1、第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:金志浩,高锦张,郑璐恺,等.深筒件(H/D=1.0)渐进成形路径参数化 J.塑性工程学报,2023,30(3):31-38.JIN Zhi-hao,GAO Jinzhang,ZHENG Lukai,et al.Parameterization of progressive forming path of deep tube parts(H/D=1.0)J.Journal of Plasticity Engi-neering,2
2、023,30(3):31-38.基金项目:江苏省高校重点建设实验室开放基金资助项目(KXJ05017)通信作者:高锦张,男,1963 年生,硕士,副教授,主要从事板料塑性成形研究,E-mail:101005299 第一作者:金志浩,男,1996 年生,硕士研究生,主要从事板料塑性成形研究,E-mail:jzh192039 收稿日期:2022-05-08;修订日期:2023-01-06深筒件(H/D=1.0)渐进成形路径参数化金志浩1,高锦张1,郑璐恺2,陆文婷1(1.东南大学 材料科学与工程学院 江苏省先进金属高技术研究研究重点实验室,江苏 南京 211189;2.南京工程学院 机械工程学院,
3、江苏 南京 211189)摘 要:以高径比 H/D=1.0 的深筒件为研究对象,基于 ANSYS/LS-DYNA 平台建立了金属板料外轮廓支撑渐进成形的有限元模型,采用数值模拟和实验相结合的方法对深筒件的成形路径进行了研究,通过合理布置和优化各道次成形路径及加工方式,将制件的壁厚分布曲线作为主要判断依据,成功设计出直径为 80 mm,高径比为 1.0 的深筒件渐进成形路径,并且由此发现不同直径同一高径比深筒件的成形路径具有高度相似性,归纳出基准路径,建立了路径变量与目标制件几何参数的关系,用参数化方程将成形路径表达出来,并通过实验验证了参数化路径。基于此参数化路径方程,可以快速成形出高径比为1
4、.0 的深筒件。关键词:深筒件;渐进成形;基准路径;路径参数化中图分类号:TG379.6 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0031-08doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.005Parameterization of progressive forming path of deep tube parts(H/D=1.0)JIN Zhi-hao1,GAO Jin-zhang1,ZHENG Lu-kai2,LU Wen-ting1(1.Jingsu Key Laboratory of Advanced Metallic Mater
5、ials,School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China;2.College of Mechanical Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211189,China)Abstract:Taking the deep tube parts with height-diameter ratio H/D=1.0 as the research object,the finite element model o
6、f progressive forming of metal sheet outer contour support was established based on ANSYS/LS-DYNA platform.The forming path of deep tube parts was studied by the combination of numerical simulation and experiment.By reasonably arranging and optimizing the forming path and pro-cessing mode of each pa
7、ss,taking the wall thickness distribution curve of the workpiece as the main judgment basis,the progressive form-ing path of deep tube parts with diameter of 80 mm and height-diameter ratio of 1.0 was successfully designed,and it is found that the forming paths of deep tube parts with different diam
8、eters and the same height-diameter ratio are highly similar.The reference path was summarized,the algebraic relationship between the path variables and the geometric parameters of the target parts was established,the forming path was expressed with the parametric equation,and the parametric path was
9、 verified by experiments.Based on this parameter-ized path equation,the deep tube parts with height-diameter ratio of 1.0 can be rapidly formed.Key words:deep tube parts;progressive forming;reference path;path parameterization 引言板料渐进成形利用分层制造的思想,将三维模型轮廓离散成一系列等高线,利用成形工具沿等高线运动,对坯料进行逐点成形,能最大限度地发挥坯料的塑性,并
10、且省去了制造模具的时间和成本,适应当今市场多元化、个性化的发展方向1-4。筒形件作为常见的钣金件,吸引了众多学者对其渐进成形过程进行研究,陈东林5研究了筒形件多道次渐进成形过程中每道次壁厚减薄规律,得出加工具有大角度成形角零件需运用多道次渐进成形工艺。LI Z F 等6采用不同材料利用渐进成形加工不同高度的直壁圆筒件,并对获得的制件的尺寸精度进行了研究,提出了尺寸误差的数学模型来预测凹陷缺陷。目前众多学者研究了筒形件渐进成形过程中变形规律,提出多种筒形件的加工方法,但是一些深度较大的筒形件(成形高径比 H/D0.5)仍会出现开裂和底部下沉等问题,对于高径比 H/D=1.0 的深筒件,是成形钣金
11、类结构件的难点,目前还没有一个系统的加工方法,需要验证利用渐进成形工艺成形深筒件的可行性7。深筒件的参数化路径可以快速成形目标制件,本文设计不同直径、高径比为 1.0 的深筒件的渐进成形路径,然后寻找路径中关键的特征量,获得深筒件的渐进成形参数化路径。1 成形原理与材料参数利用外轮廓支撑渐进成形原理如图 1 所示,上压板和支撑托板夹持板料,支撑托板的内孔和制件外轮廓相近,成形时托板对制件起到一定的支撑作用,提高成形制件几何形状上的精度,成形工具头按照等高线轨迹运动,Z 为层进给量,成形出目标制件8-9。图 1 外轮廓支撑渐进成形过程示意图Fig.1 Schematic diagram of p
12、rogressive forming process of outer contour support实验所用的设备是渐进成形专用数控机床NL4050,成形工具头选用头部带有半球体的金属杆固定式成形工具。实验以 1060 铝板作为坯料,板料参数如表 1 所示10。表 1 1060 铝板参数10Tab.1 Parameters of 1060 aluminum sheet10参数密度/(kgm-3)弹性模量/MPa泊松比硬化指数屈服强度/MPa值2700559400.3240.121162 有限元模型建立利用 ANSYS 的前处理模块建立有限元模型,如图 2 所示。理想成形状态下只有板料发生塑性
13、变形,因此支撑凸模、压板和成形工具头均采用 Solid164单元,定义为刚体。板料模型采用 Shell163 单元,选用 3 参数 Barlat 指数硬化模型。图 2 有限元模型Fig.2 Finite element model模拟实验中,存在工具头-板料、板料-支撑托板两种接触关系。板料与成形工具之间存在润滑剂,摩擦类型属于边界摩擦,在润滑剂作用下摩擦因数为 0.1511。板料与支撑托板之间摩擦状态为干摩擦,摩擦因数由材料自身属性决定。3 深筒件路径设计深筒件几何参数示意图如图 3 所示,本文针对 H/D=1.0,r=0.2D 的深筒件渐进成形路径进行设计。图 3 深筒件几何参数示意图Fi
14、g.3 Schematic diagram of geometric parameters of deep tube part选用厚度为 2.5 mm 的 1060 铝板为毛坯,以直径为 80 mm、高径比 H/D 为 1.0 的深筒件为例,其成形路径如图 4 所示,成形过程分为 7 个道次,23塑性工程学报第 30 卷其中第 1 和第 3 道次选用自上而下加工方式,其余道次都选用自下而上的加工方式。设计首道次路径时,为了减少道次数第 1 道次成形角尽可能大,但不能超过成形极限角(加工厚度为 2.5 mm 板料的极限角约为 7212),因此第 1道次初始成形角定为 71。由于成形深度较大,底部
15、锥角越小,离目标制件形状差距越大,那么成形过程中道次数就要增加,会增加发生破裂的几率。因此综合考虑,应该适当增大底部锥角,减小后续道次成形的难度。经过优化后的成形路径如图 4a 所示。图 4 直径 80 mm 深筒件成形路径示意图(a)第 1 和第 2 道次(b)第 3 和第 4 道次(c)第 5 和第 6 道次(d)第 7 道次Fig.4 Schematic diagram of forming path of deep tube with diameter of 80 mm(a)The first and the second passes(b)The third and the four
16、th passes(c)The fifth and the sixth passes(d)The seventh pass 在后续道次设计过程中,由于成形深度比较大,底部锥角相对较小,自下而上的加工方式会产生下沉现象,需要在路径设计的时候预留一定的下沉余量;再经过第 1 和 3 道次自上而下的加工方式后,形状离直壁已经比较接近,所以后续道次就是通过逐次变形来促进底部和圆角部分逐渐逼近目标制件,选择自下而上由内向外的加工方式来促进底部变形,第 5 道次结束以后直壁部分基本达到目标形状,再利用一个道次的整形就可以成形出目标形状;圆角部分离目标制件会存在一定差距,随着变形的进行,圆角部分减薄已经比较严重,越是接近成形结束时,相邻道次间变形量不宜过大,因此第 6 道次仅对圆角部分进行加工,其成形路径设计只成形 1/2 直壁,目的是减小最后道次整形时靠近圆角部分的变形量。另外,第 2、4 和 5 道次需要圆角过渡,半径可以取为 0.3D,第 6 道次的圆角为了更接近目标制件设定的圆角,可以取为 0.25D。成形后制件厚度分布云图如图 5 所示,由于毛坯厚度比较大,底部有一个明显的难变形区。制件横
