嚴(yán)大偉，王輝，李娟

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京210016)

0 引言

日本學(xué)者松原茂夫提出了金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)。這種新型的數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)是將復(fù)雜的三維形狀沿一系列等高線進(jìn)行分解,在計算機(jī)控制下以工具頭沿等高線運動的方式,逐層在二維層面上進(jìn)行塑性加工,實現(xiàn)了金屬板料的無模數(shù)字化制造。 通過對數(shù)控漸進(jìn)成形的原理分析可知，數(shù)控漸進(jìn)成形的缺點也同樣突出：首先，成形角度一般不超過60°～70°，因為單道次成形時，板厚按正弦規(guī)律變化，零件表面只能通過厚度變薄來增大。當(dāng)零件的成形角度超過板材的極限成形角時, 只能采取多道次的方法來成形。但是多道次成形過程比較困難。由于正弦規(guī)律的約束，一次可成形件的厚度分布也往往不如一般沖壓件均勻，而且累計變形產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致嚴(yán)重回彈傾向，零件往往因修邊后發(fā)生過大變形而報廢。當(dāng)零件局部是平面時，即使不修邊零件也往往不能保持局部平面形狀。另外,成形時間主要是依據(jù)加工零件的刀軌長度和加工的進(jìn)給速度所決定的，因此加工時間較沖壓相比大大增加，效率太低[1]。

由于上述漸進(jìn)成形的缺陷限制了漸進(jìn)成形在工業(yè)的廣泛應(yīng)用，國外的專家學(xué)者嘗試了很多復(fù)合成形新技術(shù)。AraghiBT[2-3]首次提出了將拉形與數(shù)控漸進(jìn)成形復(fù)合的成形新技術(shù)，利用拉形對零件進(jìn)行預(yù)成形，進(jìn)而利用漸進(jìn)成形加工局部的凹陷區(qū)域完成零件的成形加工，復(fù)合成形原理圖如圖1，并在理論和試驗兩個方面分析了復(fù)合成形相對于漸進(jìn)成形的優(yōu)點：提高精度、減少零件過渡減薄、減少零件成形模擬時間提高加工效率。王德亮等人對拉形輔助漸進(jìn)成形進(jìn)行了進(jìn)一步研究，對復(fù)合成形應(yīng)用情況進(jìn)行了研究[4-5]。

圖1 復(fù)合成形原理圖

1 拉形輔助的漸進(jìn)成形有限元模擬與實驗驗證

1.1 模擬條件與方法

利用通用模擬軟件Abaqus進(jìn)行模擬，所用材料為工業(yè)純鋁1060，力學(xué)性能如表1，模擬所建模型如圖2所示。支撐模和上、下壓板及工具頭都定義成剛體，成形角度40°,加工深度15mm,支撐模從與板料接觸開始向上運行15mm,即達(dá)到預(yù)拉形的目的?；貜椖M包括加載過程的模擬和卸載過程的數(shù)值模擬。加載過程即板料實現(xiàn)預(yù)拉形和漸進(jìn)成形，卸載過程即復(fù)合成形結(jié)束后，壓板上移，使板料不受約束。由于加載過程屬于非線性問題，采用動力顯式算法來分析，回彈過程非線性不強(qiáng)，采用隱式算法求解。

表1 1060鋁板力學(xué)性能

圖2 有限元模擬模型

1.2 模擬結(jié)果

圖3所示是回彈前后的等效應(yīng)力云圖，上圖是回彈前，下圖是回彈后的云圖?？梢钥闯?，回彈前等效應(yīng)力最大值主要集中在板料與支撐模貼模的位置,這主要是因為當(dāng)漸進(jìn)成形開始后，由于漸進(jìn)成形區(qū)與貼模區(qū)之間的區(qū)域受拉應(yīng)力，并且板料與支撐模貼模位置存在摩擦力，使得外部材料流不進(jìn)來，在貼模區(qū)堆積，因此產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大值大約108.3MPa。漸進(jìn)成形位置應(yīng)力較小，這是由于工具頭加載之后隨即卸載的原因。外力卸載之后，零件發(fā)生回彈，貼模區(qū)域應(yīng)力明顯減小，最大值大約20MPa。最大應(yīng)力集中在漸進(jìn)成形區(qū)域和貼模區(qū)之間，最大應(yīng)力在96MPa左右?；貜椙昂?，漸進(jìn)成形部分應(yīng)力最大值和最小值變化不大。

圖3 回彈前后的等效應(yīng)力云圖

由于零件是回轉(zhuǎn)體，具有中心對稱性，所以選取零件中心對稱面的截面作為研究對象。從圖4可以看出模擬的結(jié)果與理論結(jié)果比較接近，并且可以看出回彈主要集中中間和邊緣位置，并且邊緣位置的回彈要大于中間。

圖4 模擬回彈的結(jié)果和實際建模對比

1.3 試驗驗證

試驗所用模型和模擬的模型相同，拉形高度15mm,加工深度15mm,成形角度40°。自行設(shè)計工裝，加工工裝示意圖如圖5所示，包括上支撐板、中間板、下支撐板、支撐模以及提供動力的千斤頂，工裝主要功能是板料實現(xiàn)預(yù)拉形。所用材料為工業(yè)純鋁1060，板料厚度為1mm。

圖5 加工工裝示意圖

通過激光掃描逆向反求出試驗加工零件的形狀[6]，與模擬和理論形狀作對比，得出實際與理論、模擬回彈后的對比圖如圖6所示。實際加工形狀與模擬回彈后的形狀最大誤差0.63mm,相對誤差不超過5%，模擬結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合。

圖6 理論、實際和模擬回彈形狀對比

1.4 不同工藝參數(shù)對回彈角度的影響

漸進(jìn)成形回彈和沖壓回彈不同，漸進(jìn)成形回彈是工具頭在加工一層等高線后，工具頭卸載，加工區(qū)域的載荷消失，使得板料發(fā)生回彈。以后每一層都出現(xiàn)這樣的情況，復(fù)合成形回彈是漸進(jìn)成形和拉形載荷卸載后共同作用引起的回彈[7-9]。以實際加工輪廓和建模理論輪廓之間的夾角為回彈指標(biāo)，進(jìn)行回彈量的測量?；貜棳F(xiàn)象示意圖如圖7所示，選取加工深度、成形角度、拉形高度、層進(jìn)給量、進(jìn)刀方式等5組工藝參數(shù)進(jìn)行試驗，在不同工藝參數(shù)下測量回彈角的大小。

圖7 回彈現(xiàn)象示意圖

圖8 不同拉形高度對回彈角的影響

圖9 不同成形角度對回彈角的影響

圖10 不同加工深度對回彈角的影響

圖11 不同層進(jìn)給量對回彈角的影響

圖12 不同進(jìn)刀方式對回彈角的影響

從試驗結(jié)果可以看出拉形輔助的漸進(jìn)成形在各工藝參數(shù)條件下，回彈角度在2°以內(nèi)，如圖8拉形高度的增加，有利于減小回彈角，這是因為拉形高度增大，使得板料進(jìn)入深度拉形，使得回彈量減??；圖9為成形角度對回彈角度影響較為顯著，回彈角隨著成形角度的增大而增大，成形角度在30°～40°時回彈角增大比較平緩40°～50°時回彈角增大較為劇烈；隨著拉形高度的增大，回彈角減小；圖10為不同加工深度對回彈角度的影響也較為明顯，加工深度增加，回彈角度增大；圖11為層進(jìn)給量與回彈角度呈正相關(guān)，層進(jìn)給量增加，回彈角度增大，圖12為進(jìn)刀方式對回彈角度也存在影響，用交叉進(jìn)刀與斜進(jìn)刀時，回彈角度接近，并且回彈角度較小，直接進(jìn)刀時回彈角最大。

2 正交試驗

2.1 正交試驗設(shè)計

正交試驗設(shè)計法(簡稱正交法)以概率論數(shù)理統(tǒng)計專業(yè)技術(shù)知識和實踐為基礎(chǔ)，充分利用標(biāo)準(zhǔn)化的正交表來安排試驗方案，并對試驗結(jié)果進(jìn)行計算分析，最終達(dá)到減少試驗次數(shù)，縮短試驗周期，迅速找到優(yōu)化方案的一種科學(xué)計算方法[10-11]。

由前述試驗可知，拉形高度、加工深度、進(jìn)刀方式對回彈角都存在影響，本試驗選取這3個工藝參數(shù)作為因子，取其中2個試驗點作為水平，進(jìn)行正交試驗分析，正交試驗水平及因子如表2所示。

表2 正交試驗水平及因子

2.2 試驗結(jié)果與分析

處理試驗結(jié)果的目的在于確定各試驗因素的優(yōu)水平及試驗范圍內(nèi)的優(yōu)組合。正交表的選擇一般是根據(jù)因素和水平的多少及試驗工作量的大小而定，依據(jù)正交表的綜合可比性，利用極差分析法可以非常直觀簡便地分析試驗結(jié)果，確定因素的主次和最優(yōu)組合[11-12]。

正交試驗方案及試驗結(jié)果如表3所示。其中K1是各因素在水平1所對應(yīng)回彈角的平均值，K2是各因素在水平2 所對應(yīng)回彈角的平均值。K值的大小可以判斷因素的優(yōu)水平，各因素的優(yōu)水平組合即為最優(yōu)組合，R是各因素的極差，R反映了因素水平變動時試驗指標(biāo)的變動幅度，R越大，說明該因素對試驗指標(biāo)的影響越大，因此也就越重要。

表3 正交試驗方案及結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，KA1>KA2，KB2>KB1，KC1>KC2，在因素A下，優(yōu)水平為2，在因素B下，優(yōu)水平為1，在因素C下，優(yōu)水平為2，因此最優(yōu)組合為A2B1C2,即最優(yōu)組合是拉形高度20mm,加工深度15mm,用交叉進(jìn)刀方式進(jìn)行加工，此時回彈角最小。RB>RA>RC,加工深度對回彈角的影響最大，并且加工深度越大，回彈角越小，拉形高度次之。

3 結(jié)語

1) 經(jīng)過模擬得到拉形輔助的漸進(jìn)成形最大應(yīng)力主要分布在板料和支撐模相貼模的位置，回彈后貼模位置應(yīng)力下降，最大應(yīng)力集中在漸進(jìn)成形區(qū)域和貼模區(qū)域之間。

2) 工藝參數(shù)對復(fù)合成形回彈影響顯著，回彈角大小與加工深度、成形角度、層進(jìn)給量呈正相關(guān)，與拉形高度呈負(fù)相關(guān)，對于3種不同進(jìn)刀方式，斜進(jìn)刀對回彈角的影響最小。

3) 選取拉形高度、加工深度、進(jìn)刀方式作為因子，通過正交試驗分析得出，加工深度對回彈角度的影響最大，最優(yōu)組合是A2B1C2，即采用拉形高度為20mm,加工深度為15mm,進(jìn)刀方式為交叉進(jìn)刀這3種工藝參數(shù)加工時，回彈角度最小。