吳 琦，孔建非，喻家俊，王會廷

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

板料數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)[1]是一種新興的柔性無模成形技術(shù)。與傳統(tǒng)板料成形技術(shù)相比，漸進(jìn)成形技術(shù)引入了快速原型制造技術(shù)中的分層制造思想，在不使用模具的情況下將板料進(jìn)行三維成形，能充分發(fā)揮板料的成形性能，降低模具制造費(fèi)用，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，尤其在小批量生產(chǎn)中有巨大優(yōu)勢。因此，漸進(jìn)成形技術(shù)在航空領(lǐng)域、交通運(yùn)載、能源裝備和醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[2]。在漸進(jìn)成形中，數(shù)控程序控制工具頭進(jìn)行分層逐點(diǎn)成形，依靠累積的變形來獲得零件的最終形狀。其中壁厚不均勻和表面質(zhì)量差是成形件的重要缺陷，主要原因在于漸進(jìn)成形過程中，零件壁厚變化不均勻，存在回彈變形和減薄帶等問題[3]，且工具頭和板料接觸發(fā)生相對摩擦，對板料表面質(zhì)量造成損壞。

漸進(jìn)成形的壁厚均勻性和表面質(zhì)量問題已引起國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，主要集中于工藝參數(shù)對其的影響。宋修成等[4]就預(yù)設(shè)殘余波峰高度和不同工具頭對應(yīng)的摩擦狀態(tài)對板料表面質(zhì)量進(jìn)行了研究，并針對AA1010板料獲得最佳的預(yù)設(shè)殘余波峰高度和摩擦狀態(tài)組合；孫皓亮等[5]研究了成形中的潤滑方法、工具頭形狀、工具頭直徑、進(jìn)給量等參數(shù)對試件表面粗糙度的影響，結(jié)果表明優(yōu)化工藝參數(shù)可改善漸成形件的表面質(zhì)量，但改善效果有限；陳繼平等[6]通過對比分析錐形件在不同加工條件下的實(shí)測壁厚與正弦理論預(yù)測值，發(fā)現(xiàn)漸進(jìn)成形錐形件的壁厚會經(jīng)歷壁厚減薄、壁厚回升和壁厚穩(wěn)定三個(gè)階段；賈俐俐等[7]利用覆層漸進(jìn)成形技術(shù)使工具頭不與目標(biāo)板料接觸，有效改善了目標(biāo)板的表面質(zhì)量；Silva等[8]研究拼焊板的漸件成形工藝時(shí)，使用輔助板保護(hù)焊縫不受成形工具頭的影響，拼焊板的成形性能雖有輕微下降但表面質(zhì)量良好。成形件的表面質(zhì)量和壁厚均勻性是衡量成形件能否使用的重要標(biāo)準(zhǔn)，雙層板漸進(jìn)成形雖已實(shí)際應(yīng)用，但目前對雙層板漸進(jìn)成形還缺乏系統(tǒng)研究。鑒于此，文中以圓錐件為例，提出雙層板漸進(jìn)成形方法，分析輔助板對成形件表面粗糙度和壁厚均勻性的影響，并將成形件的壁厚與正弦定律的預(yù)測值進(jìn)行對比，驗(yàn)證雙層板漸進(jìn)成形方法的成形效果，以期加工出高質(zhì)量的成形件。

1 漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)

1.1 雙層板漸進(jìn)成形方法的原理

雙層板漸進(jìn)成形方法[9]是指在需要成形的板料頂部使用一個(gè)輔助板進(jìn)行漸進(jìn)成形的方法，其原理如圖1。雙層板漸進(jìn)成形過程中，與成形工具頭接觸的板料為輔助板，成形完成后可以丟棄。在兩層板之間涂上潤滑油，兩者之間沒有結(jié)合力的存在，只存在微小摩擦力，這種上層板對下層板的有益摩擦可改善成形件壁厚分布的均勻性，促使成形件壁厚更接近于正弦定律理論預(yù)測值。使用同樣材料的薄板作為輔助板成形時(shí)，輔助板加工硬化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，同時(shí)如果輔助板料厚度較薄會在成形時(shí)破裂。304不銹鋼綜合性能良好，成形性能優(yōu)于5052鋁合金板，適合作輔助板；與設(shè)計(jì)和成形件成本相比，其作為輔助板的成本可以忽略不計(jì)。故為使成形順利，文中選取304不銹鋼作為輔助板。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與模型

實(shí)驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)自主研制的NH4050數(shù)控成形機(jī)床上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2。圓錐件經(jīng)典且形狀簡單，可較好地用于分析漸進(jìn)成形件的壁厚分布和表面質(zhì)量，故本實(shí)驗(yàn)以圓錐件為加工零件，其幾何模型如圖3。由圖3 知，加工零件深20 mm，開口直徑70 mm，成形角為50°。目標(biāo)板坯料為150 mm×150 mm的5052鋁合金板，屈服強(qiáng)度約為175 MPa，抗拉強(qiáng)度在210～220 MPa之間，總延伸率約10%。輔助板坯料為150 mm×150 mm的304不銹鋼板，屈服強(qiáng)度205 MPa，抗拉強(qiáng)度515～1 035 MPa，總延伸率約40%。工具頭直徑Ф12 mm，端部是半球狀圓柱體，為減少摩擦，在工具頭表面進(jìn)行拋光處理并在工具頭與輔助板之間以及兩層板料之間施加32號耐磨液壓油。

成形過程中工具頭軌跡代碼是由ug 軟件中的CAM 模塊中生成，代碼生成后將其拷貝至NH4050漸進(jìn)成形數(shù)控機(jī)床。通過螺栓緊固件將目標(biāo)板和輔助板固定在漸進(jìn)成形機(jī)床工作臺的夾具上，對刀后開始加工，加工程序參數(shù)如表1，零件的三維圖形和成形件如圖4。

圖2 漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental machine of incremental forming

表1 加工程序參數(shù)Tab.1 Parameters of the processing program

圖3 加工零件模型Fig.3 Model of machining parts

圖4 零件三維圖形及成形件Fig.4 3D graphics of parts and the formed parts

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

對4種厚度(0.4，0.6，0.8，1.0 mm)的目標(biāo)板分別采用單層板和雙層板漸進(jìn)成形方法成形，其中雙層板漸進(jìn)成形方法中，輔助板的厚度分別為0.4，0.6，0.8 mm。實(shí)驗(yàn)方案見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Experiment scheme

采用粗糙度測量儀TR200測量成形件的粗糙度，隨機(jī)在成形件的內(nèi)表面選取10個(gè)測量點(diǎn)，沿著平行于等高線的方向測量粗糙度Ra，取其平均值作為成形件的表面粗糙度。采用測量工具管厚規(guī)測量成形件的壁厚，如圖5所示在成形零件的兩個(gè)不同區(qū)域每隔3 mm取一點(diǎn)，同一個(gè)高度測量2個(gè)點(diǎn)，取其平均值為成形件該點(diǎn)壁厚，共測量10個(gè)點(diǎn)。

圖5 壁厚測量與測量工具管厚規(guī)Fig.5 Wall thickness measurement and wall thickness measurement tool

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雙層板漸進(jìn)成形件的表面質(zhì)量

單層板與雙層板漸進(jìn)成形件的表面質(zhì)量如圖6。從圖6可看出：雙層板漸進(jìn)成形方法得到的成形件表面質(zhì)量較好，但看不出來表面粗糙度的具體變化。

圖6 兩種不同漸進(jìn)成形方法下成形件的表面質(zhì)量Fig.6 Surface quality of formed parts under two different incremental forming methods

雙層板漸進(jìn)成形時(shí)對成形設(shè)備要求較高，鑒于本實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備功率大小，且輔助板成形極限需大于目標(biāo)板，實(shí)驗(yàn)中選擇0.4 mm 厚的輔助板，比較分析單層板與雙層板漸進(jìn)成形時(shí)目標(biāo)板厚度對成形件表面粗糙度的影響，結(jié)果如圖7。從圖7 可看出，目標(biāo)板厚度在0.4 ～1.0 mm 范圍，單層板漸進(jìn)成形的成形件表面粗糙度隨著目標(biāo)板厚度的增加而增加。主要是因?yàn)閱螌影鍧u進(jìn)成形時(shí)，隨著目標(biāo)板厚度增加，工具頭與目標(biāo)板接觸力逐漸變大，即成形力逐漸增大，使得工具頭與目標(biāo)板之間的摩擦逐漸加劇，磨損嚴(yán)重，且金屬表面由于形變強(qiáng)化而變脆，在工具頭壓力作用下目標(biāo)板表面會產(chǎn)生微裂紋，表面出現(xiàn)很多溝痕，致使表面粗糙。目標(biāo)板厚度在0.4 ～1.0 mm范圍，雙層板漸進(jìn)成形的成形件表面粗糙度隨著目標(biāo)板厚度的增加而降低，因?yàn)殡p層板漸進(jìn)成形時(shí)，缺陷出現(xiàn)在輔助板上，避免了目標(biāo)板與工具頭直接接觸，從而改善成形件的表面質(zhì)量。由此可以看出，目標(biāo)板的初始厚度是影響成形件表面粗糙度的變量之一，雙層板漸進(jìn)成形件表面粗糙度與目標(biāo)板初始厚度的變化趨勢和單層板漸進(jìn)成形件的變化趨勢相反。

圖7 單層板與雙層板漸進(jìn)成形時(shí)成形件表面粗糙度Fig.7 Surface roughness of formed parts in the incremental forming of single-layer sheet and double-layer sheets

2.2 輔助板厚度對成形件表面粗糙度的影響

圖8為雙層板漸進(jìn)成形過程中輔助板厚度對成形件表面粗糙度的影響曲線。從圖8 可看出：對于0.4 mm 厚目標(biāo)板，0.2，0.4，0.6 mm 厚的輔助板雙層板漸進(jìn)成形時(shí)，成形件的表面粗糙度大于單層板漸進(jìn)成形(圖中輔助板厚度為0 的情況)時(shí)成形件的表面粗糙度，因?yàn)檩o助板的存在使工具頭無法與目標(biāo)板直接接觸，無法使目標(biāo)板表面順滑成形；輔助板厚度為0.2，0.4，0.6 mm時(shí)，隨著輔助板厚度的增加，成形件的表面粗糙度逐漸降低。因?yàn)檩o助板的作用類似于工具頭直徑增大，而表面粗糙度隨著工具頭直徑的增大而降低[10]。在測量成形件表面粗糙度時(shí)發(fā)現(xiàn)：雙層板板漸進(jìn)成形過程中，成形件表面粗糙度較均勻，而單層板漸進(jìn)成形時(shí)，成形件表面粗糙度因受到工具頭的摩擦作用波動較大。

2.3 輔助板厚度對成形件壁厚均勻性的影響

壁厚均勻性與成形件的幾何形狀、板料初始形狀、材料性能等因素有關(guān)[11]。文獻(xiàn)[12]中提出了金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形正弦定律，即漸進(jìn)成形過程中板料厚度變化與圓錐件成形角有關(guān)，如

式中：t為板料成形后的厚度；t0為成形前的板料厚度；θ為成形角。根據(jù)式(1)可預(yù)測板料成形后的壁厚，驗(yàn)證漸進(jìn)成形件的成形效果。

單層板與雙層板漸進(jìn)成形件的壁厚如圖9。從圖9 可看出：無論是雙層板漸進(jìn)成形還是單層板的漸進(jìn)成形，其成形件的壁厚都比正弦定律的理論值低，因?yàn)檫M(jìn)給量、工具頭直徑和成形角等工藝參數(shù)對正弦定律預(yù)測精確度有一定的影響；相比于單層板漸進(jìn)成形，雙層板漸進(jìn)成形件的壁厚更接近于正弦定律預(yù)測值，由此可見雙層板漸進(jìn)可改善成形件壁厚均勻性。因?yàn)殡p層板漸進(jìn)成形時(shí)，兩者不存在切應(yīng)力，只存在摩擦力，這在一定程度上減少了目標(biāo)板所受到的剪應(yīng)力，從而增加了最小厚度并且使壁厚分布更加均勻。

目標(biāo)板厚度為0.4 mm條件下，漸進(jìn)成形過程中輔助板厚度對成形件的壁厚的影響如圖10。從圖10可看出：單層板漸進(jìn)成形和雙層板漸進(jìn)成形的成形件壁厚沿其深度方向分布不均勻，均出現(xiàn)一個(gè)“最小值點(diǎn)”，這是由于漸進(jìn)成形過程中，隨著變形的深入，在成形件側(cè)壁上部會出現(xiàn)薄壁現(xiàn)象，即“減薄帶”，減薄帶是板料彎曲變形向剪切變形的過渡區(qū)，且減薄帶在較高的壁角處會增強(qiáng)，并導(dǎo)致薄板損壞[13]；與0.2，0.6 mm厚的輔助板相比，0.4 mm 厚輔助板成形件壁厚的“最小值點(diǎn)”較大，改善壁厚均勻性較好；不同厚度輔助板漸進(jìn)成形過程中，成形件壁厚均比正弦定律預(yù)測值大，這是因?yàn)檎叶稍跍p薄帶這一范圍內(nèi)并不適用。

圖8 輔助板厚度對成形件表面粗糙度的影響曲線Fig.8 Curve of the influence of auxiliary sheet thickness on surface roughness of formed parts

圖9 單層板與雙層板的漸進(jìn)成形件壁厚與正弦定律理論壁厚Fig.9 Wall thickness of incremental forming parts of single-layer sheet and double-layer sheets and theoretical wall thickness of sine law

圖10 輔助板厚度對成形件壁厚的影響Fig.10 Curves of the influence of thickness of auxiliary sheet on the wall thickness of formed part

3 結(jié) 論

對5052鋁合金錐形件進(jìn)行單層板與雙層板漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)，研究雙層板漸進(jìn)成形過程中輔助板厚度對成形件表面質(zhì)量和壁厚均勻性的影響，得到如下主要結(jié)論。

1) 與單層板漸進(jìn)成形方法相比，雙層板漸進(jìn)成形方法得到的成形件表面質(zhì)量較好。輔助板厚度為0.4 mm且目標(biāo)板厚度≥0.6 mm的條件下，雙層板漸進(jìn)成形件的表面粗糙度比單層板漸進(jìn)成形件低，且隨著目標(biāo)板厚度增加逐漸降低。

2)輔助板厚度對成形件表面粗糙度影響很大。目標(biāo)板厚度為0.4 mm、輔助板厚度為0.2，0.4，0.6 mm時(shí)，隨著輔助板厚度的增加，成形件表面粗糙度逐漸降低。

3)輔助板厚度對成形件壁厚均勻性有一定的影響，單層板與雙層板漸進(jìn)成形件的壁厚均低于正弦定律理論值，且雙層板漸進(jìn)成形件壁厚更接近正弦理論值，成形件壁厚均勻性好；與0.2，0.6 mm厚輔助板相比，0.4 mm厚輔助板的成形件“最小厚度”較大，壁厚均勻性較好。實(shí)際生產(chǎn)中選擇合適的輔助板厚度可改善成形件的壁厚均勻性。