1060铝板渐进成形极限及影响因素

金属板料件作为金属零件的一个重要组成部分, 在国民经济各部门中的应用广泛, 具有举足轻重的地位。随着科技的发展, 金属板料零件小批量、多品种的趋势越来越明显。传统冲压成形因其模具设计与制造周期长、成本高等限制, 在小批量、多品种的板料零件成形中的劣势越来越明显。各国学者将目光投向适合小批量、多品种零件生产的渐进成形技术, 进行了大量研究[1,2,3], 得到了不少具有参考价值的结论。

渐进成形属于胀形类变形, 板料破裂在渐进成形中表现得尤为突出, 如何较好地预测和防止板料破裂, 一直是各国学者关注的焦点。目前, 渐进成形多采用极限半锥角[4,5]和成形极限曲线 (FLC) 来判定其成形极限[6,7,8,9]。课题组前期发现, 由于渐进成形时变形区金属和非变形区金属的相互牵扯, 采用极限半锥角来判断变锥角零件的渐进成形极限误差较大。应变成形极限曲线作为板料成形过程中零件破裂的判据, 在普通冲压中的应用已较为成熟。鉴于此, 渐进成形极限曲线也得到了重视。

大量研究表明, 渐进成形极限曲线是一条斜率为负的直线, 且远高于传统冲压的成形极限曲线。Filice L等[6]利用三轴数控机床, 采用球形工具头和交叉的成形轨迹, 研究了1050铝板的成形极限, 得到了一条斜率近似为-1的成形极限曲线。李磊等[7]采用数值模拟与Oyane韧性断裂准则相结合的方法, 预测了厚1.5 mm的LY12硬质铝板的渐进成形极限, 并指出变形均匀是渐进成形高成形极限的原因。王进等[8]针对渐进成形无统一制作标准, 而实验制作的渐进成形极限曲线较短的问题, 采用渐进成形圆弧沟槽、十字交叉圆弧沟槽获得了一条较长的1060铝板料渐进成形极限曲线。柏朗等[9]采用渐进成形不同形状锥形零件, 在大量实验基础上, 获得了一条较长的1060铝板渐进成形极限曲线。

截止目前, 渐进成形极限曲线的研究主要采用实验方法获得, 这要求建立在大量的实验基础上, 需要大量的人力物力, 耗时耗材, 且尚无统一的制作标准, 而理论预测的研究也相对匮乏。成形中各工艺参数对渐进成形极限曲线的高度必然有一定影响, 但目前尚缺乏报道。本文研究采用Lemaitre韧性断裂准从理论上对渐进成形极限曲线进行预测, 并将其与实验绘制的成形极限曲线进行对比, 验证该方法的可行性。在此基础上研究了层间距、工具头转速、工具头进给速度以及工具头半径对渐进成形极限曲线的影响。

Lemaitre韧性断裂准则是在Lemaitre损伤力学的基础上建立的, 该准则可以较好地预测铝合金材料的破裂[10], Lemaitre韧性断裂准则见式 (1) :

式中:I为破裂积分值, 当I<1时, 零件安全, 当I=1时, 零件刚好破裂, 当I>1时, 零件破裂; 为等效应变; 为断裂处的第1主应变; 为等效应力;σm为平均应力;C和p为与材料相关的常数, 由实验获得。

Lemaitre韧性断裂准则中的C和p值为与材料相关的材料常数。将两组不同极限应变点代入到韧性断裂准则中建立方程, 确定材料常数C和p值[10]。为使板料在不同应变路径下破裂, 进而获得两组不同的极限应变, 设计两个不同形状的零件, 如图1所示。采用渐进成形工艺成形两个零件直至零件破裂, 获得不同应变路径下零件的极限应变值, 见表1。成形时工具头半径为4 mm, 层间距为0.5 mm, 工具头转速为1200 rad·min-1, 进给速度为500 mm·min-1。

假设板料变形服从Hill厚向异性二次屈服函数, 其应力三轴度公式[10]为:

式中:β为应变比, ;ε1和ε2分别为第1主应变和第2主应变;r为各向异性系数。

1060铝的各向异性系数r取0.88, 联立式 (1) 和式 (2) , 求得材料常数p=-0.406, C=1.459。

等效应变公式和塑性变形体积不变的应变条件分别见式 (3) 和式 (4) , 其中ε3为第3主应变。

联立式 (1) 、式 (2) 、式 (3) 和式 (4) , 可得到板料平面上两个主应变的关系, 如式 (5) 所示:

根据式 (5) , 取不同应变值ε1和ε2使得I值为1, 得到的ε1和ε2即为板料断裂时的极限应变点。将得到的极限应变点以坐标 (ε1, ε2) 的形式, 描绘于以第1主应变ε1为纵坐标、以第2主应变ε2为横坐标的坐标系中, 拟合各点得到1060铝板渐进成形极限曲线, 如图2所示。由图2可知, 渐进成形极限曲线为一条斜率为负的直线, 其高度远高于普通冲压时的成形极限曲线。

为绘制渐进成形极限曲线, 采用渐进成形工艺加工不同形状零件, 获得不同应变路径下的极限应变点。在图1中零件1、零件2的基础上增加零件3、零件4, 零件3和零件4的形状与几何尺寸如图3所示。

借助UG软件生成相应零件的成形轨迹, 设置工具头半径为4 mm, 层间距为0.5 mm, 工具头转速为1200 rad·min-1, 进给速度为500 mm·min-1。渐进成形过程中, 使用厚度为1 mm的1060铝板, 大小为150 mm×150 mm。实验前在板料上印制直径为Φ2 mm的圆形网格簇。实验时, 密切观察工具头的运动, 当听见破裂声或者工具头明显震动一下时, 板料产生了破裂, 机床停止运行。为减少误差, 获得更多的极限应变点, 每个零件加工两个。成形前板料和破裂后板料实物如图4所示。

在零件裂纹附近选取有破裂趋势的网格作为临界破裂网格, 并使用读数显微镜测量临界破裂网格圆的长、短轴大小, 计算得到极限应变点。线性拟合各点得到实验制作的1060铝板渐进成形极限曲线。理论预测FLC与实验绘制FLC对比如图5所示。

由图5可知:实验绘制的FLC与理论预测的FLC基本一致, 为一条斜率为负的直线;ε2趋近于0.75时, 两曲线有交点, 相差最小;两条曲线的误差, 由左至右, 先减小后增大, 两条曲线的最大误差为5.4%, 理论预测与实验绘制的FLC有较高的吻合度。证明了采用Lemaitre韧性断裂准则所推导的公式能很好地预测1060铝板的渐进成形极限曲线。

为研究层间距、工具头转速、工具头进给速度和工具头半径对渐进成形极限曲线的影响, 成形零件1～零件4以获得不同工艺参数下的渐进成形极限曲线。成形中, 层间距选取1.5, 1.0和0.5 mm;工具头转速S选取0, 600和1200 rad·min-1;工具头进给速度F选取500, 1000和1500 mm·min-1;工具头半径选取4, 5和6 mm。具体参数见表2。

采用表2中工艺参数获得的不同层间距、工具头转速、工具头进给速度和工具头半径时渐进成形极限曲线分别如图6～图9所示。

图6为不同层间距时渐进成形极限曲线。由图6可知, 层间距对渐进成形极限曲线有较大的影响。层间距为0.5 mm时的FLC最高, 层间距为1.5 mm时的FLC最低, 表明随着层间距的减小, 板料越不易开裂, FLC高度越高, 成形性能越好。Golabi S等[11]以变锥角零件的成形高度来衡量零件的成形性能, 得到的结论与本文相符。这主要是因为:层间距越大, 工具头下方变形金属变形越严重, 板料受到的拉应力越大, 越容易产生局部缩颈和破裂。

图7为不同工具头转速时得到的渐进成形极限曲线。由图7可知, 工具头转速对渐进成形极限曲线有较大的影响。工具头转速为1200 rad·min-1时, 成形极限曲线最高, 工具头转速为0 rad·min-1时, 成形极限曲线最低, 表明随着工具头转速的增加, 板料越不容易开裂, 成形性越好。这主要是因为:工具头转速越高, 工具头与板料接触部分摩擦产生的热量越多[12], 板料局部升温越严重, 板料塑性越好, 越不容易产生破裂。

图8为不同进给速度时得到的渐进成形极限曲线。由图8可知, 进给速度对渐进成形极限曲线有一定的影响。进给速度为500 mm·min-1时所制作的FLC高度最高, 1500 mm·min-1时所制作的FLC高度最低, 表明随着工具头进给速度的增加, 渐进成形FLC有一定的降低, 零件成形性能有所下降。

图9为不同工具头半径下得到的渐进成形极限曲线。由图9可知, 3种工具头下获得的FLC高度相差不多, 工具头半径为6 mm时所获得的FLC略高于其他两条FLC, 但相差不多。图9表明, 在一定条件下, 工具头半径对成形极限的影响较小, 改变工具头半径对提高渐进成形零件的成形性能作用不大。

(1) 采用Lemaitre韧性断裂准则能很好地预测1060铝板的成形极限曲线, 预测的FLC与实验绘制的FLC走向基本一致, 两条曲线的最大误差为5.4%, 有较好地吻合度。证明了采用Lemaitre韧性断裂准则来预测1060铝板的渐进成形极限曲线的方法切实可行。

(2) 渐进成形中层间距、工具头转速、工具头进给速度与工具头半径对FLC均有一定影响。层间距越小, 或工具头转速越高, 或进给速度越低, 板料越不容易开裂, 板料成形极限曲线越高, 成形性能越好。工具头半径在一定条件下, 对FLC的高度影响并不明显。