板料多道次漸進成形軌跡規劃與生成研究

劉 炫，李鵬程，陳怡霖，朱 虎

(沈陽航空航天大學機電工程學院，沈陽 110136)

0 引言

金屬板材數控漸進成形技術是一種基于分層制造原理，把塑性成形技術和數控加工技術有機相結合的無模柔性成形技術[1]，該方法是在數控設備的控制下成形工具沿成形軌跡運動逐點擠壓板料，漸進地加工出所需板材件而無需昂貴的模具，故而在多品種少批量生產中具有較好的應用前景[2]。

在數控漸進成形中，板材件是通過成形工具沿著成形軌跡的擠壓運動得到，因此成形工具的移動軌跡對板材件的質量具有重要影響。成形軌跡規劃和生成是數控漸進成形的重要研究內容和不可缺少的重要環節[3]。數控漸進成形可分為單道次漸進成形和多道次漸進成形。多道次漸進成形主要用于成形角較大的直壁件成形，其特征是通過多次成形來控制材料的流動和再分配，實現直壁件無破裂成形[4]。

針對多道次數控漸進成形，研究了輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內輪廓銑削軌跡和各等高層由內向外輪廓銑削軌跡等三種成形軌跡的規劃和生成方法，利用ANSYS/LS-DYNA軟件通過數值模擬，對比分析了不同類型成形軌跡對多道次數控漸進成形板材件厚度分布和減薄率的影響。

1 成形軌跡規劃和生成

多道次漸進成形中，成形工具的移動路徑和移動方向不同，參與變形的板材面積、金屬量和材料流動方式不同，成形效果也不同。以圖1所示的圓臺型直壁件模型為例，研究了針對多道次數控漸進成形的成形軌跡規劃和生成方法，對比分析了不同類型成形軌跡對成形質量的影響。該直壁件模型的最大直徑為90 mm，成形深度為20 mm，成形角為75°。板材選用1060鋁板，厚度為0.88 mm，板材長寬均為130 mm。圖1a和圖1b分別顯示了直壁件模型的二維圖和三維模型。

圖1 直壁件模型：(a)二維圖 (b)三維模型Fig.1 Straight wall model:(a)2D drawing (b)3D model

由于該板材件模型的成形角大于1060材料的成形極限角，因此該板材件模型無法以單道次成形來實現其成形加工，而必須采用多道次漸進成形。對該板材件模型采用二道次成形策略，如圖2a所示。第一道次成形角設定為60°，成形深度為20 mm；第二道次成形以直壁件的內表面為成形加工面，成形角是75°，成形深度為20 mm。為了生成第一道次成形軌跡，利用UG軟件根據圖2a所示的成形策略，生成了如圖2b所示的第一道次成形模型。

圖2 二道次成形：(a)成形策略 (b)第一道次成形模型Fig.2 Two stages forming:(a)forming strategy (b)the first pass forming model

為了能夠按照圖2a所示的多道次漸進成形策略進行成形加工，必須規劃和生成出第一道次成形和最終道次成形軌跡。規劃了輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內輪廓銑削軌跡和各等高層由內向外輪廓銑削軌跡三種成形軌跡類型，并以圖2b所示第一道次成形模型和圖1b所示最終道次成形模型，利用UG軟件分別生成上述三種成形軌跡，如圖3所示。其中，成形工具設定為直徑Φ10的球頭銑刀，將進給速度和主軸轉速分別設定為500 mm/s和300 rpm，等高線層間距設定為0.4 mm。生成成形軌跡的具體方法是，在部件的幾何中心位置建立MCS坐標、選擇建模部件和Φ10球頭刀；工序選擇Mill-Contour類型中的型腔銑(Cavity_Mill)加工方式，切削模式選擇輪廓加工，同時指定切削區域就可生成出等高線輪廓銑削軌跡，如圖3a所示。如果切削模式選擇跟隨周邊，刀路方向選擇向內，就可得到各等高層由外向內輪廓銑削軌跡，如圖3b所示。如果切削模式選擇跟隨周邊，刀路方向選擇向外，就能生成出各等高層由內向外輪廓銑削軌跡，如圖3c所示。

圖3 成形軌跡：(a)輪廓銑削 (b)由外向內輪廓銑削 (c)由內向外輪廓銑削Fig.3 Forming toolpath:(a)contour milling (b)outside-in contour milling (c)inside-out contour milling

2 直壁件多道次成形過程有限元分析

為了比較不同類型成形軌跡對多道次漸進成形質量的影響，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對圖1所示直壁件的多道次漸進成形過程進行了數值模擬分析，比較如圖3所示的輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內輪廓銑削軌跡和各等高層由內向外輪廓銑削軌跡三種成形軌跡的數值模擬成形件的厚度分布情況和減薄規律。將板料四周夾緊固定在支撐模上，用成形工具頭對板材進行擠壓，成形加工出直壁板件，如圖4a所示，其中限制板料的所有自由度和成形工具圍繞X軸，Y軸和Z軸的3個旋轉自由度。在數值模擬分析中，板料采用厚度為0.88 mm的1060鋁板，選用殼單元SHELL163四節點顯式結構殼單元對其進行網格劃分，網格大小為1.5；成形工具采用直徑10 mm的球頭模型；建立如圖4b所示的有限元分析模型。板材材料的力學性能參數如表1所示。

圖4 數值模擬：(a)成形工藝 (b)有限元分析模型Fig.4 Numerical simulation:(a)forming process (b)finite element analysis model

表1 材料力學性能參數Tab.1 Mechanical property parameters of materials

利用有限元數值模擬后處理軟件LS-PrePost對數值模擬結果進行后處理，得到的基于輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內輪廓銑削軌跡和各等高層由內向外輪廓銑削軌跡三種成形軌跡的多道次漸進成形數值模擬件。圖 5分別顯示了基于輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內輪廓銑削軌跡和各等高層由內向外輪廓銑削軌跡三種成形軌跡的數值模擬件的厚度分布云圖，其數值模擬件的最大厚度和最小厚度分別為[0.892 4，0.241 3]、[0.888 7，0.251 2]和[0.893 6，0.202 5]。從厚度分布來看，基于各等高層由外向內輪廓銑削軌跡較比其他兩種成形軌跡，其多道次漸進成形厚度分布均勻、最大厚度與最小厚度差異小。

圖5 厚度分布：(a)輪廓銑削 (b)由外向內輪廓銑削 (c)由內向外輪廓銑削Fig.5 Thickness distribution:(a)contour milling (b)outside-in contour milling (c)inside-out contour milling

圖6分別顯示了基于輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內輪廓銑削軌跡和各等高層由內向外輪廓銑削軌跡三種成形軌跡的數值模擬件的厚度減薄率分布云圖，其數值模擬件的減薄率分別在[6.054%，78.85%]、[5.744%，76.42%]和[6.461%，76.93%]。從厚度減薄率分布來看，基于各等高層由外向內輪廓銑削軌跡較比其他兩種成形軌跡，其多道次漸進成形厚度減薄率小。

圖6 厚度減薄率：(a)輪廓銑削 (b)由外向內輪廓銑削 (c)由內向外輪廓銑削Fig.6 Thickness reduction rate:(a)contour milling (b)outside-in contour milling (c)inside-out contour milling

3 結論

利用UG軟件通過改變切削模式、刀路方向規劃和生成了針對多道次數控漸進成形的輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內輪廓銑削軌跡和各等高層由內向外輪廓銑削軌跡等三種成形軌跡。基于ANSYS/LS-DYNA軟件的有限元數值模擬結果表明，不同類型成形軌跡對多道次數控漸進成形板材件厚度分布和減薄率的影響不同，其中各等高層由外向內輪廓銑削軌跡較比其他兩種成形軌跡類型，能夠獲得較好的成形效果。