高深寬比微流道輥壓成形實(shí)驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化

彭赫力, 金新濟(jì), 徐竹田, 石文展, 彭林法

(1.上海神劍精密機(jī)械科技有限公司,上海 201600, E-mail:penglinfa@sjtu.edu.cn;2.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

具有高深寬比微通道的薄板結(jié)構(gòu),其典型特征是單個(gè)微流道尺寸在亞毫米級(jí),通過(guò)大面積密集微流道結(jié)構(gòu)組合,可實(shí)現(xiàn)高通量、高比表面積、高比強(qiáng)度等特性[1],在高效換熱器[2]、航空器舵翼蜂窩結(jié)構(gòu)[3-4]、燃料電池[5]、微反應(yīng)器[6-7]中具有廣泛應(yīng)用。

目前,金屬表面微通道結(jié)構(gòu)的加工方法主要有沖壓、軟膜沖壓與液壓成形三種工藝。對(duì)于這三種加工方法,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了較為廣泛的研究。孟維哥等學(xué)者對(duì)燃料電池中使用的316L不銹鋼表面微通道沖壓成形過(guò)程中的應(yīng)力情況進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)沖壓過(guò)程中在金屬薄板通道的脊部圓角處存在明顯的應(yīng)力集中,導(dǎo)致明顯的厚度減薄現(xiàn)象[8]。劉艷雄等學(xué)者對(duì)燃料電池金屬極板微通道的軟模成形進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)該工藝可有效成形微結(jié)構(gòu)[9]。郎利輝等學(xué)者對(duì)薄板液壓成形進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在壓力過(guò)大時(shí)在圓角附近會(huì)產(chǎn)生反脹減薄現(xiàn)象[10]。但是,這些成形方式在加工大面積高深寬比微結(jié)構(gòu)時(shí),薄板會(huì)發(fā)生顯著應(yīng)力集中與減薄開(kāi)裂,難以實(shí)現(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu)成形[11-12]。

為了制造這類(lèi)高深寬比微通道結(jié)構(gòu),Sung-Woo Choi等學(xué)者提出了一種多步?jīng)_壓(Multi-Steps Stamping,MSS)的方式進(jìn)行加工,能夠?qū)崿F(xiàn)高深寬比微通道結(jié)構(gòu)的加工[13]。李志鵬等學(xué)者對(duì)鈦板的微流道單步、多步成形工藝規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了不同工步加載對(duì)極限成形高度的影響規(guī)律[14]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)利用齒輪嚙合原理的輥壓成形,通過(guò)漸進(jìn)塑性加載可顯著降低應(yīng)變集中,從而實(shí)現(xiàn)高深寬比微通道結(jié)構(gòu)加工。Bitzer首先提出在蜂窩瓦楞板成形過(guò)程中使用帶波紋的輥?zhàn)舆M(jìn)行輥壓,張俊等學(xué)者通過(guò)改造二輥軋機(jī),用波紋狀軋輥軋制鈦波紋板,相較于油壓機(jī)壓制成型具有低成本與高效率的優(yōu)點(diǎn)。黃紀(jì)繪等學(xué)者發(fā)現(xiàn)輥壓成形工藝可以有效減少板材的減薄現(xiàn)象,他們還對(duì)成形過(guò)程中齒輪參數(shù)對(duì)成形后板材的減薄程度、表面粗糙度等特征的影響進(jìn)行了研究[15-16]。

但是,目前研究多圍繞輥壓成形可行性開(kāi)展研究,尚未對(duì)不同工藝參數(shù)對(duì)微通道輥壓成形的影響規(guī)律開(kāi)展深入分析。本文針對(duì)齒輪輥?zhàn)雨P(guān)鍵參數(shù)中的齒數(shù)、模數(shù)與加工過(guò)程中加工深度與成形金屬板厚這四個(gè)因素對(duì)成形加工后微通道結(jié)構(gòu)的最大減薄率與深寬比的影響進(jìn)行了深入分析,為該類(lèi)結(jié)構(gòu)的高效精密成形工藝優(yōu)化提供了參考和依據(jù)。

1 微流道輥壓成形實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及試樣

首先搭建了微通道輥壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。輥壓頭采用漸近線(xiàn)齒輪,其模數(shù)m=1.25 mm,齒數(shù)為72,壓力角α為20°,寬度為80 mm。為降低齒頂處微流道成形應(yīng)力集中,齒頂圓角r為0.2 mm。

▲圖1 試驗(yàn)臺(tái)及關(guān)鍵參數(shù)

成形過(guò)程中,兩齒輪通過(guò)嚙合實(shí)現(xiàn)薄板微流道的塑性成形,兩齒輪間隙可通過(guò)調(diào)整螺柱調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)不同深度微通道成形。本實(shí)驗(yàn)中采用三種成形深度分別為1.0 mm、1.5 mm和2 mm,理論成形微流道深寬比分別為0.5、0.75和1.0。輥壓過(guò)程中齒輪角速度為2.5 r/min,薄板試樣線(xiàn)速度為11.8 mm/s。

成形試樣為INCONEL718高溫鎳合金薄板,其厚度為0.1 mm,為便于實(shí)驗(yàn),通過(guò)線(xiàn)切割獲得160×30 mm2的矩形試樣,其力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1,通過(guò)單拉實(shí)驗(yàn)獲得材料真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。

表1 材料參數(shù)

成形后試樣如圖3所示。成形結(jié)束后,使用KEYENCE激光共聚焦顯微鏡掃描察成形后的微通道的尺寸形貌。通過(guò)對(duì)成形后試樣進(jìn)行切割、冷鑲、拋光等制備金相試樣,并利用Leica光學(xué)顯微鏡測(cè)量微流道不同區(qū)域成形后的厚度。成形實(shí)驗(yàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)目為3次。

▲圖2 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)

▲圖3 成形后試樣

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)三種不同成形深度的微流道成形高度及減薄率測(cè)量如圖4所示。

▲圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

隨下壓深度增大,成形后流道高度顯著增大,與此同時(shí),薄板減薄率更加顯著,最大減薄位置在齒頂圓角處,經(jīng)測(cè)量,隨下壓深度由1.0 mm增大至2.0 mm,圓角處減薄率由4.9%升高至18.7%。從圖3中可以看出,在加工深度為1.0 mm與1.5 mm時(shí),微通道的壁面切面呈現(xiàn)出曲率較小的曲線(xiàn)形狀,而當(dāng)加工深度達(dá)到2.0 mm時(shí),壁面切面則更加平坦。

為實(shí)現(xiàn)更高深寬比微流道成形,勢(shì)必需采取增大下壓深度、降低齒間距等工藝參數(shù)調(diào)整,但是同時(shí)使齒頂處薄板塑性變形增大、減薄加劇,易于發(fā)生開(kāi)裂。因此需要建立輥壓成形工藝參數(shù)與減薄率及微流道成形深度的關(guān)聯(lián)機(jī)制,以指導(dǎo)高深寬比微流道的高魯棒成形參數(shù)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 仿真模型建立與驗(yàn)證

本次仿真實(shí)驗(yàn)主要研究的是輥壓齒輪的參數(shù)對(duì)成形過(guò)程中金屬薄板幾何形態(tài)的影響,為了簡(jiǎn)化計(jì)算以及突出重點(diǎn),本次仿真實(shí)驗(yàn)采用二維平面應(yīng)變模型,具體形式見(jiàn)圖5。

利用SolidWorks軟件建立滾壓齒輪的三維模型,導(dǎo)入Abaqus/Standard仿真環(huán)境。齒輪輥?zhàn)釉O(shè)置為離散剛體,薄板試樣為變形體,厚度方向網(wǎng)格數(shù)目為5,采用CPE4R的平面應(yīng)變單元,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3。輥壓加工過(guò)程中,兩輥壓齒輪不會(huì)發(fā)生位移,故給齒輪的參考點(diǎn)施加UX、UY兩個(gè)自由度的約束,并給兩個(gè)參考點(diǎn)施加URZ方向的旋轉(zhuǎn)角速度。

為驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確性,首先對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下輥壓過(guò)程進(jìn)行仿真分析,得到不同加工深度減薄率如圖6所示。

▲圖6 減薄率隨加工深度的變化

從圖中可以看出,仿真結(jié)果能夠反映隨加載升高、薄板減薄率加劇的趨勢(shì),切與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。但在2.0 mm下壓深度仿真中,仿真結(jié)果略低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)之前研究,隨輥壓過(guò)程下壓深度升高,摩擦系數(shù)將增大[19],導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中薄板減薄加劇。本文為簡(jiǎn)化計(jì)算仍采用了恒定摩擦系數(shù)。

2.2 仿真模型建立與驗(yàn)證

基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,針對(duì)輥壓過(guò)程中的四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)齒數(shù)、模數(shù)、成形深度和薄板厚度進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。除齒數(shù)外其他三種因素各含有三個(gè)水平,故選擇兩次四因素三水平L9(34)正交實(shí)驗(yàn)表,共得到18組實(shí)驗(yàn)。在正式仿真過(guò)程中,齒數(shù)太小與齒數(shù)太大時(shí)所得到的仿真結(jié)果波動(dòng)較大,故增加了若干組齒數(shù)為18與144的仿真實(shí)驗(yàn)。最后,為了分析齒輪齒數(shù)為72,板厚為0.1 mm時(shí)其它兩種因素的全響應(yīng),再次增加了9組實(shí)驗(yàn),這里不再列出。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與討論

3.1 影響減薄率的因素

圖7展示了平均減薄率隨三種因素的變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出,成形減薄率隨齒輪的模數(shù)增大而下降,根據(jù)齒輪嚙合原理,這是由于齒輪齒厚、槽寬隨模數(shù)增大而顯著增大,因此在嚙合過(guò)程中成形區(qū)域擴(kuò)大、材料流動(dòng)性加強(qiáng),材料減薄趨勢(shì)因此得到緩解。當(dāng)加工深度從1 mm增加到1.5 mm時(shí),平均減薄率上升了3%,當(dāng)加工深度從1.5 mm增加到2 mm時(shí),平均減薄率快速增長(zhǎng)了8%,這是由于隨加工深度提高,導(dǎo)致嚙合彎曲加劇,同時(shí)齒輪中心距減小導(dǎo)致重合度增大,兩齒同時(shí)嚙合成形導(dǎo)致材料流動(dòng)受限、局部變形加劇,使得減薄率升高。板厚對(duì)減薄率的影響與成形深度相似,隨厚度增大,薄板塑性變形加劇、減薄率的增長(zhǎng)明顯。當(dāng)板厚大于等于嚙合齒面間距時(shí),減薄率將大大提升,同時(shí)突增的成形力可能會(huì)對(duì)齒輪造成損傷,這是加工中應(yīng)該避免的。在不同的齒輪齒數(shù)條件下,平均減薄率呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律的上下波動(dòng),說(shuō)明齒數(shù)變化對(duì)減薄率影響不顯著。這是由于齒數(shù)變化對(duì)齒輪基節(jié)長(zhǎng)度、齒厚、槽寬等尺寸形貌均無(wú)影響,因此對(duì)成形過(guò)程中薄板成形過(guò)程影響較小。

▲圖7 減薄率隨不同因素的變化趨勢(shì)

使用二次模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分別利用F值與P值檢驗(yàn)四個(gè)因素的顯著性,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各因素顯著性檢驗(yàn)

假設(shè)F值高于8.65,或P值低于5%時(shí),將此因素視為顯著,從上表可以判斷,齒輪的齒數(shù)對(duì)于合金板的減薄率沒(méi)有顯著影響,而齒輪模數(shù)、合金板厚度與加工深度對(duì)合金板的減薄率有顯著影響,且影響程度從大到小排序?yàn)榧庸ど疃?板厚,模數(shù)。

圖8(a)中顯示了加工過(guò)程最大應(yīng)力與減薄率的關(guān)系。從圖中可以看出最大應(yīng)力變化的趨勢(shì)與減薄率變化的趨勢(shì)幾乎相同,在最大應(yīng)力較高時(shí),減薄率也隨之較高,最大應(yīng)力較低時(shí)。減薄率將隨之減小。而圖8(b)顯示了最大應(yīng)力與加工深度及模數(shù)的關(guān)系。

▲圖8 最大應(yīng)力與加工深度、模數(shù)的關(guān)系

當(dāng)模數(shù)增大時(shí)加工最大應(yīng)力減小,而當(dāng)加工深度增大時(shí),最大應(yīng)力增大。加工過(guò)程中,成形深度增大時(shí),成形過(guò)程中板上的應(yīng)力的增大。從圖3與圖9可以看到,在實(shí)驗(yàn)與仿真過(guò)程中,成形深度較小的微通道的側(cè)壁呈曲率較小的弧線(xiàn)狀,而當(dāng)加工深度達(dá)到2.0 mm時(shí),側(cè)壁則呈現(xiàn)出較為平直的形狀,此時(shí)壁面上應(yīng)力相較于成形深度為1.0 mm時(shí)顯著增大,使得側(cè)壁處的減薄率快速上升。

▲圖9 成形后的微流道形態(tài)

3.2 響應(yīng)面分析及參數(shù)優(yōu)化

在分析中,已經(jīng)得出了輥壓齒輪的齒數(shù)與減薄率無(wú)關(guān)的結(jié)論。而成形的深寬比可以通過(guò)以下公式計(jì)算:

(1)

式中:l代表加工后微通道的寬度;h代表微通道的深度。從公式中可以看到,微通道的深寬比只與齒輪的模數(shù)和加工深度有關(guān),而與齒輪的齒數(shù)無(wú)關(guān)。因此以薄板厚度0.1 mm為標(biāo)準(zhǔn)值,建立了加工深度和模數(shù)與成形深度和減薄率的響應(yīng)面如圖10所示。

由圖10可見(jiàn),微流道成形深寬比隨成形深度增大和模數(shù)降低而升高,該趨勢(shì)與公式(1)趨勢(shì)相符。根據(jù)圖所示,加工深度增大將導(dǎo)致減薄率的顯著升高,此時(shí)深寬比顯著增大,側(cè)壁則呈現(xiàn)出較為平直的形狀,此時(shí)壁面上應(yīng)力相較于成形深度為1.0 mm時(shí)顯著增大,使得側(cè)壁處的減薄率快速上升。

圖10(a)顯示了實(shí)際得到的深寬比關(guān)于兩因素的響應(yīng)面,是一個(gè)較為平整的表面。為了得到盡可能深的微通道,我們將深寬比限制在0.8以上,得到加工深度的取值應(yīng)有h≥1.4 mm。圖10(b)顯示了減薄率關(guān)于兩因素的響應(yīng)面?？梢钥吹?當(dāng)加工深度逐漸增大時(shí),雖然微通道的深寬比在增大,意味著加工后的微通道更深了,但此時(shí)減薄率也相應(yīng)增大,故不能一味的增大加工深度。

采用加權(quán)平均的方法來(lái)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于深寬比的選取目標(biāo)是盡可能大,而減薄率的要求為盡可能小,與深寬比要求不同,故將深寬比做倒數(shù),這樣兩個(gè)參數(shù)的要求都為盡可能小,方便最優(yōu)點(diǎn)的選取。首先對(duì)減薄率與寬深比的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,將兩組數(shù)據(jù)中各自的最大值定為0,最小值定為1,其余值利用以下公式進(jìn)行標(biāo)定:

▲圖10 輥壓工藝參數(shù)對(duì)微流道成形影響響應(yīng)面分析

(2)

選取兩者的權(quán)值分別為0.4與0.6,可以得到分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)如圖11所示。

▲圖11 分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面

▲圖12 分?jǐn)?shù)的等高圖

在得到的等高面圖12中的最低點(diǎn)即為這種評(píng)價(jià)方法下的最優(yōu)點(diǎn)。從標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)中選取最低點(diǎn)最近的模數(shù)為1.25 mm,加工深度為1.6 mm,為齒數(shù)為72,板厚為0.1 mm條件下的最優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文圍繞高深寬比微流道輥壓成形工藝開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和仿真研究,分析了齒輪幾何參數(shù)與微通道幾何參數(shù)對(duì)流道成形減薄率的影響,得到結(jié)論如下:

使用齒輪輥壓的方式加工微通道的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,隨下壓深度的增加,金屬薄板的減薄率會(huì)顯著增加,金屬薄板的減薄率與齒輪模數(shù)、加工深度、板厚有顯著關(guān)系,而與齒輪的齒數(shù)沒(méi)有顯著的關(guān)聯(lián)。

為了得到盡可能大的深寬比與小的減薄率,在齒輪齒數(shù)為72,板厚為0.1 mm的情況下,通過(guò)加權(quán)平均和響應(yīng)面分析得到了齒輪模數(shù)1.25,加工深度1.6 mm的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。