数控渐进成形工艺参数对表面质量的影响

孙皓亮;吴奎发;徐岩;王辉

【摘 要】应用数控渐进成形设备，针对铝合金锥形件进行了试验研究。通过改变成形中的润滑方式、工具头形状、工具头直径、进给量等工艺参数，并对成形后的试验件表面粗糙度和表面形貌进行测量和分析，研究成形参数对零件表面质量的影响。实验结果如下：球头工具头成形的零件表面质量优于圆柱形工具头，大直径的工具头成形零件的表面质量要好于小直径的工具头，层进给量越小，零件表面质量越好，固体润滑剂相比于液体润滑剂对5754铝合金成形的零件表面质量影响较小。%Research on the forming of the pyramid-shaped parts of aluminum al oy is conducted with the equipment of NC incremen-tal Forming. The pyramid-shaped parts are produced by changing four factors of lubrication, tool shape, tool radius and step size. The surface roughness and surface topography of the parts are tested and analyzed in order to find out the effect of the forming process parameters on the surface quality of the parts. The findings are:spherical tools are better than cylindrical tools, larger diam-eter tools are better than the smal er ones, and smal er step size is better. But for 5754 aluminum al oy parts, the solid lubricant has less effect on the surface quality than the luboil. 【期刊名称】《机械制造与自动化》 【年(卷),期】2016(000)003 【总页数】3页(P31-33)

【关键词】单点渐进成形;表面粗糙度;表面形貌 【作 者】孙皓亮;吴奎发;徐岩;王辉

【作者单位】南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京210016;天津直升机有限责任公司 工程制造部，天津300308;南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京210016;南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京210016 【正文语种】中 文 【中图分类】TG386

数控渐进成形方式是20世纪90年代由日本学者松原茂夫[1]提出的，这种成形技术采用分层制造的思路，是利用工具头对板材进行逐层成形[2]。与传统钣金模具冲压生产方式不同，数控渐进成形技术具有生产周期短，柔性化程度高的特点，适合小批量，多品种，个性化的生产[3]。由于渐进成形局部加载，局部变形的特点，其成形过程中，工具头与板料作用的时间长，每点都被反复碾压，对成形件的表面会产生重要的影响。

卢仁伟[4]等在对0Cr18Ni9的渐进成形润滑研究中，分析了零件的表面磨损形式，提出了草化处理提高润滑剂在零件表面的黏附性；宋修成[5]等研究了滚动头刀具与刚性刀具加工表面质量的不同；范国强[6]等提出了渐进成形摩擦是一种混合摩擦，并针对TC4电辅助加热成形的特点，研究出最佳的润滑方式。目前对渐进成形零件表面摩擦磨损的研究还不多，对渐进成形件表面质量的研究不够深入，仍然值得探讨。通过试验来分析润滑、工具头直径、形状以及进给量对成形件表面质量的影响。

实验采用5754铝合金板材，板材厚度2mm，成形设备采用南航自行开发的NH-SK1060型渐进成形机床，利用压板将成形装置固定在机床工作台面上，然后通过

螺栓及压边装置将板材固定。

实验成形一个120mm×120mm的方锥形零件，零件的成形角为60°(图 1)，试验共分为5组，每组的成形参数如表 1。对成形零件取样，利用光干涉三维形貌仪测量零件表面的粗糙度。

表面粗糙度代表着加工表面较小间距和微小峰谷的不平度，为此，可从几何关系角度分析工具头直径，以及进给量与粗糙度之间的关系。图 2为渐进成形加工过程中，工具头在同一截面相邻两层位置的几何图，通过这张几何关系图，可以计算零件被加工表面波峰与波谷之间的差值,即残余波峰高度的理论值为:

式中：h为残余波峰高度值，r为工具头半径，Δ为层进给量，α为成形角。 粗糙度是描述表面形貌最常用的参数，代表了零件表面轮廓高度的起伏变化[7]。理想情况下，渐进成形零件的剖面图如图 3，其中，上表面曲线即为零件的一维形貌。

已知表面粗糙度Ra的公式为： 代入图3中有关参数，得： 因为： 代入式(1)得：

以上公式可以看到，渐进成形粗糙度Ra理论值与残余波峰高度成正比。而由残余波峰高度公式可以看到粗糙度会随着刀具半径的增加而减小，随着层进给量的增加而增大。 实验结果如表 2。

对比实验1、5结果，从上面的实验结果来看，零件的表面粗糙度会随着工具头直径的增加而减小，这与粗糙度理论分析的结果相同。观察两成形件的表面形貌，如图 4，图 5中可以看到，1号试件的表面的加工纹理清晰，均匀，点坑很少，而5

号试件的点坑则要密的多，很明显，成形中，5号试件的磨损要比1号试件严重的多。

对比实验1、4结果，从实验结果来看，4号试件的测量粗糙度与理论粗糙度很接近，但实际测量的多组数据却波动很大，取样得到的最大粗糙度达到4.119，最小1.418，观察4号试件的表面形貌如图 6。可以看到，成形件表面有大量的沟痕，零件表面出现剥落，这是在成形中由于接触力太大，使得工具头与材料之间磨损剧烈，金属表面由于变形强化而变脆，在载荷作用下产生微裂纹随后剥落，因而整个表面就会出现很多的沟痕。

对比实验1、3结果，从实验结果中，可以看出层进给量的增大会使零件的粗糙度增大，这与理论分析的结果一致。3号试件的表面形貌如图 7 。1号试件的表面形貌比较，可以发现，3号试件表面的波纹距更宽，点坑也相对较多，这也符合粗糙度理论分析结果。

对比实验1、2 结果，可以看到，1、2号试件的表面粗糙度基本相当。虽然固体润滑剂在成形表面硬度较高的零件时，可以提高润滑效果，但对于该5754铝合金而言，由于其表面的硬度并不高，在成形中易被工具头磨损撕裂，形成磨粒，即使添加固体润滑剂仍不能改变磨损状况，故直接在成形中采用固体润滑剂效果并不佳。 1) 由理论分析配合实验结果分析，得出渐进成形零件的表面粗糙度会随着工具头直径的增加而减小，随着层进给量的增加而增大。

2) 影响渐进成形粗糙度的包括残余波峰高度和摩擦磨损。当工具头圆角半径过小时，成形中摩擦磨损就会极为严重，从而极大地影响零件的表面粗糙度，并使零件表面质量极不稳定。

3) 对软材料而言，油润滑与固体润滑对渐进成形粗糙度的影响其实并不明显，因而为提高表面质量，可以采取表面处理强化的措施。

【相关文献】

[1] 松原茂夫. 数值控制逐次成形法[J]. 塑性と加工, 1994(11): 1258-1263.

[2] 李军超，张旭，彭守桃. 金属板料无模渐进成形板厚变化仿真与实验研究[J]. 热加工工艺，2011，40(7)：1-4.

[3] 陶龙，王进，姜虎森，等. 单点渐进成形时工艺参数对成形能力的影响[J]. 锻压技术，2012，37(3)：19-22.

[4] 卢仁伟，高霖，史晓帆. 0Cr18Ni9板料数控渐进成形润滑技术研究[J]. 机械科学与技术，2012，31(4)：597-599.

[5] 宋修成，陆斌，陈军，等. 板料渐进成形件表面质量的影响因素分析[J]. 机械工程学报，2013，49(8)：84-89.

[6] 范国强,等. TC4 板料电辅助加热数控渐进成形时摩擦和润滑的研究[J]. 机械科学与技术，2010，29(2)：201-205.

[7] 温诗铸，黄平. 摩擦学原理[M]. 北京：清华大学出版社，2008：308-310.