硬鋁合金半球形零件的漸進(jìn)成形工藝研究

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

鈑金件在制造業(yè)中有著廣泛的運(yùn)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(zhǎng)、費(fèi)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?yàn)槔患艽笮惋w機(jī)上有數(shù)千個(gè)鈑金零件，大到飛機(jī)的外形蒙皮，小到機(jī)身內(nèi)部導(dǎo)管。飛機(jī)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(shí)、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(duì)個(gè)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(yùn)而生，如噴丸成形[1]、多點(diǎn)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(jìn)成形技術(shù)[9]。由于漸進(jìn)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(diǎn)，所以在汽車、飛機(jī)、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(jìn)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(duì)漸進(jìn)成形試驗(yàn)成形結(jié)果的影響。

1 脹形和漸進(jìn)成形的原理

1.1 脹形的原理

脹形是利用模具強(qiáng)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(huì)采用三維應(yīng)變測(cè)量軟件測(cè)量其變形區(qū)的應(yīng)變情況，以便研究沖壓工藝與漸進(jìn)成形工藝的脹形機(jī)理，得到不同。

1.2 漸進(jìn)成形的原理

板料漸進(jìn)成形技術(shù)最初由日本學(xué)者松原茂夫[13]首先提出，該技術(shù)實(shí)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(jìn)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(yùn)動(dòng)，并在軌跡層上進(jìn)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(jìn)給量，開始第二層的加工。這樣一層一層依次對(duì)零件進(jìn)行塑性變形，直到成形出整個(gè)零件形狀。

材料在漸進(jìn)成形的變形過程中，由于成形工具的球頭半徑遠(yuǎn)小于板料的面積尺寸，成形工具運(yùn)動(dòng)過程中可以認(rèn)為只對(duì)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(dòng)，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(jìn)成形也可以用來進(jìn)行脹形的過程。

圖2 漸進(jìn)成形原理Fig.2 Principle diagram of incremental forming

2 實(shí)驗(yàn)

半球形零件的脹形實(shí)驗(yàn)分為2部分，分別是沖壓工藝脹形實(shí)驗(yàn)和漸進(jìn)成形脹形實(shí)驗(yàn)。

2.1 材料

實(shí)驗(yàn)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(xué)成分見表1。

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

2.2 沖壓工藝脹形實(shí)驗(yàn)

2.2.1 設(shè)備

沖壓脹形實(shí)驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)自主研制的金屬板材成形實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)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(dòng)。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(shí)驗(yàn)采用德國(guó)GOM公司的ARAMIS設(shè)備來測(cè)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(xué)測(cè)量設(shè)備[17]。其攝像頭在整個(gè)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(gè)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(jìn)行脹形實(shí)驗(yàn)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(jī)噴涂，使其表面呈現(xiàn)出隨機(jī)的高對(duì)比度的散斑圖案，如圖4a所示，等待噴漆干燥后不久進(jìn)行試驗(yàn)。板料上的散斑圖案即作為虛擬網(wǎng)格，通過兩個(gè) CCD相機(jī)捕捉圖片，ARAMIS設(shè)備可以記錄下不同時(shí)刻試樣表面的圖像信息，試驗(yàn)完成后采用圖形相關(guān)算法，對(duì)相機(jī)采集到的圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，并重構(gòu)試樣表面形貌，確定試樣上每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而獲得試樣表面每個(gè)點(diǎn)的位移場(chǎng)[18]。

兩種材料在室溫下各進(jìn)行 3組沖壓工藝脹形實(shí)驗(yàn)。將板料放置在脹形機(jī)床上，脹形的同時(shí)，啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)停止，這時(shí)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(jìn)成形脹形實(shí)驗(yàn)

2.3.1 設(shè)備

漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為南京航空航天大學(xué)自主研制的 NHSK1060數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床。實(shí)驗(yàn)開始之前，先在試樣表面通過電腐蝕技術(shù)印上圓點(diǎn)網(wǎng)格，用于實(shí)驗(yàn)成形之后測(cè)量成形件的應(yīng)變情況。測(cè)量設(shè)備為德國(guó)GOM公司的ARGUS變形測(cè)量設(shè)備，ARGUS是一種非接觸式光學(xué)3D變形測(cè)量系統(tǒng)，其原理為基于機(jī)器視覺的坐標(biāo)網(wǎng)格法[10]。利用該設(shè)備測(cè)量可以得到零件表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)以及整個(gè)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(jìn)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(shí)驗(yàn)過程采用正漸進(jìn)成形，在室溫下進(jìn)行。成形板料之前需要先制作與實(shí)驗(yàn)零件內(nèi)表面尺寸一致的模型作為支撐。漸進(jìn)成形脹形實(shí)驗(yàn)方案見表2。其中，Δ0.1-F1000表示該實(shí)驗(yàn)的每層下壓量是 0.1 mm，工具頭進(jìn)給速率是1000 mm/min。實(shí)驗(yàn)研究了層下壓量和工具頭進(jìn)給速率對(duì)成形結(jié)果的影響。成形零件見圖5。

表2 漸進(jìn)成形試驗(yàn)方案Tab.2 Test scheme of incremental forming

圖5 成形零件Fig.5 Forming parts

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 沖壓工藝脹形實(shí)驗(yàn)

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(shí)的成形高度見表3?？芍?，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(gè)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(duì)比和厚度減薄率對(duì)比以及材料各點(diǎn)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?cè)茍DFig.6 Cloud map of Mises strain

圖7 厚度減薄率對(duì)比Fig.7 Comparison of thickness thinning rate

圖8 材料各點(diǎn)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(yán)重，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)位置附近的主應(yīng)變與次應(yīng)變見表4。將3組實(shí)驗(yàn)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(diǎn)附近的應(yīng)變Tab.4 Strain near rupture point

3.2 漸進(jìn)成形脹形實(shí)驗(yàn)

用高度尺測(cè)量各個(gè)零件的成形高度，即最高點(diǎn)到破裂點(diǎn)的高度，數(shù)據(jù)見表5和表6?？梢钥闯觯谘芯康膮?shù)范圍內(nèi)，下壓量越小，成形高度越大；對(duì)AA2024-O，進(jìn)給速率越快，成形高度越大；而對(duì)AA2024-T4，進(jìn)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(duì)比漸進(jìn)成形與脹形的成形機(jī)理的異同，利用 ARGUS測(cè)量漸進(jìn)成形零件的應(yīng)變情況。層下壓量為0.2 mm，進(jìn)給速度為1000 mm/min的兩種不同熱處理狀態(tài)的零件測(cè)量結(jié)果分別見圖9—11。圖9是 Mises應(yīng)變?cè)茍D的對(duì)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(duì)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(diǎn)應(yīng)變狀態(tài)分布。

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

表6 進(jìn)給速率對(duì)成形高度的影響Tab.6 Influence of feed rate on forming height

圖9 Mises應(yīng)變?cè)茍DFig.9 Cloud map of Mises strain

從圖9和圖10可以直觀看出，漸進(jìn)成形半球零件邊緣的應(yīng)變和減薄率最大，變形最嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)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(yán)重，因此也越容易破裂。

由圖11觀察到，板料上所有點(diǎn)的次應(yīng)變約為-2.5%，而主應(yīng)變則根據(jù)板料上點(diǎn)位置的不同而不同，從圖11大致可以看出點(diǎn)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(jìn)成形是一種平面應(yīng)變過程。

圖10 厚度減薄率對(duì)比Fig.10 Comparison of thickness thinning rate

圖11 材料各點(diǎn)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(jìn)成形的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論。

1) 對(duì)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(jìn)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(jìn)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(xiǎn)截面在半球的中心，漸進(jìn)成形零件的危險(xiǎn)截面在半球的邊緣。

3) 相比較漸進(jìn)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(duì)均勻一點(diǎn)，因而其變形程度可以達(dá)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(duì)AA2024-O，進(jìn)給速率越快，成形高度越大；而對(duì)AA2024-T4，進(jìn)給速率越慢，成形高度越大。