（南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

鈑金件在制造業(yè)中有著廣泛的運用，尤其是在航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域，鈑金成形的零件占比越來越大。傳統(tǒng)的沖壓工藝需要使用模具，這導(dǎo)致生產(chǎn)周期長、費用高，難以適應(yīng)現(xiàn)代小批量、多品種的樣品試制生產(chǎn)模式。以航空航天領(lǐng)域為例，一架大型飛機上有數(shù)千個鈑金零件，大到飛機的外形蒙皮，小到機身內(nèi)部導(dǎo)管。飛機的生產(chǎn)模式?jīng)Q定了每類鈑金件的數(shù)量都不多，采用傳統(tǒng)的模具制造工藝耗時、耗資、耗力，無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)界對個性化零件的需求日益增加。在此背景下，各種柔性鈑金成形工藝應(yīng)運而生，如噴丸成形[1]、多點離散模成形[2—3]、激光沖擊成形[4—5]、旋壓成形[6—7]、數(shù)控水射流成形[8]和金屬板料漸進成形技術(shù)[9]。由于漸進成形技術(shù)適應(yīng)小批量、多品種生產(chǎn)，并且擁有成形性能好、加工方便、可以加工復(fù)雜零件等特點，所以在汽車、飛機、醫(yī)器械等領(lǐng)域具有巨大發(fā)展前景[10—11]。

文中使用漸進成形和沖壓兩種工藝方法成形半球形零件，此零件是一種典型的純脹形工藝過程，比較這兩種工藝方法的成形結(jié)果，并研究工藝參數(shù)對漸進成形試驗成形結(jié)果的影響。

1 脹形和漸進成形的原理

1.1 脹形的原理

脹形是利用模具強迫板料厚度減薄和表面積增大，以獲取零件幾何形狀的沖壓加工方法。脹形成形的示意圖見圖1，板料被壓邊圈壓死，變形區(qū)限制在拉深筋以內(nèi)的中部。在凸模作用下，變形區(qū)板料大部分受雙向拉應(yīng)力作用，沿切向和徑向產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，使板料的厚度減薄、表面積增大。理論上，脹形后板料變形區(qū)的厚度分布是均勻的[12]。

圖1 脹形成形Fig.1 Bulging diagrammatic sketch

脹形成形極限以零件是否發(fā)生破裂來判斷。如圖1所示的純脹形，常用脹形高度表示成形極限。一般來講，脹形破裂總是發(fā)生在材料厚度減薄最大的部位，所以變形區(qū)的應(yīng)變分布是影響脹形成形極限的重要因素[12]。文中所成形的零件，均會采用三維應(yīng)變測量軟件測量其變形區(qū)的應(yīng)變情況，以便研究沖壓工藝與漸進成形工藝的脹形機理，得到不同。

1.2 漸進成形的原理

板料漸進成形技術(shù)最初由日本學者松原茂夫[13]首先提出，該技術(shù)實際上利用了快速原型制造技術(shù)中的分層制造思想[14]。漸進成形原理見圖2，用垂直于z軸方向的平面將零件切片，然后依據(jù)每層平面上的形狀生成相應(yīng)形狀的加工軌跡，所有的加工軌跡結(jié)合可構(gòu)成立體模型的外型[15]，即沿z軸方向分層離散成許多類似等高線的軌跡層。成形工具頭則沿軌跡層運動，并在軌跡層上進行塑性加工。在按照給定的加工軌跡完成第一層加工后，成形工具沿垂直方向壓下設(shè)定的進給量，開始第二層的加工。這樣一層一層依次對零件進行塑性變形，直到成形出整個零件形狀。

材料在漸進成形的變形過程中，由于成形工具的球頭半徑遠小于板料的面積尺寸，成形工具運動過程中可以認為只對球頭周圍的材料產(chǎn)生塑性變形[16]。在零件成形之后，只有工具頭經(jīng)過的地方產(chǎn)生塑性變形，而四周材料沒有材料流動，這與脹形過程中壓邊圈下方的材料不參與變形是一樣的，因此，漸進成形也可以用來進行脹形的過程。

圖2 漸進成形原理Fig.2 Principle diagram of incremental forming

2 實驗

半球形零件的脹形實驗分為2部分，分別是沖壓工藝脹形實驗和漸進成形脹形實驗。

2.1 材料

實驗所用材料為一種硬鋁合金，熱處理狀態(tài)有2種，分別是 AA2024-O和 AA2024-T4，板料厚度為1.5 mm。材料化學成分見表1。

表1 AA2024的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of AA2024 (mass fraction) %

2.2 沖壓工藝脹形實驗

2.2.1 設(shè)備

沖壓脹形實驗在南京航空航天大學自主研制的金屬板材成形實驗機上進行，其中最大壓邊力為210 kN，足夠壓住材料，使得拉深筋外的材料不往里流動。脹形凸模見圖3，其直徑為100 mm。試樣板料尺寸為180 mm×180 mm。實驗采用德國GOM公司的ARAMIS設(shè)備來測量應(yīng)變，ARAMIS是一種基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的非接觸光學測量設(shè)備[17]。其攝像頭在整個零件的變形過程中連續(xù)不斷地捕獲零件照片，直到零件產(chǎn)生破裂，通過后期軟件處理這些捕獲的照片可以得到零件各個位置的主應(yīng)變、次應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

圖3 脹形凸模Fig.3 Bulging punch

2.2.2 方法

在進行脹形實驗前，將每塊板料清潔干凈，并用白色噴漆輕輕噴涂在反光金屬表面，使其完全覆蓋并呈啞光狀態(tài)。之后用黑色噴漆隨機噴涂，使其表面呈現(xiàn)出隨機的高對比度的散斑圖案，如圖4a所示，等待噴漆干燥后不久進行試驗。板料上的散斑圖案即作為虛擬網(wǎng)格，通過兩個 CCD相機捕捉圖片，ARAMIS設(shè)備可以記錄下不同時刻試樣表面的圖像信息，試驗完成后采用圖形相關(guān)算法，對相機采集到的圖像對應(yīng)點進行識別，并重構(gòu)試樣表面形貌，確定試樣上每個點的坐標，進而獲得試樣表面每個點的位移場[18]。

兩種材料在室溫下各進行 3組沖壓工藝脹形實驗。將板料放置在脹形機床上，脹形的同時，啟動ARAMIS開始連續(xù)拍攝脹形過程中板料的照片，直到半球破裂，實驗停止，這時記錄半球的脹形高度。脹形后零件見圖4b，可以看出在半球底部產(chǎn)生了一條明顯裂紋。

圖4 脹形結(jié)果Fig.4 Bulging result

2.3 漸進成形脹形實驗

2.3.1 設(shè)備

漸進成形實驗所用設(shè)備為南京航空航天大學自主研制的 NHSK1060數(shù)控漸進成形機床。實驗開始之前，先在試樣表面通過電腐蝕技術(shù)印上圓點網(wǎng)格，用于實驗成形之后測量成形件的應(yīng)變情況。測量設(shè)備為德國GOM公司的ARGUS變形測量設(shè)備，ARGUS是一種非接觸式光學3D變形測量系統(tǒng)，其原理為基于機器視覺的坐標網(wǎng)格法[10]。利用該設(shè)備測量可以得到零件表面各點的三維坐標以及整個表面主應(yīng)變、次應(yīng)變、等效應(yīng)變和厚度減薄率的分布情況。

2.3.2 方法

漸進成形脹形所成形的半球形零件直徑為 80 mm，所用試樣尺寸是135 mm×135 mm。實驗過程采用正漸進成形，在室溫下進行。成形板料之前需要先制作與實驗零件內(nèi)表面尺寸一致的模型作為支撐。漸進成形脹形實驗方案見表2。其中，Δ0.1-F1000表示該實驗的每層下壓量是 0.1 mm，工具頭進給速率是1000 mm/min。實驗研究了層下壓量和工具頭進給速率對成形結(jié)果的影響。成形零件見圖5。

表2 漸進成形試驗方案Tab.2 Test scheme of incremental forming

圖5 成形零件Fig.5 Forming parts

3 實驗結(jié)果

3.1 沖壓工藝脹形實驗

脹形的成形極限以零件是否發(fā)生破裂來判別，脹形破裂時的成形高度見表3。可知，AA2024-T4的脹形平均破裂高度為38 mm，AA2024-O的脹形平均破裂高度為45 mm。熱處理狀態(tài)為“O”的AA2024鋁合金的成形性能比熱處理狀態(tài)為“T4”的要好。

通過 ARAMIS后處理軟件分析脹形期間捕獲的照片，可以獲得零件各個位置的主應(yīng)變、次應(yīng)變、Mises應(yīng)變以及厚度減薄率等數(shù)據(jù)。兩種不同熱處理狀態(tài)的脹形零件的Mises應(yīng)變對比和厚度減薄率對比以及材料各點應(yīng)變狀態(tài)分別見圖6—8。AA2024-T4和 AA2024-O的最大 Mises應(yīng)變分別是 51.81%和125.4%，最大厚度減薄率分別是 34.1%和 55.46%?？梢?AA2024-O在室溫下的成形性能比 AA2024-T4高很多。

表3 脹形破裂高度Tab.3 Bulging fracture height mm

圖6 Mises應(yīng)變云圖Fig.6 Cloud map of Mises strain

圖7 厚度減薄率對比Fig.7 Comparison of thickness thinning rate

圖8 材料各點應(yīng)變狀態(tài)分布Fig.8 Distribution diagram of strain state in each point of material

從圖6、圖7可以直觀看出，脹形半球零件的頂部應(yīng)變和減薄率最大，變形最嚴重，實驗結(jié)果也表明零件的破裂位置在底部。由圖8發(fā)現(xiàn)，脹形零件各點均處于雙向拉伸狀態(tài)，而主應(yīng)變與次應(yīng)變的值基本一致。破裂點位置附近的主應(yīng)變與次應(yīng)變見表4。將3組實驗的主應(yīng)變與次應(yīng)變?nèi)∑骄?，最終得到熱處理“T4”狀態(tài)下的主應(yīng)變?yōu)?.203，次應(yīng)變?yōu)?.190；熱處理“O”狀態(tài)下的主應(yīng)變?yōu)?.383，次應(yīng)變?yōu)?.348。這里主應(yīng)變與次應(yīng)變存在一定差值是由材料的各向異性引起的。

表4 破裂點附近的應(yīng)變Tab.4 Strain near rupture point

3.2 漸進成形脹形實驗

用高度尺測量各個零件的成形高度，即最高點到破裂點的高度，數(shù)據(jù)見表5和表6?？梢钥闯?，在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，下壓量越小，成形高度越大；對AA2024-O，進給速率越快，成形高度越大；而對AA2024-T4，進給速率越慢，成形高度越大。AA2024-O的成形高度比 AA2024-T4的成形高度大了將近1倍。

為對比漸進成形與脹形的成形機理的異同，利用 ARGUS測量漸進成形零件的應(yīng)變情況。層下壓量為0.2 mm，進給速度為1000 mm/min的兩種不同熱處理狀態(tài)的零件測量結(jié)果分別見圖9—11。圖9是 Mises應(yīng)變云圖的對比情況，AA2024-T4的最大Mises應(yīng)變是49.5%，而AA2024-O的最大Mises應(yīng)變是264.4%。圖10是厚度減薄率云圖的對比情況，AA2024-T4的最大厚度減薄率是 28.68%，而AA2024-O的最大厚度減薄率是66.6%。圖11是材料各點應(yīng)變狀態(tài)分布。

表5 下壓量對成形高度的影響Tab.5 Influence of step down on the forming height mm

表6 進給速率對成形高度的影響Tab.6 Influence of feed rate on forming height

圖9 Mises應(yīng)變云圖Fig.9 Cloud map of Mises strain

從圖9和圖10可以直觀看出，漸進成形半球零件邊緣的應(yīng)變和減薄率最大，變形最嚴重，實驗結(jié)果也表明零件的破裂位置在邊緣。而由理論分析可知，零件的邊緣的成形角較大，板料減薄率較嚴重，因此也越容易破裂。

由圖11觀察到，板料上所有點的次應(yīng)變約為-2.5%，而主應(yīng)變則根據(jù)板料上點位置的不同而不同，從圖11大致可以看出點的連線可以構(gòu)成一條斜率為無窮大的直線。這也說明半球形零件的漸進成形是一種平面應(yīng)變過程。

圖10 厚度減薄率對比Fig.10 Comparison of thickness thinning rate

圖11 材料各點應(yīng)變狀態(tài)分布Fig.11 Distribution diagram of strain state in each point of material

4 結(jié)論

通過沖壓脹形和漸進成形的對比，可以得出以下結(jié)論。

1) 對于脹形零件，材料在脹形過程中處于雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)，而漸進成形零件在成形過程中處于平面應(yīng)變狀態(tài)。

2) 脹形零件的最大應(yīng)變和最大減薄處是半球的中心，而漸進成形零件的最大應(yīng)變和最大減薄處是半球的邊緣。也就是說，脹形零件的危險截面在半球的中心，漸進成形零件的危險截面在半球的邊緣。

3) 相比較漸進成形零件而言，使用沖壓脹形工藝得出的半球形零件的壁厚相對均勻一點，因而其變形程度可以達到更大。

4) 在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，下壓量越小，成形高度越大；對AA2024-O，進給速率越快，成形高度越大；而對AA2024-T4，進給速率越慢，成形高度越大。