劉 炫，李鵬程，陳怡霖，朱 虎

(沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，沈陽 110136)

0 引言

金屬板材數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)是一種基于分層制造原理，把塑性成形技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)有機(jī)相結(jié)合的無模柔性成形技術(shù)[1]，該方法是在數(shù)控設(shè)備的控制下成形工具沿成形軌跡運(yùn)動(dòng)逐點(diǎn)擠壓板料，漸進(jìn)地加工出所需板材件而無需昂貴的模具，故而在多品種少批量生產(chǎn)中具有較好的應(yīng)用前景[2]。

在數(shù)控漸進(jìn)成形中，板材件是通過成形工具沿著成形軌跡的擠壓運(yùn)動(dòng)得到，因此成形工具的移動(dòng)軌跡對(duì)板材件的質(zhì)量具有重要影響。成形軌跡規(guī)劃和生成是數(shù)控漸進(jìn)成形的重要研究內(nèi)容和不可缺少的重要環(huán)節(jié)[3]。數(shù)控漸進(jìn)成形可分為單道次漸進(jìn)成形和多道次漸進(jìn)成形。多道次漸進(jìn)成形主要用于成形角較大的直壁件成形，其特征是通過多次成形來控制材料的流動(dòng)和再分配，實(shí)現(xiàn)直壁件無破裂成形[4]。

針對(duì)多道次數(shù)控漸進(jìn)成形，研究了輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡和各等高層由內(nèi)向外輪廓銑削軌跡等三種成形軌跡的規(guī)劃和生成方法，利用ANSYS/LS-DYNA軟件通過數(shù)值模擬，對(duì)比分析了不同類型成形軌跡對(duì)多道次數(shù)控漸進(jìn)成形板材件厚度分布和減薄率的影響。

1 成形軌跡規(guī)劃和生成

多道次漸進(jìn)成形中，成形工具的移動(dòng)路徑和移動(dòng)方向不同，參與變形的板材面積、金屬量和材料流動(dòng)方式不同，成形效果也不同。以圖1所示的圓臺(tái)型直壁件模型為例，研究了針對(duì)多道次數(shù)控漸進(jìn)成形的成形軌跡規(guī)劃和生成方法，對(duì)比分析了不同類型成形軌跡對(duì)成形質(zhì)量的影響。該直壁件模型的最大直徑為90 mm，成形深度為20 mm，成形角為75°。板材選用1060鋁板，厚度為0.88 mm，板材長寬均為130 mm。圖1a和圖1b分別顯示了直壁件模型的二維圖和三維模型。

圖1 直壁件模型：(a)二維圖 (b)三維模型Fig.1 Straight wall model:(a)2D drawing (b)3D model

由于該板材件模型的成形角大于1060材料的成形極限角，因此該板材件模型無法以單道次成形來實(shí)現(xiàn)其成形加工，而必須采用多道次漸進(jìn)成形。對(duì)該板材件模型采用二道次成形策略，如圖2a所示。第一道次成形角設(shè)定為60°，成形深度為20 mm；第二道次成形以直壁件的內(nèi)表面為成形加工面，成形角是75°，成形深度為20 mm。為了生成第一道次成形軌跡，利用UG軟件根據(jù)圖2a所示的成形策略，生成了如圖2b所示的第一道次成形模型。

圖2 二道次成形：(a)成形策略 (b)第一道次成形模型Fig.2 Two stages forming:(a)forming strategy (b)the first pass forming model

為了能夠按照圖2a所示的多道次漸進(jìn)成形策略進(jìn)行成形加工，必須規(guī)劃和生成出第一道次成形和最終道次成形軌跡。規(guī)劃了輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡和各等高層由內(nèi)向外輪廓銑削軌跡三種成形軌跡類型，并以圖2b所示第一道次成形模型和圖1b所示最終道次成形模型，利用UG軟件分別生成上述三種成形軌跡，如圖3所示。其中，成形工具設(shè)定為直徑Φ10的球頭銑刀，將進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為500 mm/s和300 rpm，等高線層間距設(shè)定為0.4 mm。生成成形軌跡的具體方法是，在部件的幾何中心位置建立MCS坐標(biāo)、選擇建模部件和Φ10球頭刀；工序選擇Mill-Contour類型中的型腔銑(Cavity_Mill)加工方式，切削模式選擇輪廓加工，同時(shí)指定切削區(qū)域就可生成出等高線輪廓銑削軌跡，如圖3a所示。如果切削模式選擇跟隨周邊，刀路方向選擇向內(nèi)，就可得到各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡，如圖3b所示。如果切削模式選擇跟隨周邊，刀路方向選擇向外，就能生成出各等高層由內(nèi)向外輪廓銑削軌跡，如圖3c所示。

圖3 成形軌跡：(a)輪廓銑削 (b)由外向內(nèi)輪廓銑削 (c)由內(nèi)向外輪廓銑削Fig.3 Forming toolpath:(a)contour milling (b)outside-in contour milling (c)inside-out contour milling

2 直壁件多道次成形過程有限元分析

為了比較不同類型成形軌跡對(duì)多道次漸進(jìn)成形質(zhì)量的影響，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)圖1所示直壁件的多道次漸進(jìn)成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，比較如圖3所示的輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡和各等高層由內(nèi)向外輪廓銑削軌跡三種成形軌跡的數(shù)值模擬成形件的厚度分布情況和減薄規(guī)律。將板料四周夾緊固定在支撐模上，用成形工具頭對(duì)板材進(jìn)行擠壓，成形加工出直壁板件，如圖4a所示，其中限制板料的所有自由度和成形工具圍繞X軸，Y軸和Z軸的3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。在數(shù)值模擬分析中，板料采用厚度為0.88 mm的1060鋁板，選用殼單元SHELL163四節(jié)點(diǎn)顯式結(jié)構(gòu)殼單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為1.5；成形工具采用直徑10 mm的球頭模型；建立如圖4b所示的有限元分析模型。板材材料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

圖4 數(shù)值模擬：(a)成形工藝 (b)有限元分析模型Fig.4 Numerical simulation:(a)forming process (b)finite element analysis model

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical property parameters of materials

利用有限元數(shù)值模擬后處理軟件LS-PrePost對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，得到的基于輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡和各等高層由內(nèi)向外輪廓銑削軌跡三種成形軌跡的多道次漸進(jìn)成形數(shù)值模擬件。圖 5分別顯示了基于輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡和各等高層由內(nèi)向外輪廓銑削軌跡三種成形軌跡的數(shù)值模擬件的厚度分布云圖，其數(shù)值模擬件的最大厚度和最小厚度分別為[0.892 4，0.241 3]、[0.888 7，0.251 2]和[0.893 6，0.202 5]。從厚度分布來看，基于各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡較比其他兩種成形軌跡，其多道次漸進(jìn)成形厚度分布均勻、最大厚度與最小厚度差異小。

圖5 厚度分布：(a)輪廓銑削 (b)由外向內(nèi)輪廓銑削 (c)由內(nèi)向外輪廓銑削Fig.5 Thickness distribution:(a)contour milling (b)outside-in contour milling (c)inside-out contour milling

圖6分別顯示了基于輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡和各等高層由內(nèi)向外輪廓銑削軌跡三種成形軌跡的數(shù)值模擬件的厚度減薄率分布云圖，其數(shù)值模擬件的減薄率分別在[6.054%，78.85%]、[5.744%，76.42%]和[6.461%，76.93%]。從厚度減薄率分布來看，基于各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡較比其他兩種成形軌跡，其多道次漸進(jìn)成形厚度減薄率小。

圖6 厚度減薄率：(a)輪廓銑削 (b)由外向內(nèi)輪廓銑削 (c)由內(nèi)向外輪廓銑削Fig.6 Thickness reduction rate:(a)contour milling (b)outside-in contour milling (c)inside-out contour milling

3 結(jié)論

利用UG軟件通過改變切削模式、刀路方向規(guī)劃和生成了針對(duì)多道次數(shù)控漸進(jìn)成形的輪廓銑削軌跡、各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡和各等高層由內(nèi)向外輪廓銑削軌跡等三種成形軌跡?；贏NSYS/LS-DYNA軟件的有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，不同類型成形軌跡對(duì)多道次數(shù)控漸進(jìn)成形板材件厚度分布和減薄率的影響不同，其中各等高層由外向內(nèi)輪廓銑削軌跡較比其他兩種成形軌跡類型，能夠獲得較好的成形效果。