5083 鋁合金變曲率零件的漸進成形壁厚均勻性研究＊

范素香 梁惠俊④ 郝用興 李宇航

（①華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450045；②華北水利水電大學材料學院，河南 鄭州 450045；③河南省數字化智能裝備工程研究中心，河南 鄭州 461111；④北京科技大學機械工程學院，北京 100083）

漸進成形技術是一種柔性制造技術，具有十分靈活的加工工藝過程[1]。該技術不需要設計和制造專用模具，只需要賦予成形工具正確的成形軌跡使板材塑性變形逐漸積累即可得到目標零件的最終形狀，其加工過程不會造成材料浪費，符合當下綠色制造的理念[2-7]。

目前單點無模漸進成形技術研究的對象基本是具有固定成形角的圓臺件、方盒件、多面體臺件，建模簡單，設置路徑方便，漸進成形容易。Yue T W 等[8]研究了漸進成形板材的成形性能。Ye Y 等[9]對漸進成形圓錐臺件進行了試驗研究，探究了不同工藝參數對漸進成形的影響。朱知壽等[10]使用上下往復交替形加工軌跡解決了漸進成形直壁方盒形零件壁厚減薄較為嚴重的問題。何正琛等[11]建立了正八邊形錐件的漸進成形數值模擬模型探究影響單點漸進成形板料厚度的影響因素。而針對變曲率零件，如人體頭蓋骨補片，由于其曲率變化較大，漸進成形時具有不同的成形角，建模困難，刀具路徑復雜，利用漸進成形固定成形角零件的加工技術已無法滿足質量要求，零件的壁厚均勻性受到加工層數、工具頭直徑、機床主軸轉速和加工進給率等多種因素制約。

本文通過逆向工程的技術路線生成零件的三維模型，編制數控加工程序，通過設計正交試驗研究加工層數、工具頭直徑、機床主軸轉速和加工進給率等不同工藝參數組合對零件壁厚均勻性的影響大小，尋求最佳工藝參數組合。

1 成形軌跡設計

通過三維掃描儀可得到頭蓋骨的曲面數據，首先對頭蓋骨模型的表面進行清潔，在桌面上貼上參考標識點方便掃描儀識別，采用紅色激光進行掃描成像，快門設為0.6 ms，掃描過程如圖1 所示。

基于逆向工程技術使用Geomagic Studio 2014軟件得到顱骨數據，消除干擾并封裝曲面的點云數據，根據定位點1～4 生成頭蓋骨模型，如圖2 所示，將該文件導入UG NX 軟件，選擇輪廓銑削加工方式中的深度型腔銑削方法，生成加工軌跡的G 代碼。

圖2 頭蓋骨補片曲面

編程軟件如果采用常規等高線加工方式，即采用固定層高Δz，會導致零件底部平緩處嚴重失真。國內外學者提出了幾種數控加工曲面零件的優化方法[11-12]：王華畢等[13]采用增量弧長控制增量步長的方法，增加曲線平緩處的走刀次數；Cui Z 等[14]提出了數控漸進成形中鼓包問題的消除方法。這些方法均改善了零件的成形輪廓精度。本文對曲面的分層進行了優化，如圖3 所示，首先根據零件截面線上的長度L將曲面進行粗分層，每層的增量步長為Δzi，則需要的加工層數N為粗分層數量的總和。其次將Δzi進行精分層，在精分層中根據每層輪廓步長的成形角α，將層高Δzi劃分成若干個不同的子分層數Δzij。成形角較大時，較少Δzij數目就能保證加工質量，成形角較小時，Δzij數目較多，該方法可以實現零件的變成形角加工。為了防止材料硬化和加工時間過長，Δzij數目需要設定限制。

圖3 加工原理圖

刀具路徑優化對比如圖4 所示。

圖4 數控加工軌跡

2 漸進成形數值模擬

2.1 刀位點提取

圖5a 所示為數控加工G 代碼，使用C++編寫轉換程序將數控G 代碼轉換為工具頭的X、Y、Z坐標，如圖5b 所示。對刀具各位移點按照進給量進行時間分配，得到關于時間參數的3 個坐標平面T-X、T-Y、T-Z運動數據，將其導入到 ABAQUS 軟件中，實現成形工具加工軌跡的動態加載。

圖5 刀位點提取

2.2 材料屬性

5083 鋁合金材料的基本屬性見表1，為了保證數值模擬變形情況結果的準確性，還需要輸入材料的真實應力-應變曲線，使用拉伸試驗機在室溫條件下以1 mm/min 的拉伸速率對試樣緩慢加載，使試樣受到軸向拉力，直至試樣被拉斷，得到5083鋁合金材料應力-應變曲線如圖6 所示。

表1 5083 鋁合金材料力學性能參數

圖6 5083 鋁合金真實應力-應變曲線

2.3 有限元模擬

選擇ABAQUS/Explicit 建立有限元模擬模型，5083 鋁合金成形板材的尺寸為250 mm×250 mm×1.5 mm，成形板材網格尺寸為2 mm×2 mm，板材的單元類型選擇為S4R 殼單元。漸進成形接觸相互作用選擇接觸對算法，使用面-面接觸方式。最終漸進成形過程如圖7 所示。

圖7 成形過程

2.4 數值模擬分析

頭蓋骨補片屬于定制化產品，采用壁厚均勻性評估該零件的壁厚分布，即通過漸進成形加工得到的零件壁厚均勻性越大，則成形區域壁厚的差異值越小，零件壁厚分布越均勻，成形質量較優。零件的壁厚均勻性計算公式如下：

式中：tmax為零件的最大厚度；tmin為零件的最小厚度；tave為零件的平均厚度。

考慮到漸進成形技術的可行性、成形過程的總時間、經濟效益、試驗機床的加工精度和穩定性等影響因素，選取加工層數為20～100 時，每層的增量步長將為0.2～1.0 mm，基本符合一般漸進成形加工試驗的要求。此外，根據試驗機床的型號和實際條件，初步選取工具頭直徑為8～12 mm、機床主軸轉速0～600 r/min、加工進給率200～1 000 mm/min進行模擬仿真。

2.4.1 加工層數

分別使用20、40、60、80、100 的加工層數對漸進成形過程進行數值模擬，其他工藝參數為工具頭直徑10 mm、進給率600 mm/min、主軸轉速300 r/min。由圖8 可知，隨著步長距離的增加，零件的壁厚均勻性逐漸增大。這是因為加工層數增大使得成形工具數控加工軌跡的插補精度越高，引起板材層間變形減小，板材減薄更均勻，使得零件的壁厚均勻性逐漸增大。但加工層數過多要求數控機床具有較高的加工精度，導致生產成本的增加。

圖8 加工層數對零件壁厚均勻性的影響

2.4.2 工具頭直徑

分別使用工具頭直徑為8 mm、9 mm、10 mm、11 mm、12 mm 的成形工具對漸進成形過程進行數值模擬，其他工藝參數為進給率600 mm/min、加工層數60、主軸轉速300 r/min，由圖9 可知，隨著工具頭直徑的增加，零件的壁厚均勻性逐漸增大，且壁厚均勻性的增加值較為恒定。

圖9 工具頭直徑對零件壁厚均勻性的影響

2.4.3 機床主軸轉速

分別使用速度為0 r/min、150 r/min、300 r/min、450 r/min、600 r/min 的機床主軸轉速對漸進成形過程進行數值模擬，其他工藝參數為工具頭直徑10 mm、加工層數60、進給率600 r/min。由圖10 可知，隨著主軸轉速的增加，零件的壁厚均勻性先減小后增大，但壁厚均勻性值均在77.4%左右范圍內波動，變化幅度為0.5%，波動較小，這是由于機床主軸繞Z軸的旋轉運動對成形力的影響不大，因此可以認為主軸轉速的變化不影響零件的壁厚均勻性值。

圖10 機床主軸轉速對零件壁厚均勻性的影響

2.4.4 加工進給率

分別使用速度為200 mm/min、400 mm/min、600 mm/min、800 mm/min、1 000 mm/min 的加工進給率對漸進成形過程進行數值模擬，其他工藝參數為工具頭直徑10 mm、加工層數60、主軸轉速300 r/min，由圖11 可知，隨著進給率的增加，零件的壁厚均勻性逐漸減小。這是因為隨著進給率的增加，成形工具的運動速度逐漸增加，導致板材成形區域的應力和應變的變化速率較大。板材的成形趨勢發生變化，使得零件的壁厚均勻性逐漸減小。但加工進給率設置過低將導致加工時間延長，影響生產效率。

圖11 加工進給率對零件壁厚均勻性的影響

3 正交試驗

3.1 試驗設備及方案

如圖12 所示，試驗機床采用三軸數控漸進成形試驗機，型號為JJCX300。為探究數值模擬結果的準確性和漸進成形工藝參數對零件壁厚均勻性的影響，針對漸進成形的成形工具頭直徑、加工層數、加工進給率和機床主軸轉速這4 個工藝參數進行正交試驗。

圖12 三軸數控漸進成形試驗機

3.2 極差分析

根據試驗設計方案，通過三軸數控漸進成形試驗機進行漸進成形加工得到的試驗結果如圖13 所示。試驗因素編碼值與試驗結果見表2，將數據進行整理和計算后對試驗結果進行R極差值分析，見表3。

表2 正交試驗結果

表3 極差分析

圖13 各試驗方案得到的試驗結果

通過表3 可以發現影響零件成形區域壁厚均勻性因素的主要程度依次為D＞B＞A＞C，即加工進給率＞加工層數＞成形工具頭直徑＞機床主軸轉速，因此根據影響成形壁厚的主要程度選取得到的最佳工藝參數組合為A1B3C3D2。

3.3 最佳工藝參數試驗結果分析

在試驗機床上選擇最佳工藝參數組合進行加工試驗，實際加工參數為成形工具頭直徑7.5 mm，加工層數100，機床主軸轉速300 r/min，進給率500 mm/min。最后得到的頭蓋骨補片形零件如圖14所示，使用三維掃描儀對其進行測量，其最小壁厚值為1.270 mm，壁厚均勻性經計算為84.67%。

圖14 最佳工藝參數組合試驗結果

將數值模擬結果和試驗結果進行對照和比較。圖15 所示為工件XZ截面上掃描樣本、數值模擬、實際加工零件三者的Z方向位移值，由圖可知數值模擬與試驗機床加工得出零件的成形輪廓與掃描樣本基本一致。圖16 所示為在XZ截面上測量9 個點的壁厚，求出數值模擬和實際加工相對于掃描樣本的壁厚偏差率，可以看出，數值模擬的壁厚偏差率最大為1.898%，實際加工的壁厚偏差率為1.679%，均小于2%，這很好地證明了使用ABAQUS 軟件進行數值模擬的可靠性并且通過設計正交試驗找到零件的漸進成形最佳工藝參數組合是可行的。

圖15 成形輪廓對比

圖16 壁厚偏差率

4 結語

本文利用ABAQUS 軟件建立漸進成形數值模擬模型，結合試驗分析成形工具頭直徑、加工層數、加工進給率和機床主軸轉速對零件壁厚均勻性的影響并得出使其壁厚均勻性達到最優的最佳工藝參數組合，結論如下：

（1）采取優化路徑后，實際加工零件截面輪廓的成形精度得到有效改善，結合數值模擬和極差分析可將零件的壁厚均勻性優化至84.67%。

（2）變曲率零件負漸進成形過程中，零件的壁厚均勻性與成形工具頭直徑、加工層數均成正比關系，與加工進給率成反比關系，機床主軸轉速對零件壁厚均勻性的影響較小。

（3）通過試驗得出，4 種工藝參數對零件壁厚均勻性影響大小的排序為：加工層數＞加工進給率＞成形工具頭直徑＞機床主軸轉速。