漸進成型與沖壓成型圓形件成形性能的研究

楊柳青，許　銘，錢健清

（安徽工業(yè)大學冶金與工程學院，安徽馬鞍山243000）

漸進成型與沖壓成型圓形件成形性能的研究

楊柳青，許銘，錢健清

（安徽工業(yè)大學冶金與工程學院，安徽馬鞍山243000）

漸進成型技術(shù)作為一種無需專用模具的柔性加工工藝，通過CAD模型控制成形工具頭在板料上運行一定軌跡，可以加工出用常規(guī)手段方法不易成形的復雜曲面造型的產(chǎn)品。本文分別采用傳統(tǒng)沖壓成形方法和漸進成形方法加工高度、直徑等工藝參數(shù)均相同的圓形零件，對比兩種成形方法得到的圓形制件的成形區(qū)的應(yīng)變變化，得出漸進成形工藝具有比傳統(tǒng)沖壓成形方法更高的成形極限。

漸進成形；圓形件；沖壓成形；成形性能

近年來，漸進成型技術(shù)逐漸進入制造業(yè)的視野。該技術(shù)是一種無需專用模具，通過計算機直接驅(qū)動CAD模型，將設(shè)計與制造有機的結(jié)合起來的一種柔性加工工藝。該技術(shù)采用了快速成型制造技術(shù)中“分層制造”的思想，即將三維的加工分解成一系列二維層面上的塑性加工，著重強調(diào)層作為加工單元［1］。傳統(tǒng)的沖壓成型加工出的板材零件在成形極限和零件的復雜程度上較低，而漸進成型技術(shù)則可以大大提高板材的成形極限。同時，漸進成型也可滿足用戶對零件形狀多樣化的需求。本文通過實驗，對比了漸進成型和沖壓成型兩種成形方法，對漸進成型的成形性能進行研究。

1　漸進成型的加工過程

漸進成型原理如圖1所示。

圖1　漸進成型原理

本實驗中漸進成型實驗采用的實驗設(shè)備是NH4050漸進成形機床，該設(shè)備主要由成形工具頭、頂支撐模型、導向裝置（導柱、導套）、托板、壓板和機床本體組成。

成形過程中，數(shù)控系統(tǒng)控制工具頭進行運動，頂支撐模型用來支撐板料，對于形狀復雜的零件，頂支撐模型可以加工成簡單的模具，有利于板料的成形。成形時，首先將被加工板料置于一個通用頂支撐模型上，在托板四周用壓板夾緊板料，該托板可沿導柱上下滑動，如圖1（a）所示。然后將該裝置固定在三軸聯(lián)動的數(shù)控機床上，加工時，成形工具先走到指定位置，并對板料壓下一個設(shè)定的壓下量，然后根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，按照第一層輪廓的要求，以走等高線的方式，對板料進行單點漸進塑性加工，如圖1（b）所示。在形成所需的第一層截面輪廓后，成形工具又壓下一個設(shè)定的壓下量，再按第二層截面輪廓要求運動，并形成第二層輪廓。如此重復，直到整個工件成形完成［2］。

2　實驗過程

本實驗采用樣本為2塊鋁板和2塊DC06鋼板。

（1）網(wǎng)格畫線

1）將試樣和網(wǎng)格板清洗干凈；2）確定畫線工作面；3）畫線；4）取料。

（2）生成G代碼

用UG軟件分別繪制h=15 mm和h=35 mm的圓形件圖形后，利用UG軟件的后處理功能生成數(shù)控機床所能識別的NC代碼。

（3）加工試樣

將兩塊鋁板分別經(jīng)過漸進成形機床（如圖2所示）和多功能板料沖壓成型機（如圖3所示）加工成h=15 mm，直徑相同的圓形制件，所得零件分別如圖4、圖5所示；同樣，將兩塊DC06鋼板分別經(jīng)漸進成形機床（如圖2所示）和多功能板料沖壓成型機（如圖3所示）加工成h=35mm，直徑相同的圓形制件。

圖2　漸進成形機床

圖3　 NHB-30多功能板料沖壓成型機

圖4　 h=15mm漸進成形機圓形件

圖5　 h=15mm沖壓成形圓形件

3　數(shù)據(jù)處理及實驗結(jié)果分析

網(wǎng)格畸變后的形狀有3種類型，d1為畸變后網(wǎng)格長軸，d2為短軸，d0為網(wǎng)格圓的初始直徑，d1和d2近似視為試樣板面內(nèi)一點上的兩個主應(yīng)變方向［3］。

本次實驗，網(wǎng)格分析法采用真實應(yīng)變計算。

本實驗通過計算成形制件的應(yīng)變的變化研究板料的成形性能，應(yīng)變則是通過成形件上印制的網(wǎng)格的變化來進行計算的。觀察板料的成形性能最直觀的方法則是繪制應(yīng)變分布圖。為了繪制應(yīng)變分布圖，試樣成形后需測量試樣上畸變網(wǎng)格的長、短軸，測量過程中采取多點取平均值的辦法。

將所測量的實驗數(shù)據(jù)導入Origin軟件中，繪制得到的應(yīng)變分布圖如圖6、圖7、圖8和圖9所示。

圖6　漸進成形15mm球殼應(yīng)變分布圖

圖7　沖壓成形15mm球殼應(yīng)變分布圖

圖8　漸進成形35mm球殼應(yīng)變分布圖

圖9　沖壓成形35mm球殼應(yīng)變分布圖

由鋁板的兩個應(yīng)變圖的比較可知，漸進成形方法得到制件的最大應(yīng)變值為0.29，試件完整未見破裂，而沖壓出現(xiàn)件的最大應(yīng)變值為0.26～0.27之間，且此時成形件破裂，這說明相同厚度的材料漸進成形的成形極限較大，通過漸進成形方式比沖壓脹形得到的制件成形性能好。

觀察圖8、圖9可知鋼板漸進成形的縱向應(yīng)變最大值是0.65，成形件完好；沖壓脹形件的縱向應(yīng)變最大值是0.5，且此時已破裂，本組對比試驗同樣表明了漸進成形的成形性能較好。

漸進成形過程中板料與工具頭接觸的局部區(qū)域受三向壓應(yīng)力，且球應(yīng)力分量為壓應(yīng)力狀態(tài)，金屬板處在三向受壓的狀態(tài)下，塑性得到極大提高［4］；而沖壓脹形過程中試樣處于兩向拉應(yīng)力一向壓應(yīng)力狀態(tài)下。試驗中加工相同高度制件，漸進成形得到的產(chǎn)品完好，沖壓件則發(fā)生破裂。

4　結(jié)束語

（1）相比于沖壓成型，漸進成型制件具有更高的成形極限和更好的成形性能；

（2）沖壓成形圓形件時制件的裂紋出現(xiàn)在中間應(yīng)變值最大處；

（3）漸進成型過程中，與工具頭接觸的區(qū)域受到三向壓應(yīng)力，因此可以達到很高的成形極限。

［1］王莉，莫健華，黃樹槐.金屬薄板直壁件數(shù)字化漸進成型過程的實驗研究［J］.鍛壓技術(shù)，2004，（6）:9-11.

［2］周六如.金屬板料數(shù)控漸進成型機理及工藝的研究［D］.武漢：華中科技大學，2004.

［3］梁炳文，胡世光.板料成形塑型理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1987.

［4］趙志業(yè).金屬塑性變形與軋制理論［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

Astract: As a flexible processwithout special die，the incremental forming technology can control forming tool heads running a certain trajectory by CADmodels.So that it can process productswith higher forming limitand complicated shape.This article mainly introduced the workpiece process of incremental forming technology.This experiment by comparing the traditionalpunching toobserve the forming performanceof this technicalprocessing of the products.

Research on the Formability of Circular Parts Between Incremental Form ing and Punching

YANG Liu-qing，XU Ming，QIAN Jian-qing
（Anhui University of Technology，School of Metallurgy Engineering，Ma’anshan Anhui 243000，China）

incremental forming；circular part；punching；formability

TB33

A

1672-545X（2016）06-0176-03

2016-03-10

安徽工業(yè)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助（AH201410361027）

楊柳青（1996-），男，安徽淮北人，本科，主要研究方向為金屬板料成形。