(shù)控漸進成形技術是將三維數(shù)字模型沿高度方向分解成一系列二維等高線層，擠壓工具圍繞二維等高線，沿豎直向下方向擠壓板料，使其水平下移，并逐點發(fā)生塑性變形，進而漸進地制造出板材件[4]，其工藝特征是板料在擠壓工具的豎直向下擠壓下水平下移。

目前，直壁件成形是數(shù)控漸進成形的難點和瓶頸[5]。由于直壁件的成形角遠大于成形極限角，因此傳統(tǒng)單道次漸進成形無法成形出直壁件，而傳統(tǒng)多道次漸進成形也存在階梯狀特征、厚度減薄大和分布不均的問題[6]。為此，本文研究了待成形板料水平下移和傾斜下移相結合的直壁件多道次成形方法。

1 提出的直壁件多道次成形方法

本文采用如圖1 所示的直壁件為研究對象，說明所提出的板料水平下移和傾斜下移相結合的直壁件多道次成形方法。該模型最大直徑為120 mm，深度為20 mm，側壁傾斜角為75°。

圖1 直壁件（單位：mm）

本文通過合理規(guī)劃多道次成形的軌跡，使板料水平平行下移和傾斜平行下移，進而控制材料的流動和再分配來實現(xiàn)直壁件的無破裂成形和改善厚度分布。具體成形策略是采取二道次成形策略來成形加工直壁件，如圖2 所示。首先，進行第一道次成形，即利用水平的等高線軌跡，對板料進行成形加工，使板料水平平行下移，成形加工出傾斜角為45°的圓臺型模型；然后，進行第二道次成形，即利用等高線軌跡對圓臺型模型的側壁進行成形加工，使板料傾斜平行下移，最終成形加工出直壁件。

圖2 二道次成形策略

2 各道次成形軌跡生成

2.1 第一道次成形軌跡生成

首先，利用UG 軟件，根據(jù)圖2 所示的成形策略，生成傾斜角為45°的圓臺型模型，即第一道次成形模型，如圖3-1 所示。然后，利用UG 軟件按三軸數(shù)控輪廓銑削加工方式生成如圖3-2 所示的等高線軌跡：選擇直徑為10 mm 的球頭工具，等高線層間距、進給速度和主軸轉(zhuǎn)速分別設定為0.5 mm、900 mm/min 和700 r/min。

圖3 第一道次成形軌跡生成

2.2 第二道次成形軌跡生成

首先，利用UG 軟件，根據(jù)圖2 所示的成形策略，生成第二道次成形模型。由于第二道次成形是在第一道次成形基礎上再成形，所以以第一道次成形模型為基礎，需要建立一些中間道次成形模型。這些中間道次成形模型的成形區(qū)域表面都應平行于第一道次成形模型的凹面（如圖4-1 所示），并為相鄰兩個中間模型的間距，中間模型的個數(shù)為H/hcosθ，這里取h=1mm，每個中間模型的成形層高度為cos H'-nh'/cos θ，其中n=1，2，3…，第一個中間模型的成形層的頂層高度應設置為（H'-h'）/cos θ。本研究對于如圖1 所示的直壁件模型，共生成了13 個中間道次成形模型，如圖4-2所示為所建立的中間道次成形模型之一。

圖4 第二道次成形

然后，利用UG 軟件，按三軸數(shù)控輪廓銑削加工方式，對每個中間模型生成如圖5 所示的13 個等高線軌跡，選擇直徑為10 mm 的球頭工具，等高線層間距、進給速度和主軸轉(zhuǎn)速分別設定為1 mm、700 mm/min 和650 r/min。

圖5 第二道次成形軌跡

3 成形過程有限元數(shù)值模擬分析

為了分析板料水平平行下移和傾斜平行下移相結合的直壁件多道次成形中直壁件厚度分布情況，采用ANSYS/LS-DYNA 軟件進行了數(shù)值模擬分析，對比分析了傳統(tǒng)多道次漸進成形（板料水平平行下移的二道次漸進成形，如圖6 所示）和本文所提方法如圖2所示對成形件厚度分布的影響。傳統(tǒng)二道次成形中第一道次成形和第二道次成形都采用45°成形角和板料水平平行下移方式，如圖7 所示。

圖6 傳統(tǒng)二道次成形策略

圖7 傳統(tǒng)二道次成形流程

單元類型定義中，支撐模和工具頭采用SOLID64網(wǎng)格單元，由于板料厚度小于2 mm，所以采用shell163 單元。支撐模網(wǎng)格尺寸設定為4，板料和工具頭網(wǎng)格尺寸設定為1.5，其網(wǎng)格模型如圖8 所示。板材選用長、寬、厚度為200 mm×200 mm×1 mm 的1060鋁板，其力學性能參數(shù)如表1 所示。支撐模和工具頭都設定為剛體。板料和工具頭接觸類型為Nodes to surface，板料和支撐模接觸類型為Surface to surf。板料和支撐模的四周全部固定，約束工具頭圍繞X 軸、Y軸、Z 軸旋轉(zhuǎn)，其約束模型如圖9 所示。

表1 材料力學性能參數(shù)

圖8 網(wǎng)格劃分模型

圖9 約束模型

利用有限元分析后處理軟件LS-PrePost，對數(shù)值模擬結果進行后處理，得到基于傳統(tǒng)多道次成形和本文所提方法的直壁件數(shù)值模擬模型，如圖10 所示。

圖10 數(shù)值模擬模型

采用傳統(tǒng)多道次成形方法得到的數(shù)值模擬模型底部有明顯的一圈環(huán)形“凸起”，而基于本文所提出方法得到的數(shù)值模擬模型底部平整無凸起。如圖11 所示為基于傳統(tǒng)多道次成形和本文所提方法的數(shù)值模擬模型厚度分布云圖，其中基于傳統(tǒng)多道次成形方法的厚度分布區(qū)間為0.223 3～1.012 0 mm，而基于本文所提方法的厚度分布區(qū)間為0.368 9～0.999 7 mm。通過比較兩種數(shù)值模擬模型的厚度分布云圖可知，本文所提方法的成形件厚度分布區(qū)間較比傳統(tǒng)多道次成形方法更小，最大、最小厚度差異更小，因而更均勻。

圖11 厚度分布云圖

如圖12 所示為基于傳統(tǒng)多道次成形和本文所提方法的數(shù)值模擬模型厚度減薄率分布云圖，基于上述兩種成形方法的厚度減薄率分布區(qū)間分別是2.028%～77.56%和1.531%～62.54%。通過比較兩種數(shù)值模擬模型的厚度減薄率分布云圖可知，本文所提方法的成形件厚度減薄幅度比傳統(tǒng)多道次成形方法更小。

圖12 厚度減薄率（%）分布云圖

4 結語

為了解決直壁件數(shù)控漸進成形中厚度分布不均的問題，本文研究了將待成形板料水平下移和傾斜下移相結合的直壁件二道次成形方法。研究除了能夠使板料傾斜平行下移的各中間道次模型構建方法和成形軌跡生成方法。研究結果表明，與傳統(tǒng)多道次漸進成形方法相比，本文所提出方法成形出來的直壁件厚度分布更加均勻，且成形后直壁件底面無環(huán)形凸起。