文懷興， 杜宣莉， 史鵬濤， 上燕燕

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.中國(guó)人民解放軍第5702工廠， 陜西 咸陽(yáng) 712200)

0 引言

現(xiàn)代制造過(guò)程越來(lái)越重視成形工藝過(guò)程，這樣可以使產(chǎn)品定制，減小成本和交貨時(shí)間.單點(diǎn)漸進(jìn)成形[1]不需要特定的成形工具，在計(jì)算機(jī)的作用下，使工具頭在板料上進(jìn)行逐層的等高線加工，最終一層一層累積成想要的形狀[2-4].這種新型的成形方式，最大的特點(diǎn)是可以顯著降低產(chǎn)品成本，縮短生產(chǎn)周期[5].由于成形軌跡是采用計(jì)算機(jī)的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以靈活性較強(qiáng)，適合單件和小批量生產(chǎn)，也非常適合加工形狀比較復(fù)雜的鈑金類零件[6].

單點(diǎn)漸進(jìn)成形思想從20世紀(jì)60年代由LESZAK[7]提出，20世紀(jì)90年代中期至今經(jīng)過(guò)科學(xué)家的廣泛研究，單點(diǎn)漸進(jìn)成形的研究主要集中在成形軌跡、數(shù)值模擬、成形設(shè)備、成形精度、成形力等方面[8-10].由于影響表面質(zhì)量問(wèn)題的因素極為復(fù)雜，目前對(duì)板料漸進(jìn)成形表面質(zhì)量方面的研究不是很深入，但是表面質(zhì)量對(duì)成形零件的外觀和正常使用影響較大，是單點(diǎn)漸進(jìn)成形非常重要的一方面[11,12].因此，對(duì)于板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形的表面質(zhì)量問(wèn)題的研究具有重要的意義.

根據(jù)理論分析可知，影響表面質(zhì)量的加工因素主要是加工步長(zhǎng)、刀具頭半徑和成形角這三個(gè)因素.由于表面粗糙度是衡量表面質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，所以利用表面粗糙度來(lái)研究這三個(gè)因素對(duì)板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量的影響，可為選擇單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量的最優(yōu)的加工參數(shù)作為參考依據(jù)[13].通過(guò)正交試驗(yàn)研究這三個(gè)加工因素對(duì)板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面粗糙度的影響規(guī)律[14,15]，可以大大減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，提高了效率.

1 理論分析

表面粗糙度是衡量表面質(zhì)量微觀精度最為常用的一種表面形貌參數(shù).它采用表面某個(gè)截面的輪廓曲線表示，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得到的值來(lái)表示該截面的波動(dòng)程度.由理論分析得Rz=r(1-cosβ)、β=arcsin(h′/2r)、h′=h/sinα[13]，其中Rz為表面粗糙度，h為加工步長(zhǎng)、r為刀具半徑、α為成形角.由這3個(gè)公式可知，表面粗糙度Rz的理論分析式最終和加工步長(zhǎng)h、刀具半徑r、成形角α相關(guān).若考慮單因素，只改變加工步長(zhǎng)h，不改變其它加工參數(shù)時(shí)，根據(jù)公式可知，表面粗糙度隨著加工步長(zhǎng)h的減小而減??；若只改變工具頭半徑r，不改變其它加工參數(shù)時(shí)，根據(jù)公式可知，表面粗糙度隨著工具頭半徑r的增大而減?。蝗糁桓淖兂尚谓铅?，不改變其它加工參數(shù)時(shí)，根據(jù)公式可知，表面粗糙度隨著成形角α的增大而減小.所以可以通過(guò)正交試驗(yàn)分析表面粗糙度和加工步長(zhǎng)、刀具頭半徑、成形角這三個(gè)因素的相關(guān)順序，為改善成形件表面質(zhì)量提供幫助.

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)材料性能

表1 鋁板2Al2材料性能

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)是在數(shù)控加工中心上進(jìn)行的.試樣為150 mm*150 mm，厚度為1.1 mm的2Al2的鋁合金薄板.實(shí)驗(yàn)采用的工具頭為硬質(zhì)合金的半球形工具頭，球頭部分淬火后硬度大于68HRC，之后進(jìn)行研磨和拋光，直徑分別為Φ6 mm、Φ8 mm、Φ10 mm，實(shí)驗(yàn)采用的潤(rùn)滑油為普通機(jī)油.將加工步長(zhǎng)h、刀具半徑r、成形角α這三個(gè)加工參數(shù)作為正交試驗(yàn)的三個(gè)因素，這三個(gè)因素在如圖1中顯示.這三個(gè)因素分別取三個(gè)水平因素，正交試驗(yàn)的水平因素如表2所示.在不考慮實(shí)驗(yàn)的相互作用下，采用3因素3水平方案，選用L9(34)正交表.正交試驗(yàn)方案如表3所示.

圖1 正交試驗(yàn)三水平因素h、r、α表2 水平因素表

水平因素ABC加工步長(zhǎng)h/mm工具頭半徑r/mm成形角α/ °10.5330 °21.0445 °32.0560 °

表3 正交試驗(yàn)方案

2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃图庸こ绦?/h3>

為了正確的反映出成形表面質(zhì)量的工藝參數(shù)和成形件表面粗糙度之間的關(guān)系，選用板料漸進(jìn)成形中典型、簡(jiǎn)單、易于觀察的實(shí)驗(yàn)幾何模型—截倒方錐.

利用UGNX6.0軟件的CAM模塊編制數(shù)控程序[16]，加工程序設(shè)置的詳細(xì)信息如表4所示.

表4 加工參數(shù)與信息

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程中，成形件表面粗糙度和表面形貌最能反映成形件表面質(zhì)量的好壞.研究影響成形件表面質(zhì)量的因素用表面粗糙度的數(shù)值和曲線表現(xiàn)，因此，可將表面粗糙度作為因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)，粗糙度值反映了板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程中的成形表面質(zhì)量，該值越小，則說(shuō)明表面質(zhì)量越好.

根據(jù)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用 TR200粗糙度儀來(lái)測(cè)量正交試驗(yàn)所得的成形件層與層之間橫向粗糙度，實(shí)驗(yàn)以Rz作為測(cè)量的主要參數(shù)，然后用PXS5-T體視顯微鏡觀察樣件表面形貌，表面粗糙度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示.對(duì)表5正交試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析法處理，采用極差分析法所得的結(jié)果見(jiàn)表6.圖2所示為試驗(yàn)樣件號(hào)為7的樣件，選用的加工步長(zhǎng)為2 mm，刀具半徑為3 mm，成形角為60 °，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1,進(jìn)給速度為600 mm·min-1，測(cè)量出表面粗糙度為12.79 um.圖3表示試驗(yàn)號(hào)為7的表面粗糙度測(cè)量圖.

圖2 試驗(yàn)號(hào)為7的樣件

圖3 試驗(yàn)號(hào)為7的粗糙度測(cè)量圖表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)號(hào)因素A/mmB/mmC/(°)試驗(yàn)結(jié)果/μm1 0.5330 °9.8820.5445 °6.72730.5560 °3.87241.0345°10.8751.0460°7.93561.0530°5.92572.0360°12.7982.0430°12.3792.0545°10.36

表6 極差分析

經(jīng)過(guò)極差分析法得出：極差越大的數(shù)值，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上的變化影響最大，所以極差數(shù)值最大的那一列就是水平因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最主要的因素.經(jīng)本實(shí)驗(yàn)分析，RA>RB>RC，因此各個(gè)因素從主要到次要的順序依次排列為：A因素(加工步長(zhǎng))、B因素(工具頭半徑)、C因素(成形角),也就是說(shuō)：加工步長(zhǎng)對(duì)表面質(zhì)量影響最大，其次是工具頭半徑，最后是成形角.為了直觀起見(jiàn)，以各個(gè)因素的水平變化為橫坐標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的平均值為縱坐標(biāo)，繪制出水平因素和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系圖如圖4.

由圖4可以看出，按照平均值大小選取優(yōu)水平為A1B3C3，既選擇0.5 mm的加工步長(zhǎng)、5 mm的加工半徑，60 °的成形角為最優(yōu)組合.由圖4(a)所示，表面粗糙度隨著加工步長(zhǎng)的增加而升高，較小的加工步長(zhǎng)可以使得成形件表面質(zhì)量提高.但是加工步長(zhǎng)的減小也會(huì)使得加工時(shí)間變長(zhǎng)，影響了產(chǎn)品生產(chǎn)的周期，所以也不能太小，一般0.5 mm左右適宜.圖4(b)所示，表面粗糙度隨著工具頭半徑的增大而減小，較大的工具頭產(chǎn)生較好的成形件表面質(zhì)量.但是較大的工具頭制造成本較高，所以綜合考慮，一般的工具頭半徑選用5mm適宜.圖4(c)所示，表面粗糙度隨著成形角的增大而減小，較大的成形角產(chǎn)生較好的成形件表面質(zhì)量.因?yàn)樵诩庸げ介L(zhǎng)、工具頭半徑不變的情況下，較大成形角的成形樣件每?jī)蓪又g的殘余波峰高度比較小成形角的小，而殘余波峰高度直接影響表面粗糙度，殘余波峰高度越大，表面粗糙度越大，所以，較大成形角有利于成形件的表面質(zhì)量.當(dāng)成形角接近90°時(shí)，表面質(zhì)量應(yīng)該最好，但是一般的鋁制材料一次成形的成形極限角為72 °左右，所以成形角在70 °左右最好.

(a)水平因素加工步長(zhǎng)和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系圖

(b)水平因素工具半徑和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系圖

(c)水平因素成形角和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系圖圖4 各水平因素和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系圖

對(duì)實(shí)驗(yàn)方案中的樣件進(jìn)行表面形貌分析，分析圖如圖5所示.由于篇幅有限，只列出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣件的表面形貌圖.圖5(a)為試驗(yàn)號(hào)2的表面形貌，圖5(b)為試驗(yàn)號(hào)7的表面形貌.為了便于測(cè)量表面粗糙度，所以將所有的實(shí)驗(yàn)樣件進(jìn)行了線切割，線切割之后的樣件紋路圖如圖6所示.圖6(a)為試驗(yàn)號(hào)2的表面紋路，圖6(b)為試驗(yàn)號(hào)7的表面紋路.

(a)試驗(yàn)號(hào)為2的表面紋理圖

(a)試驗(yàn)號(hào)為2的表面紋路圖

(b)試驗(yàn)號(hào)為7的表面紋路圖圖6 試驗(yàn)的表面紋路圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，不同的工藝參數(shù)對(duì)成形件表面紋路也有影響.在相同的測(cè)量距離200 um范圍內(nèi)，加工步長(zhǎng)為0.5 mm，刀具半徑為4 mm，成形角為45 °，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1,進(jìn)給速度為600 mm·min-1的條件下，試驗(yàn)2中出現(xiàn)的波紋淺而多，波紋之間的距離也非常小，其值為765.956 um，觀察圖6(a)樣件的波紋高度也較小，波紋密密麻麻一個(gè)緊挨著一個(gè)，波紋基本沒(méi)有凹凸，此樣件的表面粗糙度小，成形件表面較光滑.而加工步長(zhǎng)為2 mm，刀具半徑為3 mm，成形角為60 °，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1,進(jìn)給速度為600 mm·min-1的試驗(yàn)7中出現(xiàn)的波紋深而少，波紋之間的距離也較大，其值為2 209.775 um,觀察圖6(b)樣件的波紋高度較大，波紋的凹凸非常明顯，此樣件的表面粗糙度較大，成形件表面不光滑.

3 結(jié)論

(1)板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量的加工工藝參數(shù)中，影響最大的為加工步長(zhǎng)、其次是工具頭半徑、最后為成形角.

(2)板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量隨著加工步長(zhǎng)的減小而得到改善，加工步長(zhǎng)越小，成形件表面質(zhì)量越好.但加工步長(zhǎng)太小，成形時(shí)間大大增加，延長(zhǎng)了成形周期，一般取0.5 mm為宜.

(3)板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量隨著成形角的增大而得到改善，成形角越大，成形件表面質(zhì)量越好.但是成形角不能取得過(guò)大，否則會(huì)由于超過(guò)成形極限角而破裂，所以一般成形角略小于對(duì)應(yīng)板料的成形極限角，取70 °適宜.

(4) 板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量隨著工具頭半徑的增加而得到改善，工具頭半徑越大，成形表面質(zhì)量越好.但工具頭半徑太大，成形工具頭的成本大大提高，一般工具頭半徑取5 mm為宜.

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