復(fù)雜曲面鋼板復(fù)合成形加工工藝研究

魏 波， 閻漢生， 徐勇軍， 丘永亮

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 廣東廣州 510510）

0 引言

船舶、飛機(jī)、汽車等行業(yè)發(fā)展非常迅速，并且產(chǎn)品更新?lián)Q代速度也越來越快。在這種情況下，對于板料彎曲成形的需求也越來越多。 而復(fù)雜曲面鋼板復(fù)合成形對于傳統(tǒng)的成形工藝帶來了巨大的挑戰(zhàn)。 接下來就對復(fù)雜曲面鋼板復(fù)合成形加工工藝進(jìn)行了綜述。

1 熱輔助單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)

熱輔助漸進(jìn)成形工藝適用于室溫下整體延性較差的成形材料。輕質(zhì)鎂合金和鈦合金通過增加形成溫度，可以激活韌性面，使這些合金具有更好的延性。除了鎂合金和鈦合金外，高強(qiáng)度鋁合金、5182-O alloy 或低碳合金鋼（如DC04）也都是應(yīng)用廣泛的熱輔助漸進(jìn)成形材料。 此外，在高溫下成形也會(huì)使回彈和成形力的降低， 可以一定程度上提高板材的成形極限。

在熱輔助漸進(jìn)成形技術(shù)的發(fā)展中， 對成形板材加熱基本上可以分為兩種策略：局部加熱和全局加熱。

1.1 局部加熱

Kim 等研究了通過移動(dòng)幾個(gè)鹵素?zé)魜韺?.8mm 厚AZ31 片進(jìn)行局部加熱。 研究表明，將溫度提高到250℃左右可以略微改善成形性。 但是，由于所用的鹵素?zé)嵩?，在刀架接觸區(qū)以外的位置存在一定的熱量， 加熱不是完全局部化的。

Palumbo 等[1]結(jié)合靜態(tài)加熱和刀具高速旋轉(zhuǎn)摩擦來加熱工件，嘗試加工1mm 厚的5 級鈦板，成功制成一個(gè)有比例的汽車門殼。 整個(gè)板材使用電子帶加熱器被加熱到大約150℃的溫度（中心位置），成形工具頭在800～1600rpm范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致溫度分別進(jìn)一步上升約100℃和180℃，產(chǎn)生了局部加熱效果。由于刀具觸頭與工件之間的摩擦，刀具磨損會(huì)對工件表面粗糙度產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，由于帶式加熱器的位置影響，使整個(gè)薄片產(chǎn)生不均勻的溫度分布。

Duflou 等[2]介紹了激光輔助單點(diǎn)漸進(jìn)成形（LASPIF）工藝。激光輔助加熱在沖壓位置生成合適的動(dòng)態(tài)溫度場，以優(yōu)化單點(diǎn)漸進(jìn)成形過程。 如圖1（a）所示的激光輔助單點(diǎn)漸進(jìn)成形設(shè)備示意圖， 激光加熱頭在工具接觸區(qū)域的附近區(qū)域內(nèi)加熱零件， 并且可以動(dòng)態(tài)地跟蹤成形工具的運(yùn)動(dòng)。 通過激光輔助單點(diǎn)漸進(jìn)成形AA5182 合金過程中使切削力減小高達(dá)50%，并且鈦板（5 級鈦板，0.6 mm 和65 Cr2 鈦板，0.5 mm）的最大成形角度由室溫成形條件下的32°、57°顯著提高到56°、64°， 同時(shí)通過減少回彈提高了精度， 這是由于局部加熱產(chǎn)生的強(qiáng)大動(dòng)態(tài)溫度梯度的優(yōu)勢。該系統(tǒng)引入以來，Mohammadi 等建立了三維瞬態(tài)傳熱模型，確定了加熱過程的最佳工藝參數(shù)，數(shù)值仿真結(jié)果通過平臺上的紅外攝像機(jī)系統(tǒng)獲得的測量溫度場進(jìn)行了驗(yàn)證。

亞琛工業(yè)大學(xué)報(bào)道了另一項(xiàng)利用激光輔助在漸進(jìn)成形中產(chǎn)生局部溫度場的研究[3]。此設(shè)備激光作用在成形工具的同一邊， 在與成形工具一定距離處對板材進(jìn)行照射（圖1（b）所示）。激光束被一個(gè)專用的激光光學(xué)設(shè)備引導(dǎo)，它允許使用鏡子或棱鏡旋轉(zhuǎn)激光焦點(diǎn)。 通過使用此激光輔助單點(diǎn)漸進(jìn)成形系統(tǒng)， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱溫度達(dá)到400℃，可明顯提高1.5 mm 厚5 級鈦板的成形性。

圖1 激光輔助加熱漸進(jìn)成形[2，3]Fig.1 Laser heating assisted incremental forming

電加熱輔助漸進(jìn)成形（EHIF）提供了另一種局部加熱方法。 根據(jù)電阻加熱定律，當(dāng)電流從主軸通過板材時(shí)，對板材產(chǎn)生局部加熱效果，設(shè)備示意圖見圖2。Fan 等[4]研究了不同工藝參數(shù)對1mm 厚度AZ31 成形性增強(qiáng)程度的影響， 得到電輔助加熱下該材料最大成形角約為64°。Ambrogio 等研究發(fā)現(xiàn)電加熱輔助單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝可增強(qiáng)AA2024-T3 和5 級鈦板的成形性，兩種板材的最大可實(shí)現(xiàn)成形角分別為40°和45°，而室溫條件下只能達(dá)到約30°和20°。 AZ31B-O 板的最大成形角為60°。

圖2 電阻輔助加熱漸進(jìn)成形[4]Fig.2 Resistance assisted heating incremental forming

1.2 全局加熱

Ji 和Park 通過平面應(yīng)變拉伸和軸對稱拉伸試驗(yàn)研究了0.5mm 厚AZ31 板材漸進(jìn)成形的高溫成形性。 通過熱吹風(fēng)機(jī)在全局范圍內(nèi)對板材進(jìn)行加熱， 研究發(fā)現(xiàn)在加熱150℃以上可顯著提高板材的成形性。 此外，通過使用多級成形路徑策略和熱漸進(jìn)成形方法的組合，在加熱150℃時(shí)獲得最大成形角為59°。Ambrogio 等[5]研究了1mm 厚度AZ31-O 板材在加熱條件下的加工性能。 研究過程中，金屬板被放置在模具周圍的加熱帶來加熱， 與比例積分微分控制器相連的三個(gè)熱電偶保證了整個(gè)成形過程的溫度恒定。 試驗(yàn)結(jié)果表明，加熱300℃時(shí)最大成形角可達(dá)60°。此外， 利用響應(yīng)面分析法發(fā)現(xiàn)成形溫度是成形極限的重要因素。

Galdos 等[6]提出了一種采用熱流體作為加熱介質(zhì)對AZ31B 鎂合金進(jìn)行全局加熱的熱輔助漸進(jìn)成形方法。 用于加熱的熱油可以達(dá)到約300℃的溫度，并通過介質(zhì)熱傳遞效應(yīng)間接加熱金屬板。 在250℃時(shí)，通過對熱輔助的單點(diǎn)漸進(jìn)成形零件的微觀結(jié)構(gòu)研究， 發(fā)現(xiàn)材料產(chǎn)生了完全的再結(jié)晶現(xiàn)象，在250℃加熱溫度下可以達(dá)到最大成形角為60°。

為了進(jìn)一步研究熱輔助技術(shù)對單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝性能的影響， 開發(fā)適合于熱應(yīng)力應(yīng)變場分析的優(yōu)化有限元模型是非常重要的。但是，熱輔助單點(diǎn)成形的仿真模擬要比室溫條件下復(fù)雜得多， 需要進(jìn)行順序耦合或完全耦合的熱應(yīng)力有限元分析， 并且模型還需要考慮應(yīng)變速率和溫度對材料參數(shù)的影響。 Mohammadi 等通過使用瞬態(tài)傳熱分析建立熱模型，確定了合適的局部加熱參數(shù)，建立了熱-力有限元模型來模擬熱輔助單點(diǎn)漸進(jìn)成形過程。

2 外載荷輔助的激光彎曲成形

激光彎曲存在一定的局限性。首先，每次掃描的塑性變形很小，對厚板很難彎曲；其次，板彎曲方向難以控制。為了解決這些問題， 許多學(xué)者提出了預(yù)載荷激光彎曲金屬板的方法。Xu 等[7]首先使金屬板在彈性范圍內(nèi)被夾具彎曲產(chǎn)生彈性變形， 然后用激光掃描金屬板彈性應(yīng)變能集中區(qū)域。掃描結(jié)束后，直到掃描區(qū)域冷卻到室溫之后金屬板才被卸載，如圖3（a）所示。

Guan 等[8-9]對外載荷輔助的激光彎曲模型進(jìn)行了仿真模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以大大提高板材的彎曲塑性變形。與傳統(tǒng)彎曲工藝相比，該工藝還具有成形精度高、柔性高、避免塑性失穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。 它為金屬板材的彎曲提供了一種新的方法， 也解決了結(jié)構(gòu)復(fù)雜整體板零件或鈦合金板材等特殊材料的彎曲問題。Yao 等[10]模擬了懸臂激光彎曲板成形過程， 指出純壓縮和純彎曲 （向激光方向）會(huì)增加彎曲角度，而純拉伸和純彎曲（遠(yuǎn)離激光方向）會(huì)降低彎曲角度。

Liu 等發(fā)現(xiàn)，變形方向可以通過改變預(yù)緊力的方向和數(shù)值來控制。 隨著預(yù)緊力的增大， 板的彎曲角度明顯增大。研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力可使邊緣效應(yīng)降低80%左右。 三點(diǎn)彎曲和水平擠壓彎曲預(yù)彎曲方式的激光彎曲也進(jìn)行了研究。 張永春[11]以鈦合金Ti-5Al-2.5Sn 薄板為研究對象，進(jìn)行了預(yù)載荷下激光彎曲的可行性試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)載荷越大或掃描速度越小時(shí)，彎曲角度越大，試件在完全彈性彎曲狀態(tài)下和非完全彈性彎曲狀態(tài)下得到彎曲角度相差28°，如圖3（b）所示。 Gisario 等[12]采用外力激光輔助彎曲的方法， 不同實(shí)驗(yàn)條件下可以把鈦合金板的彎曲角度彎曲到80°～140°左右， 鋁板的彎曲角度為90°～140°左右，AISI 304 不銹鋼板的彎曲角度為70°～140°左右； 并且成功得到了復(fù)雜的飛機(jī)形狀和立方體形狀。Roohi 等[13]對V 形金屬板的預(yù)加載與沒有預(yù)加載情況下激光彎曲進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)隨著激光束的掃描加熱，增加預(yù)加載可以導(dǎo)致最終變形的增加， 經(jīng)過多次掃描成形厚度為5mm 的Al-5005 合金可以獲得90°彎曲角。

圖3 外載荷輔助的激光彎曲成形Fig.3 External loading assisted laser bending forming

3 結(jié)論

上述研究得到了熱輔助技術(shù)對單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝性能的正面影響。 但是，上述加熱方式僅適合于薄板成形，所以開發(fā)適合厚板加熱的方法對漸進(jìn)彎曲成形至關(guān)重要。此外為了獲得可靠和可重復(fù)的熱輔助成形結(jié)果，開發(fā)精確的溫度測量裝置和控制系統(tǒng)也非常關(guān)鍵。然而，由于熱源的移動(dòng)和安裝溫度傳感器的復(fù)雜性， 上述的熱輔助成形過程大多數(shù)缺乏準(zhǔn)確的溫度測量。 金屬板在成形過程中必須用定制的裝置夾緊，這增加了成本，限制了復(fù)雜金屬成形的應(yīng)用。因此，開發(fā)無模熱輔助漸進(jìn)彎曲工藝對于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜大曲率的金屬板材是非常必要的。