1、第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.20231060 铝板两道次渐进成形外缘翻边路径优化刘金杰1,高锦张1,金志浩1,郑璐恺2(1.东南大学 材料科学与工程学院 江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室,江苏 南京 211189;2.南京工程学院 机械工程学院,江苏 南京 211189)摘要:运用数值模拟与实体实验相结合的研究方法,设计并优化出一种两道次渐进成形外缘翻边路径,相较于单道次成形,该路径适用的加工范围更广。研究结果表明,使用圆弧直线两道次渐进成形外缘翻边路径,可以加工单道次无法成形的毛坯直径
2、较大的翻边制件,提升制件的壁厚分布状态,在将第 1 道次的加工直径设置为 dm+(D-dm)/4 时制件的成形质量最好。根据有限元模拟实验,分析制件的壁厚分布曲线和平均壁厚值,拟合出扩孔两道次渐进成形圆孔翻边高度的表达式,并通过实体实验验证,实现了对两道次渐进成形外缘翻边高度的预测。关键词:渐进成形;外缘翻边;成形路径;翻边高度;壁厚分布DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.011中图分类号:TG379.6 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0080-08Optimization on outer edge flanging p
3、ath for 1060 aluminum sheet in two-pass incremental formingLiu Jinjie1,Gao Jinzhang1,Jin Zhihao1,Zheng Lukai2(1.Jiangsu Key Laboratory of Advanced Metallic Materials,School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China;2.College of Mechanical Engineering,Nanjing Inst
4、itute of Technology,Nanjing 211189,China)Abstract:A two-pass incremental forming outer edge flanging path was designed and optimized by using the research method combining numerical simulation and physical experiment,and compared with the single-pass forming,it was applicable to a wider processing r
5、ange.The research results show that the use of the outer edge flanging path with circular arc and straight line in two-pass incremental forming can process the flanging parts with larger blank diameters that cannot be formed in a single pass and improve the wall thickness distribution of workpiece,a
6、nd the forming quality is the best when the processing diameter of the first pass is set to dm+(D-dm)/4.According to the fi-nite element simulation experiment,the wall thickness distribution curve and the average wall thickness value of workpiece were analyzed,and the expression of the round hole fl
7、anging height for the two-pass incremental forming of reaming was fitted.Through the verification of physical experiments,the prediction of the outer edge flanging height in the two-pass incremental forming is realized.Key words:incremental forming;outer edge flanging;forming path;flanging height;wa
8、ll thickness distribution收稿日期:2022-05-04;修订日期:2022-08-11基金项目:先进数控技术江苏省高校重点建设实验室开放基金项目(KXJ05017)作者简介:刘金杰(1996-),男,硕士研究生E-mail:220181931 通信作者:高锦张(1963-),男,硕士,副教授E-mail:drd.0412 数控渐进成形技术基于“分层制造”,将复杂的三维模型沿竖直方向进行层级离散,利用工具头进行逐层逐点加工1-2。与传统的冲压工艺进行比较,渐进成形工艺无需模具设计,加工成本低、周期短、灵活性高,具有很广阔的应用前景3-4。目前,国内外对于板料渐进成形翻边
9、工艺已经进行了较为深入的研究。Voswinckel H 等5研究了工艺参数、制件尺寸和成形路径对渐进成形翻边制件精度的影响。Montanari L 等6基于圆网格分析,探究了渐进成形翻边工艺的变形机理,研究以破裂状态为主的失效机制,得出制件孔口附近的材料为双向拉伸状态,而另一侧材料处于平面应变状态。杨大强等7发现渐进成形扩孔工艺是剪切和弯曲的综合变形,相较于传统冲压扩孔,渐进成形扩孔率有大幅提高。以上研究多是对内缘翻边工艺进行工艺参数和机理的分析,而对外缘翻边过程的成形规律的研究甚少。因此,本文建立了外缘翻边有限元模型,运用数值模拟与实体实验相结合的研究方法,设计并优化出一种两道次渐进成形外缘
10、翻边路径8-10,扩大了渐进成形外缘翻边的成形范围,保证了制件最终的成形效果,具有较为重要的研究意义。翻边工艺作为板料成形领域的重要分支,根据变形特点分为伸长类翻边和压缩类翻边,本文主要对外缘压缩类翻边进行研究,其成形过程如图 1 所示。圆形金属毛坯由上、下两块压板夹紧固定,将既定的螺旋线成形路径录入数控渐进成形机床,驱使成形工具头对金属毛坯进行逐层加工,完成渐进成形翻边,最终得到圆周部分竖起成直壁的目标制件11-13。图 1 渐进成形外缘翻边工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of outer edge flanging process in incremental f
11、orming 1 有限元模型的建立利用 DYNAFORM 有限元模拟软件建立 1060 铝板渐进成形外缘翻边模型,如图 2 所示。该模型主要由成形工具头、上压板、板料和下压板 4 部分构成14-15。在模拟过程中,保证上压板和凸模的位移和旋转全部约束,并对上压板施加压边力,使毛坯板料被上压板覆盖的部分尽量不发生变形。图 2 外缘翻边有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model of outer edge flanging2 渐进成形外缘翻边工艺参数的确定数控渐进成形外缘翻边工艺主要依靠成形工具头对毛坯板料施加压力,使金属板料发生塑性变形从而成形出预定形状
12、尺寸的零件。本研究所选用的研究对象为板料厚度为1.06 mm、H14 状态下的1060 铝金属板料,考虑到研究中的翻边尺寸较为适中、形状较为规则,加工过程中使用直径为 14 mm 的球形工具头,加工轨迹为轴向进给量为每层 0.5 mm 的螺旋线刀轨,进给速度在 15002000 mmmin-1范围内。如图 3 所示,预制的圆形金属毛坯直径为 D,在加工过程中被翻制为翻边直径为 dm、高度为 H 的目标制件,板料的初始厚度为 t0,压板长度为 d0。图 3 外缘翻边成形前后尺寸示意图Fig.3 Schematic diagram of dimensious before and after ou
13、ter edge flanging forming3 模拟实验3.1 单道次路径成形范围在渐进成形外缘翻边过程中,当毛坯金属板料直径较小时,变形区域也较小,板料在受力过程中承受载荷的能力较强,不容易发生起皱或破裂等成形缺陷,这种情况下仅采用单道次成形方法便可加工出壁厚分布较为均匀的翻边制件。但随着毛坯直径的不断增大,金属毛坯在切向压应力的作用下,产生较大的压缩变形,超出板料承受载荷的极限翻边直径 dm极限,容易发生起皱甚至破裂等缺陷。表 1 给出了 1060 铝板单道次渐进成形外缘翻边的极限范围,在此直径范围内的毛坯制件仅需 1 次成形便可获得符合成形质量要求的目标外缘工件,而对于直径超出该范
14、围的毛坯板料,则需要增加成形道次数,从而改善工件的成形质量。3.2 两道次成形路径设计当毛坯直径D超过单道次渐进成形外缘翻边的18第 3 期刘金杰等:1060 铝板两道次渐进成形外缘翻边路径优化 表 1 不同翻边直径下的临界翻边直径(mm)Table 1 Critical flanging diameters under different flanging diameters(mm)dm64748494104dm极限88110110120130加工范围时,需要采用两道次成形路径对工件进行加工,此时必须对每一道次的加工路径进行设计。本文设计了一种直线和圆弧轨迹相结合的两道次渐进成形外缘翻边路径
15、,如图 4 所示,其中 d1为第 1 道次翻边制件的直径。图 4 圆弧直线两道次渐进成形外缘翻边示意图Fig.4 Schematic diagram of outer edge flanging in two-pass incremental forming with circular arc and straight line为了加工出翻边直径为 dm的外缘翻边制件,将直径为 D 的金属毛坯板料固定在上压板与凸模之间。在进行第 1 道次渐进成形外缘翻边加工时,预设的成形轨迹为圆弧与直线的组合路径,其中上半部分为 1/4 圆,下半部分为一段直线,两者相切。第 1 道次先翻制出直径为 d1的翻边
16、制件,再通过第2 道次成形出直径为 dm的最终翻边直壁件。当直接采用自上而下的加工路径时,会导致板料的实际变形与预设的变形轨迹有所偏差,成形工具头与板料接触部分周围的板料受到较大的压应力而又缺少支撑,从而导致该区域发生明显的下沉,无法成形出理想的 90直壁。因此,直接将变形轨迹的上半部分设计为圆弧,这样在加工过程中金属板料发生的变形与成形工具头的运动轨迹基本吻合,使得变形过程更加清晰可控。为了获得最佳的成形效果,需要对第 1 道次的变形量进行确定。根据已有的研究经验,在两道次渐进成形外缘翻边过程中,第 1 道次的变形量应大于第 2 道次,因此,将第 1 道次的直径分别设置为dm+(D-dm)/3、dm+(D-dm)/4 和 dm+(D-dm)/5,如图 5 所示。图 5 第 1 道次加工位置示意图Fig.5 Schematic diagram of the first processing position使用 DYNAFORM 有限元分析软件,对板料初始厚度 t0=1.06 mm、翻边直径 dm=84 mm 的翻边尺寸进行不同第 1 道次位置的成形结果比较,对于3 种不同直径的 10
