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    1060铝板单道次渐进成形圆孔翻边高度与壁厚分布的研究

    来源:http://kushang66.com??发布时间:2019-11-27 09:07??浏览量:返回列表

    板料数控渐进成形采用分层制造的思想, 将零件的三维形状分解成逐层的二维形状进行加工, 以获得所预期的产品零件形状[1,2]。板料渐进成形技术实现了金属板料的数字化制造, 由于不需要专用模具, 大大降低了产品研发周期和成本, 对于多层面、多样化、更新迭代快的产品具有十分重要的应用价值, 在各行各业例如汽车、医疗、家居、美术等都有广泛的应用基础[3,4,5,6,7,8,9]。铝合金板材渐进成形技术具有能耗低、适合样品试制及快速响应市场需求的特点, 其应用已越来越广泛[10]

    翻边是将板料上的预制孔或外边缘翻起成竖直边的一种加工工艺, 主要应用在工业装配或者提高结构强度校准等方面。也有一些特殊的翻边不翻成竖边, 而是以扩孔的形式来产生变形[11,12]

    渐进成形圆孔翻边的原理如图1所示, 首先将预制形加工好圆孔的板料放在夹具中夹紧, 再由数控机床驱动工具头, 以特定的加工路径对板料进行逐层逐点地加工, 使孔边缘的板料竖起成直边, 从而得到所想要的零件目标形状[13,14]

    图1 渐进成形圆孔翻边成形示意图

    图1 渐进成形圆孔翻边成形示意图   下载原图

    Fig.1 Schematic diagram of hole-flanging by incremental forming

    破裂是金属板材渐进成形过程中重要的成形缺陷, 如何解决复杂力学变化过程中板材破裂的问题, 国内外进行了大量的科学研究工作[13]。对于渐进成形圆孔翻边, 需要在板料上进行预制开孔, 预制孔径d0的大小决定了圆孔翻边的高度和壁厚分布特征, 其值越小, 成形的制件就越深, 材料单一方向上的应力累积会导致板料开裂[15], 所以预制孔径d0是渐进成形圆孔翻边的重要参数之一。本文主要针对预制孔径对渐进成形圆孔翻边工艺的影响进行相应的研究。

    1 有限元模型构建

    在DYNAFORM软件中建立的渐进成形圆孔翻边有限元模型如图2所示。前处理中使用壳单元定义部件, 板料采用Belystchko-Wong-Chiang单元算法。在有限元分析中, 网格的划分需要兼顾精确度与计算效率, 划分板料网格为1 mm;工具头网格为自适应网格, 网格范围为0.1~1.0 mm;同样, 上压板和下压板的自适应网格范围为0.5~30 mm。

    在前处理中压板的位移和旋转全部约束, 对上压板加载向下的压边力。在实体实验中, 也保证压板不会发生松动的情况。由于实体实验中使用常规非旋转工具头, 摩擦条件为滑动摩擦, 故在K文件中对成形工具头施加旋转约束, 在模拟过程中成形工具头不旋转, 只有X、Y、Z方向的位移[10]。板材成形轨迹以数控铣削或空走刀的方式进行轨迹测试和仿真[16]。工具头与板料、板料与凹模之间的动摩擦系数与静摩擦系数均设置为0.15。实体实验中, 使用的润滑油为常规20#机油。

    图2 有限元模型示意图

    图2 有限元模型示意图   下载原图

    Fig.2 Schematic diagram of finite element model

    2 渐进成形工艺参数确定

    本文研究对象为厚度1.06 mm、H14状态的1060Al板料, 成形工艺采用外轮廓支撑成形方法, 成形轨迹采用升角为0.8°的螺旋线。

    在圆孔翻边的成形工艺中, 板料需在成形前预制直径为d0的孔, 图3为圆孔翻边成形前后示意图。翻边前板料毛坯孔径为d0, 在加工过程中坯料孔径d0会不断扩大, 最后竖起成为直径为dm的最终孔。其中, t0为板料的初始厚度, H为翻边制件的翻边高度。

    图3 圆孔翻边制件成形前后示意图

    图3 圆孔翻边制件成形前后示意图   下载原图

    Fig.3 Schematic diagram of hole-flanging component before and after forming

    3 模拟实验

    渐进成形工艺参数确定后, 影响板料成形的厚度分布与翻边高度的影响因素为板料的几何参数。板料的几何参数包括板料的厚度、预制孔径d0与翻边孔径dm。实验中保持板料厚度不变。

    3.1 实验参数设定

    采用已建立的有限元模型, 对单道次渐进成形不同翻边孔径 (dm=Φ56, Φ66, Φ76, Φ86, Φ96 mm) 时的圆孔翻边进行数值模拟。为满足结果的多样性, 预制孔径d0以翻边孔径dm乘以系数0.65~0.80来确定[17], 如表1所示。分析不同预制孔径d0时, 成形所得圆孔翻边件的壁厚分布特点。

    表1 模拟实验参数 (mm)     下载原表

    表1 模拟实验参数 (mm)

    注:d0每隔2 mm取值。

    图4 不同翻边孔径时的制件壁厚-深度变化曲线

    图4 不同翻边孔径时的制件壁厚-深度变化曲线   下载原图

    Fig.4 Wall thickness-depth changing curves of components under different flanged hole diameters

    (a) dm=Φ56 mm (b) dm=Φ66 mm (c) dm=Φ76 mm (d) dm=Φ86 mm (e) dm=96 mm

    3.2 模拟结果

    为了得到不同几何参数下板料制件的壁厚与深度变化曲线, 在ETA后处理器中导出模拟结果, 并制成相应图表, 见图4。

    3.3 壁厚分布规律

    对于不同的翻边孔径dm, 壁厚分布的改变总是在翻边的中部区域, 此规律不随翻边孔径dm的改变而改变, 并且翻边中部的壁厚总是随着预制孔径的减小而减小。将此规律总结为3种不同类型的成形趋势。

    3.3.1 成形特征

    当预制孔径改变时, 单道次渐进成形圆孔翻边的壁厚分布呈现一定的规律, 如图5所示, 即翻边的中部区域的壁厚随着预制孔径的改变而改变。

    图5 不同翻边孔径及预制孔径下的成形壁厚分布云图

    图5 不同翻边孔径及预制孔径下的成形壁厚分布云图   下载原图

    Fig.5 Nephograms of forming wall thickness distribution under different flanged hole diameters and prefabricated hole diameters

    (a) dm=Φ56 mm, d0=Φ36 mm (b) dm=Φ56 mm, d0=Φ32 mm (c) dm=Φ76 mm, d0=Φ56 mm (d) dm=Φ76 mm, d0=Φ48 mm (e) dm=Φ96 mm, d0=Φ76 mm (f) dm=Φ96 mm, d0=Φ66 mm

    随着翻边中部区域的壁厚改变, 可以将其归纳为3种不同的成形特征。 (1) 当预制孔径d0较大时, 如d0=dm-12 mm (图6a) , 制件的壁厚分布由翻边底部至孔缘逐渐减小, 呈线性减薄分布; (2) 当预制孔径d0适中时, 如d0=dm-20 mm (图6b) , 翻边制件的壁厚分布存在线性减薄过渡区与均匀分布区两个区域, 制件底部的壁厚随深度增加而减小, 达到一定深度后直至孔缘区域, 壁厚不再减小呈均匀分布, 称此时为均匀分布; (3) 当预制孔径较小时, 比如减小到d0=dm- (24~30) mm时 (图6c) , 制件直壁的中部区域出现壁厚减薄带, 此时板料的变形区域较小, 受到的局部拉应力较为集中, 易发生减薄甚至破裂的现象, 在实际应用中这种现象是需要尽量避免发生的[5]

    不同壁厚分布特征下的预制孔径分布范围如表2所示。

    3.3.2 临界预制孔径

    称预制孔径减小到出现中部减薄带时的孔径为临界预制孔径d0临界。由于存在中部减薄区域, 制件的受载性能会受到极大的影响, 属于不可接受的成形结果, 应当尽量避免。在渐进成形圆孔翻边的加工工艺中, 最关键的成形参数是板料的临界预制孔径。当预制孔径小于临界预制孔径时, 板料会出现中部减薄带。表3中列出了不同翻边孔径下的临界预制孔径。观察表3中数据, 发现临界预制孔径与翻边孔径的关系近似呈线性分布, 如图7所示。

    且满足如下关系式:

     

     

    3.4 翻边高度

    单道次渐进成形圆孔翻边高度与板料厚度、预制孔径、翻边孔径等几何参数息息相关。

    3.4.1 几何推导

    假设板料为理想的均匀材料, 根据塑性力学中中性层准则对变形区和翻边高度做近似的几何推导, 见图8。

    由图8可以看出, 变形区域由两部分组成:圆角过渡区和竖立直壁区, 过渡区的圆角半径与压边间隙有关, 图8中s=2 mm, 为预留的压边间隙, 间隙值不宜过小或过大, 否则会影响制件的成形性能与精度。大量实验结果表明, 当翻边孔径在Φ50~Φ100 mm时, 间隙值设置在2 mm会获得较为优良的成形件。

    表2 不同壁厚分布规律下的预制孔径 (mm)     下载原表

    表2 不同壁厚分布规律下的预制孔径 (mm)

    注:表2中的中部减薄区范围仅为实验数据所列出范围, 在实际成形过程中, 凡是预制孔径小于此下界的, 都会出现中部减薄带, 甚至板料破裂。

    表3 不同翻边孔径下的临界预制孔径 (mm)     下载原表

    表3 不同翻边孔径下的临界预制孔径 (mm)
    图7 临界预制孔径与翻边孔径的关系

    图7 临界预制孔径与翻边孔径的关系   下载原图

    Fig.7 Relationship between critical prefabricated hole diameter and flanged hole diameter

    基于以上假设可得:

    图6 翻边中部区域的制件壁厚变化趋势

    图6 翻边中部区域的制件壁厚变化趋势   下载原图

    Fig.6 Changing trend of wall thickness in flanging central area of components

    (a) 线性减薄 (b) 均匀分布 (c) 中部减薄

    (a) Linear thinning (b) Uniform distribution (c) Central thinning

    图8 翻边高度示意图

    图8 翻边高度示意图   下载原图

    Fig.8 Schematic diagram of flanging height

     

     

    其中:

     

     

    翻边高度即为:

     

     

    式中:D为外轮廓支撑直径;h为直壁区高度。

    3.4.2 模拟结果

    对于翻边孔径为Φ56 mm的渐进成形圆孔翻边, 其实验结果如表4所示, 其中包括翻边高度的模拟结果、实验结果和计算结果。发现翻边高度的模拟结果和实验结果较为贴近, 而翻边高度的计算结果与前两者在不同区域吻合度不同。

    表4 翻边孔径Φ56 mm时不同预制孔径下的翻边高度 (mm)     下载原表

    表4 翻边孔径Φ56 mm时不同预制孔径下的翻边高度 (mm)

    对于翻边孔径dm为Φ56 mm的制件, 随着预制孔径d0的变化, 成形的制件有3个典型特征:中部减薄、均匀分布以及线性减薄。如图9所示, 翻边高度在线性减薄区和均匀分布区的计算结果与模拟和实验结果吻合度较高。原因在于:板料在径向上所受的拉应力较小, 此方向上产生的变形可以忽略, 使用中性层准则下的翻边高度计算公式则具有一定的准确性。

    图9 翻边孔径dm=Φ56 mm时不同预制孔径d0对应的翻边高度分布

    图9 翻边孔径dm=Φ56 mm时不同预制孔径d0对应的翻边高度分布   下载原图

    Fig.9 Corresponding flanging height distributions of different prefabricated hole diameters d0with flanged hole diameter dm=Φ56 mm

    在中部减薄区, 计算结果与模拟和实验结果有明显的偏差。其原因主要在于, 中部减薄带的出现明显地增加了圆孔翻边的高度, 此时板料的径向伸长也不可忽略, 式 (5) 中并没有体现这一点。即当预制孔径d0小于临界预制孔径d0临界时, 成形的制件发生中部减薄现象, 此时翻边高度的计算公式 (5) 不再适用。此时需要添加相应的修正系数。

    综上, 对于单道次渐进成形圆孔翻边高度的研究主要分为两个部分: (1) 预制孔径d0大于临界预制孔径d0临界时 (理论计算公式适用) ; (2) 预制孔径d0小于临界预制孔径d0临界时 (修正的计算公式) 。

    对于 (1) , 如图10所示, 继续选取dm=Φ66, Φ76, Φ86, Φ96 mm, 且预制孔径大于临界预制孔径时进行研究, 其中H理论为基于理想材料下的中性准则推导计算出的翻边高度。同样的, 与dm=Φ56 mm情况下一样, 模拟结果与理论结果贴合度较高。因此, 当预制孔径大于临界预制孔径时, 式 (5) 具有很高的参考性。

    对于 (2) , 在ETA后处理中导出单道次渐进成形t0=1.06 mm, dm=Φ56, Φ66, Φ76, Φ86, Φ96 mm圆孔翻边的数值模拟结果, 将翻边高度H关于 (dm-d0) 的关系绘制于图11中, 得到不同翻边孔径dm下单道次渐进成形圆孔翻边的翻边高度变化曲线, 见图11。

    从图11中看出, 当预制孔径小于临界预制孔径时, 公式 (5) 不适用于预测实际翻边高度。在均匀壁厚圆孔翻边中, 翻边高度的主要影响因素是 (dm-d0) /2, 而在翻边成形时, 从图11可以看到, 翻边高度H主要受 (dm-d0) /2影响, 包括不同的翻边孔径dm与预制孔径d0, 使用数学工具拟合近似得到翻边时翻边高度的计算公式。

    图1 0 预制孔径大于临界预制孔径时不同翻边孔径下的翻边高度分布

    图1 0 预制孔径大于临界预制孔径时不同翻边孔径下的翻边高度分布   下载原图

    Fig.10 Flanging height distribution under different flanged hole diameters when prefabricated hole diameter is larger than critical prefabricated hole diameter

    图1 1 预制孔径小于临界预制孔径时不同翻边孔径下的翻边高度分布 (t0=1.06 mm)

    图1 1 预制孔径小于临界预制孔径时不同翻边孔径下的翻边高度分布 (t0=1.06 mm)   下载原图

    Fig.11 Flanging height distribution under different flanged hole diameters when prefabricated hole diameter is smaller than critical prefabricated hole diameter (t0=1.06 mm)

    分析式 (6) , 0.43s代表压边间隙对成形结果的影响, 由于间隙在整个实验中为固定值, 因此属于不变量;同样的, 0.5t0代表板料厚度对成形结果的影响, 在厚度不变的情况下, 对翻边高度同样属于不变量。因此, 在拟合时减去 (0.43s+0.5t0) , 记:

     

     

    拟合H'、 (dm-d0) /2、dm得到:

     

     

    如之前的分析中所述, 翻边孔径dm对H'的影响较小, 设为一次阶次; (dm-d0) /2是翻边高度的主要影响因素, 设为二次阶次。得到的拟合结果的误差范围在0.30%以内。

    将得到的结果加上 (0.43s+0.5t0) 即为最终的翻边高度公式, 如式 (8) 所示, 该公式适用于预制孔径小于临界预制孔径时的情况。

     

     

    4 实验验证

    通过渐进成形专用设备对单道次渐进成形圆孔翻边进行实体实验。图12分别为得到的dm=Φ56 mm、d0=Φ32 mm, dm=Φ76 mm、d0=Φ50 mm, dm=Φ96 mm、d0=Φ68 mm的圆孔翻边实验制件。其中, 图12a为翻边成形制件, 图12b为制件的剖面图。

    图1 2 圆孔翻边实验制件

    图1 2 圆孔翻边实验制件   下载原图

    Fig.12 Parts of hole-flanging experiment

    (a) 成形制件 (b) 制件剖面图

    (a) Formed parts (b) Cross-section of parts

    测量制件的直壁厚度, 将制件的模拟结果与实验结果放到同一图中, 如图13所示。观察发现, 模拟结果较为可靠地预测出板料的成形厚度, 特别是成形趋势, 表明数值模拟结果具有较为良好的可信性。

    图1 3 实验制件的壁厚分布曲线

    图1 3 实验制件的壁厚分布曲线   下载原图

    Fig.13 Curves of wall thickness distribution for experimental parts

    (a) dm=Φ56 mm, d0=Φ32 mm (b) dm=Φ76 mm, d0=Φ50 mm (c) dm=Φ96 mm, d0=Φ68 mm

    5 结论

    (1) 在单道次渐进成形圆孔翻边中, 壁厚分布与预制孔径大小有关。其总体特征为:当预制孔径从某一较大的值不断减小时, 板料的成形结果依次由线性减薄变成均匀分布, 最后发生中部减薄甚至破裂。

    (2) 在单道次渐进成形圆孔翻边中, 有临界预制孔径公式:d0临界=0.9dm-15.8。当预制孔径小于临界预制孔径时, 单道次渐进成形圆孔翻边会出现中部减薄现象。

    (3) 当预制孔径大于临界预制孔径时, 单道次渐进成形圆孔翻边高度可以用理论公式进行预测。

    (4) 当预制孔径小于临界预制孔径时, 单道次渐进成形圆孔翻边高度需要进行修正为:


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