5182-O铝合金板材圆孔渐进翻边精度研究

胡桃桃，喻家俊，吴 琦，王会廷

(安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243032)

板料渐进成形工艺是通过将复杂的三维薄壁零件分解为一系列等高线，成形工具在数控系统的控制下沿着等高线逐层碾压板料，直至最终得到完整的零件[1]。该工艺具有柔性高、成形力小及成形性能高等优点，成形零件时不使用模具或使用简单模具，可显著降低小批量产品零件的制造成本和开发周期[2]。翻边是将板材上的孔缘或外缘翻成竖边，其作为金属板料成形的基本工艺，可提高零件刚度、隐藏部件、强化板料的边缘，在薄壁件生产中广泛使用[3]。

将渐进成形技术应用于板料翻边中，成形步骤简单，可大大缩短零件的制作周期。但圆孔渐进翻边件工艺窗口小，只能在较小的工艺参数范围内实现，成形精度与成形过程中零件几何形状、材料性能、板料初始形状、工艺条件等因素有关[4-5]，且预制孔的尺寸对圆孔渐进翻边成形性能影响较大[6]。文怀兴等[7]研究了不同板料原始厚度对成形件精度的影响，发现板料厚度越大，侧壁的加工精度越高；张其龙等[8]比较了3种不同路径圆孔渐进翻边的成形性，并确定了最佳初始成形角；Lu等[9]提出了一种等变形梯度分层的螺旋线成形轨迹加工方法，使成形件表面质量和几何精度均得到较大提高。对于渐进成形件壁厚分析，曹宇等[10]，周玉等[11]提出了最小厚度的理论计算公式，并以此建立了翻边中部厚度减薄的判定标准，利用多道次圆孔渐进翻边有效消除了单道次成形时出现的翻边中部厚度减薄现象；崔震等[12]研究了翻边过程中成形力与零件壁厚的变化，分析了成形工艺参数(成形工具头直径、每层进给量和零件的最终孔径)对板料翻边成形过程的影响。

以上关于圆孔渐进翻边的研究，大部分集中于圆孔渐进翻边能力、翻边路径优化、工艺参数对成形性能影响等，较少涉及圆孔渐进翻边中工艺参数对其精度的影响。为此，研究5182-O铝合金板材圆孔渐进翻边过程中，工艺参数(道次分配、工具头直径、每层进给量和进给速度等)对翻边件加工精度的影响，探讨工艺参数对孔翻边件成形过程的影响规律，以期为渐进成形翻边零件的加工提供工程参考。

1 圆孔渐进翻边试验

1.1 试验材料

以5182-O铝合金板为试验材料，材料厚度为1 mm，其机械性能参数如表1[14]。

表1 5182-O铝合金板材机械性能Tab.1 Mechanical properties of 5182-O aluminum alloy sheet

1.2 试验原理与方法

板材圆孔渐进翻边是利用渐进成形方式将预制圆孔边缘翻成竖立直边的成形方式，如图1。由于圆孔渐进翻边成形角大，一般不能一次成形，需采用多道次成形[13]。文中采用三道次圆孔渐进翻边，设计的三道次圆孔渐进翻边路径如图2。其中：第一道次成形角度即为初始成形角θ1；第二道次成形角度为θ2=(90°-θ1)/2；第三道次成形角度与第二道次相同，成形完成后零件形成直壁，圆孔翻边完成。

圆孔渐进翻边试验在NH4050渐进成形机床上进行，在板材上预先开制圆孔并由夹板夹紧。成形前对成形装置(如图3)进行定位，使工具头中心、板材预制孔中心和凹模中心在同一平面上。成形工具头用YG8 硬质合金制造，底部为球头，以等高线轨迹运动，且三道次成形过程连续进行，以减少多次定位带来的误差。为降低摩擦，选用46号抗磨液压油润滑。

图1 圆孔渐进翻边原理示意图Fig.1 Schematic diagram of hole incremental flanging

图2 三道次变角度圆孔渐进翻边路径设计Fig.2 Path design of hole incremental flanging with three passes of variable angle

以翻边件不同高度上截面实测直径与目标直径的差值Δd 作为圆孔渐进翻边精度判据，如图4所示，探讨道次分配、成形工具头直径(8，10，12，14 mm)、层进给量(0.2，0.3，0.5，1.0 mm)和进给速度(400，1 000，2 000，3 000 mm/min)等工艺参数对5182-O 铝合金板材三道次圆孔渐进翻边精度的影响。初始坯料为100 mm×100 mm，预制孔直径为45 mm，最终翻边直径为66 mm。

1.3 初始成形角的确定

道次圆孔渐进翻边过程中，初始成形角的确定是其成形路径的关键。板材圆孔翻边的初始成形角和板材的渐进成形极限角相关，多道次渐进成形翻边初始成形角必须小于板材的渐进成形极限角。5182-O 铝合金板的渐进成形极限角的确定采用变曲面模型，模型如图5。曲面母线上每一个点相应代表一个成形角，通过成形此零件直至裂纹产生，测量成形零件的破裂高度，计算裂纹处的成形角，即板材的渐进成形极限角[13]。

实验模型的具体参数为：零件口部最大直径为66 mm，母线半径R 为57.5 mm，底部开口直径为29.43 mm，零件高度y1为42.05 mm，实际成形高度为hs，相应模型成形角为43°～90°。考虑层压下量对成形极限角的影响，设置层压下量为0.3，1 mm进行渐进成形实验，得到破裂高度为20.07，17.14 mm，根据式(1)求得其对应成形极限角分别为68°和64°。因此5182-O铝合金板材渐进成形翻边初始成形角应小于64°。

2 试验结果与分析

2.1 成形角度分配的影响

为研究三道次圆孔渐进翻边过程中成形角分配对圆孔翻边件精度的影响，实验中工具头直径为12 mm，层进给量设定为0.3 mm，工具头进给速度设定为2 000 mm/min，分别采用30°、40°、50°、60°不同的初始成形角进行圆孔渐进翻边实验，再逐步分析两道次中间成形和三道次最终成形结果。分析计算各道次成形零件的实测直径与目标直径的偏差，结果如表2。

图6是采用不同的初始成形角后成形件实测直径与目标直径的偏差结果。由图6可看出：第一道次渐进成形后，采用不同初始成形角得到的成形件实测直径与目标直径都存在一定偏差；初始成形角为40°时，最大直径偏差较大，为8.62 mm；初始成形角度在50°和60°时成形精度较好，最大直径偏差值在4.5 mm左右，和初始成形角40°相比精度改善大。

图3 成形装置Fig.3 Forming device

图4 实测与目标直径偏差示意图Fig.4 Diagram of deviation between measured and target diameter

图5 极限成形角确定模型，mmFig.5 Model of the limit forming angle determining，mm

表2 各道次成形直径偏差值ΔdTab.2 Deviation value of forming diameter of each pass Δd

图6 第一道次成形结果Fig.6 Forming results of the first pass

图7为两道次渐进成形后成形件的实测直径与目标直径偏差结果。由图7可知：零件成形角度由40°到75°的成形过程，最大直径偏差为2.10 mm，成形角度由40°到65°的成形过程，最大直径偏差为2.22 mm，即当初始成形角都为40°时，第二道次成形角大的成形件精度高；当经两道次渐进成形后零件目标成形角皆为75°时，初始成形角为40°时的成形精度比60°时的精度高，即第二道次变形大有助于提高成形目标件精度。由上分析可以得出：第一道次成形精度对最终目标件成形精度影响不大，而第二道次的变形程度显著影响目标成形件精度；第二道次必须保证一定的变形量，以消除成形件回弹，提高零件成形精度。

图8为两种三道次圆孔渐进翻边后翻边件实测直径与目标直径的偏差结果。由图8可看出，两种三道次成形的圆孔翻边件，其实测直径与目标直径均存在偏差，但偏差值均在成形过程中逐渐减小。其中：道次分配40°～65°～90°的圆孔翻边件最大直径偏差值为1.515 mm；道次分配60°～75°～90°圆孔翻边件最大直径偏差值为3.289 mm；道次分配40°～65°～90°成形出的圆孔翻边件精度更高。即在三道次圆孔渐进翻边过程中，初始成形角对最终翻边件成形精度影响显著；在初始成形角不大于材料允许的渐进成形极限角的情况下，宜采用较小的初始成形角来保证第二、三道次具有较大的成形角，从而使第二、三道次成形时有足够的变形，成形件经每道次成形后，其实测直径和目标直径偏差逐渐减小，进而得到精度较高的圆孔渐进翻边件。

2.2 工具头直径的影响

在成形角度分配为60°～75°～90°、层进给量为0.3 mm、工具头进给速度为2 000 mm/min的条件下，工具头直径(6，8，10，12，14 mm)对圆孔翻边件精度的影响如图9。图9可看出：不同工具头直径条件下圆孔翻边件实测直径均比目标直径小，当工具头直径为14 mm时，圆孔渐进翻边件的实测直径最接近目标直径；工具头直径在8～12 mm范围内，随着工具头直径的增大，圆孔翻边件的实测直径越偏离目标直径。即随着工具头直径的增加，工具头与下夹板之间的材料接触面积增加，径向成形力增大，更多的材料参与直壁成形，变形区材料相对增加，变形增大。

图7 二道次成形结果Fig.7 Forming results of two passes

图8 三道次成形结果Fig.8 Forming results of three passes

2.3 层进给量的影响

在成形角度分配为60°～75°～90°、工具头直径为12 mm、工具头进给速度为2 000 mm/min的条件下，层进给量(0.2，0.3，0.5，1.0 mm)对圆孔翻边件精度的影响如图10。由图10可看出：不同压下量条件下圆孔翻边件的实测直径与目标直径均存在差值，层压下量在0.2～0.5 mm范围内，圆孔翻边件的直径偏差比较稳定，且都比目标尺寸小，为负偏差；当成压下量上升至1 mm，成形件实际尺寸比目标尺寸大，成形件尺寸偏大，为正偏差。这是由于层压下量大时，工具头轴向进给大，工具头和板料接触部位完全位于变形区和未变形区分界线未变形板料一侧，当工具头继续渐进挤压板料时，工具头附近变形区厚度比未变形区小，变形区将带动附近成形区继续变形，造成变形区尺寸变大，进而使最终成形件尺寸变大，甚至产生成形件尺寸正偏差现象。

图9 工具头直径对加工精度的影响Fig.9 Influence of tool head diameter on machining accuracy

图10 层压下量对加工精度的影响Fig.10 Influence of depth increment on the machining accuracy

2.4 进给速度的影响

在成形角度分配为60°～75°～90°、工具头直径为12 mm、层进给量为0.3 mm 的条件下，工具头进给速度(400，1 000，2 000，3 000 mm/min)对圆孔翻边件精度的影响如图11。由图11可看出：不同进给速度条件下成形圆孔翻边件的实测直径均小于目标直径，进给速度为400 mm/min 时，圆孔翻边件的实测直径最接近目标直径；进给速度在1 000～3 000 mm/min 范围内，进给速度越大，圆孔翻边件的实测直径越接近目标直径。即小进给速度有利于圆孔翻边精度的提高，但进给速度增大至一定值时，进给速度与圆孔翻边精度成正比，但均呈负偏差。这是由于进给速度越大，所需成形力越大，致使成形过程中板料不参与变形的部分(支撑作用部分)弹性变形大，支撑部分在弹性变形与弹性恢复中造成形状偏差。

图11 进给速度对加工精度的影响Fig.11 Effect of feed speed on machining accuracy

3 结 论

1)5182-O铝合金板材圆孔三道次渐进翻边过程中，初始成形角对圆孔翻边件精度影响显著，在初始成形角不大于材料允许的渐进成形极限角的情况下，宜采用较小的初始成形角来保证第二、三道次具有较大的成形角，从而使第二、三道次成形时有足够的变形，成形件经每道次成形后其实测直径和目标直径偏差逐渐减小，进而得到精度较高的圆孔渐进翻边件；第一道次成形精度对最终零件精度影响不大，第一道次的成形直径偏差能够在后续道次成形过程中消除。

2)层压下量对圆孔翻边件直径偏差影响很大，当工具头层压下量大于一定值时，工具头和板料接触部位完全位于变形区和未变形区分界线未变形板料一侧；当工具头继续渐进挤压板料时，由于工具头附近变形区厚度比未变形区小，变形区带动附近成形区继续变形，造成变形区尺寸变大，进而使最终成形件尺寸变大，甚至产生成形件尺寸正偏差现象。

3)工具头直径、进给速度对圆孔渐进翻边精度有一定的影响，工具头直径较大即为14 mm，进给速度较小即为400 mm/min，更有利提高圆孔渐进翻边精度。