（青島理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 青島 266520）

板材雙點漸進(jìn)成形技術(shù)借助簡單模具支撐，通過CAD模型編制加工程序即可在普通數(shù)控機床或者專用的漸進(jìn)成形機上完成制件的成形，相對于傳統(tǒng)成形技術(shù)，可極大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，減少生產(chǎn)成本，并適合新產(chǎn)品開發(fā)或者小批量產(chǎn)品生產(chǎn)[1—3]。

相對于單點漸進(jìn)成形工藝，有模具支撐的雙點漸進(jìn)成形工藝的成形精度更高，且更適合形狀較復(fù)雜的零件制造，因此得到大量研究。Matsubara[4]通過研究加工錐杯的不同刀具路徑，證實了雙點漸進(jìn)成形的可行性，并發(fā)現(xiàn)加工過程中壁厚變化遵循剪切旋壓正弦定律。Attanasio等[5]通過對加工過程中刀具路徑進(jìn)行優(yōu)化，有效提高了加工零件的表面質(zhì)量和成形精度。Wang等[6—7]和張志剛等[8]提出的錘擊式漸進(jìn)成形，將普通漸進(jìn)成形連續(xù)接觸的加工軌跡變換為垂直板料方向的正弦波形式的波動加工軌跡，有效提高了成形性能。Hirt等[9]報道了利用金屬泡沫生產(chǎn)自配置全模具，用以替代剛性模具。此外，Wang等[10]還提出使用3D打印的方式制造雙點漸進(jìn)成形中所需支撐模具，簡化了模具加工操作過程，縮短了加工時間。

雙點漸進(jìn)成形雖然有諸多優(yōu)點，但其優(yōu)良的加工性能是建立在各加工參數(shù)最優(yōu)化的基礎(chǔ)上，因此合理選擇工藝參數(shù)，以提高成形性能的研究受到了較多的關(guān)注。文中擬基于單因素試驗，采用Wang等[11]提出的基于3D打印支撐模具的雙點漸進(jìn)成形工藝，加工支撐模具半徑為45 mm的球冠，獲得成形破裂角度，研究工藝參數(shù)對成形性能的影響。

1 實驗

板材選用1 mm厚的1060工業(yè)純鋁，潤滑劑為昆侖輪滑脂，支撐模具材料選擇PLA材料，3D打印設(shè)備為閃鑄Dreamer雙噴頭3D打印機（浙江閃鑄三維科技有限公司），見圖1。

圖1 閃鑄Dreamer雙噴頭3D打印機Fig.1 Fash Dreamer double sprinkler 3D printer

首先通過Simense NX8.0繪制支撐模具CAD模型，工件尺寸見圖2，母線成形角度為 30°～90°。通過3D打印機制完成打印，并將支撐模具由夾板固定在機床，如圖3所示。

圖2 支撐模具的設(shè)計Fig.2 Support mold design

圖3 成形支撐模具Fig.3 Forming support die

將1060鋁板切割成220 mm×220 mm的正方形試樣，并固定在漸進(jìn)成形機床（NHJ-1A 型，南京航空航天大學(xué)）的特定支架上，通過利用UG-NX8.0編制的連續(xù)成形軌跡，將鋁板加工成指定形狀，并觀察其破裂情況。實驗中按工具頭直徑、加工步長、進(jìn)給速度3個工藝參數(shù)分成3組實驗，每組實驗分別采取3個不同水平值，如此完成3組加工實驗，并在一組加工實驗完成前保證其他3組工藝參數(shù)保持不變，具體實驗方案數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗方案數(shù)據(jù)Tab.1 Test scheme data

2 結(jié)果及分析

2.1 工具頭尺寸對板料成形性能的影響

不同工具頭直徑成形結(jié)果見圖4，破裂角度的計算見式(1)。

式中：R為球冠半徑；h為上頂端到下底端球冠的總高度；l為球冠的上頂端到零件產(chǎn)生失效形式處點的垂直距離。

圖4 不同工具頭直徑成形工件Fig.4 Workpiece with different tool head diameters

通過式(1)可得出不同工藝參數(shù)下成形破裂角度，不同工具頭直徑加工破裂角度見表2，關(guān)系趨勢見圖5。

圖5 不同工具頭直徑成形工件破裂角度對比Fig.5 Fracture angle comparison of forming workpiece with different tool head diameters

由表2及圖5可以看出，工具頭直徑不同，成形破裂角度也隨之發(fā)生變化，工具頭直徑由8 mm變化到10 mm的過程中，成形極限角呈快速下降趨勢，直徑由10 mm到12 mm過程中，極限角下降趨勢趨于平緩。由以上趨勢可以得出，在相同加工條件下，工具頭直徑尺寸越小，其加工性能越好。可理解為工具頭直徑越小，其與板料相對接觸面積越小，其在加工時對板料的影響則越低，如此板料成形性能也隨之提高。但隨著工具頭直徑的不斷縮小，工具頭出現(xiàn)過早疲勞失效的幾率就越大，所以在工具頭直徑的選擇上，不應(yīng)過分追求直徑最小化。

2.2 垂直層進(jìn)給量對板料成形性能的影響

不同層進(jìn)給量的成形結(jié)果見圖6，由式(1)計算破裂角結(jié)果見表 3，3種因素與破裂極限角趨勢見圖7。

由表3和圖7可以看出，隨著垂直層進(jìn)給量的增加（0.2～1 mm），破裂角度隨之增大，實驗結(jié)果表明，對于較大的層進(jìn)給量（0.2,0.5 mm與1 mm相比）成形性較高，Shim[14]曾在研究中對層進(jìn)給量增大成形性能反而提高這一現(xiàn)象，提出了是垂直進(jìn)給量與刀頭半徑交互作用的結(jié)果。然而，由于只對3個層進(jìn)給量尺寸進(jìn)行了測試，若想進(jìn)一步證明“隨層進(jìn)給量增大，成形性能提高”這一結(jié)論，未來還需要對更多尺寸的進(jìn)給量進(jìn)行實驗。

2.3 進(jìn)給速度對板料成形性能的影響

不同進(jìn)給速度的成形結(jié)果見圖8，由式(1)計算破裂角結(jié)果見表4，不同因素與成形破裂角度之間的關(guān)系趨勢見圖9。

圖6 不同層進(jìn)給量的成形工件Fig.6 Workpiece with different processing steps

表3 層進(jìn)給量參數(shù)為變量Tab.3 Step distance parameter as variable

由表4與圖9可以看出，在進(jìn)給速度為300～500 mm/min區(qū)域內(nèi)，破裂角度呈上升趨勢，由此證明，在此區(qū)域內(nèi)隨著進(jìn)給速度的增加，成形性能得到提高，在400～500 mm/min階段尤為明顯。但隨著進(jìn)給速度的不斷加大，工具頭與板料之間產(chǎn)生的摩擦熱量必會不斷升高，此時加工工件表面質(zhì)量將會不斷下降，且降低了加工工件的破裂角度，對板料成形性能的提高起到副作用[12—13]。

圖7 不同層進(jìn)給量成形工件破裂角度對比Fig.7 Fracture angle comparison of workpieces with different processing steps

圖8 不同進(jìn)給速度的成形工件Fig.8 Forming parts with different feed speeds

表4 進(jìn)給速度參數(shù)為變量Tab.4 Feed speed parameters as variables

綜合以上實驗研究結(jié)果，結(jié)合考慮表面質(zhì)量、加工時間及成形精度等因素，最終選擇工具頭直徑為10 mm、垂直層進(jìn)給量為0.5 mm、加工進(jìn)給速度為400 mm/min，為板料雙點漸進(jìn)成形最優(yōu)成形工藝參數(shù)。

圖9 不同進(jìn)給速度成形工件破裂角度對比Fig.9 Fracture angle comparison of forming parts with different feed speeds

3 結(jié)論

基于單因素實驗設(shè)計，利用3D打印支撐模具雙點漸進(jìn)成形技術(shù)，成形支撐模具半徑為45 mm的球冠，通過成形破裂極限角分析工具頭半徑、垂直層進(jìn)給量、進(jìn)給速度對板料雙點漸進(jìn)成形性能的影響，得到主要結(jié)論如下。

1）板料雙點漸進(jìn)成形中，工具頭半徑越小，其與板料相對接觸面積越小，對板料加工影響越小，成形性能越好。

2）加工過程中，加工性能隨層進(jìn)給量的增加而提高（0.2,0.5,1 mm），然而，在未來需要進(jìn)行更多的測試，涉及更多層進(jìn)給量的大小，以進(jìn)一步證明這一結(jié)論。

3）進(jìn)給速度在一定區(qū)域內(nèi)（實驗選擇 300～500 mm/min）越大，板料成形性能越好。