Al6063 管件外增量成形工藝研究

肖征宇，楊晨

（南京理工大學 機械工程學院，南京 210094）

管類零件具有強度高、靈活性好、節省材料等優點，在當今社會的各行各業中都有著十分廣泛的應用。傳統的管件加工方法如沖壓成形[1]、液壓脹形等在生產過程中容易出現加工缺陷，常見的有管壁破裂、管端起皺、尺寸偏差等，并且需要模具，生產成本高，難以滿足當今社會對管類零件的生產要求[2-3]。增量成形技術作為新興的塑性成形技術，采用分層制造的思想，利用工具頭在被加工工件上按預定軌跡移動形成局部的塑性變形，局部塑性變形進行累積最終獲得目標制件[4]。從理論上來說，它可以加工任意形狀的零件，有著無需模具、設計生產周期短、生產成本低等優點，非常適合多品種、小批量產品的生產加工，具有很大的應用空間和發展前景[5]。自20 世紀90年代增量成形被日本學者松原茂夫提出以來，便引起了國內外眾多學者的關注，增量成形發展至今，衍生出了單點增量成形[6-9]、兩點增量成形[10-12]、雙面增量成形[13-14]、混合增量成形[15-16]等多種形式，使該技術的應用范圍進一步擴大。

當前對增量成形技術的研究以金屬薄板居多，Zhou 等[17]研究了鈑金件單點增量成形工藝的多級刀具路徑優化，研究發現，兩階段成形可以有效提高成形精度，縮短成形時間。Gohil 等[18]研究了超聲波振動輔助單點增量成形中振動幅度的影響，通過對AA3003 鋁板進行實驗研究，確定了超聲波振動幅度和強度的臨界值，標記了超聲波軟化和硬化區域。近年來，增量成形技術逐漸向管材成形拓展，權成等[19]針對傳統擴口成形在加工長錐管時困難的問題，利用增量成形技術進行了管材管端成形實驗，并驗證了其可行性和可靠性。王成等[20]對內凸螺旋波紋管增量成形的工藝進行了研究，總結了一些工藝參數對成形結果的影響規律。Hamed 等[21]通過實驗與模擬進行了多級單點增量成形的薄壁管擴口工藝研究，結果表明，多級單點增量成形工藝可使擴口角度至少增大100%，管端錐形擴口壁厚分布分為減薄區和變厚區。國內對管材增量成形的研究剛剛起步，且進行的研究大多是從管件內部開始的內增量成形，對管件外增量成形的研究很少。因此，本文進行了管件外增量成形工藝研究，利用Abaqus 軟件對成形過程進行了數值模擬以及實驗驗證，實現了3 種目標管件的成形，并對成形件的成形質量進行了分析。

1 有限元模型建立

1.1 管件外增量成形原理

管件外增量成形原理如圖1 所示，整個成形過程在車床上進行。將管件套在芯軸上，利用三爪卡盤進行固定，芯軸可以防止在卡盤夾緊管壁時管壁因卡盤的夾緊力作用而變形，管件跟隨車床主軸按一定速度轉動，成形工具頭按照設定的進給路徑和進給速度進行進給運動，管件因工具頭和管壁間的擠壓力大于管件材料的屈服強度而發生局部塑性變形，局部塑性變形進行累積得到目標成形件。

圖1 管件外增量成形原理Fig.1 Principle of external incremental forming of pipe fittings

1.2 有限元模型的建立

本文模擬和實驗均采用長度 120 mm、直徑50 mm、壁厚1.5 mm 的Al6063 鋁管，設計3 個理想管件形狀如圖2 中所示。

為對管件外增量成形的成形效果進行研究，基于Abaqus/Explicit 平臺建立管件外增量成形的彈塑性有限元模型。在建模時將管件設置為可變形塑性體，將工具頭和芯軸設置為剛體以節約計算量，管件的幾何尺寸前文已述，加工工具頭的直徑為5 mm，工具頭與管件之間的摩擦因數為0.1。在Abaqus 中可選用的單元類型有實體單元和殼單元，其中殼單元處理塑性變形問題過程中的剪切變形問題更為精準，且與實體單元相比，具有計算時間短、精度高的優點，因此本文選用殼單元作為管件的單元類型。模型采用的材料為 6063 鋁合金，其物理性質如下：彈性模量為69 GPa，泊松比為0.33，屈服強度為110 MPa，抗拉強度為180 MPa，斷后伸長率為12%，應力-應變屬性如圖3 所示。管件的網格尺寸為1 mm，工具頭的網格尺寸為0.5 mm，芯軸不參與分析因此不劃分網格，最終共生成19 258 個網格單元，單元類型為S4R顯式四節點殼單元，整體建模結果如圖4 所示。由于加工的目標管件是直管而非波紋管，因此在本文涉及的模擬和實驗中，工具頭的運動路徑均為徑向進給和軸向進給的組合，進給均為勻速進給，通過搭配徑向進給和軸向進給的成形道次和進給量即可實現不同形狀管件的成形。

圖3 6063 鋁管塑性應力-應變曲線[22]Fig.3 Plastic stress-strain curve of 6063 aluminum pipe[22]

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

2 結果與討論

管件外增量成形的數值模擬結果如圖5 所示。現對成形結果進行討論。

圖5 管件成形數值模擬結果Fig.5 Forming numerical simulation result of pipe fittings: a) single groove; b) double groove; c) taper of tube end

2.1 管件增量成形的管端變形

模擬實驗的結果如圖6 所示。管端變形是指成形后的管件管端不圓并且在軸向上相對于原始管件會有一定的伸長，文獻[23]對這一現象也有所提及。產生這種現象是因為在管件成形過程中，由于工具頭的運動，材料在管件上不斷流動，產生微小的塑性變形，由于管端距離固定端比較遠，在離心力的作用下，處于相對不穩定的狀態，這些微小的塑性變形在管端不斷積累，最終導致管端發生變形現象。圖6a 為單凹槽成形件的管端形狀，其曲線所有坐標均由Abaqus導出，因此可以準確反映管端圓度。橢圓度可以反映圓形截面的失圓情況，根據橢圓度的計算方法可知，圖 6a 中最大直徑為 52.062 6 mm，最小直徑為47.006 6 mm，因此計算可得橢圓度為10.11%。單凹槽、雙凹槽、管端錐形3 組模擬的軸向伸長量最大值分別為0.229 3、0.591 7、1.447 mm，其中單凹槽成形的最小，管端錐形的最大。在3 組模擬中，管端錐形成形的管端變形現象最為明顯，這是因為在這組模擬中工具頭位置離管端最近，并且在成形過程中工具頭需要移動到管邊緣位置，因此塑性變形積累的速度遠快于另外2 組。其他2 組由于工具頭距離管件端部較遠，管端變形程度要小一些。對比單凹槽成形和雙凹槽成形可知，雙凹槽成形的成形道次更多，因此管端積累的材料流動也更多，軸向伸長更大。可以得出結論：工具頭距離管端越近，成形道次越多，管端變形越大。從增量成形的原理來看，管端變形是難以避免的現象，但是可以通過成形后采用線切割的方法將變形部分切除，或通過改善工藝參數來減小其對工件的影響。

圖6 管端變形現象示意圖Fig.6 Schematic diagram of pipe end deformation:a) shape of formed pipe end; b) axial elongation

2.2 管件增量成形的壁厚分布

在增量成形過程中，材料在管件內的流動沒有明確的規律，這會影響成形件的壁厚分布。文獻[24-25]研究了單點增量成形中的壁厚減薄問題。為了研究管件成形后的壁厚分布情況，以單凹槽成形為例，在管壁成形區選擇適當的間隔點作為壁厚測量節點，以25 個測量點為一個測量路徑，如圖7a 所示。共選取3 個測量路徑，將路徑上的測量點壁厚導出并繪制壁厚分布曲線如圖7b 所示。可知，管件的外增量成形與內增量成形在壁厚分布上存在差異，成形區的壁厚均大于初始壁厚，即管件的外增量成形會導致壁厚增厚。同時，壁厚曲線起伏趨勢不同，表明成形區的壁厚分布沒有規律。出現壁厚增厚現象是因為在成形過程中，由于工具頭的運動，管壁材料在成形區域發生了堆疊。

2.3 管件增量成形的表面質量

表面質量能否符合加工要求是產品是否合格的重要評判標準，因此必須對管件外增量成形的成形件進行表面質量研究。表面粗糙度是物體表面質量的直接體現之一，Abaqus 無法直接提取表面粗糙度，因此采用間接研究方法，即提取成形后管壁指定輪廓上指定點的坐標值，利用坐標值繪制出管壁的輪廓曲線，計算管壁的直線度，以此判斷管件的表面質量是否符合要求。

以單凹槽成形為例，將成形后的管件剖開，沿圖8 所示路徑選取25 個測量點，提取測量點的坐標值并繪制輪廓曲線如圖9 所示。可以看出，模擬輪廓曲線與CAD 曲線的主要差異在管壁圓角處，受限于成形機理，增量成形難以嚴格控制圓角尺寸。根據直線度的計算方法，得到管壁位移最大為3.25 mm，最小為2.91 mm，因此管壁的直線度偏差為0.34。根據測量點的坐標值可以發現：在徑向進給量為1 mm 的情況下，管壁水平區域位移標準差為1.236 51×10?4，其他參數不變，以徑向進給量為0.5 mm 進行再次模擬，選取相同的路徑測量發現標準差為1.107 02×10?4，因此，當進給量為0.5 mm 時，表面落差更小、更穩定，說明適當減小徑向進給量可以提高表面質量。從圖9還可以觀察到，數值模擬曲線并未呈現理想的完全對稱形狀。這是由于塑性成形機制的影響，導致在后續成形過程中管壁會對已成形管壁的幾何形狀產生影響。改變工具頭的軸向進給速度再次模擬可以發現：過大的軸向進給速度會降低管件的表面質量，并發生“管端起皺”現象，如圖10 所示。

圖8 測量節點Fig.8 Measurement nodes

圖9 輪廓曲線對比Fig.9 Profile curve

圖10 管端起皺現象Fig.10 Pipe end wrinkling

2.4 管件增量成形的成形力

研究成形過程中的成形力有利于理解和控制成形過程。為了方便分析，可將工具頭在成形過程中受到的力正交分解為軸向力Fa、徑向力Fr、切向力Ft。以單凹槽成形為例，利用Abaqus 軟件導出管件在成形過程中的成形力。3 個方向上成形力隨成形過程的變化情況如圖11 所示。可以看到，徑向力Fr最大，軸向力與切向力較小且比較接近，因此徑向力是實現變形主要的力，可將其作為成形力的評價指標。徑向力的變化趨勢是先增大后逐漸穩定。這是由于在成形開始階段，管件尚未發生連續的塑性變形，工具頭與管壁之間僅存在較小的摩擦力和變形力。隨著加工過程的進行，管件材料逐漸填滿了工具頭與管壁之間的空隙，工具頭需要克服管件材料的強度以使其發生連續的塑性變形，因此成形力會增大。隨著加工過程的進行，管件材料的流動逐漸達到一種平衡狀態，并發生加工硬化現象，從而導致成形力逐漸趨于穩定。

圖11 成形力變化曲線Fig.11 Forming force variation curve

為探究工具頭直徑對成形力的影響，分別在工具頭直徑D為4、4.5、5、5.5、6 mm，其他條件相同條件下進行模擬，結果如圖12 所示。可以看出，工具頭直徑越大，成形力越大。這是因為工具頭直徑越大，同一時間與管件的接觸面積也越大，管件發生彈性變形和塑性變形需要的力越大，因此成形力越大。工具頭直徑在一定范圍內越大，成形件的表面越光滑，但是成形過程的不穩定性也會增大，容易出現“橘皮現象”[26]。

圖12 不同工具頭直徑D 時的成形力曲線Fig.12 Forming force curve at different tool head diameter D

3 成形實驗

為了驗證模擬結果的正確性，進行管件外增量成形實驗研究。實驗平臺如圖13 所示，實驗設備由自制成形工具頭、普通車床組成。實驗的管件和工具頭幾何尺寸與模擬時的一致。實驗時按指定徑向進給量和軸向進給量控制工具頭擠壓管件，在成形過程中添加潤滑油以減小摩擦力，實驗車床的剛度較差，這會在一定程度上影響成形管件的對稱性，成形結果如圖14 所示。成形管件的表面質量良好，沒有明顯的褶皺與裂紋，說明管件外增量成形的成形原理可靠，可以實現預期的成形效果。為了驗證模擬結果的可靠性，測量5 組單凹槽成形管件成形前后的長度，計算管件的最大軸向伸長量并與模擬結果進行對比，結果如圖15a 所示。5 組實驗管件的軸向伸長量平均值為0.209 6 mm，模擬結果為0.218 mm；在管件成形區管壁上取8 個壁厚測量點，測量出的實際壁厚分布情況與模擬結果對比如圖15b 所示，可以看出搭配實驗結果與模擬結果基本一致。

圖13 實驗平臺Fig.13 Experimental platform

圖14 管件增量成形實驗結果Fig.14 Experimental results of incremental forming of pipe fittings: a) single groove; b) double groove;c) taper of tube end

圖15 實驗結果與模擬結果的對比Fig.15 Comparison between experimental results and simulation results: a) comparison of axial elongation;b) comparison of thickness

4 結論

通過對管件外增量成形的成形過程進行數值模擬與實驗研究，可得到以下結論：

1）管件外增量成形試樣會出現管端變形和壁厚增厚現象，管端變形具體表現為管端不圓和軸向伸長，且工具頭距離管端越近，成形道次越多，管端變形越嚴重。

2）成形件的表面質量與徑向進給量和軸向進給速度成反比，成形件圓角的幾何尺寸難以精確控制，為了進一步提高成形精度，后續需對成形過程的工藝參數進行更詳細的研究。

3）在成形過程中，徑向力是主要的成形力，成形力隨著成形過程的進行而先增大后逐漸平穩，工具頭直徑越大，成形力越大。