基于循环渐进式板材成形与数控铣削的多尺度结构表面薄壁构件新型一体化制造方法

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Novel integrated manufacturing of multi-scale structured surfaces of thin-walled component by cyclic incremental sheet forming and NC milling

　　常志东|丁子颖|石功伟|安达勇|平安|李永兵|陈军•通过循环结合渐进式板材成形与数控铣削，开发出集成制造方法。•通过精心设计的成形与铣削组合，实现多尺度结构化表面。•能够从简单特征到复杂整体纹理生成多种表面形态。•通过循环剪切应力梯度，优化超细晶粒的梯度微观结构。•为ISF及ISF-M工艺中的各种表面形态建立了精确预测模型。

引言在航空航天、生物医学和汽车领域，对高性能薄壁构件的发展越来越依赖于先进的表面工程技术。构件的表面质量由其宏观纹理与亚表面微观结构共同决定，这是影响其实际使用性能的关键因素[1]。图1展示了用于提升薄壁构件表面性能的多尺度结构化表面以及现有的制造方法。如图1所示，特定的表面纹理被设计用来赋予构件诸如疏水性、更好的粘附性或摩擦学性能等功能[2]。至关重要的是，这些宏观表面形态实际上是由亚表面的微观结构所决定的，比如细化晶粒的梯度结构，而这些结构又决定了构件的强度、硬度及耐磨性等机械性能[3]、[4]。虽然已经有多种技术可用于表面纹理处理和亚表面晶粒细化，但大多数技术只能处理一个尺度，或者仅限于简单的几何形状。例如，毛等人[5]对激光表面纹理处理方法进行了全面综述，该方法能够创建精确的微沟槽，但对亚表面微观结构的控制能力有限，且通常只适用于平面表面。黄等人[6]通过喷丸处理实现了梯度纳米结构，从而显著细化了晶粒；然而，这种后处理技术无法同时赋予预设的宏观表面纹理。正如Venkatesh等人[7]所总结的，机械微加工擅长生成确定的表面形貌，但通常只会产生较浅的变形层，因此不适用于大面积薄壁零件的加工。在复杂的薄壁构件中实现多尺度结构化表面，即让预设的宏观纹理与可控的微观晶粒梯度无缝结合，仍然是一个重大挑战。

作为一种灵活的成形方法，渐进式板材成形技术在高效制造复杂薄壁构件方面展现出巨大优势。与传统的冲压技术相比，该技术可大幅缩短小批量生产或定制化制造薄壁构件的周期，同时显著降低制造成本和能耗[8]。Behera等人[9]指出，ISF技术已广泛应用于医疗植入物、汽车、航空航天及交通运输领域的薄壁构件制造，其中板材厚度、表面质量、成形极限以及几何精度等方面的提升尤为重要。尽管ISF作为灵活的成形方法具有独特优势，但在进一步工业化应用过程中仍存在一些挑战。Duflou等人[10]总结了传统ISF法成形后的金属零件存在的问题，包括表面质量差、易断裂、严重变薄以及回弹现象。为了控制表面质量，Dakhli等人[11]研究了工艺参数对ISF成形表面质量的影响。虽然通过优化工艺参数，如采用更小的步进深度或多遍加工路径，可以显著降低成型零件的表面粗糙度，但成型周期却会大幅增加。此外，ISF法成型的零件厚度分布遵循余弦定律[12]，这使得难以按照工业要求进行精确调控，以满足特定的厚度变化或分布需求。同时，ISF成型件上不必要的凸缘通常需要修剪才能得到理想的面板，而Allwood等人[13]的研究表明，在卸载后由于回弹作用，3D修剪过程中可能会引入较大的几何偏差。相比之下，ISF-M工艺则在板材持续受压的状态下加入了同步铣削步骤。这样一来，加工参考面与成形变形状态保持一致，材料去除也在最终回弹发生之前完成。这从根本上避免了传统顺序后处理方式中整体回弹对表面几何精度的负面影响。当然，对于刚度较低的ISF成型件进行铣削时，加工过程中的振动可能会导致颤振现象，进而造成表面质量下降及几何轮廓失控[14]。因此，在ISF工艺过程中灵活引入铣削步骤，有助于提升薄壁构件的表面质量、厚度分布以及修剪精度。

作为一种精确的减材加工方法，铣削工艺以其出色的加工能力而擅长生成复杂的表面形貌。为了拓展ISF工艺的制造能力，人们尝试将铣削与ISF工艺顺序结合使用。Smith等人[15]提出了一种变形加工工艺，即在铣削之后再进行ISF加工，与传统铣削工艺相比，该方法在制造垂直薄壁结构方面具有较大潜力。基于变形加工和双面ISF技术，Mandaloi等人[16]提出了一种双面变形加工方法，用于制造整体式的叶轮状结构——首先将叶片铣削到所需厚度，然后再进行最终成形。然而，正如Singh和Agrawal[17]所研究的，由于ISF与铣削工艺顺序结合存在局限性，这种变形加工工艺仅能分为弯曲和拉伸两种模式，因此仅适用于制造垂直薄壁及封闭结构，应用范围较为有限。

在CNC加工方法中，ISF工艺与铣削工艺都可以在同一台设备上实现，且它们用于制造薄壁构件的加工路径也颇为相似。ISF工艺与铣削工艺之间最显著的差异在于刀具几何形状的设计，因此，通过整合两种刀具设计，或许能够有效发挥各自优势，实现ISF与铣削工艺的同步集成。与单纯的加工、成形及其顺序制造方式相比，铣削与ISF的同步集成有望更高效地进一步提升构件的宏观-微观表面性能，而这一领域目前仍有大量研究空间。

需要强调的是，ISF-M工艺具备传统ISF工艺与后续铣削工艺简单顺序结合所无法比拟的优势。首先，其原位循环集成特性无需再次夹紧工件。ISF加工完成后，成型件本身即为刚度较低的薄壁结构；若将其取出进行二次铣削，很可能会出现严重的颤振现象以及几何变形。其次，也是更为重要的一点，单个棘轮状刀具所带来的循环成形-铣削过程，能够通过非单调的剪切应力历程，生成特定的混合纹理以及深度较大的超细晶粒梯度结构。传统的顺序加工工艺虽可实现应力连续性，但却无法像ISF-M工艺那样在一次加工中就形成兼具宏观与微观功能的表面结构。

在本研究中，通过设计一种棘轮状刀具，实现了ISF工艺与铣削工艺的循环集成（ISF-M工艺），从而开发出一种可一步制造出具有多尺度结构化表面的薄壁构件的方法。第2节介绍了实验方法，包括棘轮状ISF-M刀具的设计、实验装置以及成形-铣削组合工序的设定。第3节展示了实验结果，内容分为两部分：不同成形-铣削组合工序下获得的宏观表面形态，以及通过EBSD分析和显微硬度测试所揭示的亚表面梯度微观结构的变化规律。第4节构建了一个三维分析模型，用于预测ISF工艺和ISF-M工艺过程中的表面形貌，该模型可为设计目标表面形态提供指导。第5节通过有限元模拟分析了梯度微观结构的形成机制，从而将循环剪切应力历程的物理原理与实验观察到的晶粒细化和加深效应联系起来。研究结果表明，ISF-M工艺为制备具有协同优化的宏观-微观表面性能的薄壁构件提供了一种直接且高效的途径。

工具设计部分为介绍ISF-M工艺，本研究结合了铣削工艺中使用的球头铣刀与ISF工艺中使用的球头成形刀具的特点，设计出一种兼具切削刃和成形圆角的棘轮状刀具。图2a展示了该ISF-M刀具的棘轮状结构，其在光滑的成形表面上加工有两条切削刃，切削槽与切削刃之间则保留有成形圆角。

实验结果部分指出，为了提升薄壁构件的整体表面性能，ISF-M工艺通过在一个加工路径中循环结合渐进式成形与数控铣削，实现了多尺度结构化表面的协同制造。本章系统介绍了基于所设计的ISF-M工艺获得的实验结果，重点分析了所得到的宏观表面形态以及梯度微观结构的变化情况。

表面形态预测模型部分旨在预测通过不同的铣削与ISF加工组合所能得到的各种表面纹理，为此，本研究通过整合并扩展现有研究成果，建立了一个分析模型，以便为通过ISF-M工艺实现特定表面形态的工艺设计提供指导。Xiao等人[22]的轨迹模型为基础，通过对刀具几何形状及变换矩阵进行修改，以适应这种独特的棘轮状刀具及其双向运动特性。此外，弹性-塑性变形比也进行了相应调整。

有限元分析部分则利用Abaqus软件建立了采用ISF-M工艺和ISF工艺成形金字塔零件的有限元模拟模型，进一步分析了成形与铣削加工对ISF-M工艺下表面微观结构演变的影响。厚度为1毫米的AA5052合金板材采用了降阶积分及沙漏控制的8节点线性实体单元C3D8R进行网格划分，沿厚度方向共设置了四层单元，单元尺寸为1毫米×1毫米。

结论部分指出，本研究旨在充分利用ISF工艺与铣削工艺在等材料加工和减材加工方面的优势，提出了一种新的一步法制造工艺，可用于在薄壁构件中生成具有更高表面性能的多尺度结构化表面。通过一系列实验、分析建模、有限元分析以及微观表征，明确了该新型ISF-M工艺所带来的表面形态及晶粒梯度结构特征。

作者贡献说明安达勇：可视化分析、实验研究；石功伟：实验研究、数据整理；丁子颖：软件应用、形式化分析；常志东：初稿撰写、可视化分析、实验研究、资金筹集、数据整理；陈军：审稿与编辑、项目监督、项目管理；李永兵：审稿与编辑、可视化分析、结果验证、资源协调、方法设计、概念构思；平安：方法设计、实验研究。

利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢作者感谢中国教育部“基础学科拔尖计划”项目（资助编号：JYB2025XDXM214）以及国家自然科学基金项目（资助编号：52405392）所提供的财政支持。