數(shù)控漸進成形中摩擦致熱分析

,

(1.福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院,福州 350108; 2.福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院,福州 350108)

為適應(yīng)市場對產(chǎn)品多元化和個性化生產(chǎn)的需求,不斷創(chuàng)新板料成型技術(shù)，使其向綜合化、柔性化、多學(xué)科化發(fā)展.板料數(shù)控漸進成形技術(shù)無需使用專用模具或僅需簡單模具，通過程序控制成型工具對坯料進行分層逐點成形，依靠變形的積累獲得最終形狀，是集力學(xué)、計算機圖形學(xué)、數(shù)控加工技術(shù)和塑性成形技術(shù)為一體的先進成形制造技術(shù).因其具有超越傳統(tǒng)成形方法的好的成形性能[1-3],在航空、航天、家電、醫(yī)療器械及汽車等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?

漸進成形過程中,成形工具與坯料接觸產(chǎn)生的熱量使得接觸區(qū)局部溫度升高,其熱源包括:坯料塑性變形能轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱量;成形工具移動時,與坯料接觸滑動產(chǎn)生的摩擦熱;成形工具自轉(zhuǎn)時與坯料摩擦產(chǎn)生的熱量[4].能否控制并進一步利用這部分熱能,提高制件的成形性能,引起了廣泛的研究和關(guān)注.例如:Gupta等[5]采用紅外相機觀察了漸進成形中的熱量產(chǎn)生及傳遞現(xiàn)象;Xu等[6]通過實驗探討了成形工具轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致的摩擦生熱現(xiàn)象,以及對AA5052-H32鋁合金變形行為的影響;Park等[7]在室溫?zé)o外熱源的條件下,利用成形過程本身產(chǎn)生的熱量完成了難加工鎂合金AZ31的成形.

然而,由于熱產(chǎn)生于工具頭與坯料的接觸區(qū)域,在現(xiàn)有實驗條件下難以觀察,更難以精確測定熱量產(chǎn)生和傳遞的過程、溫度的變化情況,也難以深入分析不同熱源對接觸區(qū)溫度的影響程度及方式.因此,本文以圓錐臺件為例,在理論分析的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬與實驗結(jié)果相互印證的方式,探討不同熱源對坯料溫度升高的貢獻度以及影響規(guī)律,為控制變形區(qū)的溫度、調(diào)整漸進成形的變形行為、提高成形性能提供依據(jù).

1 建立有限元模型

本文使用Abaqus有限元軟件,仿真采用無支撐成形法.參照文獻[8],假設(shè)成形工具和板料的材料都各向同性,不考慮磨損,接觸區(qū)域的摩擦因素保持不變,材料熱物性參數(shù)不隨溫度變化,建立成形過程的熱力耦合模型.板料、成形工具的力學(xué)及熱物性參數(shù)如表1所示[9].

表1 板料、成形工具的力學(xué)和熱物性參數(shù)Tab.1 Mechanical and thermophysical parameters of the sheet and forming tool

有限元模型中,板料尺寸為200 mm×200 mm×1 mm,成形工具為半徑5 mm的半球;上、下壓邊圈的外形尺寸與板料相同,中心都挖去一個直徑為150 mm的圓孔;板料為彈塑性可變形體,成形工具和壓邊圈均設(shè)為剛體;成形過程中,完全約束上、下壓邊圈和板料四周,成形工具與板料單向面面接觸,摩擦系數(shù)設(shè)為0.15;板料單元類型選擇熱力耦合單元C3D8RT,并在厚度方向細化網(wǎng)格;環(huán)境溫度及整個模型的初始溫度都設(shè)為20 ℃,所建立的有限元模型及網(wǎng)格如圖1(a)所示,圖1(b)為加工后的零件實物.

圖1 有限元模型及漸進成形加工的零件Fig.1 Finite element analysis model and the product produced by incremental forming

成形工具由外向內(nèi)、由上到下,采用分層等高方式加工零件,成形工具的周向進給速度為367 mm/min,主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,各層間距為0.5 mm.為避免下刀點集中導(dǎo)致的塑性變形區(qū)域重疊產(chǎn)生的累積效應(yīng),每一層下刀點沿順銑方向螺旋進入.

2 接觸區(qū)的熱量

2.1 由塑性變形能轉(zhuǎn)化的熱量

漸進成形過程中,成形工具對板料逐點碾壓使其產(chǎn)生塑性變形,塑性變形能小部分儲存在材料內(nèi)部,其他轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?其中部分熱能使接觸區(qū)域的溫度升高,其他則散失到環(huán)境和材料的其他部位.金屬塑性變形過程中,能量平衡的表達式[10]為

(1)

式中:β為塑性功向熱能的轉(zhuǎn)變系數(shù),普通碳鋼的β一般取0.9～1.0,本文取0.9;W為板料塑性變形能;Qp為導(dǎo)致板料溫度升高的熱能;Qloss為板料的熱量損失.W和Qp可表示為[12]

式中:σ為真實應(yīng)力;ε為真實應(yīng)變;ΔV為變形前后體積變化量;ρ為坯料的密度;C為坯料的比熱容;ΔT為坯料接觸前后的溫差.

由式(2)所知,塑性變形能與材料的真實應(yīng)力、應(yīng)變以及變形區(qū)的體積有關(guān).漸進成形過程中,層間距越大,變形區(qū)的體積就越大,且成形工具與板料變形區(qū)的接觸面積越大.

熱量損失Qloss通過熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流形式進行.對于低溫鋼材料,熱傳導(dǎo)為主要形式,熱輻射和熱對流的影響非常小,為計算方便,將其忽略,則Qloss可表示為[10]

(4)

式中:λ為板料的導(dǎo)熱系數(shù);A0為接觸部分的面積,x為熱傳導(dǎo)距離.

2.2 摩擦生熱

成形過程中,成形工具沿板料移動和自轉(zhuǎn)時都會產(chǎn)生摩擦熱,它們共同產(chǎn)生的接觸摩擦熱Qf的計算式為

式中:μ為摩擦系數(shù);FN為接觸壓力,N;vm為成形工具的進給速度,m/s;vr為轉(zhuǎn)動線速度,m/s;d為成形工具直徑,mm;n為轉(zhuǎn)速,r/min;t為時間,s.因此,接觸摩擦生熱與摩擦系數(shù)、進給速度、轉(zhuǎn)動速度、接觸壓力和成形時間等有關(guān).當(dāng)層間距和成形時間一定時,影響摩擦生熱的主要因素為摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)動速度和進給速度.

接觸面上產(chǎn)生的摩擦熱分別傳遞給成形工具和板料,熱量分配計算公式為[11]

(7)

式中:c1,c2分別為板料和成形工具的比熱容,J/(kg·K);ρ1,ρ2分別為坯料和成形工具的密度,kg/m3;k1,k2分別為坯料和成形工具的熱導(dǎo)率,W/(m·K).因此,在摩擦生熱過程中,熱量會更多地傳入導(dǎo)熱性能比較好的材料,由表1數(shù)據(jù)計算可得板料與成形工具頭之間的熱量分配為q1/q2=1.43,摩擦過程中產(chǎn)生的熱量約60%傳遞給了板料使其溫度升高.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 塑性變形導(dǎo)致的板料溫度升高

圖2(a)和圖2(b)分別為成形工具與板料接觸區(qū)域的溫度最高節(jié)點以及該點背面節(jié)點的溫度變化情況.從圖2(a)中可看出,在板料與成形工具接觸的短時間內(nèi),溫度急劇升高5.1 ℃,至25.1 ℃,成形工具離開后溫度快速下降至22.3 ℃后趨于平穩(wěn).從圖2(b)可知,背面最高溫度為24.4 ℃,達到最高溫度后快速下降至22.5 ℃后趨于平穩(wěn).板料與成形工具接觸時沿厚度方向有一定的溫度梯度,仿真結(jié)果與文獻[7]中用熱電偶測量的結(jié)果一致.

圖2 塑性變形能導(dǎo)致的接觸區(qū)最高溫度變化圖Fig.2 Maximum temperature change in the contact area induced by plastic deformation energy

根據(jù)式(2)可知塑性變形能與變形區(qū)體積有關(guān),層間距越大,變形區(qū)的體積越大.令層間距分別為0.25,0.50,0.75,1.00 mm,接觸面溫度最高節(jié)點及其背面節(jié)點的溫度變化如圖3所示.

圖3 層間距對板料溫度升高的影響Fig.3 Effect of layer spacing on the increase of sheet temperature

從圖中可以看出,隨著層間距增大,板料與成形工具接觸區(qū)溫度呈上升趨勢,但層間距增大,會影響成形制件的表面質(zhì)量.

3.2 成形工具移動時摩擦熱對板料溫度的影響

成形工具的移動和自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱將使接觸區(qū)溫度升高.令成形工具不自轉(zhuǎn),僅以進給速度367 mm/min移動,摩擦和塑性變形共同促使坯料溫度升高的情況如圖4(a)和圖4(b)所示,接觸區(qū)沿板料厚度方向的溫度梯度如圖4(c)所示.由圖可知,接觸區(qū)最高溫度急劇升高至157.7 ℃,背面最高溫度為38.8 ℃.因此,僅因成形工具移動產(chǎn)生的摩擦使接觸區(qū)溫度升高132.6 ℃,背面溫度升高14.4 ℃,與圖2相比,摩擦生熱遠大于塑性變形能.接觸區(qū)板料正反面溫差為118.9 ℃,從圖4(c)中可看出,摩擦產(chǎn)生的熱量主要集中在坯料表面,表面瞬時溫度較高,在傳熱作用下,表面溫度在成形工具移開后迅速下降至29.0 ℃左右后再緩慢下降(見圖4(a)),但厚度方向溫度傳遞速度較慢.

圖4 成形工具移動時接觸區(qū)最高溫度變化圖Fig.4 Maximum temperature variation of the contact area with the movement of forming tool

為進一步了解成形工具移動時的摩擦生熱,令成形工具移動的速度分別為184,367,734 mm/min進行比較,接觸區(qū)最高溫度節(jié)點的變化情況如圖5所示,隨著成形工具移動速度的增加,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱增加,最高溫度上升.

3.3 成形工具移動并自轉(zhuǎn)時的摩擦熱對板料溫度的影響

成形工具以367 mm/min的進給速度移動，并以2 100 r/min的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)時板料溫度升高的情況如圖6所示.此時,板料接觸區(qū)最高溫急劇上升至209.7 ℃,脫離接觸后快速下降至33.0 ℃左右,然后緩慢冷卻.此過程中,節(jié)點的最高溫升高達189.7 ℃,比成形工具不自轉(zhuǎn)時的最高溫度提高52.0 ℃;背面的最高溫度約為60.5 ℃,升溫40.5 ℃.

圖5 成形工具移動速度變化對板料溫度升高的影響Fig.5 Influence of changing velocity of forming tool on the increase of sheet temperature

4 結(jié)論

(1) 漸進成形過程中,板料的塑性變形能、摩擦耗散能都會使接觸區(qū)溫度升高,充分合理地利用這部分熱量有助于提高板料的成形能力.

(2) 成形工具的移動產(chǎn)生的摩擦熱量最大,其次為成形工具轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦熱以及板料塑性變形能產(chǎn)生的熱量.本文實驗中,它們分別使板料接觸區(qū)溫度升高132.6,52.0和5.1 ℃.

參考文獻:

[1] 莫健華,韓飛.金屬板材數(shù)字化漸進成形技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].中國機械工程,2008,19(4):491-497.

MO J H,HAN F.State of the arts and latest research on incremental sheet NC forming technology[J].Chinese Mechanical Engineering,2008,19(4):491-497.

[2] 高錦張,曹宇,賈俐俐.單道次漸進成形圓孔翻邊的數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報,2015,22(3):79-86.

GAO J Z,CAO Y,JIA L L.Numerical simulation for hole flanging by single stage incremental forming[J].Journal of Plasticity Engineering,2015,22(3):79-86.

[3] 王耿,王進,姜虎森,等.工具轉(zhuǎn)速和進給速度對數(shù)控漸進成形溫升影響[J].鍛壓技術(shù),2014,39(11):29-33.

WANG G,WANG J,JIANG H S,et al.Influence of rotational speed and feed speed on temperature rise in NC rotational incremental sheet forming[J].Forging and Stamping Technology,2014,39(11):29-33.

[4] JESWIET J,MICARI F,HIRT G,et al.Asymmetric single point incremental forming of sheet metal[J].CIRP Annals:Manufacturing Technology,2005,54(2):88-114.

[5] GUPTA P,JESWIET J.Observations on heat generated in single point incremental forming[J].Procedia Engineering,2017,183:161-167.

[6] XU D K,WU W C,MALHOTRA R,et al.Mechanism investigation for the influence of tool rotation and laser surface texturing (LST) on formability in single point incremental forming[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2013,73(6):37-46.

[7] PARK J,KIM J,PARK N,et al.Study of forming limit for rotational incremental sheet forming of magnesium alloy sheet[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2010,41(1):97-105.

[8] 黃健萌,高誠輝.粗糙面變形特性對摩擦溫度與接觸壓力的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2012,43(4):202-206.

HUANG J M,GAO C H.Influence of deformation characteristic of rough surface on frictional temperature and contact pressure[J].Journal of Agricultural Machinery,2012,43(4):202-206.

[9] 機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊編委會.機械工程材料數(shù)據(jù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.

Mechanical Engineering Material Performance Data Manual Editorial Board.Mechanical engineering material data manual[M].Beijing:China Machine Press,1994.

[10] 張靖周.高等傳熱學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

ZHANG J Z.Advanced heat transfer[M].Beijing:Science Press,2009.

[11] 韓傳軍,張杰,梁政西.粗糙表面在滑動過程中的摩擦生熱研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報,2015,37(2):159-164.

HAN C J,ZHANG J,LIANG Z X.Study on frictional heating of rough surface in the sliding process[J].Journal of Southwest Petroleum University,2015,37(2):159-164.