多道次单点渐进成形变形规律试验研究_金玲玲高霖史晓帆张其龙徐佳晖

2011,34(3):5‐11.[3] 孙红磊,赵军,殷璟,等.大型管件J C O E 成形智能化控制中的材料性能参数识别[J ].燕山大学学报,2011,35(3):223‐227.S u nH o n g l e i ,Z h a o J u n ,Y i n J i n g ,e t a l .P a r a m e t e r s I -d e n t i f i c a t i o n o f M a t e r i a l P r o p e r t i e si n I n t e l l i g e n t C o n t r o l o f L a r g eD i a m e t e r P i p ew i t h J C O EF o r m i n g [J ].J o u r n a lo f Y a n s h a n U n i v e r s i t y,2011,35(3):223‐227.[4] 赵军,孙红磊,屈晓阳.大型直缝焊管管坯四点弯曲渐进式模压成形方法:中国,C N 201010223298.4[P ].2010‐07‐12.[5] Z h a o J u n ,Y a n J i n g ,M aR u i ,e t a l .S p r i n g b a c kE q u a -t i o no fS m a l lC u r v a t u r eP l a n eB e n d i n g [J ].S c i e n c e C h i n aT e c h n o l o gi c a lS c i e n c e s ,2011,54(9):2386‐2396.[6] 蔡中义,李明哲,李湘吉.板材成形回弹数值分析的静力隐式方法[J ].中国机械工程,2002,13(17):24‐27.C a i Z h o n g y i ,L iM i n g z h e ,L iX i a n g j i .S t a t i cI m pl i c i t A p p r o a c ho f S p r i n gb ac kS i m u l a t i o n f o rS h e e tM e t a l F o r m i n g [J ].C h i n a M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,2002(17):24‐27.[7] 殷璟,赵军,孙红磊,等.大型管件的模压式精确缩径矫圆[J ].光学精密工程,2011,19(9):2072‐2078.Y i n J i n g ,Z h a o J u n ,S u nH o n g l e i ,e t a l .P r e c i s eC o m -p r e s s i o n a n dS e t t i n g R o u n db y M o l d f o r L a r g eP i p e s [J ].O p t i c s a n dP r e c i s i o nE n g i n e e r i n g,2011,19(9):2072‐2078.(编辑 王艳丽)作者简介:孙红磊,男,1979年生㊂燕山大学机械工程学院副研究员㊁博士㊂主要研究方向为板材冲压成形㊂发表论文10余篇㊂宋晓抗,女,1987年生㊂燕山大学机械工程学院博士研究生㊂马 瑞,男,1978年生㊂燕山大学机械工程学院副教授㊁博士㊂赵 军,男,1957年生㊂燕山大学机械工程学院教授㊁博士研究生导师㊂多道次单点渐进成形变形规律试验研究金玲玲 高 霖 史晓帆 张其龙 徐佳晖南京航空航天大学,南京,210016摘要:针对材料在多道次单点渐进成形中的变形规律,研究了其流动特性和应变分布㊂试验结果表明,多道次单点渐进成形所得零件存在较为明显的第二主应变,且随成形深度的增大而增大,同时,零件壁厚随成形深度的增大明显地减小㊂针对此问题进行了补充试验,证明增加成形道次可在一定程度上改善成形质量㊂此外,结合对试验数据的分析,分析了壁厚随成形深度变化的原因,指出对于大成形角度的零件在多道次单点渐进成形中存在成形深度极限㊂关键词:多道次;渐进成形;应变分布;壁厚中图分类号:T G 3 D O I :10.3969/j.i s s n .1004-132X.2014.02.024E x p e r i m e n t a l S t u d y o nD e f o r m a t i o nL a wo fM u l t i -s t a g e S i n g l eP o i n t I n c r e m e n t a l F o r m i n gJ i nL i n g l i n g G a oL i n S h iX i a o f a n Z h a n g Q i l o n gX u J i a h u i N a n j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s ,N a n j i n g,210016A b s t r a c t :F l o w a g e p r o p e r t y an d s t r a i nd i s t r i b u t i o nw a s s t u d i e db a s e do n t h ed e f o r m a t i o n t r e n do f t h e p a r t g a i n e db y m u l t i -s t a g e s i n g l e p o i n t i n c r e m e n t a l f o r m i n g .E x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t e x -i s t s a s i g n i f i c a n t s e c o n dm a j o r s t r a i n ,i n c r e a s i n g w i t h i n c r e a s e i n f o r m i n g d e p t h a n dw a l l t h i c k n e s s d e -c r e a s e sw i t h i n c r e a s e i nf o r m i n gde p t hf o r t h e p a r tg a i n e db y m u l t i -s t a g ef o r m i n g .I n c r e a s i n g th e q u a n t i t y o f s t a g e c a n i m p r o v e t h e f o r m i n gq u a l i t y .F u r t h e rm o r e ,a c c o r d i n g t o t h e a n a l y s e s o f t h e e x -p e r i m e n t s ,a l i m i t a t i o n i nf o r m i n g d e p t hi n m u l t i -s t a g es i n g l e p o i n t i n c r e m e n t a l f o r m i n g w a s p r o -po s e d .K e y wo r d s :m u l t i -s t a g e ;i n c r e m e n t a l f o r m i n g ;s t r a i nd i s t r i b u t i o n ;w a l l t h i c k n e s s 0 引言数控渐进成形技术是近年来兴起的一种针对收稿日期:2012 09 21单件㊁小批量薄板成形件生产的柔性制造技术[1‐3]㊂相对于传统的塑性加工技术(如冲压),该技术不需要花费大量的金钱和工时来制作模具,大大降低了小批量情况下钣金零件的制造成本㊂㊃262㊃中国机械工程第25卷第2期2014年1月下半月网络出版时间：2014-01-18 16:37网络出版地址：/kcms/doi/10.3969/j.issn.1004-132X.2014.02.024.html该技术借助数控铣削中 等高铣”的思想,将铣刀换成一成形工具头,并使其在数控系统的作用下做等高线运动,实现对板料的加工㊂在已有的研究成果中,该技术主要以两种形式出现,即单点渐进成形(s i n g l e p o i n t i n c r e m e n t a l f o r m i n g,S P I F)和双点渐进成形(t w o p o i n t s i n c r e m e n t a l f o r m-i n g,T P I F)㊂单点渐进成形因成形时仅仅存在成形工具头和工件的接触而得名,其特点是实现方便,对设备的要求低,在普通的数控铣床上即可实现,但不能实现复杂形状零件的加工㊂双点渐进成形中,除存在工具头和工件的接触外,还存在工件和支撑模型的接触,该成形方法需要在专门的渐进成形机床上实现㊂由于支撑模型的使用,该方法可以实现某些形状极为复杂的零件的加工㊂本质上讲,S P I F和T P I F的变形机理是一致的,都是利用工具头的运动使金属板料发生局部的近似纯剪切变形,造成材料在侧壁纵向的拉长和厚度方向的减薄㊂零件厚度的变化与成形的角度直接相关,当成形角度过大时,会导致厚度的剧烈减小甚至破裂㊂为避免破裂和改善厚度分布,一些学者考虑使用多道次成形的方法来解决这一问题㊂H i r t等[4]㊁A r a g h i等[5]使用多道次成形的方法成功成形了直壁筒形件㊂沈黎萍等[6]使用多道次成形的方法成功得到了半球形的零件㊂周六如等[7‐9]也使用该方法得到了直壁筒形件和盒形件㊂但以上成果仅涉及多道次渐进成形的应用,并没有对多道次渐进成形的机理和变形规律进行细致㊁系统的研究㊂因此,探索多道次渐进成形的变形机理和应变分布规律,对该技术的推广无疑有重大的理论指导意义㊂1 多道次单点渐进成形在金属板料数控渐进成形中,材料变形区厚度t受板料初始厚度t0以及板料成形角度θ影响,遵循余弦规律t=t0c o sθ㊂渐进成形中零件的成形角度受厚度变薄的影响有一个极限值㊂对于成形角度超过成形极限角度或者直壁零件的成形,单道次成形无法解决㊂多道次渐进成形就是通过多个道次实现制件最终形状的成形㊂第一道次的成形与单道次的渐进成形过程相同,而后续的成形过程比单道次成形更加复杂㊂其基本原理是利用道次的增加,使原本应该在零件底部(非成形区域)的材料转移到零件的成形区域[10‐11]㊂由体积不变原则可知,零件成形区域的增加可以减缓厚度的减小,控制减薄率㊂2 试验设备与方法2.1 试验设备数控机床采用南京航空航天大学自主研制的N H S K1060专用渐进成形机床(图1)㊂刀具材料选用高速钢,半球头直径为8mm㊂加工板料为A A1060,尺寸为140mm×140mm,厚为0.89mm,各道次工具头路径生成方式均为等高线形式,运动方向均为自上而下㊁自外而内㊂进给速率均为4m/m i n,润滑剂使用矿物油㊂图1 成形设备2.2 数据获取流动曲线获取方法如下:在未成形的板料上按照一定规律做好若干标记点;零件成形完成后测量标记点的位置,以得到成形前后材料流动的大致方向;对于多道次成形,可分别得到每一道次结束后的零件,然后依据每一个零件上标记点的测量结果来获取材料的流动曲线㊂采用坐标网格法测量应变㊂在铝板表面印上间距为2mm的圆形网格,成形完成后使用工具显微镜测量变形后的网格,计算第一主应变和第二主应变㊂厚度测量设备为一专用的厚度计,其主要结构为一顶针和百分表,顶针和百分表的表头相对放置㊂测量时将零件放在二者中间,晃动零件得到最小读数即为测量结果㊂2.3 试验方案试验模型为一圆锥台形零件,顶部直径为113mm,成形深度为50mm,成形角度为70°㊂分别采用单道次和4道次的方法成形零件,多道次成形方案如图2所示㊂成形工具头所走等高线间距均为0.5mm㊂3 试验结果及分析3.1 试验结果最终成形零件效果如图3所示,单道次渐进㊃362㊃多道次单点渐进成形变形规律试验研究 金玲玲 高 霖 史晓帆等图2 试验模型成形的零件底部没有变形,而在多道次单点渐进成形中,零件底部有明显的四个台阶,造成零件底部整体下沉㊂(a)单道次(b)四道次图3 试验所得零件3.2 试验数据分析3.2.1 流动曲线根据2.2节中描述的方法,最后获取的流动曲线如图4所示,横坐标为制件的径向尺寸,纵坐标为制件的深度尺寸,实线表示各个道次成形的零件轮廓,虚线表示铝板上标点的流动情况㊂从图4中不难看出,单道次成形和多道次成形的第一道次中,材料没有明显的径向位移㊂从第二道(a)单道次(b)四道次图4 流动曲线示意图次开始,材料的径向位移不断增大㊂对于零件的最终状态,径向位移随成形深度的增大而增大㊂此现象说明材料在多道次成形中,从较小的圆周流动到较大的圆周上,会产生较为明显的第二主应变㊂而在单道次渐进成形中,材料成形前后几乎保持在同一圆周上,不会产生较为明显的第二主应变㊂3.2.2 应变分析图5所示为单道次和多道次渐进成形的应变分布规律㊂从图5b中可以明显看出,在单道次渐进成形中,由于材料没有径向位移,其第二主应变几乎为零;而在多道次渐进成形中,第二主应变随成形深度增大而增大,进一步证明了3.2.1中的分析是正确的㊂(a)第一主应变(b)第二主应变图5 应变分布对比图在图5a中,除去零件减薄带的影响[12],零件各处的第一主应变基本恒定,而在多道次渐进成形中,在深度较小的位置,其第一主应变明显小于单道次渐进成形的第一主应变,但随深度的增大,其第一主应变不断增大,甚至超过单道次渐进成形的第一主应变㊂结合图4中的流动曲线不难发现,在多道次渐进成形中,零件根部有更多的材料参与变形,导致第一主应变减小,随着成形的继续进行,道次间的台阶逐渐增大㊂从图6中可以看出,台阶处的材料在工具头的作用下,成形角要从一个很小的角度变化到一个较大角度,且台阶处材料已经在前面道次的作用下发生了变形,这就造成了其对材料最大伸长率的影响㊂图6 成形示意图㊃462㊃中国机械工程第25卷第2期2014年1月下半月3.2.3 壁厚分析图7所示为单道次成形零件和多道次成形零件的壁厚分布规律㊂单道次渐进成形的零件随着深度的增大,除了初始阶段存在减薄带外厚度基本保持不变,但多道次渐进成形时零件壁厚随成形深度增大不断减小㊂结合图5中零件的第一㊁第二主应变的分布规律及塑性变形中的体积不变原则可知,在多道次渐进成形所得零件中,其壁厚必然会随深度的增大而剧烈减小㊂图7单道次和多道次成形零件的壁厚分布4 补充试验从上述试验中可以发现以下问题:(1)由于道次间成形角度差的存在,导致零件在成形过程中会存在台阶现象,造成零件底部下沉㊂(2)台阶的存在会导致零件局部的第一主应变增大,并导致壁厚急剧变小㊂(3)从壁厚的变化规律可推测,对于大成形角度的零件必然会存在一成形深度极限㊂针对以上问题,通过增加成形道次的方法验证道次间成形角度差对底部下沉现象及应变分布的改善情况(补充试验1),通过成形大角度零件的方法来验证成形深度极限的存在(补充试验2)㊂补充试验1中,共分七个道次对板料进行成形,成形角度分别为40°㊁45°㊁50°㊁55°㊁60°㊁65°和70°,对应的成形深度分别为35mm ㊁37.5mm ㊁40mm ㊁42.5mm ㊁45mm ㊁47.5mm 和50mm ㊂补充试验2中,成形角度依次为40°㊁50°㊁60°㊁70°㊁80°和90°,对应的成形深度分别为40mm ㊁50mm ㊁60mm ㊁70mm ㊁70mm ㊁70mm ㊂两个补充试验中的其余参数均保持不变㊂图8所示为补充试验得到的零件,从图8a 中可以看出,零件底部的下沉现象得到了明显的改善㊂图9所示为四道次和七道次渐进成形所得零件的应变分布对比和壁厚分布对比,可以明显看出,七道次渐进成形所得零件的第一主应变明显减小,壁厚明显增大㊂图8b 为补充试验2所得制件,成形角为80°和90°的侧壁均发生了破裂,破裂位置的深度分别为41.12mm 和28.44mm ,这证明了深度成形极限的存在,且成形角越大,成形深度极限越小㊂(a)补充试验1(b)补充试验2图8 补充试验(a)第一主应变分布对比(b)壁厚分布对比图9 四道次和七道次渐进成形所得零件对比5 结论(1)多道次单点渐进成形所得零件存在较为明显的第二主应变,且随成形深度的增大而增大,与此同时,壁厚随成形深度的增大明显减小㊂(2)多道次渐进成形时零件壁厚随成形深度增大不断减小,不能成形过大深度的零件,存在成形深度极限,且成形角度越大,成形深度极限越小㊂(3)多道次单点渐进成形道次间角度差越小,所获零件的几何精度越高,能较好地避免台阶现㊃562㊃多道次单点渐进成形变形规律试验研究金玲玲 高 霖 史晓帆等象,可在一定程度上改善成形质量㊂(4)增加成形道次可以改善零件的应变及壁厚分布㊂参考文献:[1] 莫健华,韩飞.金属板材数字化渐进成形技术研究现状[J].中国机械工程,2008,19(4):491‐497.M o J i a n h u a,H a nF e i.S t a t eo f t h eA r t sa n dL a t e s tR e s e a r c ho nI n c r e m e n t a lS h e e tN C F o r m i n g T e c h-n o l o g y[J].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2008,19(4):491‐497.[2] J e s w i e t J,M i c a r i F,H i r tG,e t a l.A s y mm e t r i c S i n g l eP o i n t I n c r e m e n t a l F o r m i n g o f S h e e tM e t a l[J].C I R PA n n a l s-M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y,2005,54(2):88‐114.[3] 史晓帆,徐岩,高霖,等.方锥形渐进成形制件误差补偿工艺研究[J].中国机械工程,2012,23(18): 2248‐2252.S h iX i a o f a n,X uY a n,G a oL i n,e t a l.I n v e s t i g a t i o no nE r r o r C o m p e n s a t o r y P r o c e s s o f P y r a m i d a l P a r t sF o r m e db y S i n g l eP o i n tI n c r e m e n t a lF o r m i n g[J].C h i n aM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2012,23(18):2248‐2252.[4] H i r tG,A m e s J,B a m b a c hM.A N e wF o r m i n g S t r a t-e g y t oR e a l i z eP a r t sD e s i g n e df o rD e e p-d r a w i ng b yI n c r e m e n t a l C N CS h e e tF o r m i n g[J].S t e e lR e s e a r c hI n t e r n a t i o n a l,2005,76(2/3):160‐166.[5] A r a g h i BT,M a n c oG L,B a m b a c h M,e t a l.I n v e s t i-g a t i o n i n t oa N e w H y b r i dF o r m i n g P r o c e s s:I n c r e-m e n t a l S h e e t F o r m i n g C o m b i n e d w i t h S t r e t c hF o r m i n g[J].C I R P A n n a l s-M a n u f a c t u r i n g T e c h-n o l o g y,2009,58(1):25‐228.[6] 沈黎萍,高锦张,蒋松,等.板料渐进成形半球形件的路径研究[J].锻压技术,2010,35(6):40‐44.S h e nL i p i n g,G a oJ i n z h a n g,J i a n g S o n g,e ta l.R e-s e a r c ho n I n c r e m e n t a l F o r m i n g P a t ho fH e m i s p h e r-i c a lW o r k p i e c e[J].F o r g i n g&S t a m p i n g T e c h n o l o-g y,2010,35(6):40‐44.[7] 周六如,肖祥芷,莫健华.金属直壁筒形件数控渐进成形工艺研究[J].机械科学与技术,2004,23(11): 1366‐1369.Z h o uL i u r u,X i a oX i a n g z h i,M oJ i a n h u a.A S t u d y o fN C I n c r e m e n t a l V e r t i c a l W a l l C y l i n d e r F o r m i n gP r o c e s s[J].M e c h a n i c a lS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y, 2004,23(11):1366‐1369.[8] 周六如.基于数控渐进成形技术的方形盒成形工艺[J].锻压技术,2009(4):65‐68.Z h o uL i u r u.F o r m i n g P r o c e s so fS q u a r eB o xB a s e do nN CI n c r e m e n t a lF o r m i n g T e c h n o l o g y[J].F o r g-i n g&S t a m p i n g T e c h n o l o g y,2009(4):65‐68.[9] 周六如.直壁矩形盒渐进成形技术[J].模具工业,2009,35(5):40‐43.Z h o u L i u r u.I n c r e m e n t a l F o r m i n g T e c h n o l o g y o fV e r t i c a l-w a l l e dR e c t a n g u l a rB o x[J].D i e&M o u l dI n d u s t r y,2009,35(5):40‐43.[10] V e r b e r t J,B e l k a s s e m B,H e n r a r dC,e t a l.M u l t i-S t e p T o o l p a t h A p p r o a c h t o O v e r c o m e F o r m i n gL i m i t a t i o n si n S i n g l e P o i n tI n c r e m e n t a lF o r m i n g[J].I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f M a t e r i a l F o r m i n g,2008,1(1):1203‐1206.[11] D u f l o uJR,V e r b e r t J,B e l k a s s e m B,e t a l.P r o c e s sW i n d o wE n h a n c e m e n t f o r S i n g l eP o i n t I n c r e m e n t a lF o r m i n g T h r o u g h M u l t i-s t e p T o o l p a t h s[J].C I R P A n n a l s-M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y,2008,57(1):253‐256.[12] Y o u n g D,J e s w i e t J.W a l lT h i c k n e s sV a r i a t i o n s i nS i n g l e-p o i n tI n c r e m e n t a lF o r m i n g[J].P r o c e e d-i n g so ft h eI n s t i t u t i o n o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r s,P a r tB:J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g M a n u f a c t u r e,2004,218(11):1453‐1459.(编辑 苏卫国)作者简介:金玲玲,女,1989年生㊂南京航空航天大学机电学院硕士研究生㊂高 霖,男,1954年生㊂南京航空航天大学机电学院教授㊂史晓帆,男,1985年生㊂南京航空航天大学机电学院博士研究生㊂张其龙,男,1988年生㊂南京航空航天大学机电学院硕士研究生㊂徐佳晖,男,1989年生㊂南京航空航天大学机电学院硕士研究生㊂第十六届海峡两岸机械工程技术交流会在台北举行 2013年12月3日,主题为 高效精密加工技术”的第十六届海峡两岸机械工程技术交流会在台北举行,来自海峡两岸的40余位专家学者出席了会议,分别以 智能磨削云平台的研究与开发”㊁ 全风场风力发电机开发”㊁ 具有在机监控与智能维护的高速高精数字化制造装备及其发展”㊁ 新世代智能工厂控制系统技术”㊁ 超密齿铣刀的高效高品质铣削”㊁ 液静压滑轨设计参数对滑轨性能的影响”㊁ 高精度磨削与高效磨削的技术复合与应用”㊁ 玻璃切割技术探讨”㊁ 数控机床几何误差补偿的关键技术研究”㊁ 工具机智能化与服务化技术的发展与应用”㊁ 高档数控系统在高效㊁高精度㊁柔性数控加工中的应用展望”㊁ 石英玻璃的电化学放电加工技术”为题进行了广泛的交流与探讨㊂第十七届海峡两岸机械工程技术交流会将于2014年8月在大陆举行㊂(工作总部)㊃662㊃中国机械工程第25卷第2期2014年1月下半月。