直壁件數(shù)控漸進(jìn)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110136）

0 引言

金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)是一種融合了分層制造思想、塑性成形技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)的新興板料柔性成形技術(shù)[1]，具有無模成形、高柔性、低周期的特點(diǎn)，在航空、汽車和船舶等制造業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，成為國內(nèi)外科學(xué)研究的熱點(diǎn)[2-3]。傳統(tǒng)數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)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(diǎn)發(fā)生塑性變形，進(jìn)而漸進(jìn)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(jìn)成形的難點(diǎn)和瓶頸[5]。由于直壁件的成形角遠(yuǎn)大于成形極限角，因此傳統(tǒng)單道次漸進(jìn)成形無法成形出直壁件，而傳統(tǒng)多道次漸進(jìn)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(jié)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(duì)象，說明所提出的板料水平下移和傾斜下移相結(jié)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(cè)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(jìn)而控制材料的流動(dòng)和再分配來實(shí)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(jìn)行第一道次成形，即利用水平的等高線軌跡，對(duì)板料進(jìn)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(tái)型模型；然后，進(jìn)行第二道次成形，即利用等高線軌跡對(duì)圓臺(tái)型模型的側(cè)壁進(jìn)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(tái)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(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)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(chǔ)上再成形，所以以第一道次成形模型為基礎(chǔ)，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(yīng)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(gè)中間模型的間距，中間模型的個(gè)數(shù)為H/hcosθ，這里取h=1mm，每個(gè)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(gè)中間模型的成形層的頂層高度應(yīng)設(shè)置為（H'-h'）/cos θ。本研究對(duì)于如圖1 所示的直壁件模型，共生成了13 個(gè)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(duì)每個(gè)中間模型生成如圖5 所示的13 個(gè)等高線軌跡，選擇直徑為10 mm 的球頭工具，等高線層間距、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)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(jié)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(jìn)行了數(shù)值模擬分析，對(duì)比分析了傳統(tǒng)多道次漸進(jìn)成形（板料水平平行下移的二道次漸進(jìn)成形，如圖6 所示）和本文所提方法如圖2所示對(duì)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(shè)定為4，板料和工具頭網(wǎng)格尺寸設(shè)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(xué)性能參數(shù)如表1 所示。支撐模和工具頭都設(shè)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(xué)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(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)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(jié)語

為了解決直壁件數(shù)控漸進(jìn)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(jié)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(gòu)建方法和成形軌跡生成方法。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)多道次漸進(jìn)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。