王 濤，王會廷，錢健清，莊 莉，彭風(fēng)偉，陳繼平，張 樂

(1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002；2.馬鋼鋼鐵股份有限公司馬鋼廢鋼公司，安徽馬鞍山243000)

漸進(jìn)成形與脹形實(shí)驗(yàn)研究

王 濤1，王會廷1，錢健清1，莊 莉2，彭風(fēng)偉1，陳繼平1，張 樂1

(1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002；2.馬鋼鋼鐵股份有限公司馬鋼廢鋼公司，安徽馬鞍山243000)

采用漸進(jìn)成形與脹形2種成形方式，對印有網(wǎng)格的3003鋁板試樣進(jìn)行球殼制件加工。通過顯微測量儀測量成形后制件的網(wǎng)格尺寸，利用工程應(yīng)變公式計(jì)算從球殼制件頂部中心到板料邊緣的應(yīng)變分布，對比相同高度(15 mm)及不同高度(15, 45 mm)制件的脹形應(yīng)變分布與漸進(jìn)成形應(yīng)變分布，分析2種成形方式的成形特點(diǎn)和成形極限。結(jié)果表明，漸進(jìn)成形加工方法的成形極限高于脹形，且漸進(jìn)成形板料具有周向應(yīng)變?yōu)榱愕膽?yīng)變特點(diǎn)。

漸進(jìn)成形；脹形；鋁板

金屬板材成形在制造業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)的加工工藝必須使用專用的模具，模具加工周期長、費(fèi)用高，零件尺寸受到模具的限制，難以適應(yīng)小批量多品種生產(chǎn)和樣品試制的需要。脹形是1種傳統(tǒng)的沖壓成形工藝，在管坯內(nèi)部或板坯一側(cè)通以高壓液體、氣體或放入剛體瓣模，迫使管、板塑性變形，制成需要的零件[1-2]。針對傳統(tǒng)工藝的缺陷，松原茂夫提出了1種新型的金屬板材數(shù)字化漸進(jìn)成形技術(shù)，為新產(chǎn)品的快速開發(fā)提供了先進(jìn)成形手段[3-5]。

漸進(jìn)成形是1種通過局部成形的累積產(chǎn)生整體變形的無模成形，工具頭以等高線的形式，由上到下逐層加工，板料受到工具頭的局部擠壓得到最終的零件形狀。漸進(jìn)成形不需特定的模具或需簡單的模具，通過CAE[6]軟件生成需要的加工軌跡，利用簡單的工具頭就可加工出成形極限較大、形狀比較復(fù)雜的板材零件[7-8]。漸進(jìn)成形技術(shù)不僅可以提高板料的成形性能，而且可使板料得到更加充分的變形，與傳統(tǒng)成形方法比較，其具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)外對于漸進(jìn)成形技術(shù)的研究主要集中在應(yīng)用技術(shù)的研究中，如漸進(jìn)成形加工精度[9-14]，極限成形角度[15-18]，熱輔助漸進(jìn)成形技術(shù)[19-22]等，對于其變形特性的基礎(chǔ)研究較少。基于漸進(jìn)成形與脹形有一個(gè)共同特點(diǎn)，即在局部區(qū)域成形時(shí)，對周邊板料沒有影響，對比分析漸進(jìn)成形與脹形應(yīng)變分布，研究漸進(jìn)成形的成形特點(diǎn)和成形極限。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)備

采用的材料是0.8 mm厚的3003鋁板，為Al-Mn系合金，抗拉強(qiáng)度σb120～160 MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2≥85 MPa。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：LB-850高精度電化打標(biāo)機(jī)，打標(biāo)深度為0.05～0.10 mm；絲網(wǎng)模板，網(wǎng)格圓直徑2 mm，網(wǎng)格間隙為0；NHB-30A多功能板料成型試驗(yàn)機(jī)，最大成形力300 kN，最大壓邊力100 kN，凸模行程0～150 mm，當(dāng)板料發(fā)生失穩(wěn)時(shí)，成形力下降，實(shí)驗(yàn)機(jī)自動停止；NH4050漸進(jìn)成形機(jī)床，工作臺面積550 mm× 550 mm，加工行程X軸0～500 mm，Y軸0～400 mm，Z軸0～200 mm，A軸0～160 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別采用漸進(jìn)成形與脹形的方法將3003鋁板加工成半徑50 mm的球殼件，通過測量制件網(wǎng)格圓的尺寸變化來計(jì)算應(yīng)變。

1)脹形 將表面印有網(wǎng)格圓的鋁板(180 mm×180 mm)置于凹模與壓邊圈之間壓緊，壓邊力為100 kN。成形過程中，板料中部在凸模力作用下產(chǎn)生脹形并形成凸包(如圖1)，其表面的網(wǎng)格圓發(fā)生畸變，當(dāng)凸包上某個(gè)局部產(chǎn)生縮頸或破裂時(shí)，實(shí)驗(yàn)機(jī)自動停止，取下板料測量此時(shí)的球殼制件(如圖2)，高度為15 mm，即為脹形球殼制件的臨界高度h1。

2)漸進(jìn)成形 用UG進(jìn)行建模、處理生成可供NH4050漸進(jìn)成形機(jī)床進(jìn)行加工的G代碼，將印有網(wǎng)格圓的鋁板放在機(jī)床上，且用夾具固定，將生成的G代碼拷入數(shù)控機(jī)床，機(jī)床工具頭逐層加工金屬板，同時(shí)在工具頭與板料接觸處噴涂潤滑油以減少刀具頭與板料之間的摩擦。用漸進(jìn)成形方法成形高度為15，45 mm的球殼制件如圖3。

為確定漸進(jìn)成形球殼制件的臨界成形高度h2，依次增大板料的成形高度，直到板料出現(xiàn)破裂，如圖3(b)。漸進(jìn)成形中每個(gè)板料的弧度與脹形相同(半徑R=50 mm)，高度從15 mm開始，每次增加5 mm，到高度45 mm時(shí)破裂停止，如圖4所示，即漸進(jìn)成形球殼制件的臨界成形高度h2=45 mm。

試樣在成形過程中，隨著試樣的變形，印制在試樣表面的圓形網(wǎng)格發(fā)生畸變，網(wǎng)格或因受到拉伸而伸長，或因受到擠壓而縮短。試樣表面的圓形網(wǎng)格應(yīng)變計(jì)算采用工程應(yīng)變公式，如

式中：ε1為網(wǎng)格周向應(yīng)變；ε2為網(wǎng)格切向應(yīng)變；d0為網(wǎng)格圓直徑；d1為網(wǎng)格圓的短軸長度；d2為長軸長度。采用顯微鏡測量儀測量試樣成形后網(wǎng)格圓的短軸長度(d1)，長軸長度(d2)，該測量儀測量精度為0.01 mm，測量誤差為±0.01 mm。將測得網(wǎng)格單元的長短軸尺寸代入式(1)進(jìn)行應(yīng)變計(jì)算，其中網(wǎng)格單元從球殼頂部沿對稱軸到板料邊緣順序編號。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

高度15 mm的脹形和漸進(jìn)成形球殼制件及高度45 mm的漸進(jìn)成形球殼制件的應(yīng)變分布如圖5。

2.1 成形特點(diǎn)

對比圖5(a)，(b)可以看出，漸進(jìn)成形和脹形具有不同的成形特點(diǎn)。

1)漸進(jìn)成形球殼制件的網(wǎng)格周向應(yīng)變?yōu)榱?，脹形球殼制件的周向?yīng)變與其切向應(yīng)變變化規(guī)律基本一致，大小略小于切向應(yīng)變。

漸進(jìn)成形是對板材進(jìn)行漸進(jìn)變薄拉延的過程，與脹形不同，板料切向受拉發(fā)生切向伸長的變形，而板料的周向有收縮的趨勢，成形工具頭沿周向運(yùn)動產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力限制了板料周向的金屬流動，導(dǎo)致板料周向應(yīng)變?yōu)榱?。板料切向方向受拉，周向?yīng)變?yōu)榱?，根?jù)體積不變的原理，ε1+ε2+εt=0，且ε2=0，知εt=－ε1，即漸進(jìn)成形球殼制件具有周向應(yīng)變ε2為零，母線方向應(yīng)變ε1與厚度方向應(yīng)變εt互為相反數(shù)的應(yīng)變特點(diǎn)。脹形球殼制件時(shí)，板料周向與母線方向兩向受拉應(yīng)力，厚度方向受壓應(yīng)力，板料周向和切向均發(fā)生拉伸變形。

2)漸進(jìn)成形最大應(yīng)變處在球殼的邊緣，而脹形最大應(yīng)變處靠近球殼的中心，兩者板料破裂處相反，是因?yàn)闈u進(jìn)成形和脹形的受力情況不同。

由于成形的是球殼制件，板料與垂直方向的夾角θ從板料中心到邊緣逐漸減小，漸進(jìn)成形中板料壁厚變化與成形的角度有關(guān)，符合正弦定理[23-24]，即

式中：t為板料成形區(qū)厚度；t0為板料成形前厚度；θ為板料成形面與垂直方向的夾角，稱半錐角。球殼制件的半錐角θ在板料邊緣部分最小，板料邊緣受到的切應(yīng)力最大，根據(jù)式(2)，漸進(jìn)成形球殼制件時(shí)，邊緣部位的厚度t達(dá)到最小，應(yīng)變集中在板料邊緣部位。

脹形時(shí)，機(jī)床凸模與板料的中心部位直接接觸，成形時(shí)隨著凸模不斷升高，板料中心部位對四周產(chǎn)生單向的拉伸作用，直接接觸的中心部位受到的拉應(yīng)力最大，同時(shí)由于凸模摩擦力對與其接觸部位的變形有阻礙的作用，所以板料在中心部位與凸模沒有接觸的地方破裂(見圖2)，即脹形的最大應(yīng)變靠近板料的中心部位。

2.2 成形極限

對比圖5(a)，(b)可以得出：成形高度相同時(shí)，漸進(jìn)成形球殼制件的切向最大應(yīng)變ε1為0.30，周向應(yīng)變ε2為零；脹形球殼制件的切向最大應(yīng)變ε1為0.32，周向最大應(yīng)變ε2為0.16。根據(jù)體積不變原則，ε1+ε2+ εt=0，知εt=-(ε1+ε2)，ε1與ε2之和越大板料壁厚減薄越大，越容易破裂，球殼制件壁厚的最大減薄處在應(yīng)變分布圖中的最大峰值處。而漸進(jìn)成形的ε1與ε2之和小于脹形，且漸進(jìn)成形的球殼制件沒有破裂。漸進(jìn)成形的周向應(yīng)變?yōu)?，說明漸進(jìn)成形只是在切向產(chǎn)生應(yīng)變，只在1個(gè)方向受拉，而脹形在2個(gè)方向受拉，雙向拉應(yīng)力更大，不利于發(fā)揮材料的塑性，造成漸進(jìn)成形的成形極限更高。因此，漸進(jìn)成形的成形極限大于脹形。

對比圖5(b)，(c)可以得出：成形高度不同時(shí)，漸進(jìn)成形球殼制件的切向最大應(yīng)變值ε1為1.83，周向應(yīng)變ε2為零；脹形球殼制件的切向最大應(yīng)變值ε1為0.32，周向最大應(yīng)變值ε2為0.16。根據(jù)體積不變原則，εt=-(ε1+ε2)，漸進(jìn)成形厚度方向應(yīng)變εt=-1.83，脹形厚度方向應(yīng)變εt=-(0.32+0.16)=-0.48，漸進(jìn)成形厚度方向應(yīng)變是脹形的-1.83/-0.48=3.8倍。漸進(jìn)成形球殼制件臨界成形高度 h2(45 mm)是脹形臨界成形高度 h1(15 mm)的3倍。隨著漸進(jìn)成形零件高度不斷增加，漸進(jìn)成形的高度已達(dá)到或接近工件的半徑，在這種情況下，工件邊緣的受力狀況發(fā)生了很大的變化，球殼制件邊部已經(jīng)接近純拉深，降低了漸進(jìn)成形球殼制件的最大應(yīng)變值。

綜上分析可得，漸進(jìn)成形的成形極限是脹形的3倍以上。

3 結(jié) 論

通過漸進(jìn)成形和脹形2種方式得到球殼制件，測量成形制件的應(yīng)變變化，對3種應(yīng)變分布進(jìn)行對比分析，得到如下結(jié)論：

1)采用漸進(jìn)成形方法加工的球殼制件周向應(yīng)變?yōu)榱悖夷妇€方向應(yīng)變ε1與厚度方向應(yīng)變εt存在εt=-ε1的應(yīng)變特點(diǎn)；

2)加工相同高度的球殼制件時(shí)，漸進(jìn)成形切向應(yīng)變與周向應(yīng)變峰值之和小于脹形，漸進(jìn)成形較脹形利于提高板料的成形性能；

3)漸進(jìn)成形的成形極限大于脹形，成形極限是脹形的3倍以上。

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責(zé)任編輯：何莉

Experimental Research on Incremental Forming and Bulging

WANG Tao1,WANG Huiting1，QIAN Jianqing1，ZHUANG Li2，PENG Fengwei1，CHEN Jiping1，ZHANG Le1
(1.School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002，China; 2.Ma'anshan Steel Scrap Company,Ma'anshan Iron and Steel Co.Ltd.,Ma'anshan 243000,China)

Two kinds of processing methods of incremental forming and bulging were carried out on the 3003 aluminum plate sample with grid spherical shell processing.Mesh size was measured by microscopic measuring after molding,and strain distribution from the top center of the spherical shell parts to sheet edges was calculated with engineering strain formula.Compared the same height(15 mm)and different heignts of(15,45 min)strain distributions of the incremental forming and bulging，the different forming characteristics and the forrning limit of two methods for forming were analyzed.The results show that the formability of incremental forming method is better than that of bulging,and the sheet processed by incremental forming method circumferential strain is zero.

incremental forming;bulging;aluminum sheet

TB31

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.04.002

2015-04-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275003)；安徽省科學(xué)基金項(xiàng)目(1508085ME78)

王濤(1989-)，男，安徽滁州人，碩士生，主要研究方向?yàn)椴牧铣尚巍?/p>

錢健清(1963-)，男，浙江衢州人，教授，主要研究方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)與工程。

1671-7872(2015)-04-0305-05