金屬板材數控加工軌跡優化技術分析

劉亞朋，王愛兵，岳永紅

（1.河北勞動關系職業學院 信息科學與工程系，河北 石家莊 050091；2.河北交通職業技術學院 汽車工程系，河北 石家莊 050035）

如今國民經濟正在迅猛的發展中，工業化程度也在日益劇增[1]。現代化工廠對金屬板材的需求量正處于迫在眉睫的階段。為了讓金屬板材加工廠能夠迅速地響應市場需求、制造出符合市場金屬板材，從而滿足當今社會上的大量需求[2]。相關的研究人員應該將工作重點放在，如何快速的縮短產品的開發周期、提高產品質量和降低生產成本這三個基本環節中。為了挑選合理的加工板材件，使金屬板材表面因素不收成形軌跡的影響，造成成形金屬板材輪廓清晰度受到極大影響。其中金屬板材數控加工軌跡技術最為關鍵。現如今，國外許多學者將板料成形軌跡分為兩種，一種是等高線軌跡，另一種是不等徑軌跡。其中等高線軌跡是利用等高層的金屬板材加工出具有生成簡單、耐用且應用范圍廣的良好軌跡，已被廣泛應用于數控生產中。可惜等高層的金屬板材數量很少，不能滿足當下工廠的龐大需求量，因此需要采用不等高金屬板來進行來加工金屬板材。但不等高金屬板加工的產品普遍存在金屬表面的粗糙度與成形效率低的缺點，因此不能被廣泛應用到金屬板材生產當中[3]。本文設計出不等高金屬板的新型加工方法，來優化不等高度金屬板材的加工軌跡。

1 金屬板材數控加工軌跡優化

1.1 計算不等層與偏置內表面交點的距離

利用不等高層材料來進行數控加工過程中，由于金屬板材區的變形成都大，參與變形的板料卻很少，因此造成了金屬板材成形效率低的現象[4]。如果要利用不等層來加工軌跡，就必須首先計算好不等層與偏置內表面交點的距離。在偏層間距較大的情況下，應當保持科學合理的距離，為了提高鈑金件的成形效率，由于鈑金成形力和塑性變形相對較小，容易被擠壓，從而使鈑金件的表面質量較差。為了適應不同的成形質量要求和板料的成形性能，較小的層間距應該用于表面形成角較大，而較大的層間距應該用于表面形成較小的角度，以保證板料的成形質量和提高工作效率的加工軌跡。為了使加工出的軌跡質量滿足用戶要求的等殘余高度等高線軌跡為基準，在進行板材加工時，在板料成形軌跡和板料易斷裂區域，插入等高線軌跡。通過減少板材易斷裂區域的成形軌跡，可以提高板材的成形性。

式中：Z為等殘余高度軌跡線在成形內表面上對應的Z軸方向高度值；r 為金屬板材原材料的半徑；θ為不等高板材之間的傾斜角度；d 為Z在空間直角坐標系中的數值。

1.2 篩選滿足要求的不等高度金屬板材組

并不是所以的不等高層材料均能被用來加工金屬板材數控軌跡，需要算出每層等殘余高度軌跡線在成形內表面上對應的高度值;，為上一層等殘余高度軌跡對應的高度值減去要插入的層間距H，則殘余高度滿足用戶要求的等高線軌跡的層間距H可由如下公式表示：

式中，H 為要插入的層間距；h 為滿足要求所需的殘余高度值。如果所計算出的H值之間的方差小于5mm，且標準差小于1mm，則這組金屬板材可應用于金屬板材的數控加工。

1.3 完成不等高度金屬板材數控加工

在數控加工成形過程中，擠壓工具頭的作用是，對金屬板材的成形力是隨著層間距的增大而增大[5]。利用不等高線的工作軌跡當中，首先要在板材成形的較大區域內，擠壓工具每走一層，使其層間距越大，則板材減薄區域也越大，金屬板材也就更堅固；其次增大金屬板材之間的夾角大小、這樣層間距區域破裂的機率就會縮小，因此加工板材件成功的可能性就會加大；在大的成形角和大的層間距區域插入一系列等長的線段，通過減小層間距來減小成形力，可以提高板材的成形性；在之后所形成的一系列等殘余高度軌跡的大成形角以及大層間距區域當中，所插入的等高線流程為：設定極大層間距和極大成形角，即在板材件的成形角大于、層間距大于的等殘余高度軌跡中插入等高線軌跡，這樣就可以減小該區域內所出現的層間距，并且提高了板材的可成形性。要預先找出每一層等殘余高度軌跡的高度數值，并一次求出層間距H，判斷每層的層間距H，與極大層間距的大小。如果該區域三角面成形角偏大，就要對該區域進行分層處理，在該區域內的兩層等高線軌跡之間插入等高線的軌跡[6]。這樣生成的不等層間距軌跡，既能滿足等殘余高度要求，又能提高可成形性，進而有效地防止成形件的破裂。

2 仿真實驗

2.1 實驗準備

本實驗分別采用傳統方法和新型優化方法來對金屬板材進行數控單點漸進成形加工軌跡的仿真實驗。首先在計算機軟件中建立相應的三維模型；然后利用CAM模塊對三維模型進行加工仿真操作，之后得到加工軌跡路徑以及程序代碼；最后程序代碼經過調試后，導入數控加工中心，進而完成金屬板材的數控加工軌跡。將兩種方法得到的成品編為25單元節點，通過對比每個節點的韌性值，來判定新型產品的使用價值。

2.2 結論討論

以下為兩種方法得到的相同零件的表面硬度對比結果：

圖1 為兩種方法的實驗結果對比圖

根據圖像可知，新型方法加工得到的金屬板材單元號平均韌性值為0.47，而傳統方法得到的金屬板材單元號平均韌性值為0.39，所以證明了新型方法得到的金屬板材更具有韌性，因此證實了新型方法可以優化不等高度的金屬板材數控加工軌跡。

3 結束語

本文介紹了一種優化不等高度金屬板的加工軌跡，可以極大的提高金屬板材數控加工產品質量。如今的金屬板材數控加工技術，都是利用等高的金屬板材來充分考慮工藝參數中復雜的板材件成形質量和數控加工成形效率的高低。在實際應用當中，數據漸進成形技術存在一些問題，復雜成形金屬薄板的表面質量、成形性、輪廓精度和成形效率也存在一定的問題，尚沒有深刻的認知。筆者在分析等高等高輪廓線漸進成形缺陷的基礎上，提出了等高等距輪廓線的生成方法，并分析了等高等距輪廓線漸進成形的恒進給速度問題。此方法可傳統的數控加工產品具有更高的固體壓力，應該廣泛應用于未來的生產中。