板料渐进成形件表面质量的影响因素分析

板料渐进成形件表面质量的影响因素分析

　　板料数控渐进成形技术是一种柔性无模成形技术。通过采用简单形状的工具，按照预先设定的轨迹，对板料逐步加工，以成形的累积得到的零件形状。该方法可以节省模具制造和维护费用，缩短生产周期，特别适用于小批量和单件生产，也可以制造形状复杂的钣金零件。

　　渐进成形在20世纪60年代由LESZAK提出，但直到20世纪90年代中期以后，才引起各国学者的广泛关注和研究。与传统的板料成形工艺相比，渐进成形在成形性、成形精度、零件减薄、轨迹优化，成型时间和表面质量等方面都尚存在问题。韦红余等利用误差位移法对一组圆锥形成形制进行研究，提出渐进成形过程中金属板料回弹和成形工具系统刚度是影响成形制件精度的主要因素。周六如分析了材料种类、锥角大小、板料厚度和直壁形状特征对渐进成形变形区厚度的影响规律，并用来指导复杂零件的渐进成形。李泷杲等采用虚拟靠模导向法实现了渐进成形有限元模拟中复杂空间轨迹的构建。到目前为止，对于渐进成形件表面质量的研究仍然较少。

　　表面质量是评价产品质量的重要标准，不仅决定产品的美观，还直接影响到产品的正常使用。渐进成形作为一种局部成形方法，虽然所需的整体成形力较小，但在工具与板料接触区域压力很大。即使在有润滑的情况下也很难形成有效的流体润滑剂薄膜，因此处于一种边界摩擦状态。由于工具和板料的表面轮廓有微小的起伏，在渐进成形中相互接触时接触压力较大，强度较低的板料的微小波峰会首先产生塑性变形，在之后的相对移动中波峰被剪切，产生碎屑并发生材料转移，继续划伤未磨损的表面，造成连续破坏。HAMILTON等利用粗糙度值Ra、Rz和成形参数建立了表现橘皮效应的等效度粗糙度的模型，发现该模型对零件形状和增量步长非常敏感。为解决表面质量问题，贾俐俐等采用涂覆层技术和双层板避免工具与下层板的直接接触，改善了下层板的表面质量。HUSSAIN等研究了不同润滑剂在不同的润滑方式下渐进成形件的表面粗糙度，并采用涂层改善润滑剂的润滑效果。但是这些方法都会导致高的制造成本，难以在生产中推广使用。

　　本文拟以典型锥形零件渐进成形为例，针对其中影响表面质量的主要因素，分析其影响程度及影响机理，建立基本的影响规律。拟通过改善加工参数(尤其是预设残余波峰高度)和摩擦方式，达到控制表面质量的效果。

表面质量影响因素分析

　　影响板料渐进成形件表面质量的因素可分为加工参数、材料因素和摩擦状态。每类影响因素又包含了多个参数，而且各参数的水平也影响其他因子的作用效果。因此，拟采用全因子试验对各因素进行研究。

系统研究各个参数对成形件表面质量影响规律的研究，得到以下结论。

　　（1）预设的残余波峰高度是影响渐进成形件表面质量的非常主要因素。对于AA1010板料，当预设残余波峰高度从10μm和5μm减小到1μm时，零件粗糙度分别降低了89%和82%

　　（2）原始板料粗糙度决定了预设余波峰高度的作用效果。当原始板料的表面粗糙度与预设残余波峰高度相近时，得到渐进成形件的Rz可以达到或低于预设值；而当原始板料的表面粗糙度远大于预设残余波峰噶偶时，虽然可以改善原始表面质量，但是得到成形件的表面Rz无法达到设定值。

　　（3）滚动摩擦可改善犁沟效应和研磨效应，其作用效果取决于预设残余波峰高度。当 预设残余波峰高度较小时，滑动摩擦压头导致的研磨效应是影响渐进成形件表面质量的主要因素；当预设的残余波峰高度值较大时，犁沟效应是影响渐进成形件表面质量的主要因素。采用具有滚动摩擦效果的压头可以降低犁沟效应，改善表面质量。

　　（4） 对确定的表面质量要求，在实际渐进成形时需要根据原始板料粗糙度和所需加工时间等因素统筹考虑。对AA1010板料，在不考虑时间成本的前提下，选用刚性头工具，采用预设残余波峰高度为1～3 μm的加工指令，可以获得粗糙度与原始板料相近的零件。如果需要减少加工时间，则可选用滚动头工具，采用预设残余波峰高度为10 μm的加工指令，可以获得表面粗糙度Rz为3.67 μm的零件。