冉津宇, 王鳳琪, 于忠奇, 杜陳陽(yáng), EVSYUKOV S A

(1. 上海交通大學(xué) 上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;2. 莫斯科國(guó)立鮑曼技術(shù)大學(xué) 制造技術(shù)教研室, 俄羅斯 莫斯科 105005)

金屬旋壓成形作為一種先進(jìn)的局部塑性成形方法,由于具有高成形性能、低加工載荷、短制造周期等技術(shù)優(yōu)勢(shì),逐漸成為航天飛行器薄壁構(gòu)件高性能輕量化制造方法之一[1-3].旋壓成形中,由于材料塑性差、流動(dòng)不均勻引發(fā)的斷裂和起皺是主要的缺陷形式[4-5].對(duì)于難變形材料或高精度薄壁構(gòu)件,為避免成形時(shí)產(chǎn)生缺陷,會(huì)引入輔助能場(chǎng)來(lái)提高材料塑性,如電輔助成形[6]、超聲輔助成形[7]以及熱輔助成形等.使用熱輔助方式提高材料塑性的方式較為普遍,常用加熱方式包括火焰加熱、爐內(nèi)加熱、感應(yīng)加熱、溫室加熱和激光加熱等[8].對(duì)于激光加熱方式,激光熱源可實(shí)現(xiàn)局部高溫加熱,具有熱源集中和能量可控的優(yōu)勢(shì)[9].將激光熱源引入強(qiáng)力旋壓成形中,能實(shí)現(xiàn)局部加熱與局部變形的合理匹配,是難成形薄壁構(gòu)件的一種先進(jìn)成形方法.

目前,已有學(xué)者在激光輔助旋壓成形工藝方面開(kāi)展了試驗(yàn)探索.在成形性改善方面,Klocke等[10]證實(shí)激光輔助旋壓可提升鉻鎳鋼15%～25%的成形性能.Brummer等[11]通過(guò)室溫下多種材料和激光輔助剪切旋壓的對(duì)比試驗(yàn),證實(shí)激光輔助旋壓可提升難變形材料可旋性.此外,Biermann等[12-13]在幾種薄板的增量成形試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)使用激光輔助成形能提升難變形材料的成形極限,同時(shí)改善成形精度、降低成形力.Duflou等[14-15]通過(guò)鋁合金5182增量成形試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光輔助成形可有效減小回彈.上述激光輔助成形研究表明:激光輔助不僅可以提高成形極限,也有助于提升成形精度、降低成形力.

激光溫度場(chǎng)作為局部加熱能場(chǎng),與旋輪載荷場(chǎng)的匹配是關(guān)鍵問(wèn)題之一.針對(duì)旋壓過(guò)程中激光照射點(diǎn)漂移問(wèn)題,Klocke等[16]在激光器上增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀構(gòu)件旋壓過(guò)程中照射點(diǎn)位置的精準(zhǔn)控制,但這套加熱運(yùn)動(dòng)支架裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且需要專(zhuān)門(mén)工藝軟件來(lái)協(xié)同控制激光支架運(yùn)動(dòng)與旋輪運(yùn)動(dòng),對(duì)通用數(shù)控旋壓機(jī)軟硬件改造費(fèi)時(shí)費(fèi)力.激光作為強(qiáng)局部熱源,適合引入強(qiáng)力旋壓成形中,然而,目前還缺少激光照射點(diǎn)偏移的數(shù)學(xué)關(guān)系模型.該模型不僅要提供激光熱源與通用旋壓機(jī)在剛性連接條件下的熱輸入偏差計(jì)算依據(jù),也要為精準(zhǔn)熱輸入條件下激光器加熱支架進(jìn)給運(yùn)動(dòng)算法開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ).此外,激光熱源屬于面熱源,板坯加熱需要利用熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)厚向板坯加熱,為此,激光照射點(diǎn)要前置于旋輪作用點(diǎn),如何確定二者的空間幾何關(guān)系值得討論.

在通用旋壓機(jī)上,本文通過(guò)剛性連接激光熱源建立熱剪切旋壓裝置,分析激光照射點(diǎn)漂移對(duì)熱輸入的影響,研究在激光熱源作用下的溫度場(chǎng)特征,建立合理的加熱點(diǎn)與旋壓作用點(diǎn)之間的幾何關(guān)系.在此基礎(chǔ)上,以橢球面構(gòu)件為例開(kāi)展鋁合金薄板室溫和激光輔助剪切旋壓試驗(yàn),證明激光作為輔助熱源在提升鋁合金薄板可旋性和成形精度方面具備技術(shù)優(yōu)勢(shì),為工程應(yīng)用提供技術(shù)支持.

1 激光輔助旋壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 激光輔助旋壓試驗(yàn)平臺(tái)搭建

在ZENN-100數(shù)控旋壓機(jī)上搭建激光輔助旋壓平臺(tái),如圖1所示.激光熱源為YLR-1500單模諧振激光發(fā)射器,通過(guò)支架將激光發(fā)射器固定在旋壓機(jī)的旋轉(zhuǎn)刀架上,與旋壓機(jī)床剛性連接,使激光加熱器與旋輪刀架空間位置相對(duì)固定.激光照射點(diǎn)始終位于旋輪作用點(diǎn)前側(cè)待變形區(qū),且在周向上前置一段距離以實(shí)現(xiàn)對(duì)變形區(qū)的隨動(dòng)加熱.

1—芯模;2—旋輪;3—尾頂組件;4—激光器組件;5—支架;A—激光照射點(diǎn);B—旋輪作用點(diǎn)

聚焦激光輔助剪切旋壓成形性能研究參考文獻(xiàn)[17]中的評(píng)價(jià)方法,設(shè)計(jì)如圖2所示的橢球面芯模.芯模長(zhǎng)軸半徑a=80 mm,短軸半徑b=60 mm,小端半徑R0=25 mm,自起旋位置起,旋壓半錐角α由90°逐漸減小至0°.

圖2 橢球面芯模

1.2 激光照射點(diǎn)漂移模型

在實(shí)驗(yàn)設(shè)備關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)為剛性連接條件下,隨著旋輪進(jìn)給,激光照射點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一定的偏差.偏差是由剪旋過(guò)程中芯模半徑變化引起的照射點(diǎn)位置偏移和剪切旋壓螺旋線加工軌跡所引起,這兩方面因素都會(huì)使激光熱源加載點(diǎn)的位置出現(xiàn)徑向和軸向偏差.

(1) 芯模半徑變化引起的照射點(diǎn)徑向位置偏移.

由于激光加熱器與旋輪刀架空間位置相對(duì)固定,即在XOY平面上,激光點(diǎn)-旋輪點(diǎn)間距L及其夾角β保持不變,如圖3所示.隨著旋輪進(jìn)給,旋壓作用點(diǎn)B所處位置的芯模半徑Rw逐漸增大,后續(xù)激光照射點(diǎn)A′和旋輪作用點(diǎn)B′在徑向上會(huì)出現(xiàn)逐漸變大的偏差Δr1.令激光照射點(diǎn)A′處的芯模半徑為RL,結(jié)合旋輪作用點(diǎn)B′處的芯模半徑Rw,根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算徑向偏差距離Δr1.

圖3 激光照射點(diǎn)與旋輪作用點(diǎn)之間位置偏差

由圖3(a)可知,起旋位置芯模半徑為R0,則夾角為

(1)

旋輪移動(dòng)到點(diǎn)B′,激光照射點(diǎn)A′處的芯模半徑為

(2)

激光照射點(diǎn)A′和旋輪作用點(diǎn)B′在徑向上存在偏差距離為

(3)

(2) 螺旋線軌跡引起的照射點(diǎn)徑向位置偏移.

旋壓屬于連續(xù)加載局部成形,旋輪工藝軌跡在XOY平面上的投影為阿基米德螺旋線如圖4所示,取OX軸為極軸,在極坐標(biāo)系下其軌跡公式表示為

圖4 激光點(diǎn)與旋輪點(diǎn)位置關(guān)系

ρ=R0+Vrθ

(4)

式中:ρ為極徑;Vr為徑向進(jìn)給比;θ為極角.極軸為通過(guò)芯模軸心的水平線.

因此,激光照射點(diǎn)A與旋輪作用點(diǎn)B存在徑向上偏差為

(5)

式中:θA和θB分別為點(diǎn)A和B點(diǎn)的極角;ρA和ρB分別為點(diǎn)A和B點(diǎn)的極徑.

Δr2,max=VrΔθ0

(6)

式中:Δθ0為在初始狀態(tài)下AB兩點(diǎn)間的極角差值.

在初始條件下,根據(jù)余弦定理有

(7)

綜上所述,由剛性連接引起的總徑向偏差為

Δr=Δr1+Δr2=

(8)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),剪切旋壓沿母線方向進(jìn)給比范圍一般為0.10～0.75 mm/r,該范圍內(nèi)沿徑向分量Vr會(huì)更小,且Δθ較小,計(jì)算存在超越方程難以求得精確解析解的問(wèn)題.根據(jù)式(6)和(7)可估算得知,徑向偏差變化范圍為0.009 mm≤Δr2,max≤0.094 mm.相比于Δr1屬于高階小量,因此可將剛性連接引起的徑向偏差近似認(rèn)為

(9)

(3) 芯模半徑變化引起的照射點(diǎn)軸向偏差位置偏移.

如圖3(b)所示,在XOZ平面上,起旋時(shí)激光照射點(diǎn)A與旋輪作用點(diǎn)B在軸向上重合,隨著旋輪進(jìn)給,激光照射點(diǎn)A與旋輪作用點(diǎn)B會(huì)處于不同的芯模半徑位置,導(dǎo)致其軸向位置產(chǎn)生偏差ΔZ.

軸向偏差距離ΔZ與芯模的外輪廓曲線方程相關(guān),使用橢球面模具的外輪廓曲線方程為

(10)

(11)

由式(11)可知,ΔZ由Δr計(jì)算得到.如前文所述,螺旋線軌跡引起的照射點(diǎn)徑向位置偏移可忽略不計(jì),因此其帶來(lái)的軸向偏差在本文中也忽略不計(jì).

為了直觀描述式(9)中徑向偏差和式(11)中軸向偏差隨參數(shù)Rw和L的變化趨勢(shì),使用MATLAB繪制變化曲面圖,如圖5所示.可知,隨著旋輪進(jìn)給,徑向偏差和軸向偏差均逐漸增大;起旋時(shí)激光點(diǎn)-旋輪點(diǎn)間距越小,徑向偏差與軸向偏差也越小.

圖5 照射偏差與Rw和L的關(guān)系

2 激光輔助旋壓工藝設(shè)計(jì)

激光輔助旋壓中,提升成形性的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)局部溫度場(chǎng)與局部載荷場(chǎng)的匹配程度.通過(guò)分析激光熱源作用下的鋁合金板材溫度場(chǎng)特征,提出激光照射點(diǎn)位置設(shè)計(jì)策略.

2.1 激光加熱溫度場(chǎng)仿真

在激光輔助旋壓仿真模型中,激光能場(chǎng)的輸入通常采用高斯面熱源,公式如下:

q(x,y)=

(12)

式中:q(x,y)為在點(diǎn)(x,y)處的熱流密度;P為激光發(fā)射功率;ra為激光在照射面形成的光斑半徑;α′為材料的光學(xué)吸收系數(shù).

基于Abaqus/Implicit軟件二次開(kāi)發(fā)功能,將式(12)嵌入傳熱仿真模型中,實(shí)現(xiàn)激光工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)影響分析.圖6為激光掃掠鋁板傳熱有限元模型,其板坯尺寸為40 mm×100 mm×2 mm.選用DC3D8傳熱實(shí)體單元剖分板坯,厚度方向?yàn)?0層單元,滿(mǎn)足較大厚向溫度梯度的數(shù)值模擬要求.鋁合金2024熱物性參數(shù)如表1所示,熱膨脹率對(duì)該仿真的溫度場(chǎng)影響不大,因此采用定值5.33×10-3.

表1 鋁合金2024材料熱物性參數(shù)

圖6 激光傳熱有限元模型

利用激光加熱溫度測(cè)量試驗(yàn)[18]驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性.試驗(yàn)中,對(duì)鋁合金板雙面進(jìn)行黑漆噴涂以提高激光吸收率,同時(shí)使用紅外攝像儀拍攝鋁合金反面實(shí)時(shí)溫度,得到某一時(shí)刻鋁合金板反面的溫度場(chǎng)分布,并與仿真模型計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.

圖7為不同激光功率和掃描速率條件下反面溫度(T)仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比.可以發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果與試驗(yàn)吻合很好,表明利用有限元模型反求激光加熱溫度場(chǎng)可信.

圖7 反面溫度有限元仿真與試驗(yàn)對(duì)比

由激光熱源鋁合金板傳熱實(shí)驗(yàn)可知,板材最大溫升主要與激光功率、掃描速率和離焦距離即激光在坯料上的照射點(diǎn)與激光束焦點(diǎn)的距離強(qiáng)相關(guān)[18],且板材反面即激光照射面的另一面溫升主要靠熱傳導(dǎo),板材反面的最高溫度點(diǎn)滯后于板材正面.圖8為仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)獲得的厚度2 mm鋁合金板受激光照射后的正反表面溫度分布曲線,條件為激光功率 1 000 W、掃描速率50 mm/s、離焦距離110 mm,橫軸定義為在激光掃描路徑上相對(duì)于圖6中模型左端的距離.該板材反面最高溫度點(diǎn)B1與正面激光照射點(diǎn)A沿激光掃描方向的距離Δx=3 mm.

圖8 鋁板正反兩側(cè)溫度曲線

數(shù)值仿真表明:激光功率對(duì)Δx影響較小,而隨掃描速率、離焦距離以及坯料厚度影響較大(見(jiàn)圖9).顯然,隨著離焦距離和掃描速率的減小,Δx也被縮短,這是由于離焦距離對(duì)熱流密度產(chǎn)生影響,而掃描速率則影響了鋁板單位面積接受的能量,而厚度則影響了坯料的熱傳導(dǎo)時(shí)間,因而滯后程度增加.

圖9 激光加熱參數(shù)對(duì)鋁合金正反面最高溫度點(diǎn)間距影響

2.2 激光照射位置設(shè)計(jì)

對(duì)于剪切旋壓,旋輪附近變形區(qū)常分為主變形區(qū)和拉彎區(qū),如圖10所示,本文試驗(yàn)采用的旋輪圓角半徑為5 mm,將旋輪作用區(qū)以1 mm間隔分為5個(gè)區(qū)域.考慮坯料在旋輪作用區(qū)反面的拉彎區(qū)會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)變,易發(fā)生拉裂.因此,將熱源加載在拉彎區(qū),提高拉彎區(qū)附近的材料塑性,可有效預(yù)防旋壓過(guò)程中坯料拉裂.同時(shí),在剪旋后期激光照射點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)徑向偏差,即向主變形區(qū)偏移約0.56 mm的現(xiàn)象,為此設(shè)定激光照射中心點(diǎn)在拉彎區(qū)中心偏向法蘭一側(cè),即圖10所示的區(qū)域4,這樣可使得照射點(diǎn)在整個(gè)旋壓過(guò)程中始終作用在拉彎中心區(qū)附近,有利于提升材料塑性,且同時(shí)盡量降低激光照射點(diǎn)漂移帶來(lái)的徑向偏差對(duì)溫度的影響.

圖10 旋輪作用區(qū)

3 鋁合金板材激光輔助旋壓試驗(yàn)

3.1 旋壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)與成形件質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

使用較難成形的鋁合金7075-T6開(kāi)展室溫和激光輔助剪旋對(duì)比實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證可旋性;使用較易成形的鋁合金2024-O以驗(yàn)證激光輔助旋壓對(duì)尺寸精度的影響,相關(guān)工藝參數(shù)如表2所示.Δx由仿真數(shù)據(jù)得到,當(dāng)A、B點(diǎn)間距為7 mm時(shí),滿(mǎn)足2.2節(jié)中激光照射點(diǎn)位置選取原則.激光加熱在板坯厚度方向?yàn)樽儨剡^(guò)程,利用圖6仿真模型, 7075-T6態(tài)鋁合金反面最高溫度約為320 ℃,2024-O態(tài)鋁合金反面最高溫度約為150 ℃.

表2 激光輔助剪旋實(shí)驗(yàn)參數(shù)

使用Leitz PMM-XI三坐標(biāo)儀測(cè)量旋壓件的4條母線的內(nèi)表面輪廓坐標(biāo)點(diǎn),通過(guò)平均化處理獲得內(nèi)表面輪廓曲線和成形件貼模度,如圖11所示.并基于Faro三維激光掃描測(cè)量臂和逆向工程軟件Geomagic Qualify重構(gòu)試驗(yàn)件內(nèi)外表面的三維輪廓,獲得試驗(yàn)件壁厚分布和成形件的壁厚,如圖12所示.

圖11 試驗(yàn)件貼模度測(cè)量

3.2 板料可旋性提升

7075-T6鋁合金室溫和激光輔助旋壓成形件如圖13所示.室溫下旋壓進(jìn)行至中段時(shí)板坯發(fā)生斷裂,此時(shí)對(duì)應(yīng)臨界半錐角約為40°,最小壁厚為1.19 mm,而對(duì)于激光輔助旋壓件,旋壓至半錐角19.58°仍未發(fā)生斷裂,最小壁厚為0.62 mm.與室溫旋壓相比,該件最大減薄率提升約30%,證實(shí)了激光輔助旋壓可顯著提高難變形板材的可旋性.需要指出的是,時(shí)效態(tài)鋁合金可旋性提高的同時(shí),激光熱源也對(duì)時(shí)效態(tài)鋁合金中第二相粒子產(chǎn)生回溶現(xiàn)象,導(dǎo)致其硬度略有下降[19].本文使用時(shí)效態(tài)鋁合金板材僅用于證明可旋性可被明顯提高.

圖13 7075-T6鋁合金試驗(yàn)件

3.3 尺寸精度提升

2024-O鋁合金室溫和激光輔助旋壓成形件如圖14所示,激光輔助旋壓件最小壁厚為0.92 mm,冷旋件為1.19 mm.試驗(yàn)件貼模間隙和壁厚減薄率曲線如圖15所示.從圖15(a)可以看出,激光輔助旋壓件幾乎完全貼合芯模輪廓線;而室溫旋壓件與芯模之間存在一定的貼模間隙,且隨著芯模半徑增大,貼模間隙逐漸增大.該間隙產(chǎn)生的原因是:隨著剪切半錐角變小,厚度減薄明顯,且材料產(chǎn)生明顯的加工硬化問(wèn)題,共同引起成形回彈,導(dǎo)致貼模間隙逐漸變大.由于激光輔助旋壓明顯降低了材料的屈服應(yīng)力,所以貼模度較室溫旋壓更好.

圖14 2024-O鋁合金試驗(yàn)件

圖15 2024-O鋁合金試驗(yàn)件尺寸測(cè)量

圖15(b)的厚度分布曲線對(duì)比表明:激光輔助旋壓件厚度稍大于正弦規(guī)律中的剪切理論厚度,且偏離值幾乎恒定,這主要是由旋壓機(jī)刀桿退讓造成的;而室溫旋壓件厚度產(chǎn)生了更大偏差,且隨著剪切半錐角變小,偏差值變大,這說(shuō)明隨著厚度減薄增加以及加工硬化的出現(xiàn),徑向旋壓力增加帶來(lái)了更大的設(shè)備退讓,導(dǎo)致厚度偏差加大.

綜上所述,激光輔助旋壓成形可提升旋壓成形件的貼模度,且壁厚更接近理論值,這表明激光輔助旋壓可有效提升鋁合金旋壓尺寸精度.同時(shí),證實(shí)在本文所使用的模具和設(shè)備條件下,激光輔助剪切旋壓工藝設(shè)計(jì)方法可行.

4 結(jié)論

搭建激光輔助剪切旋壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái),建立成形過(guò)程中激光照射點(diǎn)漂移模型,提出激光照射位置設(shè)計(jì)方法,開(kāi)展鋁合金薄板室溫和激光輔助剪切旋壓試驗(yàn),獲得如下結(jié)論:

(1) 在截面半徑變化不大于60 mm的構(gòu)件截面變動(dòng)條件下,激光加熱溫度波動(dòng)在5%以?xún)?nèi),波動(dòng)不明顯,可以滿(mǎn)足激光輔助旋壓試驗(yàn)的近似均勻熱輸入的要求.

(2) 定義出剪切旋壓過(guò)程中激光在板坯法蘭上照射點(diǎn)的空間位置,激光照射點(diǎn)應(yīng)在旋輪拉彎區(qū)靠近法蘭一側(cè).

(3) 激光輔助旋壓可顯著提高難成形薄板可旋性,7075-T6態(tài)鋁合金減薄率可增加30%,同時(shí)明顯改善薄壁旋壓件貼模度和厚度均勻性.