蔡改貧，周小磊，熊 洋，蒙鵬宇

（1.江西理工大學機電工程學院，江西贛州 341000；2.江西理工大學材料科學與工程學院，江西贛州 341000）

工藝參數(shù)對多點復合漸進成形厚度減薄的影響

蔡改貧1，周小磊1，熊 洋1，蒙鵬宇2

（1.江西理工大學機電工程學院，江西贛州 341000；2.江西理工大學材料科學與工程學院，江西贛州 341000）

為提高成形質(zhì)量、預防破裂等缺陷，在金屬板材多點復合漸進成形的基礎上，通過建立三維有限元模型，對不同工藝參數(shù)成形方錐臺制件進行了數(shù)值模擬和分析，探討了制件成形過程中厚度分布和變化情況及不同工藝參數(shù)對厚度減薄率的影響.數(shù)值模擬結(jié)果表明，制件成形區(qū)對角線上的厚度減薄相比中線上的更嚴重，工具頭直徑和板材初始厚度越小、成形角和進給量越大，制件所能達到的最大厚度減薄率越大，制件越易破裂.多點復合漸進成形試驗表明，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗相吻合.

多點成形；板材漸進成形；工藝參數(shù)；厚度減??；數(shù)值模擬

金屬板材漸進成形技術是一種先進的無模塑性成形工藝［1-2］，其基本原理是通過連續(xù)局部塑性變形累積加工出所需的目標制件［3-4］.在金屬板材漸進成形過程中，成形工具頭的尺寸、進給量、成形路徑、成形角等工藝參數(shù)對成形件的壁厚分布有著直接的影響，近年來，國內(nèi)外諸多學者對此展開了相關研究.如周六如［5］利用數(shù)控機床成形直壁筒件和圓錐臺件探討了制件成形區(qū)厚度分布的規(guī)律；肖士昌等［6］探討了成形角對板料壁厚均勻性的影響；Mirnia等［7］采用SLA連續(xù)有限分析的方法預測圓錐臺制件成形區(qū)壁厚的分布，并通過試驗驗證了此種方法預測的有效性與準確性；Cao等［8］提出了一種算法用于預測多道次漸進成形厚度，并結(jié)合試驗驗證了此算法的準確性；李湘吉等［9］結(jié)合有限元法探討了進給量和成形路徑對成形應力和制件板厚的影響；蔡改貧等［10］通過對方錐件成形過程的數(shù)值模擬，分析了不同成形路徑對多點漸進成形過程的影響；Hussain等［11］、Marques等［12］、Oleksikl等［13］、Ham等［14］針對單點漸進成形的特點，著重分析了各成形工藝參數(shù)對板材成形極限和成形件的表面質(zhì)量等的影響.但上述學者主要是探討成形工藝參數(shù)對單點漸進成形過程中制件板厚的影響，還未深入探討在多點復合漸進成形過程中成形工藝參數(shù)對制件板厚的影響.

因此，本文在前人研究的基礎上，結(jié)合多點漸進成形的優(yōu)勢［11］，克服單點漸進成形的缺陷，以非線性有限元軟件MSC.Marc為平臺，通過對典型方錐臺件的數(shù)值模擬，探討了不同成形工藝參數(shù)對多點復合漸進成形中制件板厚的影響.

1 有限元模型的建立

1.1 成形原理

金屬板材多點復合漸進成形系統(tǒng)由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，其中多點是指含有多個工具頭，工具頭7和工具頭17處于成形機結(jié)構(gòu)上層，工具頭6和工具頭16處于成形機結(jié)構(gòu)下層；復合是指將振動引入板材成形過程中，其原理圖如圖1所示.機械系統(tǒng)包括板材多點復合漸進成形機、激振裝置、成形工具頭等；控制系統(tǒng)包括運動控制系統(tǒng)、成形力檢測系統(tǒng)等.在成形過程中，多點復合漸進成形機的上下兩層工具頭在運動控制系統(tǒng)的驅(qū)使下對固定在裝有激振裝置的工作臺上的板材按照預定路徑進行分層加工，最終通過逐次逐點累積成形出所需制件，成形力檢測系統(tǒng)實時采集各個工具頭通過應力傳感器傳回的成形力.

圖1 多點復合漸進成形機原理圖

1.2 工具頭軌跡路徑規(guī)劃

目標成形制件為方錐臺，其頂部尺寸為210 mm×210 mm，成形角為45°，成形深度為25 mm，其理論尺寸如圖2所示.

針對本實驗室自行研制的多點復合漸進成形機，根據(jù)目標制件設計了如下成形路徑，上層工具頭1和工具頭2負責方錐臺制件相應對邊的加工，下層工具頭3和工具頭4負責方錐臺制件另外相鄰對邊的加工，四工具頭協(xié)調(diào)完成方錐臺單層的加工，依此往復成形，如圖3所示，并通過MATLAB編程，計算出各工具頭對應的時間位移關系，然后將數(shù)據(jù)導入MSC.Marc中，進而實現(xiàn)工具頭軌跡的精確加載.

圖2 方錐臺制件的理論形狀

圖3 工具頭的三維運動軌跡

1.3 工藝參數(shù)

針對目標制件，由于主要探討成形工藝參數(shù)對多點復合漸進成形過程的影響，故在確保其他成形工藝參數(shù)不變的情況下，只改變一個成形工藝參數(shù)，分別按方案I～Ⅳ對目標制件進行加工.

方案I：進給量ΔZ=1 mm，進給速度V= 1 800 mm/min，成形角θ=45°，初始板厚t= 1.0 mm，工具頭直徑D=10、12、16、20、24 mm.

方案Ⅱ：進給速度V=1 800 mm/min，成形角θ=45°，初始板厚t=1.0 mm，工具頭直徑D= 10 mm，進給量ΔZ=0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 mm.

方案III：進給量ΔZ=1 mm，進給速度V= 1 800 mm/min，初始板厚t=1.0 mm，工具頭直徑D=10 mm，成形角θ=30°、45°、60°、65°、70°.

方案Ⅳ：進給量ΔZ=1 mm，進給速度V= 1 800 mm/min，成形角θ=45°，工具頭直徑D= 10 mm，初始板厚t=0.5、0.7、1.0、1.5、2.0 mm.

1.4 有限元模型

建立多點復合漸進成形的有限元模型如圖4所示.板材通過上下壓邊圈進行壓緊.由于所研究的板材為280 mm×280 mm方形1060鋁合金金屬薄板，故選用75號殼單元.綜合考慮仿真精度和仿真時間，通過映射法將板材劃分成大小為2 mm的四邊形網(wǎng)格，并對成形區(qū)進行局部細劃分.由于主要考慮板材的成形情況，故定義板材為變形體，定義壓邊圈和工具頭為剛體.

定義板材與壓邊圈、工具頭間的接觸類型分別為Glue和Touching；選用修正的Newton-Raphson方法對模型進行求解，選用Von mises作為屈服準則；摩擦接觸模型選用Stick-Slip庫倫模型.材料參數(shù)為：密度2 680 kg/m3，彈性模量689 GPa，屈服強度136 MPa，泊松比0.33.

圖4 多點復合漸進成形有限元模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 成形制件厚度分布分析

為了分析多點復合漸進成形過程中成形制件的厚度分布情況，沿成形深度方向按圖5方式沿板材成形區(qū)中線和對角線從上到下依次選取在同一高度上的節(jié)點進行分析，結(jié)果見圖6.由圖6可知，沿制件軸向方向上，對角線上的制件最大厚度減薄率要大于中線上的制件最大厚度減薄率，且同一制件的同一側(cè)邊同一高度處，對角線上的厚度減薄率都要高于中線上的厚度減薄率.由此表明，在相同工藝條件下，對角線區(qū)域比中線區(qū)域厚度減薄更為嚴重，更易產(chǎn)生破裂.

圖5 厚度分布節(jié)點選取

圖6 對角線和中線處厚度減薄率對比

2.2 成形制件厚度變化分析

如圖7所示，沿成形深度方向從上到下依次選取制件對角線上的節(jié)點A（node575）、節(jié)點B（node821）、節(jié)點C（node1 067）、節(jié)點D（node 1 149）、節(jié)點E（node1 231）、節(jié)點F（node1 313）、節(jié)點G（node1 477）、節(jié)點H（node1 641）、節(jié)點I（node1 805）這9個節(jié)點，對成形制件的厚度變化和成形工藝參數(shù)對制件厚度減薄率的影響進行分析.圖8為對角線上節(jié)點的厚度變化.

圖7 厚度與厚度減薄率節(jié)點的選取

圖8 對角線上節(jié)點的厚度變化

由圖8可知：成形制件對角線上的厚度隨時間變化的曲線呈階梯狀，表明板材在多點復合漸進成形過程中發(fā)生了局部塑性成形，最終通過逐層累積成形出所需形狀；隨著成形深度的增加，各節(jié)點的厚度變化曲線最終趨于穩(wěn)定，表明成形同一制件時，成形區(qū)厚度會隨著成形深度的增加最終趨于一個穩(wěn)定的值，形成成形穩(wěn)定區(qū)，而不是無限制的減??；節(jié)點G的最終成形穩(wěn)定厚度明顯小于其他各點，表明成形同一深度的同一制件時，制件對角線中下部的厚度減薄最為嚴重，最易出現(xiàn)破裂等缺陷.

2.3 成形工藝參數(shù)對制件厚度減薄率的影響

成形工藝參數(shù)對厚度減薄率的影響見圖9.由圖9可知：對于工具頭直徑D，最大減薄率從大往小依次為D=10、12、16、20、24；對于軸向進給量ΔZ，最大減薄率從大往小依次為ΔZ=3.0、2.0、1.5、1.0、0.5；對于成形角θ，最大減薄率從大往小依次為θ=70°、65°、60°、45°、30°；對于初始板厚t，最大減薄率從大往小依次為t=0.5、0.7、1.0、1.5、2.0.以上表明，工具頭直徑和初始板厚越小，成形角和軸向進給量越大，制件對角線上所能達到的厚度減薄率最大.

圖9 成形工藝參數(shù)對厚度減薄率的影響

由圖9可知：對于軸向同一單元，當制件對角線厚度減薄率未達到最大值時，減薄率隨著工具頭直徑、軸向進給量和成形角的增大而增大，隨著初始板厚的增大而減??；當制件對角線厚度減薄率達到最大值后，減薄率隨著工具頭直徑、軸向進給量和成形角的增大而減小，隨著初始板厚的增大而增大.

綜上表明，在相同工藝條件下，工具頭直徑、初始板厚越小，成形角、進給量越大，板材厚度減薄得越嚴重，更容易導致破裂等成形缺陷的產(chǎn)生.在整個成形過程中，當成形角θ為70°時，達到最大減薄率的軸向單元明顯小于其他成形角，且相鄰厚度差值明顯大于其他成形角，表明成形角越大，制件壁厚越不均勻，越早達到最大厚度減薄率，制件破裂的可能性越大，越不利于成形極限的提高.

3 成形實驗

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在多點復合漸進成形試驗機上進行成形實驗，金屬板材選用280 mm× 280 mm×1 mm的方形1060鋁合金金屬薄板，成形工藝參數(shù)如下：成形工具頭直徑10 mm，進給量1 mm，成形角45°，進給速度1 800 mm/min，成形深度25 mm.得到方錐臺制件如圖10所示.

圖10 成形方錐臺制件

利用厚度測量儀對方錐臺制件成形區(qū)對角線和中線上厚度進行測量.測得制件成形區(qū)對角線和中線上的最小厚度分別為0.680和0.742 mm，與數(shù)值模擬中提取的對角線最小厚度0.677 mm和中線最小厚度0.721 mm基本一致.

4 結(jié) 論

1）在同一工藝條件下，對于多點復合漸進成形，制件成形區(qū)對角線上的厚度減薄比中線上的厚度減薄要嚴重，制件成形區(qū)對角線更易發(fā)生破裂，進行制件成形時要特別關注對角線上的厚度變化.

2）在同一工藝條件下，對于多點復合漸進成形，制件成形區(qū)的最大厚度減薄率隨著成形角和軸向進給量的增大而增大，隨著工具頭直徑和初始板厚的增大而減小.

3）漸進成形過程中，要綜合考慮制件形狀和成形效率等相關因素選擇合理的工藝參數(shù)，才能有效的提高成形質(zhì)量，預防破裂等缺陷的產(chǎn)生.

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（編輯 程利冬）

Impacts of multi-point incremental forming process parameters on plate thickness thinning

CAI Gaipin1，ZHOU Xiaolei1，XIONG Yang1，MENG Pengyu2

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.School of Material Science and Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

To better improve the forming quality and prevent rupture defects in multi-point composite incremental forming（MPCIF），through the establishment of three-dimensional finite element model of forming pyramid machine parts with different process parameters is simulated and analyzed，and discussed the thickness distribution and the change in stamping forming process and the influence of different process parameters on the thickness reduction ratio.The simulation results show that the maximum thickness reduction ratio occurs at the diagonal of the parts，plate′s thickness thinning can be more serious with the tools size or initial thickness is smaller and the forming angle or the feed rate is bigger，plate becomes more easy to crack at these situations.The test of MPCIF shows that the simulation results fit well with the test results.

multi-point forming；incremental forming；process parameters；thickness reduction；numerical simulation

TG386

A

1005-0299（2015）04-0059-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150410

2014-11-13.

國家自然科學基金（50975131）；江西省自然科學基金（20132BAB206013）.

蔡改貧（1964—），男，博士，碩士生導師.

周小磊，E-mail：1049887130@qq.com.