吳云騰,陳偉波,王彩梅

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208)

0 引 言

目前汽車行業(yè)中車身覆蓋件零件以模具沖壓為主，主要為滿足大批量生產(chǎn)需求，其開發(fā)周期長且費用高，柔性化程度低，無法滿足個性化定制、小批量開發(fā)、樣品試制等需求。金屬板材數(shù)字化單點漸進無模成型技術(shù)能夠解決這些痛點，該技術(shù)因具有無需使用傳統(tǒng)成型沖壓設(shè)備和模具、能夠直接從CAD快速制造出所需成型件的優(yōu)勢而受到國內(nèi)外研究人員的普遍關(guān)注[1]。

單點漸進無模成型技術(shù)已有應(yīng)用案例，但以滿足外觀匹配功能為主，樣件減薄率較大且缺乏相關(guān)的減薄率研究。能否摸清關(guān)鍵特征參數(shù)和板材減薄率的關(guān)系將直接影響該技術(shù)成型品質(zhì)和應(yīng)用范圍。

筆者針對數(shù)字化無模漸進成型中存在的板材減薄率過大，并且行業(yè)中缺失成型減薄最優(yōu)的工藝參數(shù)組合；通過建立標準工藝參數(shù)驗證模型，找到影響減薄率的4大工藝參數(shù)，并運用正交方法優(yōu)化試驗頻次，經(jīng)過多次試驗和測定找到了減薄率最優(yōu)的工藝參數(shù)包。

1 數(shù)字化單點漸進無模成型技術(shù)

數(shù)字化單點漸進無模成型技術(shù)原理：參照快速成型的分層成型原理，將零件特征在高度方向上離散處理，每一層的外部輪廓均為等高線層。將所有等高線層集成在一起由數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動成型刀具沿著等高線加工，將實體3維特征轉(zhuǎn)變?yōu)?維平面特征，實現(xiàn)板料的數(shù)字化無模成型。板材漸進成型是一種局部成型技術(shù)，在板材高度方向上加工是個變薄拉延的過程。漸進成型過程中，板材受到三向應(yīng)力的作用，應(yīng)力大小和摩擦系數(shù)及材料參數(shù)有關(guān)，并且正向成型的應(yīng)力狀態(tài)比反響漸進成型的狀態(tài)復(fù)雜[2]。圖1為單點漸進無模成型原理示意圖。

而板料的成型極限一般用成型極限角來表示。不同的材料和不同的零件特征會有對應(yīng)的成型極限表。超過此類角度在成型過程中極易出現(xiàn)開裂失效，原因是樣件局部特征成型角度大拉伸過深導(dǎo)致板材料厚急劇減薄。因此如何優(yōu)化參數(shù)組合，研究板材的減薄率特性并找到不同工藝參數(shù)對減薄率的影響有重大現(xiàn)實意義。

圖1 單點漸進無模成型原理示意圖

2 試驗過程

2.1 板材減薄率

數(shù)字化無模成型過程種，破裂是最常出現(xiàn)的失效形式。由于板料的強度和塑性不夠，當成型刀具作用與板材時，拉應(yīng)力超過極限值便會產(chǎn)生破裂，尤其是局部變薄破裂[3]。因此減薄率是無模成型最為關(guān)鍵的評價指標。厚度減薄率定義為：

式中：η為厚度減薄率；a0為初始厚度；a1為減薄后厚度。

2.2 建立標準工藝參數(shù)驗證模型

根據(jù)減薄率的特征定義，設(shè)計典型特征樣件，開發(fā)出標準工藝參數(shù)驗證模型見圖2、3所示，對最容易產(chǎn)生減薄及開裂的特征進行多輪試制。樣件特征夾角為135°呈八角形排列，高度為70 mm，底部最大直徑195 mm，特征間過渡圓弧為R3至R5。記錄整個樣件試制開發(fā)過程，重點分析成型失效模式和減薄率參數(shù)研究?？焖俪尚筒煌卣鳂蛹r，能夠選擇最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，確保減薄率最優(yōu)。

圖2 標準工藝參數(shù)驗證模型 圖3 標準工藝參數(shù)驗證模型參數(shù)

2.3 工藝特征參數(shù)組合

基于成型設(shè)備及快速驗證的需求，數(shù)字化單點漸進無模成型研究，總結(jié)考察以下4大控制因子見表1所列，以材料類型作為噪聲因子。按照不同的水平數(shù)進行考察。

表1 關(guān)鍵工藝參數(shù)表

所成型板材的材料特性表2所列。

表2 CR3鋼帶材料特性表

選取的4大關(guān)鍵因素，以成型道次，層間距，走刀軌跡和進給速度作為控制因子；材料類型作為噪音因子，按照正交列表排列組合如表3～5所列。

表3 加工程序詳細信息

表4 加工程序詳細信息

表5 工藝參數(shù)正交列表

可以得到2組每組9種參數(shù)包組合。共計18種，對這18種參數(shù)組合分別進行試制，得到不同參數(shù)對無模成型板材減薄率的影響并分析。

2.4 樣件成型

此樣件是在數(shù)字化單點漸進無模成型設(shè)備上加工成型的。整個試制過程包括以下步驟：①確認零件角度，深度特征信息并選擇基準平面；設(shè)計開發(fā)代木凸模；②加工代木凸模和壓邊圈總成，檢查裝配干涉；③調(diào)整重合坐標原點，確認數(shù)模坐標和加工坐標一致；④編制開發(fā)加工方案程序，并按照步驟加工樣件；⑤完成加工，質(zhì)量檢測，圖4為無模成型設(shè)備加工過程圖示。

按照設(shè)計的正交列表逐個成型樣件，可以得到18件標準工藝參數(shù)驗證模型。其中CR31 mm厚材料9件；CR3 0.65 mm厚度樣件9件。用1 mm厚度板材進行試驗，并再次用0.65 mm板材進行驗證。圖5為標準工藝樣件試制變化規(guī)律仍和1 mm的保持一致，則表明試驗的內(nèi)容可靠。

圖4 無模成型設(shè)備加工過程 圖5 標準工藝樣件試制

2.5 成型尺寸分析

運用激光掃描測量得到成型樣件的點云數(shù)據(jù)，通過和CAD原始數(shù)據(jù)擬合比對得到色譜圖見圖6。發(fā)現(xiàn)整個樣件的幾何尺寸精度控制較好，尺寸精度在+/-1 mm內(nèi)。而在關(guān)注的側(cè)面以及錐角處誤差在0.5 mm內(nèi)。該樣件成型的代木凸模設(shè)計及加工程序設(shè)計均具有較高精度，所加工的樣件幾何特征和設(shè)計狀態(tài)較好匹配。

圖6 幾何尺寸檢測

3 試驗結(jié)果優(yōu)化及分析

采用超聲波測厚儀來測定加工完成后標準工藝參數(shù)模型的厚度，分析板料的減薄率。超聲波測厚儀的原理是利用超聲波脈沖反射來測定板材厚度，測量精度高并且不破壞零件本身。選擇了標準工藝參數(shù)驗證模型的不同位置作為厚度測量點，以樣件頂部，樣件1/2處中間部位以及底部位置進行測量，計算出3組位置的平均厚度得到對應(yīng)的減薄率?？梢缘玫綐蛹钠骄鶞p薄量約0.28～0.32 mm，計算出減薄率約在28%～32%的水平。從圖7、8所示可以看出，樣件底部減薄量明顯大于平均減薄水平。是由于底部區(qū)域水平方向上面積更大導(dǎo)致拉伸變形量大，同樣體積的材料流出更多。

圖7 樣件減薄量分析

圖8 樣件減薄率分析

見圖9，把測定的減薄率數(shù)值進行信噪比分析，可以得到追求最佳減薄率的參數(shù)組合為A1-B2-C1-D3，即成型道次為一道次成型；層間距選擇最小的0.2 mm；走刀軌跡選擇單向等高路徑；進給速度選擇最大80%。按照經(jīng)過最優(yōu)參數(shù)組合再次進行無模成型，圖10為制作出優(yōu)化后的最優(yōu)減薄率樣件，再次測定減薄率為26%，相對于之前的28%～30%的減薄率可以看出優(yōu)化的參數(shù)組合有效提升了標準工藝驗證模型樣件的減薄率。

圖9 信噪比分析

數(shù)字化單點無模漸進成型中，關(guān)鍵特征參數(shù)會對減薄率有明顯的影響[4]。進給速度和減薄率特性呈現(xiàn)正比例，更高的進給速度有利于提升減薄率：進給速度快有利于板料局部流動，非加工部位的材料可以補償流入提升了加工部位的厚度；層間距越小則減薄率越好，小的層間距使特征成型更加均勻，同時層間距太小會導(dǎo)致加工時間大幅度增長，影響加工效率；走刀軌跡選擇一次或者兩次走刀成型最優(yōu)利，試驗結(jié)果表面刀路太多會產(chǎn)生過多的加工層紋進而影響樣件表面粗糙度，并且會破壞表面鍍鋅層降低板材防腐蝕性能。

圖10 優(yōu)化參數(shù)包再成型

4 結(jié) 論

數(shù)字化單點無模漸進成型中，關(guān)鍵特征參數(shù)會對減薄率的影響。通過試驗和數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論：進給速度和減薄率特性呈現(xiàn)正比例，更高的進給速度有利于提升減薄率：進給速度快有利于板料局部流動，非加工部位的材料可以補償流入提升了加工部位的厚度；層間距越小則減薄率越好。走刀軌跡選擇一次或者兩次走刀成型最優(yōu)利，試驗結(jié)果表面刀路太多會對板材表面形成過壓，導(dǎo)致材料更加致密的同時厚度也會減??；刀路太多會影響減薄率。針對標準工藝參數(shù)驗證模型，減薄率最優(yōu)參數(shù)組合為：采用無過渡刀路而一道次成型，Z向進給量為0.2 mm的最小步距，刀路為單向等高線漸進成型，刀具移動進給速度為6 400 mm/min。采用優(yōu)化后的參數(shù)包后減薄率從28%提升至26%，相對于原參數(shù)包提高比例達到7%。