工藝參數(shù)對多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)成形厚度減薄的影響

蔡改貧，周小磊，熊 洋，蒙鵬宇

（1.江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西贛州 341000；2.江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西贛州 341000）

工藝參數(shù)對多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西贛州 341000；2.江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西贛州 341000）

為提高成形質(zhì)量、預(yù)防破裂等缺陷，在金屬板材多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)成形的基礎(chǔ)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(jìn)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(yán)重，工具頭直徑和板材初始厚度越小、成形角和進(jìn)給量越大，制件所能達(dá)到的最大厚度減薄率越大，制件越易破裂.多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)成形試驗(yàn)表明，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相吻合.

多點(diǎn)成形；板材漸進(jìn)成形；工藝參數(shù)；厚度減?。粩?shù)值模擬

金屬板材漸進(jìn)成形技術(shù)是一種先進(jìn)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(biāo)制件［3-4］.在金屬板材漸進(jìn)成形過程中，成形工具頭的尺寸、進(jìn)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(xué)者對此展開了相關(guān)研究.如周六如［5］利用數(shù)控機(jī)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(yù)測圓錐臺制件成形區(qū)壁厚的分布，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了此種方法預(yù)測的有效性與準(zhǔn)確性；Cao等［8］提出了一種算法用于預(yù)測多道次漸進(jìn)成形厚度，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了此算法的準(zhǔn)確性；李湘吉等［9］結(jié)合有限元法探討了進(jìn)給量和成形路徑對成形應(yīng)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(diǎn)漸進(jìn)成形過程的影響；Hussain等［11］、Marques等［12］、Oleksikl等［13］、Ham等［14］針對單點(diǎn)漸進(jìn)成形的特點(diǎn)，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(xué)者主要是探討成形工藝參數(shù)對單點(diǎn)漸進(jìn)成形過程中制件板厚的影響，還未深入探討在多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)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(chǔ)上，結(jié)合多點(diǎn)漸進(jìn)成形的優(yōu)勢［11］，克服單點(diǎn)漸進(jìn)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(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)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(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)成形系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，其中多點(diǎn)是指含有多個(gè)工具頭，工具頭7和工具頭17處于成形機(jī)結(jié)構(gòu)上層，工具頭6和工具頭16處于成形機(jī)結(jié)構(gòu)下層；復(fù)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(jī)械系統(tǒng)包括板材多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)成形機(jī)、激振裝置、成形工具頭等；控制系統(tǒng)包括運(yùn)動控制系統(tǒng)、成形力檢測系統(tǒng)等.在成形過程中，多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)成形機(jī)的上下兩層工具頭在運(yùn)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(yù)定路徑進(jìn)行分層加工，最終通過逐次逐點(diǎn)累積成形出所需制件，成形力檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各個(gè)工具頭通過應(yīng)力傳感器傳回的成形力.

圖1 多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)成形機(jī)原理圖

1.2 工具頭軌跡路徑規(guī)劃

目標(biāo)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(shí)驗(yàn)室自行研制的多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)成形機(jī)，根據(jù)目標(biāo)制件設(shè)計(jì)了如下成形路徑，上層工具頭1和工具頭2負(fù)責(zé)方錐臺制件相應(yīng)對邊的加工，下層工具頭3和工具頭4負(fù)責(zé)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(fù)成形，如圖3所示，并通過MATLAB編程，計(jì)算出各工具頭對應(yīng)的時(shí)間位移關(guān)系，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MSC.Marc中，進(jìn)而實(shí)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(yùn)動軌跡

1.3 工藝參數(shù)

針對目標(biāo)制件，由于主要探討成形工藝參數(shù)對多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)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(gè)成形工藝參數(shù)，分別按方案I～Ⅳ對目標(biāo)制件進(jìn)行加工.

方案I：進(jìn)給量ΔZ=1 mm，進(jìn)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(jìn)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(jìn)給量ΔZ=0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 mm.

方案III：進(jìn)給量ΔZ=1 mm，進(jìn)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(jìn)給量ΔZ=1 mm，進(jìn)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(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)成形的有限元模型如圖4所示.板材通過上下壓邊圈進(jìn)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(shí)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(jìn)行局部細(xì)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(jìn)行求解，選用Von mises作為屈服準(zhǔn)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(qiáng)度136 MPa，泊松比0.33.

圖4 多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)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(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)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(diǎn)進(jìn)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(yán)重，更易產(chǎn)生破裂.

圖5 厚度分布節(jié)點(diǎn)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(diǎn)A（node575）、節(jié)點(diǎn)B（node821）、節(jié)點(diǎn)C（node1 067）、節(jié)點(diǎn)D（node 1 149）、節(jié)點(diǎn)E（node1 231）、節(jié)點(diǎn)F（node1 313）、節(jié)點(diǎn)G（node1 477）、節(jié)點(diǎn)H（node1 641）、節(jié)點(diǎn)I（node1 805）這9個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(jìn)行分析.圖8為對角線上節(jié)點(diǎn)的厚度變化.

圖7 厚度與厚度減薄率節(jié)點(diǎn)的選取

圖8 對角線上節(jié)點(diǎn)的厚度變化

由圖8可知：成形制件對角線上的厚度隨時(shí)間變化的曲線呈階梯狀，表明板材在多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)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(diǎn)的厚度變化曲線最終趨于穩(wěn)定，表明成形同一制件時(shí)，成形區(qū)厚度會隨著成形深度的增加最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，形成成形穩(wěn)定區(qū)，而不是無限制的減小；節(jié)點(diǎn)G的最終成形穩(wěn)定厚度明顯小于其他各點(diǎn)，表明成形同一深度的同一制件時(shí)，制件對角線中下部的厚度減薄最為嚴(yán)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(jìn)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(jìn)給量越大，制件對角線上所能達(dá)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(dāng)制件對角線厚度減薄率未達(dá)到最大值時(shí)，減薄率隨著工具頭直徑、軸向進(jìn)給量和成形角的增大而增大，隨著初始板厚的增大而減??；當(dāng)制件對角線厚度減薄率達(dá)到最大值后，減薄率隨著工具頭直徑、軸向進(jìn)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(jìn)給量越大，板材厚度減薄得越嚴(yán)重，更容易導(dǎo)致破裂等成形缺陷的產(chǎn)生.在整個(gè)成形過程中，當(dāng)成形角θ為70°時(shí)，達(dá)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(dá)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(shí)驗(yàn)

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)成形試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行成形實(shí)驗(yàn)，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(jìn)給量1 mm，成形角45°，進(jìn)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(jìn)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(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)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(yán)重，制件成形區(qū)對角線更易發(fā)生破裂，進(jìn)行制件成形時(shí)要特別關(guān)注對角線上的厚度變化.

2）在同一工藝條件下，對于多點(diǎn)復(fù)合漸進(jìn)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(jìn)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(jìn)成形過程中，要綜合考慮制件形狀和成形效率等相關(guān)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(yù)防破裂等缺陷的產(chǎn)生.

［1］ SENA J I V，De SOUSA R J A，VALENTE R A F. Single point incremental forming simulation with anenhanced assumed strain solid-shell finite element formulation［J］.Int J Mater Form，2010，3（1）：963-966.

［2］ BOUFFIOUX C，POUTEAU P，DUCHENE L，et al. Material data identification to model the single point incremental forming process［J］.Int J Mater Form，2010，3（1）：979-982.

［3］ 崗野廣之，呂言.3次元デジタル制御技術(shù)--ダイレスNCフォミングの現(xiàn)狀［J］.塑性と加工，2004，45（526）：2-6.

HERUYOKI O，Lü Yan.State of the dieless NC forming on three-dimensional digital control technology［J］. Plasticity and Forming，2004，45（526）：2-6.

［4］ 松原茂夫.板材の逐次張出し·絞り成形［C］//平成7年度塑性加工春季講演會論文集.東京：日本塑性加工學(xué)會，1995.

［5］ 周六如.板料數(shù)控漸進(jìn)成形變形區(qū)厚度變化規(guī)律研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（18）：50-54.

ZHOU Liuru.Research on the thickness change laws in numerial control incremental sheet forming［J］.Journal of Mechanical Engineering，2011，47（18）：50-54.

［6］ 肖士昌，高錦張，賈俐俐，等.單道次漸進(jìn)成形錐形件壁厚均勻臨界成形角的研究［J］.鍛壓技術(shù)，2012，37（1）：49-54.

XIAO Shichang，GAO Jinzhang，JIA Lili，et al.Research on critical forming angle of uniform thickness in single-path incremental forming for conical part［J］. Forging&Stamping Technology，2012，37（1）：49-54.

［7］ MIRNIA M J，MOLLAEI D B，VANHOVE H.An investigation into thickness distribution in single point incremental forming using sequential limit analysis［J］. Int J Mater Form，2014，7：469-477.

［8］ CAO T T，LU B，XU D，et al.An efficient method for thickness prediction in multi-pass incremental sheet forming［J］.Int J Adv Manuf Technol，2015，77：469-483.

［9］ 李湘吉，李明哲，蔡中義，等.板料漸進(jìn)成形數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2009，17（1）：66-69.

LI Xiangji，LI Mingzhe，CAI Zhongyi，et al.Numerical simulation and experimental study on incremental forming of sheet metal［J］.Materials Science&Technology，2009，17（1）：66-69.

［10］蔡改貧，周小磊，王俊，等.基于MSC.Marc的板材多點(diǎn)漸進(jìn)成形路徑的有限元分析［J］.鍛壓技術(shù)，2014，39（10）：63-67.

CAI Gaipin，ZHOU Xiaolei，WANG Jun，et al.FEM analysis for the path of plate in the multi-point incremental forming based on MSC.Marc［J］.Forging& Stamping Technology，2014，39（10）：63-67.

［11］HUSSAIN G，GAO L，ZHANG Z Y.Formability evaluation of a pure titanium sheet in the cold incremental forming process［J］.Int J Adv Manuf Technol，2008，37：920-926.

［12］MARQUES T A，SILVA M B，MARTINS P A F.On the potential of single point incremental forming of sheet polymer parts［J］.Int J Adv Manuf Technol，2012，60（1/2/3/4）：75-86.

［13］OLEKSIK V，PASCU A，DEAC C.Experimental study on the surface quality of the medical implants obtained by single point incremental forming［J］.Int J Mater Form，2010，3（Suppl 1）：935-938.

［14］HAM M，JESWIET J.Dimensional accuracy of single point incremental formin［J］.Int J Mater Form，2008，3（Suppl 1）：1171-1174.

［15］蔡改貧，朱宏亮，姜志宏，等.板材多點(diǎn)對稱式漸進(jìn)成形過程模擬研究［J］.鍛壓技術(shù)，2012，37（6）：26-29.

CAI Gaipin，ZHU Hongliang，JIANG Zhihong，et al. Simulation research on plate multi-point symmetric type incremental forming process［J］.Forging&Stamping Technology，2012，37（6）：26-29.

（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(xué)基金（50975131）；江西省自然科學(xué)基金（20132BAB206013）.

蔡改貧（1964—），男，博士，碩士生導(dǎo)師.

周小磊，E-mail：1049887130@qq.com.