朱金婷，張 睿，盧安專，黨 超
( 重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院 智能裝備學(xué)院，重慶 402247)
摘要:將分層制造理論與管材成形技術(shù)相結(jié)合，提出管材內(nèi)增量成形工藝。采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)紫銅管內(nèi)增量成形過(guò)程進(jìn)行研究，探索了成形工藝參數(shù)對(duì)成形力的影響規(guī)律。結(jié)果表明: 管壁厚度、徑向進(jìn)給量、成形工具圓角半徑和起始成形距離對(duì)成形力的指數(shù)影響因子分別為 0. 7、0. 28、0. 21 和 0. 13。此外，討論了參數(shù)取值范圍對(duì)成形件質(zhì)量的影響，成形時(shí)徑向進(jìn)給量主要影響成形效率和制件截面圓度，成形工具圓角半徑主要影響成形制件表面粗糙度，管壁厚度對(duì)成形制件破裂缺陷影響較大。
關(guān)鍵詞: 內(nèi)增量成形; 成形力; 數(shù)值模擬; 正交實(shí)驗(yàn)
引言
隨著對(duì)產(chǎn)品輕量化的要求越來(lái)越高，薄壁管材成形件因其優(yōu)良的強(qiáng)度和輕量化特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類關(guān)鍵產(chǎn)品的制造中，尤其是在航空和汽車相關(guān)領(lǐng)域[1 - 4]。薄壁管材內(nèi)增量成形是一種高效綠色的成形工藝，其成形原理如圖1所示，在管材成形過(guò)程中，將管材成形件沿軸向進(jìn)行離散，以每個(gè)離散截面的徑向變化量作為成形工具在該平面的徑向進(jìn)給量，通過(guò)連續(xù)控制不同截面上成形工具的進(jìn)給量累積成形出復(fù)雜的對(duì)稱管材成形件，該成形方式能縮短制造周期，節(jié)省制造成本。
TEＲAMAE T 等［5］提出利用五軸數(shù)控銑床控制簡(jiǎn)單的球頭工具對(duì)薄壁管端面進(jìn)行局部增量翻邊的成形工藝，該工藝適用于成形子母管等多部件結(jié)合。
ＲAUJOL-VEILL J 等［6］提出一種對(duì)金屬短管端面進(jìn)行翻邊的柔性成形工藝，該工藝運(yùn)用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的滾輪工具，通過(guò)控制短管和滾輪之間的相對(duì)速度，對(duì)短管端部材料進(jìn)行滾壓來(lái)成形出不同形狀和質(zhì)量的部件，但其對(duì)滾輪的控制需要機(jī)床配備專門的伺服系統(tǒng)。HOMBEＲG W 等［7］提出一種高溫摩擦管材成形方法，該方法所用設(shè)備由一個(gè)帶有管材固定芯軸的高溫摩擦工具和一個(gè)能夠?qū)懿倪M(jìn)行調(diào)速和軸向移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速并對(duì)管材進(jìn)行軸向進(jìn)給以實(shí)現(xiàn)管材的熱增量變形，該工藝的難點(diǎn)在于精準(zhǔn)控制不同成形材料的熱敏感變形量。
邱澤宇等［8］提出對(duì)鋁合金管進(jìn)行管端加熱后再運(yùn)用成形工具擠壓管件使其直徑產(chǎn)生變化的增量成形方法，該方法需要根據(jù)工件形狀制備簡(jiǎn)單的成形模具，以便成形出較為接近目標(biāo)成形件要求的工件。張艷峰等［9］通過(guò)對(duì)薄壁管材內(nèi)部填充高壓液體，迫使薄壁管在高壓的作用下產(chǎn)生塑性變形的成形工藝，該工藝的核心在于如何實(shí)現(xiàn)管材的密封性以及管內(nèi)液體壓力的控制。 ZHAO C J 等［10］在鋁鎂合金薄壁管內(nèi)部填充旋壓鋼球，通過(guò)控制旋壓鋼球的運(yùn)動(dòng)使薄壁管材產(chǎn)生塑性變形，該成形工藝的重點(diǎn)在于對(duì)旋壓鋼球運(yùn)動(dòng)的控制。溫彤等[11 - 12]利用數(shù)控銑床和簡(jiǎn)單的球頭柱狀成形工具對(duì)薄壁管材進(jìn)行累積成形，其成形方式類似于板材增量成形工藝，該工藝的難點(diǎn)在于薄壁件的變形控制。王巧玲等［13］提出對(duì)大直徑薄壁鋁管端進(jìn)行多道次擴(kuò)口的成形工藝，該工藝成形過(guò)程需要特定尺寸的凸模和凹模，通過(guò)精準(zhǔn)控制凸凹模的相對(duì)位置和凸模的進(jìn)給量來(lái)提升成形件的精度。BECKEＲ C等［14］提出管材增量彎曲成形工藝，成形過(guò)程采用兩組成形裝置，一組實(shí)現(xiàn)管壁軸向進(jìn)給，一組實(shí)現(xiàn)管壁徑向進(jìn)給，通過(guò)嚴(yán)格控制兩組工具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到使管材彎曲的目的。
本文將分層制造理論與管材成形技術(shù)相結(jié)合， 提出管材內(nèi)增量成形工藝。對(duì)該工藝成形過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，探究不同工藝參數(shù)下成形力的變化規(guī)律，為管材成形方法提供參考。
1 有限元模型的建立
利用ABAQUS仿真軟件創(chuàng)建變形實(shí)體薄壁管有限元模型和解析剛體成形工具有限元模型，如圖2所示。賦予實(shí)體模型的材料參數(shù)如表1所示，并對(duì)幾何模型劃分尺寸為1 mm的均布網(wǎng)格，將實(shí)體管材模型的一端設(shè)置為固定約束，另一端自由，以如圖3所示的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置分析步中成形工具的徑向進(jìn)給量 Δx 為1 mm，圓角半徑r0為2 mm，實(shí)體管材模型的管壁厚度t為1 mm，起始成形距離L為10mm，得到的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。
2 仿真結(jié)果分析
由內(nèi)增量成形原理可知，成形工具在成形過(guò)程中受到的成形力可分解為相互獨(dú)立且兩兩垂直的徑向力Fr、切向力Ft和軸向力Fa，成形過(guò)程中各方向上的力的變化如圖5所示。
2. 1 成形力的變化規(guī)律
由圖5可知，成形過(guò)程中徑向力的數(shù)值為三向力中的最大值，且隨著成形的進(jìn)行，其數(shù)值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，另外兩向力的絕對(duì)值也表現(xiàn)出了相同的趨勢(shì)。但三向力均在成形進(jìn)行到約11圈時(shí)開(kāi)始趨于平穩(wěn)。成形過(guò)程中，成形工具對(duì)與其接觸部位和該部位周邊的材料均有碾壓作用，當(dāng)碾壓作用在接觸部位時(shí)，通過(guò)塑性變形的方式體現(xiàn)出來(lái)，而對(duì)其周邊材料的碾壓作用則更多體現(xiàn)為彈性變形，即有一部分成形力被耗費(fèi)在了材料的彈性變形上。隨著成形的進(jìn)行，加載點(diǎn)周邊的材料被碾壓的次數(shù)增多，材料逐漸產(chǎn)生加工硬化，使得成形力不再增大，而保持穩(wěn)定狀態(tài)。此外由三向力的變化曲線可知，徑向力對(duì)成形力的影響最大，而切向力和軸向力的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于徑向力，為了分析方便，本文主要以徑向力的大小作為內(nèi)增量成形力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
為研究成形過(guò)程中的工藝參數(shù)徑向進(jìn)給量 Δx 、管壁厚度t、起始成形距離l和成形工具圓角半徑r0對(duì)成形力的影響，進(jìn)行單因素變動(dòng)數(shù)值仿真分析， 工藝參數(shù)取值如表1所示。
2. 2 徑向進(jìn)給量對(duì)成形力的影響
當(dāng)r0 =3 mm，l = 10 mm，t = 0. 8 mm 時(shí)，以管壁徑向增大15 mm為基準(zhǔn)取每圈徑向力的最大值， 得到不同 Δx 值下成形力的變化曲線，如圖6所示。
圖6可知，隨 Δx 增大，F(xiàn)增大。這是因?yàn)槌尚喂ぞ哐乇”诠軓较虻奈灰屏吭酱?，成形工具碾壓材料的體積越多，同時(shí)壓入量越多，成形工具受到材料的反擠壓作用越顯著，致使成形力變大。此外徑向進(jìn)給量的大小決定了成形效率的高低，為提高效率可適當(dāng)增大徑向進(jìn)給量，成形件容易出現(xiàn)失圓缺陷，如圖7所示，因此徑向進(jìn)給量的選擇對(duì)成形件的變形有重要影響。從成形效率和成形質(zhì)量?jī)蓚€(gè)角度出發(fā)，對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行仿真得出其取值范圍為: Δx = 0. 8～1. 7 mm。
2. 3 成形工具圓角半徑對(duì)成形力的影響
當(dāng) Δx = 1. 0 mm，l = 10 mm，t = 0. 8 mm 時(shí)，獲得不同成形工具圓角半徑下成形力的變化曲線，如圖8所示。
由圖8可知，成形工具圓角半徑越大，成形力越大。這是因?yàn)殡S圓角半徑增大，其與材料接觸的面積增大，在成形過(guò)程中成形工具施加給材料使其產(chǎn)生塑性變形和彈性變形的力增大，這兩部分力均隨著成形工具接觸材料面積的增大而增大。成形工具圓角半徑對(duì)成形件表面質(zhì)量的影響較大，如圖9所示，較大的圓角半徑對(duì)材料的碾壓作用明顯，使其接觸表面更為光滑。此外成形工具圓角不宜過(guò)大，當(dāng)選用圓角半徑r0≥5 mm的成形工具時(shí)，成形件出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，如圖10所示。對(duì)采用不同工具圓角半徑的成形件綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn): 1 mm＜r0 ＜5 mm 時(shí)，成形件表面質(zhì)量較好。
2. 4 管壁厚度對(duì)成形力的影響
當(dāng) Δx =1 mm，r0 = 3 mm，l = 10 mm時(shí)，獲得不同管壁厚度下成形力的變化曲線，如圖11所示。
由圖11可知，成形力的大小與管壁厚度成正相關(guān)。在徑向進(jìn)給量一定的條件下，管壁越厚，材料發(fā)生變形的體積越大，成形工具壓入材料時(shí)，受到材料的反擠壓抗力越大，所需的成形力也就越大。管壁厚度對(duì)設(shè)備的影響較大，材料越厚，所需設(shè)備的輸出功率越大，在設(shè)備一定的條件下，要成形較厚的材料需考慮多次成形的方法，此外壁厚太小成形件容易產(chǎn)生破裂，如圖12所示。
2. 5 起始成形距離對(duì)成形力的影響
當(dāng) Δx =0. 5 mm，r0 =3 mm，t =1 mm 時(shí)，獲得不同起始成形距離下成形力的變化曲線，如圖13 所示。
由圖13可知，起始成形距離對(duì)成形力的影響較其他參數(shù)小，但仍呈現(xiàn)出隨成形距離增大而略微增大的趨勢(shì)。成形過(guò)程中，成形工具在管壁成形初始端會(huì)產(chǎn)生與管材徑向和軸向合力同方向的力，該力在徑向的分力較小，而在軸向因?yàn)橛幸欢诉M(jìn)行了全約束，因此其作用并不明顯，即不同起始成形距離下成形力的不同是由成形過(guò)程合力在徑向方向的分力不同導(dǎo)致的。起始成形距離對(duì)成形件的質(zhì)量和外形影響較小，值得注意的是，大的起始成形距離影響工件夾緊時(shí)的平衡，使得工件在成形中出現(xiàn)懸臂梁效應(yīng)。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)設(shè)備由自制成形工具、普通車床、測(cè)力板、數(shù)采設(shè)備等組成，實(shí)驗(yàn)裝置如圖14所示。
設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，以表2所列成形工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各工藝參數(shù)對(duì)成形力的影響與仿真結(jié)果吻合。為探究成形力對(duì)工藝參數(shù)的敏感程度，對(duì)表3進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表4所示。對(duì)Ｒ值的大小進(jìn)行比較可得成形力對(duì)工藝參數(shù)的敏感程度排序?yàn)? 管壁厚度t ＞徑向進(jìn)給量 Δx ＞成形工具圓角半徑r0＞起始成形距離l。
依據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)管壁厚度t、起始成形距離l、成形工具圓角半徑r0、和徑向進(jìn)給量 Δx 為自變量，徑向成形力Fr可表示為:
式中: C為影響系數(shù); Ｒm為材料抗拉強(qiáng)度;α、β、γ和ε為影響因子。在MATLAB中使用 polyfit函數(shù)對(duì)其求解，剔除出現(xiàn)負(fù)數(shù)的相關(guān)組解，得到如下所示的擬合公式:
對(duì)比成形力的擬合值、仿真值、實(shí)驗(yàn)值以及三者的最大相對(duì)誤差值，結(jié)果如表5所示。由表5可知，僅有1組數(shù)據(jù)的最大相對(duì)誤差為7. 05% ，稍大于置信誤差7% ，該組數(shù)據(jù)超差可能是由機(jī)床在成形過(guò)程中的異常振動(dòng)引起的，具體原因有待進(jìn)一步確認(rèn)。除該組數(shù)據(jù)之外的其他組數(shù)據(jù)誤差值均在置信范圍內(nèi)，證明仿真模型是可靠的。
4 結(jié)論
( 1) 對(duì)薄壁管材內(nèi)增量成形過(guò)程建立ABAQUS有限元仿真模型，通過(guò)觀察給定工藝參數(shù)下成形力的值討論了成形工具圓角半徑主要影響成形制件表面質(zhì)量，徑向進(jìn)給量主要影響成形效率和成形制件表面圓度，管壁厚度對(duì)成形件的破裂影響較大，起始成形距離主要影響工件裝夾的穩(wěn)定性。
( 2) 設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)分析獲得了成形力對(duì)工藝參數(shù)的敏感程度為: 管壁厚度t＞徑向進(jìn)給量 Δx ＞成形工具圓角半徑r0 ＞起始成形距離l 。
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