復雜曲面鋼板復合成形加工工藝研究

魏 波， 閻漢生， 徐勇軍， 丘永亮

（廣東工貿職業技術學院機電工程學院， 廣東廣州 510510）

0 引言

船舶、飛機、汽車等行業發展非常迅速，并且產品更新換代速度也越來越快。在這種情況下，對于板料彎曲成形的需求也越來越多。 而復雜曲面鋼板復合成形對于傳統的成形工藝帶來了巨大的挑戰。 接下來就對復雜曲面鋼板復合成形加工工藝進行了綜述。

1 熱輔助單點漸進成形技術

熱輔助漸進成形工藝適用于室溫下整體延性較差的成形材料。輕質鎂合金和鈦合金通過增加形成溫度，可以激活韌性面，使這些合金具有更好的延性。除了鎂合金和鈦合金外，高強度鋁合金、5182-O alloy 或低碳合金鋼（如DC04）也都是應用廣泛的熱輔助漸進成形材料。 此外，在高溫下成形也會使回彈和成形力的降低， 可以一定程度上提高板材的成形極限。

在熱輔助漸進成形技術的發展中， 對成形板材加熱基本上可以分為兩種策略：局部加熱和全局加熱。

1.1 局部加熱

Kim 等研究了通過移動幾個鹵素燈來對0.8mm 厚AZ31 片進行局部加熱。 研究表明，將溫度提高到250℃左右可以略微改善成形性。 但是，由于所用的鹵素熱源，在刀架接觸區以外的位置存在一定的熱量， 加熱不是完全局部化的。

Palumbo 等[1]結合靜態加熱和刀具高速旋轉摩擦來加熱工件，嘗試加工1mm 厚的5 級鈦板，成功制成一個有比例的汽車門殼。 整個板材使用電子帶加熱器被加熱到大約150℃的溫度（中心位置），成形工具頭在800～1600rpm范圍內旋轉，導致溫度分別進一步上升約100℃和180℃，產生了局部加熱效果。由于刀具觸頭與工件之間的摩擦，刀具磨損會對工件表面粗糙度產生負面影響。此外，由于帶式加熱器的位置影響，使整個薄片產生不均勻的溫度分布。

Duflou 等[2]介紹了激光輔助單點漸進成形（LASPIF）工藝。激光輔助加熱在沖壓位置生成合適的動態溫度場，以優化單點漸進成形過程。 如圖1（a）所示的激光輔助單點漸進成形設備示意圖， 激光加熱頭在工具接觸區域的附近區域內加熱零件， 并且可以動態地跟蹤成形工具的運動。 通過激光輔助單點漸進成形AA5182 合金過程中使切削力減小高達50%，并且鈦板（5 級鈦板，0.6 mm 和65 Cr2 鈦板，0.5 mm）的最大成形角度由室溫成形條件下的32°、57°顯著提高到56°、64°， 同時通過減少回彈提高了精度， 這是由于局部加熱產生的強大動態溫度梯度的優勢。該系統引入以來，Mohammadi 等建立了三維瞬態傳熱模型，確定了加熱過程的最佳工藝參數，數值仿真結果通過平臺上的紅外攝像機系統獲得的測量溫度場進行了驗證。

亞琛工業大學報道了另一項利用激光輔助在漸進成形中產生局部溫度場的研究[3]。此設備激光作用在成形工具的同一邊， 在與成形工具一定距離處對板材進行照射（圖1（b）所示）。激光束被一個專用的激光光學設備引導，它允許使用鏡子或棱鏡旋轉激光焦點。 通過使用此激光輔助單點漸進成形系統， 發現當加熱溫度達到400℃，可明顯提高1.5 mm 厚5 級鈦板的成形性。

圖1 激光輔助加熱漸進成形[2，3]Fig.1 Laser heating assisted incremental forming

電加熱輔助漸進成形（EHIF）提供了另一種局部加熱方法。 根據電阻加熱定律，當電流從主軸通過板材時，對板材產生局部加熱效果，設備示意圖見圖2。Fan 等[4]研究了不同工藝參數對1mm 厚度AZ31 成形性增強程度的影響， 得到電輔助加熱下該材料最大成形角約為64°。Ambrogio 等研究發現電加熱輔助單點漸進成形工藝可增強AA2024-T3 和5 級鈦板的成形性，兩種板材的最大可實現成形角分別為40°和45°，而室溫條件下只能達到約30°和20°。 AZ31B-O 板的最大成形角為60°。

圖2 電阻輔助加熱漸進成形[4]Fig.2 Resistance assisted heating incremental forming

1.2 全局加熱

Ji 和Park 通過平面應變拉伸和軸對稱拉伸試驗研究了0.5mm 厚AZ31 板材漸進成形的高溫成形性。 通過熱吹風機在全局范圍內對板材進行加熱， 研究發現在加熱150℃以上可顯著提高板材的成形性。 此外，通過使用多級成形路徑策略和熱漸進成形方法的組合，在加熱150℃時獲得最大成形角為59°。Ambrogio 等[5]研究了1mm 厚度AZ31-O 板材在加熱條件下的加工性能。 研究過程中，金屬板被放置在模具周圍的加熱帶來加熱， 與比例積分微分控制器相連的三個熱電偶保證了整個成形過程的溫度恒定。 試驗結果表明，加熱300℃時最大成形角可達60°。此外， 利用響應面分析法發現成形溫度是成形極限的重要因素。

Galdos 等[6]提出了一種采用熱流體作為加熱介質對AZ31B 鎂合金進行全局加熱的熱輔助漸進成形方法。 用于加熱的熱油可以達到約300℃的溫度，并通過介質熱傳遞效應間接加熱金屬板。 在250℃時，通過對熱輔助的單點漸進成形零件的微觀結構研究， 發現材料產生了完全的再結晶現象，在250℃加熱溫度下可以達到最大成形角為60°。

為了進一步研究熱輔助技術對單點漸進成形工藝性能的影響， 開發適合于熱應力應變場分析的優化有限元模型是非常重要的。但是，熱輔助單點成形的仿真模擬要比室溫條件下復雜得多， 需要進行順序耦合或完全耦合的熱應力有限元分析， 并且模型還需要考慮應變速率和溫度對材料參數的影響。 Mohammadi 等通過使用瞬態傳熱分析建立熱模型，確定了合適的局部加熱參數，建立了熱-力有限元模型來模擬熱輔助單點漸進成形過程。

2 外載荷輔助的激光彎曲成形

激光彎曲存在一定的局限性。首先，每次掃描的塑性變形很小，對厚板很難彎曲；其次，板彎曲方向難以控制。為了解決這些問題， 許多學者提出了預載荷激光彎曲金屬板的方法。Xu 等[7]首先使金屬板在彈性范圍內被夾具彎曲產生彈性變形， 然后用激光掃描金屬板彈性應變能集中區域。掃描結束后，直到掃描區域冷卻到室溫之后金屬板才被卸載，如圖3（a）所示。

Guan 等[8-9]對外載荷輔助的激光彎曲模型進行了仿真模擬。實驗結果表明，該方法可以大大提高板材的彎曲塑性變形。與傳統彎曲工藝相比，該工藝還具有成形精度高、柔性高、避免塑性失穩等優點。 它為金屬板材的彎曲提供了一種新的方法， 也解決了結構復雜整體板零件或鈦合金板材等特殊材料的彎曲問題。Yao 等[10]模擬了懸臂激光彎曲板成形過程， 指出純壓縮和純彎曲 （向激光方向）會增加彎曲角度，而純拉伸和純彎曲（遠離激光方向）會降低彎曲角度。

Liu 等發現，變形方向可以通過改變預緊力的方向和數值來控制。 隨著預緊力的增大， 板的彎曲角度明顯增大。研究結果表明，適當的預緊力可使邊緣效應降低80%左右。 三點彎曲和水平擠壓彎曲預彎曲方式的激光彎曲也進行了研究。 張永春[11]以鈦合金Ti-5Al-2.5Sn 薄板為研究對象，進行了預載荷下激光彎曲的可行性試驗。結果表明，當預載荷越大或掃描速度越小時，彎曲角度越大，試件在完全彈性彎曲狀態下和非完全彈性彎曲狀態下得到彎曲角度相差28°，如圖3（b）所示。 Gisario 等[12]采用外力激光輔助彎曲的方法， 不同實驗條件下可以把鈦合金板的彎曲角度彎曲到80°～140°左右， 鋁板的彎曲角度為90°～140°左右，AISI 304 不銹鋼板的彎曲角度為70°～140°左右； 并且成功得到了復雜的飛機形狀和立方體形狀。Roohi 等[13]對V 形金屬板的預加載與沒有預加載情況下激光彎曲進行了比較。發現隨著激光束的掃描加熱，增加預加載可以導致最終變形的增加， 經過多次掃描成形厚度為5mm 的Al-5005 合金可以獲得90°彎曲角。

圖3 外載荷輔助的激光彎曲成形Fig.3 External loading assisted laser bending forming

3 結論

上述研究得到了熱輔助技術對單點漸進成形工藝性能的正面影響。 但是，上述加熱方式僅適合于薄板成形，所以開發適合厚板加熱的方法對漸進彎曲成形至關重要。此外為了獲得可靠和可重復的熱輔助成形結果，開發精確的溫度測量裝置和控制系統也非常關鍵。然而，由于熱源的移動和安裝溫度傳感器的復雜性， 上述的熱輔助成形過程大多數缺乏準確的溫度測量。 金屬板在成形過程中必須用定制的裝置夾緊，這增加了成本，限制了復雜金屬成形的應用。因此，開發無模熱輔助漸進彎曲工藝對于實現復雜大曲率的金屬板材是非常必要的。