加工點外局部加熱板料的漸進成形方法研究

李志慶，張　樂，錢健清

（安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243000）

加工點外局部加熱板料的漸進成形方法研究

李志慶，張樂，錢健清

（安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243000）

設計了一種試驗方法，應用環狀加熱裝置，對成形板料的非加工變形區部分加熱，在漸進成形機床上對板料進行漸進成形，分別加工成形角不斷變化的和成形角固定的兩種類型的成形零件。通過調節溫控設備，給非加工變形區金屬板料一系列不同的加熱溫度，測量不同加熱溫度下得到的變成形角零件的成形極限高度，以及分析固定成形角零件的成形區應變變化，得出非加工區板料在加熱后幾乎不發生變形，對成形區板料的成形性能基本沒有產生影響。

單點漸進成形；局部加熱；金屬板料

漸進成形是近年來出現的一種新型板材柔性數控加工方法，它將快速成形技術和塑性成形技術有機結合，實現板材的柔性生產［1-3］。漸進成形技術通過計算機程序控制工具，沿著垂直方向和水平方向的軌跡運動，逐層形成零件的三維包絡面，從而實現金屬板料連續局部的塑性成形［4］。由于傳統沖壓成形的復雜和難以控制，使得漸進成形逐漸顯露出優點。

漸進成形與傳統的沖壓成形不同，它在成形中不需要專用的模具或者僅需簡單的支撐模，而且板料具有更高的成形性能，可以在局部區域內成形出用常規手段方法無法加工的復雜曲面造型。并且漸進成形的壓邊裝置結構簡單，能夠大大節省模具成本和樣品試樣的成本，具有很大的經濟價值，非常適合小批量、多品種、形狀復雜的板料零件成形［5］。但是，由余弦定律t=t0·cosθ（t0是變形前板料原始厚度，t是變形后板料厚度，θ是成形件的成形角）可知［6］，對成形角較大的零件進行加工時，板料厚度減薄量較大，板料的變形范圍減少，變形會集中于板料某個點，造成板料局部變形過大，就很容易出現制件的破裂。因此，加工大成形角零件比較困難這一因素限制了漸進成形工藝的應用范圍。本文設想通過對加工點附近的未變形區板料進行加熱，使其強度下降，使未變形區金屬板料向變形區流動，參與成形區的變形，強迫擴大板料變形區域，避免變形集中于板料某個點，提高金屬板料的成形極限，使其可以加工更大角度的成形制件，推廣漸進成形工藝的應用范圍。

1　實驗

1.1實驗材料及設備

試驗成形設備為自主研發的NH4050漸進成形機床，以及對板料非加工變形區加熱的環狀加熱器和溫控設備（如圖1所示），實驗材料為6061鋁板，板料初始厚度為0.8 mm，抗拉強度σb≥180 MPa，屈服強度σ0.2≥110 MPa，δ5≥14%.成形工具頭材料為高硬度合金鋼HSS.

圖1　漸進成形機床及環狀加熱設備

1.2實驗過程

通過調節溫控箱，改變非加工區加熱溫度，用局部加熱非加工區板料的漸進成形方法，加工成形角逐漸變化的變成形角弧形零件和固定成形角錐形零件，板料非加工區加熱示意圖如圖2所示。在板料表面先印上網格，測量非加工區不同加熱溫度下，變成形角零件破裂時的成形極限高度和固定成形角零件成形區板料的應變變化，分析非加工區板料加熱對成形區成形性能的影響。

圖2　板料非加工區加熱示意圖

（1）變成形角零件加工

在UG環境下建模，得到非加工區加熱溫度不同的5個變成形角弧形制件，如圖3所示。

圖3　非加工區不同加熱溫度下的變成形角弧形零件

（2）固定成形角零件加工

將印制有圓形網格的板料放在在數控漸進成形機床上，加工成形角為55°，其它工業參數相同，非加工區加熱溫度分別為常溫、100℃和250℃時的成形角固定的圓錐臺件，隨著成形刀具頭的逐層碾壓，印制在板料表面的圓形網格會發生畸變，測量畸變網格的長、短軸尺寸，計算成形零件周向和縱向的工程應變，分析金屬板料非加工區加熱，成形區的應變變化。應變計算公式如下，得到成形零件如圖4所示。

圖4　非加工區不同加熱溫度下的固定成形角圓錐臺零件

式中：ε1為縱向應變；ε2為周向應變；d0為原始網格圓直徑；d1為畸變網格圓長軸尺寸；d2為畸變網格圓短軸尺寸。

2　結果分析

（1）對變成形角零件破裂時的成形極限高度進行測量，數據見表1.

表1　變成形角零件成形極限高度

從表1中成形極限高度數據可以看出，常溫條件下，零件成形極限高度為25.68 mm，當使用環狀鑄鋁加熱器對非加工區板料加熱到75℃、100℃、150℃和200℃時，成形制件的成形極限高度并沒有隨著非加工區板料加熱溫度的升高而增大，反而有略微的降低，但非常接近，數據均在25.50 mm左右波動。從零件成形區的中心到邊緣選取對稱的2列畸變網格，每列14個畸變網格圓，測量2列畸變網格的長、短軸尺寸，取平均值，計算成形零件周向和縱向的工程應變，繪制板料非加工區加熱溫度分別為常溫、100℃和250℃時，得到成形件的應變分布圖，如圖1所示。

（2）從零件成形區的中心到邊緣選取對稱的2列畸變網格，每列14個畸變網格圓，測量2列畸變網格的長、短軸尺寸，取平均值，計算成形零件周向和縱向的工程應變，繪制板料非加工區加熱溫度分別為常溫、100℃和250℃時，成形件成形區的應變分布圖，如圖5所示。

圖5　非加工區不同加熱溫度下網格應變分布

由圖5應變分布圖可知，成形區板料變形在經歷過“減薄帶”后進入平穩變形區，平穩變形區的縱向應變值均在0.7附近波動，板料非加工區3種不同的加熱溫度條件下，平穩區的應變分布非常相似，數值差別較小，表明非加工變形區板料加熱對板料成形區成形性能基本沒有產生影響。

板料非加工區的溫度為常溫、100℃、250℃時，零件周向的應變值均為零，即不管是常溫成形還是熱成形，漸進成形的變形僅發生在縱向和厚度方向，周向不發生變形。

3　結束語

（1）非加工變形區板料加熱后，該區域板料不發生變形，非加工變形區板料加熱對成形區成形性能基本沒有產生影響，漸進成形是局部小變形；

（2）無論常溫成形還是熱成形，漸進成形周向均不發生變形。

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［5］李輝.復雜鈑金件數控單點漸進成形技術的研究［D］：南京：南京航天航空大學，2007.

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Research on Incremental Form ing Method of Local Heating in the SheetUnprocessed Region

LIZhi-qing，ZHANG Le，QIAN Jian-qing
（AnhuiUniversity of Technology，School ofMetallurgical Engineering，Ma’anshan Anhui 243000，China）

This paper introduces a annular cast aluminum heating apparatus，which is used to heat the unprocessed region of the forming aluminum sheet.By incremental sheet forming approach，processing two types of forming parts respectively in CNC formingmachine，the changed wall angle part and the fixed wall angle part.To adjust the temperature control equipment of annular cast aluminum heating apparatus，the unprocessed regions of the metal sheet are achieved a series of different heating temperature.Finally，measuring forming limit height of the changed wall angle parts and analysing the forming region strain distribution of the fixed wall angle parts.The results show that the unprocessed region of the forming sheet haven’t occurred deformation，and having no effect on the formability of the deformation region of themetal sheet.

single point incremental forming；local heating；sheetmetal

TB31

A

1672-545X（2016）06-0173-03

2016-03-13

安徽工業大學大學生創新創業訓練計劃項目資助（AH201410361027）

李志慶（1990-），男，安徽碭山人，在讀碩士生，主要研究方向為金屬板料成形。