（南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016）

管材增量成形是一種新的成形方式，利用工具頭沿特定的運(yùn)動(dòng)軌跡，逐點(diǎn)或逐層碾壓材料形成三維幾何的特征，實(shí)現(xiàn)材料連續(xù)、局部塑性成形的加工方法[1—2]。這種成形方式所需成形力小，不需要專用模具，易于控制金屬的定向流動(dòng)，可以顯著提高成形質(zhì)量和成形極限，也廣泛用于板材成形[3—4]。螺旋波紋管是一種常用的換熱器[5]，其主要的成形方式為軋制、拉拔、擠壓等[6—7]。管材增量成形的方式是塑性加工領(lǐng)域近年來出現(xiàn)的又一項(xiàng)新技術(shù)[8]，這項(xiàng)技術(shù)可以用于內(nèi)凸螺旋波紋管的塑性成形，由于成形時(shí)工具頭的單次進(jìn)給量較小，提高了金屬管材的塑性成形能力和整體成形極限。不需要專用模具可以明顯降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。工具頭的單次進(jìn)給量、摩擦因數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對增量成形內(nèi)凸螺旋波紋管的質(zhì)量有較大影響，因此獲得合理的工藝參數(shù)具有重要的意義。目前，德國一些科學(xué)家已經(jīng)對管材增量成形技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并取得了突破性的進(jìn)展[9—10]，國內(nèi)管材增量成形技術(shù)的研究剛剛起步。開展增量成形內(nèi)凸螺旋波紋管的研究不僅推動(dòng)增量成形技術(shù)的發(fā)展，而且為螺旋波紋管一類的換熱構(gòu)件提供了新的成形思路。

文中利用ABAQUS有限元模擬軟件和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對工具頭的單次進(jìn)給量和摩擦因數(shù)等工藝參數(shù)對增量成形內(nèi)凸螺旋波紋管的成形質(zhì)量和成形極限的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析，優(yōu)化成形工藝參數(shù)。最后，基于多軸增量成形設(shè)備，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)凸波紋管的整體塑性成形。

1 增量成形內(nèi)凸螺旋波紋管工藝原理分析

管材增量成形內(nèi)凸螺旋波紋管工藝原理見圖1。首先管坯一端穿入三角卡盤中夾緊，另一端用尾頂頂入，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)管材和尾頂運(yùn)動(dòng)，管材一側(cè)的工具頭進(jìn)行徑向進(jìn)給同時(shí)沿管材軸線方向運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，管材的增量成形內(nèi)凸螺旋線是在工具頭的徑向運(yùn)動(dòng)、軸向運(yùn)動(dòng)與管材轉(zhuǎn)動(dòng)等多軸運(yùn)動(dòng)的綜合作用下完成的。在管材成形過程中，零件的壓入深度、螺旋線壓痕的導(dǎo)程、升角等重要參數(shù)是由徑向進(jìn)給量、成形道次、軸向移動(dòng)速度以及角速度共同決定的[11—12]。上述三者之間的匹配關(guān)系決定了最終產(chǎn)品的幾何形狀。另外，為了提高管材的成形性能，可逐步增大壓入深度，以提高均勻變形程度、減小截面畸變以及消除局部起皺等成形缺陷。

圖1 內(nèi)凸螺旋波紋管工藝原理Fig.1 Principle of convex spiral bellows process

2 增量成形內(nèi)凸螺旋波紋管有限元分析

2.1 有限元模型的建立

在內(nèi)凸螺旋波紋管塑性成形過程中，為了研究成形工具頭的單次進(jìn)給量、摩擦因數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速等對成形質(zhì)量和成形極限的影響，基于 ABAQUA/Explicit平臺建立了增量成形內(nèi)凸螺旋波紋管的三維彈塑性有限元模型[13]。對波紋管成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，探究各成形工藝參數(shù)組合對成形性能的影響，優(yōu)化結(jié)果獲得合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。模擬和實(shí)驗(yàn)均選取304不銹鋼管材，為了確保有限元模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，對304不銹鋼的模擬參數(shù)進(jìn)行合理確定，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 管材相關(guān)參數(shù)Tab.1 Tube related parameters

通過ABAQUS有限元模擬對增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管的各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，并建立有限元模型。管材增量成形是一個(gè)非常復(fù)雜的三維彈塑性變形過程，既是物理非線性，又是幾何非線性，而且邊界條件也很復(fù)雜，也是非線性[14]。模擬過程中材料選取為薄壁 304不銹鋼，將管材設(shè)置為可變形塑性體，兩端的固定旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)置為剛體。工具頭與管材接觸的部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，這樣雖然增加計(jì)算量但是可以提高模擬精度，為后期實(shí)驗(yàn)提供真實(shí)合理的工藝參數(shù)。建立的有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2.2 有限元模擬結(jié)果分析

針對工具頭單次壓下量和摩擦因數(shù)等成形因素，通過有限元模擬進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析。增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管過程的有限元仿真對于成形來說是十分重要的。有限元仿真不僅可以預(yù)測成形缺陷，還可以通過調(diào)整模擬參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)提供合理的工藝參數(shù)，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)效率。在工具頭與管材之間摩擦因數(shù)為 0.08時(shí)，對不同單次進(jìn)給量下工具頭對最終成形質(zhì)量和成形極限的影響進(jìn)行研究，具體模擬參數(shù)見表2。

首先針對工具頭單次進(jìn)給量為 0.1 mm、總進(jìn)給量為4 mm時(shí)，成形過程中管材成形區(qū)域的等效應(yīng)變情況進(jìn)行分析，在有限元模擬結(jié)果中選取成形 25%,50%, 75%, 100%部分分析。圖3所示為有限元模擬結(jié)果應(yīng)變云圖。

表2 工具頭不同單次進(jìn)給量的模擬參數(shù)Tab.2 Simulation parameters for different single feeds of tool head

在增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管時(shí)，從成形過程來看，這種成形方式不僅增加了管材塑性變形區(qū)的材料流動(dòng)性，而且易于控制金屬的流動(dòng)方向。增量成形是一種柔性制造技術(shù)，通過增量的過程可以提高管材的塑性成形能力[15]。

針對工具頭不同單次進(jìn)給量進(jìn)行有限元模擬研究，當(dāng)工具頭的單次進(jìn)給量為0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 mm時(shí)，內(nèi)凸螺旋線波紋管的最大螺紋深度不同，其中當(dāng)工具頭的單次進(jìn)給量為0.1 mm時(shí)，最大螺紋深度為4.33 mm。工具頭單次進(jìn)給量不同時(shí)有限元結(jié)果應(yīng)變情況見圖4。

在增量成形螺旋線波紋管過程中，隨著工具頭單次進(jìn)給量的增加，最終成形螺紋深度減小，這是由于成形時(shí)隨著工具頭單次進(jìn)給量的增加，成形后總的回彈量增大造成的。較小的工具頭單次進(jìn)給量使增量成形過程更加容易控制，此外可以降低成形力。

圖3 模擬過程應(yīng)變云圖Fig.3 Simulation process strain cloud

圖4 不同單次進(jìn)給量模擬結(jié)果應(yīng)變云圖Fig.4 Simulated results strain cloud image at different single feed rates

在增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管的有限元模擬過程中，針對工具頭單次進(jìn)給量為 0.1 mm、摩擦因數(shù)不同的情況進(jìn)行模擬分析。具體模擬參數(shù)見表3。

不同摩擦因數(shù)時(shí)模擬結(jié)果見圖5，分析有限元模擬結(jié)果，可以看出工具頭與管材之間摩擦因數(shù)不同對成形過程中等效應(yīng)力的分布情況影響較小，對最大螺紋深度的影響也不明顯，對成形后管材的表面質(zhì)量有很大影響。控制合理的摩擦因數(shù)，可以提高成形的精度和表面質(zhì)量。

表3 不同摩擦因數(shù)時(shí)的模擬參數(shù)Tab.3 Simulation parameters with different friction coefficients

圖5 不同摩擦因數(shù)時(shí)模擬結(jié)果應(yīng)力云圖(MPa)Fig.5 Simulation results stress cloud diagram with different friction coefficients

3 工藝參數(shù)的分析

管材增量成形具有成形效率高、成形構(gòu)件質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)輕量化等優(yōu)點(diǎn)。然而，在管材增量成形的過程中，如果對成形參數(shù)控制不當(dāng)，就會產(chǎn)生許多缺陷。如管壁變薄導(dǎo)致破裂，在管材增量漸進(jìn)成形時(shí)，管材端部擴(kuò)口、翻邊變形區(qū)的管壁會因?yàn)槭艿嚼Χ诤駵p薄，在變形區(qū)最大的部位壁厚減薄嚴(yán)重，繼續(xù)變形將會導(dǎo)致管壁破裂。管壁增厚導(dǎo)致管材增量成形時(shí)出現(xiàn)起皺，管材端部縮口時(shí)，由于金屬堆積，當(dāng)變形量較大時(shí)容易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。在增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管時(shí)，如果單次的進(jìn)給量以及最大進(jìn)給量控制不當(dāng)，將導(dǎo)致管材增量成形過程中出現(xiàn)截面畸變現(xiàn)象，當(dāng)截面畸變嚴(yán)重時(shí)將會出現(xiàn)管材壓塌現(xiàn)象。眾所周知，在金屬構(gòu)件成形過程中首先出現(xiàn)彈性變形，之后產(chǎn)生塑性變形。但是，由于管材增量漸進(jìn)成形過程中每道次的壓下量較小，當(dāng)載荷除去以后，管材變形處會因?yàn)閺椥宰冃味a(chǎn)生回彈，回彈的產(chǎn)生降低了管材的成形精度。上述管材增量漸進(jìn)成形的缺陷需要選取適當(dāng)?shù)墓に嚪椒▉硐蕴岣叱尚钨|(zhì)量。螺紋深度與最大應(yīng)力的關(guān)系見圖6。

增量成形的過程中，針對不同摩擦因數(shù)、不同螺紋深度，管材成形時(shí)最大應(yīng)力分布如圖5所示。隨著波紋管螺紋深度的增加，工具頭和管材之間摩擦因數(shù)的增加，最大應(yīng)力也是呈現(xiàn)明顯增加的趨勢。

圖6 螺紋深度與最大應(yīng)力關(guān)系Fig.6 Relationship between thread depth and maximum stress

工具頭的單次進(jìn)給量對最終螺旋線波紋管的最大螺紋深度有很大的影響，單次進(jìn)給量與最大螺紋深度的關(guān)系見圖7。單次進(jìn)給量減小時(shí)，波紋管成形后的總回彈量減小，使最大螺紋深度增加。

增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管時(shí)選取的 304不銹鋼的管材壁厚為 0.8 mm，在成形過程中總進(jìn)給量為1, 2, 3, 4 mm時(shí)，波紋管最大螺紋深度壁厚變化情況，有限元模擬與實(shí)驗(yàn)的對比見圖8。

圖7 單次進(jìn)給量與最大螺紋深度關(guān)系Fig.7 Relationship between single feed and maximum thread depth

圖8 總進(jìn)給量和壁厚關(guān)系Fig.8 Relationship between total feed and wall thickness

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管的實(shí)驗(yàn)中，選取單次進(jìn)給量為0.1 mm，總進(jìn)給量為2.5 mm，成形波紋管的波長為200 mm，螺距為20 mm。這種工藝參數(shù)下成形質(zhì)量最好，成形后管材并沒有出現(xiàn)明顯的壁厚減薄和微裂紋。管材增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管技術(shù)原理可靠，但是各項(xiàng)成形參數(shù)還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。針對不同材料、不同成形極限、不同成形精度的要求，要通過有限元模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行可行性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)裝置見圖9，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖10。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果完全吻合，誤差在合理范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

1) 增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管過程中，隨著工具頭單次進(jìn)給量的增加，成形過程力增加，成形回彈量增加，管材壁厚減薄量增加，最大螺紋深度減小。當(dāng)工具頭的單次進(jìn)給量為0.1 mm時(shí)，最大螺紋深度極限提高10.5%。

圖9 管材增量成形設(shè)備Fig.9 Incremental forming equipment of tube

圖10 螺旋線波紋管實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experiment results of spiral bellows

2) 在成形過程中，隨著工具頭與管材之間摩擦因數(shù)的減小，最終成形管材的表面質(zhì)量顯著提高。同時(shí)，工具頭在運(yùn)動(dòng)時(shí)使成形區(qū)域的材料流動(dòng)量增加，良好的潤滑條件可以減小成形過程力。

3) 采用模擬優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的方法，對增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管的工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，獲得了波紋管成形過程中的合理工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了增量成形內(nèi)凸螺旋線波紋管的可行性，對實(shí)際生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。