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(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)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(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000）

設(shè)計了一種試驗方法，應(yīng)用環(huán)狀加熱裝置，對成形板料的非加工變形區(qū)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(diào)節(jié)溫控設(shè)備，給非加工變形區(qū)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(qū)應(yīng)變變化，得出非加工區(qū)板料在加熱后幾乎不發(fā)生變形，對成形區(qū)板料的成形性能基本沒有產(chǎn)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(xiàn)的一種新型板材柔性數(shù)控加工方法，它將快速成形技術(shù)和塑性成形技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)板材的柔性生產(chǎn)［1-3］。漸進成形技術(shù)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(luò)面，從而實現(xiàn)金屬板料連續(xù)局部的塑性成形［4］。由于傳統(tǒng)沖壓成形的復(fù)雜和難以控制，使得漸進成形逐漸顯露出優(yōu)點。

漸進成形與傳統(tǒng)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(qū)域內(nèi)成形出用常規(guī)手段方法無法加工的復(fù)雜曲面造型。并且漸進成形的壓邊裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠大大節(jié)省模具成本和樣品試樣的成本，具有很大的經(jīng)濟價值，非常適合小批量、多品種、形狀復(fù)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(xiàn)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(yīng)用范圍。本文設(shè)想通過對加工點附近的未變形區(qū)板料進行加熱，使其強度下降，使未變形區(qū)金屬板料向變形區(qū)流動，參與成形區(qū)的變形，強迫擴大板料變形區(qū)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(yīng)用范圍。

1　實驗

1.1實驗材料及設(shè)備

試驗成形設(shè)備為自主研發(fā)的NH4050漸進成形機床，以及對板料非加工變形區(qū)加熱的環(huán)狀加熱器和溫控設(shè)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(huán)狀加熱設(shè)備

1.2實驗過程

通過調(diào)節(jié)溫控箱，改變非加工區(qū)加熱溫度，用局部加熱非加工區(qū)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(qū)加熱示意圖如圖2所示。在板料表面先印上網(wǎng)格，測量非加工區(qū)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(qū)板料的應(yīng)變變化，分析非加工區(qū)板料加熱對成形區(qū)成形性能的影響。

圖2　板料非加工區(qū)加熱示意圖

（1）變成形角零件加工

在UG環(huán)境下建模，得到非加工區(qū)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(qū)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(wǎng)格的板料放在在數(shù)控漸進成形機床上，加工成形角為55°，其它工業(yè)參數(shù)相同，非加工區(qū)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(wǎng)格會發(fā)生畸變，測量畸變網(wǎng)格的長、短軸尺寸，計算成形零件周向和縱向的工程應(yīng)變，分析金屬板料非加工區(qū)加熱，成形區(qū)的應(yīng)變變化。應(yīng)變計算公式如下，得到成形零件如圖4所示。

圖4　非加工區(qū)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(yīng)變；ε2為周向應(yīng)變；d0為原始網(wǎng)格圓直徑；d1為畸變網(wǎng)格圓長軸尺寸；d2為畸變網(wǎng)格圓短軸尺寸。

2　結(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可以看出，常溫條件下，零件成形極限高度為25.68 mm，當(dāng)使用環(huán)狀鑄鋁加熱器對非加工區(qū)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(qū)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(shù)據(jù)均在25.50 mm左右波動。從零件成形區(qū)的中心到邊緣選取對稱的2列畸變網(wǎng)格，每列14個畸變網(wǎng)格圓，測量2列畸變網(wǎng)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(yīng)變，繪制板料非加工區(qū)加熱溫度分別為常溫、100℃和250℃時，得到成形件的應(yīng)變分布圖，如圖1所示。

（2）從零件成形區(qū)的中心到邊緣選取對稱的2列畸變網(wǎng)格，每列14個畸變網(wǎng)格圓，測量2列畸變網(wǎng)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(yīng)變，繪制板料非加工區(qū)加熱溫度分別為常溫、100℃和250℃時，成形件成形區(qū)的應(yīng)變分布圖，如圖5所示。

圖5　非加工區(qū)不同加熱溫度下網(wǎng)格應(yīng)變分布

由圖5應(yīng)變分布圖可知，成形區(qū)板料變形在經(jīng)歷過“減薄帶”后進入平穩(wěn)變形區(qū)，平穩(wěn)變形區(qū)的縱向應(yīng)變值均在0.7附近波動，板料非加工區(qū)3種不同的加熱溫度條件下，平穩(wěn)區(qū)的應(yīng)變分布非常相似，數(shù)值差別較小，表明非加工變形區(qū)板料加熱對板料成形區(qū)成形性能基本沒有產(chǎn)生影響。

板料非加工區(qū)的溫度為常溫、100℃、250℃時，零件周向的應(yīng)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(fā)生在縱向和厚度方向，周向不發(fā)生變形。

3　結(jié)束語

（1）非加工變形區(qū)板料加熱后，該區(qū)域板料不發(fā)生變形，非加工變形區(qū)板料加熱對成形區(qū)成形性能基本沒有產(chǎn)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(fā)生變形。

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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(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)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。