单点渐进成形工艺参数对制件表面质量影响的研究进展

高正源，邢豪杰，张更，杜连腾，安治国

单点渐进成形工艺参数对制件表面质量影响的研究进展

高正源，邢豪杰，张更，杜连腾，安治国

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074）

简要介绍了单点渐进成形技术的发展及成形机理，结合国内外研究学者基于不同工艺参数和基材所得制件的表面质量进行了相关分析及归纳总结。制件的表面质量用表面粗糙度进行衡量。研究表明，随着刀具直径的增大，制件表面粗糙度减小；随着层间下压量和初始板材厚度的增大，制件表面质量变差；摩擦润滑条件对制件表面质量也有很大影响，应适当减小摩擦以减小表面粗糙度，并且对于不同的板材应选择合适的润滑油以提高表面质量；进给速度对制件表面质量的影响并无统一规律，但适当选用较低的进给速度能有效保证制件的表面质量。

表面质量；刀具直径；层间下压量；初始板材厚度；摩擦润滑；进给速度

传统工艺通常使用冲压模具制造对力学性能要求较高的薄壁金属零件，但由于模具的成本高、制造周期长，传统的制造方法仅适用于大规模生产。对于单件、小批量产品的生产，需要更加灵活且更经济的制造技术[1]。在众多新型薄板金属柔性成形工艺中，渐进成形技术因具备工具简单、制造周期短以及适合多种形状的产品等优点而受到人们的青睐。无模成形概念最早由Leszak[2]引入，Leszak也获得了相关发明专利。20世纪90年代，日本学者松原茂夫[3]提出了一种金属板料成形新工艺，即单点渐进成形技术。

国内最早由莫建华和韩飞整理了当时渐进成形工艺的关键技术及应用领域[4]，使该技术在国内受到了广泛关注。近年来，李燕乐等[5]总结了过去十几年国内外学者对板材数控渐进成形工艺技术的研究进展，并概述了近年来国内外学者对成形极限、成形精度、表面质量及能耗和效率等方面的研究成果，并表明几何精度、表面质量以及成形效率等仍然制约着该技术的全面应用。文献[2,6-11]表明，虽然金属板料单点渐进成形技术具有生产成本低、成形性能高等优点，但是不合适的工艺参数也会导致成形精度不容易控制，成形后的制件表面质量不理想，成形过程中因板材受力不均而导致回弹、失稳、破裂以及局部凹陷等诸多问题。Durante等[12]基于AA7075–T0板材探究了刀具旋转对制件成形工艺的影响，结果表明，刀具旋转的变化会引起刀具与板材表面之间摩擦因数的变化，从而影响制件的表面质量。叶又等[13]研究了渐进成形技术中不同工具头策略对成形件表面质量的影响，结果表明，他们提出的定弦长层切法轨迹的成形策略能够有效避免成形件底部出现压痕缺陷，并且使成形件具有良好的形状精度。Kumar等[14]探讨了半球形和椭球形刀具对Al1050板材表面粗糙度的影响，结果表明，与半球形刀具相比，使用椭球形刀具获得的制件表面粗糙度更好。在当前的研究中，成形件的表面质量仍然是阻碍单点渐进成形技术广泛应用的重要因素。文中基于单点渐进成形制件表面质量的相关研究，简要分析了不同工艺参数（刀具直径、层间下压量、进给速度等）对制件表面质量的影响。

1 单点渐进成形技术

1.1 单点渐进成形技术原理

单点渐进成形工艺的主要思想是分层制造，即把零件在高度方向上离散为多个互相平行的平面，然后通过数控机床按照设计好的加工轨迹驱动刀具对板料施加压力，逐点逐层累积塑性变形，最终形成的包络面就是目标制件形状[4,15-16]。单点渐进成形的工作原理如图1所示，单点渐进成形装置（见图1b）通常由刀具、压板和支撑板等组成。毛坯被牢牢固定在夹具上，成形刀具的运动可以分解为三轴平移和主轴旋转运动。使用的刀具路径策略如下：成形刀具从上到下移动，以预定义的垂直层间下压量与毛坯接触，使板料发生塑性变形，直到形成所需的形状。

图1 单点渐进成形工作原理

1.2 表面质量描述

在单点渐进成形过程中，刀具按预先设定的刀路轨迹在板材上分层逐点施加压力，使变形量逐步累积直至成形得到目标制件，因此表面质量极易受成形工艺参数的影响。在众多研究中，一般通过表面粗糙度测量仪来测量制件的表面粗糙度，以评判制件表面质量的好坏。表面粗糙度是衡量零件表面纹理的指标，可以通过成形后零件的实际表面轮廓与目标零件理论表面轮廓之间波峰或波谷的垂直偏差来表征。可用于评判表面粗糙度的参数较多，但在渐进成形中，多采用（轮廓算术平均偏差）和（轮廓最大高度）来确定粗糙度值，其数值越小代表制件表面质量越好、表面越光滑。图2为触针式三维轮廓表面粗糙度测量仪结构简图[18]，触针与制件表面相接触，在驱动装置的作用下触针沿轴移动并随着制件表面的微观谷峰沿轴上下移动。触针所探测到的横向以及纵向位移数据转换为数字信息后被触针式三维轮廓表面粗糙度测量仪的控制器记录下来，并直观地展示在显示器上。

图2 触针式三维轮廓表面粗糙度测量仪结构简图[18]

2 不同工艺参数对制件表面质量的影响规律

在不考虑板材自身力学性能的前提下，单点渐进成形的工艺参数对制件表面质量有重要影响。选取适当的工艺参数，如刀具直径、层间下压量、进给速度、板材厚度以及摩擦润滑条件等，可以使成形得到的制件具有良好的表面质量。下面针对单点渐进成形技术不同工艺参数对成形件表面质量的影响规律进行归纳总结。

2.1 刀具直径

在渐进成形过程中，刀具通过特定的加工轨迹对板材表面施加压力并迫使板材变形，但刀具与板材接触时会不可避免地在板材表面产生规则或不规则的条状凸起和沟壑，这会严重影响制件的表面质量和零件的使用寿命。刀具直径作为影响表面质量重要的工艺参数之一，国内外众多学者对其的探索从未停止。唐平[19]研究了直径为8、10、12 mm的刀具对1060铝板单点渐进成形的影响，实验中默认设置主轴转速为1 000 r/min、进给速度为1 000 mm/min，结果表明，当刀具直径为10 mm时，零件表面所受到的应力最小，表面粗糙度最小，此时成形件表面质量最好。Kumar等[17]基于AA2024合金研究了不同刀具直径和壁角对制件表面质量的影响，该实验采用全因子方法进行设计，目标制件形状为截锥形，表面粗糙度的测量结果如图3所示，可以看到，在任意壁角下，随着刀具直径的增大，制件表面粗糙度都减小，即制件的表面质量随刀具直径的增大而变好。Shojaeefard等[20]基于DIN St12钢板研究了不同工艺参数对制件表面质量的影响，实验中刀具直径分别为10、14、18、20 mm，结果表明，成形制件表面波纹度与刀具直径成反比，即刀具直径越大，制件表面质量越好。这与文怀兴等[21]（6、8、10 mm）、孙皓亮等[22]的实验结论一致。同样，Sisodi等[23]使用虚拟板材和刀具进行了单点渐进成形实验，研究了工艺参数对制件表面粗糙度的影响，实验中选取的刀具直径分别为6、9、12 mm，目标制件形状为截锥形，研究表明，随着刀具尺寸（即刀具直径）的增加，值减小，即制件表面质量变好。Bhattacharya等[24]、姚梓萌等[25]以及Shojaeefrd等[26]的实验同样表明，在单点渐进成形实验中，制件表面粗糙度随着刀具直径的减小而增加。

图3 刀具直径对平均粗糙度的影响[17]

综上可知，在合适的刀具直径范围内，随着刀具直径的增大，成形件表面质量变好。这主要是因为更大的刀具直径可以减少刀具界面的波纹，从而获得更好的表面质量。但成形后工件的回弹量也随之增加，严重影响了成形件的精度。因此，应综合考虑零件的回弹以及表面粗糙度，进而选出合适的刀具直径。

2.2 层间下压量

层间下压量是单点渐进成形中刀具依照预先设定好的路径在板料表面“行走”一周后沿轴向移动的距离。在单点渐进成形实验中，有时会采取增大层间下压量的方法来减少成形时间。层间下压量不同会使板材与刀具之间的压力不同，由此在成形之后，制件的表面质量也会不同。姜志宏等[27]基于08Al钢分析了不同层间下压量（0.5、1.0、1.5 mm）对制件表面粗糙度的影响，其目标构件为方锥形盒，最终实验结果表明，随着层间下压量的增大，成形件表面粗糙度也随之增大。王嘉豪等[28]研究了不同工艺参数对AZ31B镁合金单点渐进成形表面质量的影响，实验中选取的层间下压量为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm，结果表明，随着层间下压量的增大，制件的表面质量变差。Kumar等[29]研究了不同工艺参数对成形件表面粗糙度的影响，选用了厚度为1.2 mm的AA2024–O合金板材，进给速度设置为1 000 mm/min，壁角为60°，刀具直径分别为7.58、11.60、15.66 mm，实验结果如图4所示，发现随着层间下压量的增大，无论刀具直径多少，制件的值都随之增大，当层间下压量从1.2 mm减小到0.2 mm时，直径为7.52、11.60、15.66 mm的刀具的值分别降低了36.84%、36.20%和33.33%，即较大的层间下压量会导致较差的表面质量。Mulay等[30]选取了AA5754 H22和DC04等2种板材进行实验，以研究不同工艺参数对制件表面质量的影响，结果表明，在成形件深度为13 mm和65 mm处，随着层间下压量由0.2 mm增加至0.6 mm，AA5754 H22铝合金的值分别从原来的0.4 μm和0.625 μm增加到1.288 μm和1.467 μm，表面质量大大降低；而对于DC04，其结论与AA5754 H22铝合金结论一致，即在其他参数一定的情况下，随着层间下压量的增大，值也随之增大，表面质量变差。这些结论与文献[8,31-36]所得结论一致。

图4 层间下压量对表面粗糙度的影响[29]

较小的层间下压量可以显著降低刀具与板材之间的接触压力，同时也能减少刀具与板材表面之间的摩擦，成形后制件的表面粗糙度较小，表面质量较好。过小的层间下压量会增加成形时间，较大的层间下压量可以缩短成形时间，但表面粗糙度和橘皮现象会变得严重。因此，在保证成形件表面质量的前提下，可以适当提高层间下压量的值，以缩短成形时间。

2.3 进给速度

在单点渐进成形过程中，刀具是根据设定好的路径在板材表面“行走”的。当主轴给刀具一个适当的层间下压量后，刀具会在板材表面施加一定的压力，并在和方向上受到来自板材表面反方向的阻力，此时由于摩擦力的存在，当刀具走完所有路径后，会在板材表面产生大量纹路。进给速度作为单点渐进成形技术中重要的加工参数，对制件表面质量有很大影响。史鹏涛等[37]基于2Al12板材研究了不同进给速度（100～1 000 mm/min）对渐进成形制件表面质量的影响，结果表明，随着进给速度的增大，制件表面粗糙度值也随之增大，制件表面产生了大量纹路，因此表面质量较差。Azhiri等[38]基于退火的5052铝合金板材研究了在2种不同类型刀具下，进给速度对制件表面质量的影响，实验结果如图5所示，可以看到，在某一确定的层间下压量下，随着进给速度的增大，不论是球形刀具还是半球形刀具，值都随之增大，这与Rattanachan等[39]和Mulay等[40]的研究结果一致。Ajay[41]研究表明，Ti–6Al–4V合金的表面粗糙度随着进给速度（1 000～2 000 mm/min）的增大而减小（从1.05 μm降低到0.9 μm），这是由于钛合金强度较高，刀具与板材表面之间属于刚性接触，在成形过程中，易发生磨削现象，故随着进给速度（1 000～2 000 mm/min）的增大，制件的表面越加光滑。同样Gatea等[42]基于医用一级钛板成形了母线为圆弧的截锥件，成形结束后测量制件的内表面粗糙度，结果表明，当进给速度为1 000～3 000 mm/min时，随着进给速度的增大，制件表面粗糙度先减小后增大，该结论与Sliva等[43]和Dodiya等[44]的结论一致。

图5 不同刀具形状下制件表面粗糙度与进给速度的关系[38]

综上可知，进给速度对板材单点渐进成形制件表面质量的影响并无一个统一规律，不同学者基于不同板材或者不同实验条件所得到的研究结果并不相同。可能原因如下：受限于目标构件的大小；与板材的力学性能有关；与润滑方式有关。但在实际单点渐进成形过程中，进给速度对制件表面质量的影响确实是存在的，在实际的实验或者生产中，应考虑实际制件表面粗糙度需求，在满足使用需求的前提下，在合理的粗糙度范围内增加进给速度，以减少成形时间。虽然有些学者的研究表明较大的进给速度能够产生更好的表面质量，但是这也会导致回弹增大，所以也并不能一味寻求大的进给速度。

2.4 初始板材厚度

初始板材厚度也是渐进成形工艺中比较重要的一个参数，板材的初始厚度越大，成形过程中材料的流动阻力越大，加工过程中制件表面的压痕就越显著，因此，板材的初始厚度对制件的表面质量有很大的影响。吴琦等[45]研究5052铝合金板材成形圆锥件时发现，当初始板材厚度为0.4～1.0 mm时，随着厚度的增加，表面粗糙度也随之增加，制件表面质量变差。Mulay等[40]基于AA5052–H32铝合金进行了单点渐进成形实验，选取的初始板材厚度分别为0.8、1.0、1.2 mm，实验结果如图6所示（其中为刀具主轴转速，为进给速度，为层间下压量，为刀具直径），可以看到，在合理的初始板材厚度范围内，板材越薄，表面粗糙度越小，这是因为此时的流动约束较低，初始厚度为0.8 mm的板材变形后制件的表面粗糙度最小，制件表面质量也最好，这一结论与Shanmuganatan等[46]的结论一致。Chang等[47]基于不同金属板材验证了一种预测制件表面粗糙度分析模型的准确度，他们采用了不同的工艺参数来成形典型的圆锥形零件，当采用AA5052铝合金时，最后实验结果与分析模型结果一致，即随着初始板材厚度（0.6～ 1.0 mm）的增加，制件表面粗糙度增加，表面质量变差。同样Taherkhani等[48]基于AA3105铝合金板材，选择了3组不同的初始板材厚度（0.5、1.0、1.5 mm）成形方锥盒件，他们的实验结果也表明较大的初始板材厚度会导致较大的表面粗糙度。

图6 不同初始板材厚度下成形制件的表面粗糙度[40]

综上可知，在单点渐进成形中，为了使成形后的制件表面质量更好，应尽量先选取较薄的板材进行成形。这主要是因为在单点渐进成形过程中，刀具与板材之间的作用力会随着基材厚度的增大而增大，当刀具在板材上施加压力并且进行移动时，摩擦也会逐渐加剧，因此成形后的制件表面就会出现很多波纹，甚至产生裂纹，导致制件表面质量较差。

2.5 摩擦润滑

在一般的制造行业中，摩擦是影响产品正常成形以及产品表面质量的重要因素。通常来说，传统产业中用来减少摩擦的润滑剂有油类、脂类以及膏状类。在近些年的实验研究中，石墨烯也被用来作为润滑剂以减少摩擦，由于石墨烯特有的性质，它还可以作为涂层应用在制件表面，以保护制件的表面质量[49]。陈继平等[50]以A3003铝板为基材分别在有润滑和无润滑的条件下进行目标构件的成形，结果表明，润滑条件对成形件表面质量有很大影响。在早些年的研究中，Kim等[51]在单点渐进成形过程中对球头刀具和半球头刀具分别进行了有无润滑的成形实验，结果表明，有润滑的球头刀具留下的划痕较少，没有润滑的半球头刀具留下的划痕较多。近年来，张晓博等[52]研究了不同润滑剂对PVC板材成形性能的影响，其中润滑剂分别选取的是水、40号机油、皂液、锂基高温润滑脂和聚四氟乙烯脂，经测量，这些润滑剂的摩擦因数分别为0.5、0.05、0.06、0.1以及0.07～0.08，图7为使用不同润滑剂时所成形的制件，可以看到，当使用40号机油和皂液作为润滑剂时，成形件表面质量最好，当使用水作为润滑剂时，成形件表面质量最差，即摩擦越小，制件的表面质量越好。沈长艳等[53]研究了渐进成形过程中TA1板材摩擦与润滑的机理，他们通过对表面硬化的工具头、未经处理过的基材、涂覆了润滑剂并经微弧氧化表面处理的基材进行成形实验，发现与未经表面处理的板材相比，经过处理的板材在成形之后表面粗糙度更低，零件表面质量得到明显提升。同样Jawale等[54]在铜的渐进成形实验中也得到了相似结论，他们的研究表明，在使用润滑剂的情况下，成形件表面粗糙度得到了很大改善，当使用矿物油时，表面粗糙度较小，此时成形件表面质量较好，而在膏状润滑的条件下成形件不同区域的粗糙度不同。Azevedo等[55]基于AA1050铝板和DP780钢板，评估了在单点渐进成形中不同类型润滑剂对成形件表面质量的影响，当采用AA1050铝板时，Repsol SAE 30（油酯类）和Weicon AL–M（膏状）2种润滑剂对制件表面质量产生的效果较好，而采用DP780钢板时的情况却与之相反，Repsol SAE 30使钢板表面产生了较大的粗糙度。

综上可知，润滑条件在渐进成形过程中起着重要的作用，适当的润滑条件可以显著降低摩擦，从而提高成形件的表面质量。在实际情况下，应基于板材特性以及实验加工条件选取合适的润滑剂，对于较软的材料，可以采用高黏度的润滑剂；而对于较硬的材料，可以采用黏度较低的润滑剂。

图7 使用不同润滑剂所成形的变角度圆锥制件[52]

3 结语

在大多数情况下，刀具直径、层间下压量、初始板材厚度以及摩擦润滑条件对制件表面质量有很大影响，而进给速度对制件表面质量的影响较小。

在合适的刀具直径范围内，制件表面粗糙度随着刀具直径的增大而减小。在合理层间下压量范围内，应当尽量选取较小值，以获得具有良好表面质量的成形件，但层间下压量也不能选择过小，否则会使成形时间过长。不同学者关于进给速度对制件表面质量影响的结论不同，在实际生产实验中，应根据实际板材特性以及其他工艺参数进行交叉实验，优先选择较小的进给速度，同时在保证制件表面质量的前提下，适当增大进给速度以减少成形时间。对于初始板材厚度，较小的板材厚度可以获得较好的成形件表面质量。摩擦对板材成形有很大影响，当选取合适的润滑剂时，成形件表面质量会有很大的改善。

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Research Progress on the Effect of Single Point Incremental Forming Process Parameters on the Surface Quality of Parts

GAO Zheng-yuan, XING Hao-jie, ZHANG Geng, DU Lian-teng, AN Zhi-guo

(School of Mechatronics & Vehicle Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

The work aims to briefly introduce the development and forming mechanism of single point incremental forming technology and analyze and summarize the surface quality of parts obtained by domestic and foreign researchers based on different process parameters and substrates. The surface quality of parts was characterized by surface roughness. According to the research results, the surface roughness decreased with the increase of tool diameter. With the increase of the step down and the initial sheet thickness, the surface quality of parts became worse. Friction lubrication also dramatically impacted the surface quality of parts. Friction should be appropriately reduced to reduce the surface roughness, and different sheets should be lubricated by appropriate lubricating oil to improve the surface quality. The feed rate did not have a uniform law for the surface quality of parts, but the appropriate selection of the lower feed rate could effectively ensure the surface quality of parts.

surface quality; tool diameter; step down; initial sheet thickness; friction lubrication; feed rate

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.005

TG335

A

1674-6457(2022)09-0032-09

2021–10–25

重庆市自然科学基金面上项目（cstc2021jcyj–msxmX1047）

高正源（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向为轻金属材料、先进制造、表面工程和环保材料。

安治国（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向为塑性成形CAD/CAE技术。

责任编辑：蒋红晨