硬鋁合金半球形零件的漸進成形工藝研究

（南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

鈑金件在制造業中有著廣泛的運用，尤其是在航空航天、船舶、汽車等領域，鈑金成形的零件占比越來越大。傳統的沖壓工藝需要使用模具，這導致生產周期長、費用高，難以適應現代小批量、多品種的樣品試制生產模式。以航空航天領域為例，一架大型飛機上有數千個鈑金零件，大到飛機的外形蒙皮，小到機身內部導管。飛機的生產模式決定了每類鈑金件的數量都不多，采用傳統的模具制造工藝耗時、耗資、耗力，無法滿足現代制造業的需求。

隨著現代制造業的發展，工業界對個性化零件的需求日益增加。在此背景下，各種柔性鈑金成形工藝應運而生，如噴丸成形[1]、多點離散模成形[2—3]、激光沖擊成形[4—5]、旋壓成形[6—7]、數控水射流成形[8]和金屬板料漸進成形技術[9]。由于漸進成形技術適應小批量、多品種生產，并且擁有成形性能好、加工方便、可以加工復雜零件等特點，所以在汽車、飛機、醫器械等領域具有巨大發展前景[10—11]。

文中使用漸進成形和沖壓兩種工藝方法成形半球形零件，此零件是一種典型的純脹形工藝過程，比較這兩種工藝方法的成形結果，并研究工藝參數對漸進成形試驗成形結果的影響。

1 脹形和漸進成形的原理

1.1 脹形的原理

脹形是利用模具強迫板料厚度減薄和表面積增大，以獲取零件幾何形狀的沖壓加工方法。脹形成形的示意圖見圖1，板料被壓邊圈壓死，變形區限制在拉深筋以內的中部。在凸模作用下，變形區板料大部分受雙向拉應力作用，沿切向和徑向產生拉伸應變，使板料的厚度減薄、表面積增大。理論上，脹形后板料變形區的厚度分布是均勻的[12]。

圖1 脹形成形Fig.1 Bulging diagrammatic sketch

脹形成形極限以零件是否發生破裂來判斷。如圖1所示的純脹形，常用脹形高度表示成形極限。一般來講，脹形破裂總是發生在材料厚度減薄最大的部位，所以變形區的應變分布是影響脹形成形極限的重要因素[12]。文中所成形的零件，均會采用三維應變測量軟件測量其變形區的應變情況，以便研究沖壓工藝與漸進成形工藝的脹形機理，得到不同。

1.2 漸進成形的原理

板料漸進成形技術最初由日本學者松原茂夫[13]首先提出，該技術實際上利用了快速原型制造技術中的分層制造思想[14]。漸進成形原理見圖2，用垂直于z軸方向的平面將零件切片，然后依據每層平面上的形狀生成相應形狀的加工軌跡，所有的加工軌跡結合可構成立體模型的外型[15]，即沿z軸方向分層離散成許多類似等高線的軌跡層。成形工具頭則沿軌跡層運動，并在軌跡層上進行塑性加工。在按照給定的加工軌跡完成第一層加工后，成形工具沿垂直方向壓下設定的進給量，開始第二層的加工。這樣一層一層依次對零件進行塑性變形，直到成形出整個零件形狀。

材料在漸進成形的變形過程中，由于成形工具的球頭半徑遠小于板料的面積尺寸，成形工具運動過程中可以認為只對球頭周圍的材料產生塑性變形[16]。在零件成形之后，只有工具頭經過的地方產生塑性變形，而四周材料沒有材料流動，這與脹形過程中壓邊圈下方的材料不參與變形是一樣的，因此，漸進成形也可以用來進行脹形的過程。

圖2 漸進成形原理Fig.2 Principle diagram of incremental forming

2 實驗

半球形零件的脹形實驗分為2部分，分別是沖壓工藝脹形實驗和漸進成形脹形實驗。

2.1 材料

實驗所用材料為一種硬鋁合金，熱處理狀態有2種，分別是 AA2024-O和 AA2024-T4，板料厚度為1.5 mm。材料化學成分見表1。

表1 AA2024的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of AA2024 (mass fraction) %

2.2 沖壓工藝脹形實驗

2.2.1 設備

沖壓脹形實驗在南京航空航天大學自主研制的金屬板材成形實驗機上進行，其中最大壓邊力為210 kN，足夠壓住材料，使得拉深筋外的材料不往里流動。脹形凸模見圖3，其直徑為100 mm。試樣板料尺寸為180 mm×180 mm。實驗采用德國GOM公司的ARAMIS設備來測量應變，ARAMIS是一種基于數字圖像相關技術的非接觸光學測量設備[17]。其攝像頭在整個零件的變形過程中連續不斷地捕獲零件照片，直到零件產生破裂，通過后期軟件處理這些捕獲的照片可以得到零件各個位置的主應變、次應變等數據。

圖3 脹形凸模Fig.3 Bulging punch

2.2.2 方法

在進行脹形實驗前，將每塊板料清潔干凈，并用白色噴漆輕輕噴涂在反光金屬表面，使其完全覆蓋并呈啞光狀態。之后用黑色噴漆隨機噴涂，使其表面呈現出隨機的高對比度的散斑圖案，如圖4a所示，等待噴漆干燥后不久進行試驗。板料上的散斑圖案即作為虛擬網格，通過兩個 CCD相機捕捉圖片，ARAMIS設備可以記錄下不同時刻試樣表面的圖像信息，試驗完成后采用圖形相關算法，對相機采集到的圖像對應點進行識別，并重構試樣表面形貌，確定試樣上每個點的坐標，進而獲得試樣表面每個點的位移場[18]。

兩種材料在室溫下各進行 3組沖壓工藝脹形實驗。將板料放置在脹形機床上，脹形的同時，啟動ARAMIS開始連續拍攝脹形過程中板料的照片，直到半球破裂，實驗停止，這時記錄半球的脹形高度。脹形后零件見圖4b，可以看出在半球底部產生了一條明顯裂紋。

圖4 脹形結果Fig.4 Bulging result

2.3 漸進成形脹形實驗

2.3.1 設備

漸進成形實驗所用設備為南京航空航天大學自主研制的 NHSK1060數控漸進成形機床。實驗開始之前，先在試樣表面通過電腐蝕技術印上圓點網格，用于實驗成形之后測量成形件的應變情況。測量設備為德國GOM公司的ARGUS變形測量設備，ARGUS是一種非接觸式光學3D變形測量系統，其原理為基于機器視覺的坐標網格法[10]。利用該設備測量可以得到零件表面各點的三維坐標以及整個表面主應變、次應變、等效應變和厚度減薄率的分布情況。

2.3.2 方法

漸進成形脹形所成形的半球形零件直徑為 80 mm，所用試樣尺寸是135 mm×135 mm。實驗過程采用正漸進成形，在室溫下進行。成形板料之前需要先制作與實驗零件內表面尺寸一致的模型作為支撐。漸進成形脹形實驗方案見表2。其中，Δ0.1-F1000表示該實驗的每層下壓量是 0.1 mm，工具頭進給速率是1000 mm/min。實驗研究了層下壓量和工具頭進給速率對成形結果的影響。成形零件見圖5。

表2 漸進成形試驗方案Tab.2 Test scheme of incremental forming

圖5 成形零件Fig.5 Forming parts

3 實驗結果

3.1 沖壓工藝脹形實驗

脹形的成形極限以零件是否發生破裂來判別，脹形破裂時的成形高度見表3。可知，AA2024-T4的脹形平均破裂高度為38 mm，AA2024-O的脹形平均破裂高度為45 mm。熱處理狀態為“O”的AA2024鋁合金的成形性能比熱處理狀態為“T4”的要好。

通過 ARAMIS后處理軟件分析脹形期間捕獲的照片，可以獲得零件各個位置的主應變、次應變、Mises應變以及厚度減薄率等數據。兩種不同熱處理狀態的脹形零件的Mises應變對比和厚度減薄率對比以及材料各點應變狀態分別見圖6—8。AA2024-T4和 AA2024-O的最大 Mises應變分別是 51.81%和125.4%，最大厚度減薄率分別是 34.1%和 55.46%。可見 AA2024-O在室溫下的成形性能比 AA2024-T4高很多。

表3 脹形破裂高度Tab.3 Bulging fracture height mm

圖6 Mises應變云圖Fig.6 Cloud map of Mises strain

圖7 厚度減薄率對比Fig.7 Comparison of thickness thinning rate

圖8 材料各點應變狀態分布Fig.8 Distribution diagram of strain state in each point of material

從圖6、圖7可以直觀看出，脹形半球零件的頂部應變和減薄率最大，變形最嚴重，實驗結果也表明零件的破裂位置在底部。由圖8發現，脹形零件各點均處于雙向拉伸狀態，而主應變與次應變的值基本一致。破裂點位置附近的主應變與次應變見表4。將3組實驗的主應變與次應變取平均，最終得到熱處理“T4”狀態下的主應變為0.203，次應變為0.190；熱處理“O”狀態下的主應變為0.383，次應變為0.348。這里主應變與次應變存在一定差值是由材料的各向異性引起的。

表4 破裂點附近的應變Tab.4 Strain near rupture point

3.2 漸進成形脹形實驗

用高度尺測量各個零件的成形高度，即最高點到破裂點的高度，數據見表5和表6。可以看出，在研究的參數范圍內，下壓量越小，成形高度越大；對AA2024-O，進給速率越快，成形高度越大；而對AA2024-T4，進給速率越慢，成形高度越大。AA2024-O的成形高度比 AA2024-T4的成形高度大了將近1倍。

為對比漸進成形與脹形的成形機理的異同，利用 ARGUS測量漸進成形零件的應變情況。層下壓量為0.2 mm，進給速度為1000 mm/min的兩種不同熱處理狀態的零件測量結果分別見圖9—11。圖9是 Mises應變云圖的對比情況，AA2024-T4的最大Mises應變是49.5%，而AA2024-O的最大Mises應變是264.4%。圖10是厚度減薄率云圖的對比情況，AA2024-T4的最大厚度減薄率是 28.68%，而AA2024-O的最大厚度減薄率是66.6%。圖11是材料各點應變狀態分布。

表5 下壓量對成形高度的影響Tab.5 Influence of step down on the forming height mm

表6 進給速率對成形高度的影響Tab.6 Influence of feed rate on forming height

圖9 Mises應變云圖Fig.9 Cloud map of Mises strain

從圖9和圖10可以直觀看出，漸進成形半球零件邊緣的應變和減薄率最大，變形最嚴重，實驗結果也表明零件的破裂位置在邊緣。而由理論分析可知，零件的邊緣的成形角較大，板料減薄率較嚴重，因此也越容易破裂。

由圖11觀察到，板料上所有點的次應變約為-2.5%，而主應變則根據板料上點位置的不同而不同，從圖11大致可以看出點的連線可以構成一條斜率為無窮大的直線。這也說明半球形零件的漸進成形是一種平面應變過程。

圖10 厚度減薄率對比Fig.10 Comparison of thickness thinning rate

圖11 材料各點應變狀態分布Fig.11 Distribution diagram of strain state in each point of material

4 結論

通過沖壓脹形和漸進成形的對比，可以得出以下結論。

1) 對于脹形零件，材料在脹形過程中處于雙向拉伸應變狀態，而漸進成形零件在成形過程中處于平面應變狀態。

2) 脹形零件的最大應變和最大減薄處是半球的中心，而漸進成形零件的最大應變和最大減薄處是半球的邊緣。也就是說，脹形零件的危險截面在半球的中心，漸進成形零件的危險截面在半球的邊緣。

3) 相比較漸進成形零件而言，使用沖壓脹形工藝得出的半球形零件的壁厚相對均勻一點，因而其變形程度可以達到更大。

4) 在研究的參數范圍內，下壓量越小，成形高度越大；對AA2024-O，進給速率越快，成形高度越大；而對AA2024-T4，進給速率越慢，成形高度越大。