渐进成形与胀形实验研究

王 涛，王会廷，钱健清，庄 莉，彭风伟，陈继平，张 乐

(1.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002；2.马钢钢铁股份有限公司马钢废钢公司，安徽马鞍山243000)

渐进成形与胀形实验研究

王 涛1，王会廷1，钱健清1，庄 莉2，彭风伟1，陈继平1，张 乐1

(1.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002；2.马钢钢铁股份有限公司马钢废钢公司，安徽马鞍山243000)

采用渐进成形与胀形2种成形方式，对印有网格的3003铝板试样进行球壳制件加工。通过显微测量仪测量成形后制件的网格尺寸，利用工程应变公式计算从球壳制件顶部中心到板料边缘的应变分布，对比相同高度(15 mm)及不同高度(15, 45 mm)制件的胀形应变分布与渐进成形应变分布，分析2种成形方式的成形特点和成形极限。结果表明，渐进成形加工方法的成形极限高于胀形，且渐进成形板料具有周向应变为零的应变特点。

渐进成形；胀形；铝板

金属板材成形在制造业中有着广泛的应用，但传统的加工工艺必须使用专用的模具，模具加工周期长、费用高，零件尺寸受到模具的限制，难以适应小批量多品种生产和样品试制的需要。胀形是1种传统的冲压成形工艺，在管坯内部或板坯一侧通以高压液体、气体或放入刚体瓣模，迫使管、板塑性变形，制成需要的零件[1-2]。针对传统工艺的缺陷，松原茂夫提出了1种新型的金属板材数字化渐进成形技术，为新产品的快速开发提供了先进成形手段[3-5]。

渐进成形是1种通过局部成形的累积产生整体变形的无模成形，工具头以等高线的形式，由上到下逐层加工，板料受到工具头的局部挤压得到最终的零件形状。渐进成形不需特定的模具或需简单的模具，通过CAE[6]软件生成需要的加工轨迹，利用简单的工具头就可加工出成形极限较大、形状比较复杂的板材零件[7-8]。渐进成形技术不仅可以提高板料的成形性能，而且可使板料得到更加充分的变形，与传统成形方法比较，其具有更加广泛的应用前景。

目前国内外对于渐进成形技术的研究主要集中在应用技术的研究中，如渐进成形加工精度[9-14]，极限成形角度[15-18]，热辅助渐进成形技术[19-22]等，对于其变形特性的基础研究较少。基于渐进成形与胀形有一个共同特点，即在局部区域成形时，对周边板料没有影响，对比分析渐进成形与胀形应变分布，研究渐进成形的成形特点和成形极限。

1 实 验

1.1 材料及设备

采用的材料是0.8 mm厚的3003铝板，为Al-Mn系合金，抗拉强度σb120～160 MPa，屈服强度σ0.2≥85 MPa。实验设备：LB-850高精度电化打标机，打标深度为0.05～0.10 mm；丝网模板，网格圆直径2 mm，网格间隙为0；NHB-30A多功能板料成型试验机，最大成形力300 kN，最大压边力100 kN，凸模行程0～150 mm，当板料发生失稳时，成形力下降，实验机自动停止；NH4050渐进成形机床，工作台面积550 mm× 550 mm，加工行程X轴0～500 mm，Y轴0～400 mm，Z轴0～200 mm，A轴0～160 mm。

1.2 实验方法

分别采用渐进成形与胀形的方法将3003铝板加工成半径50 mm的球壳件，通过测量制件网格圆的尺寸变化来计算应变。

1)胀形 将表面印有网格圆的铝板(180 mm×180 mm)置于凹模与压边圈之间压紧，压边力为100 kN。成形过程中，板料中部在凸模力作用下产生胀形并形成凸包(如图1)，其表面的网格圆发生畸变，当凸包上某个局部产生缩颈或破裂时，实验机自动停止，取下板料测量此时的球壳制件(如图2)，高度为15 mm，即为胀形球壳制件的临界高度h1。

2)渐进成形 用UG进行建模、处理生成可供NH4050渐进成形机床进行加工的G代码，将印有网格圆的铝板放在机床上，且用夹具固定，将生成的G代码拷入数控机床，机床工具头逐层加工金属板，同时在工具头与板料接触处喷涂润滑油以减少刀具头与板料之间的摩擦。用渐进成形方法成形高度为15，45 mm的球壳制件如图3。

为确定渐进成形球壳制件的临界成形高度h2，依次增大板料的成形高度，直到板料出现破裂，如图3(b)。渐进成形中每个板料的弧度与胀形相同(半径R=50 mm)，高度从15 mm开始，每次增加5 mm，到高度45 mm时破裂停止，如图4所示，即渐进成形球壳制件的临界成形高度h2=45 mm。

试样在成形过程中，随着试样的变形，印制在试样表面的圆形网格发生畸变，网格或因受到拉伸而伸长，或因受到挤压而缩短。试样表面的圆形网格应变计算采用工程应变公式，如

式中：ε1为网格周向应变；ε2为网格切向应变；d0为网格圆直径；d1为网格圆的短轴长度；d2为长轴长度。采用显微镜测量仪测量试样成形后网格圆的短轴长度(d1)，长轴长度(d2)，该测量仪测量精度为0.01 mm，测量误差为±0.01 mm。将测得网格单元的长短轴尺寸代入式(1)进行应变计算，其中网格单元从球壳顶部沿对称轴到板料边缘顺序编号。

2 实验结果与分析

高度15 mm的胀形和渐进成形球壳制件及高度45 mm的渐进成形球壳制件的应变分布如图5。

2.1 成形特点

对比图5(a)，(b)可以看出，渐进成形和胀形具有不同的成形特点。

1)渐进成形球壳制件的网格周向应变为零，胀形球壳制件的周向应变与其切向应变变化规律基本一致，大小略小于切向应变。

渐进成形是对板材进行渐进变薄拉延的过程，与胀形不同，板料切向受拉发生切向伸长的变形，而板料的周向有收缩的趋势，成形工具头沿周向运动产生相应的拉应力限制了板料周向的金属流动，导致板料周向应变为零。板料切向方向受拉，周向应变为零，根据体积不变的原理，ε1+ε2+εt=0，且ε2=0，知εt=－ε1，即渐进成形球壳制件具有周向应变ε2为零，母线方向应变ε1与厚度方向应变εt互为相反数的应变特点。胀形球壳制件时，板料周向与母线方向两向受拉应力，厚度方向受压应力，板料周向和切向均发生拉伸变形。

2)渐进成形最大应变处在球壳的边缘，而胀形最大应变处靠近球壳的中心，两者板料破裂处相反，是因为渐进成形和胀形的受力情况不同。

由于成形的是球壳制件，板料与垂直方向的夹角θ从板料中心到边缘逐渐减小，渐进成形中板料壁厚变化与成形的角度有关，符合正弦定理[23-24]，即

式中：t为板料成形区厚度；t0为板料成形前厚度；θ为板料成形面与垂直方向的夹角，称半锥角。球壳制件的半锥角θ在板料边缘部分最小，板料边缘受到的切应力最大，根据式(2)，渐进成形球壳制件时，边缘部位的厚度t达到最小，应变集中在板料边缘部位。

胀形时，机床凸模与板料的中心部位直接接触，成形时随着凸模不断升高，板料中心部位对四周产生单向的拉伸作用，直接接触的中心部位受到的拉应力最大，同时由于凸模摩擦力对与其接触部位的变形有阻碍的作用，所以板料在中心部位与凸模没有接触的地方破裂(见图2)，即胀形的最大应变靠近板料的中心部位。

2.2 成形极限

对比图5(a)，(b)可以得出：成形高度相同时，渐进成形球壳制件的切向最大应变ε1为0.30，周向应变ε2为零；胀形球壳制件的切向最大应变ε1为0.32，周向最大应变ε2为0.16。根据体积不变原则，ε1+ε2+ εt=0，知εt=-(ε1+ε2)，ε1与ε2之和越大板料壁厚减薄越大，越容易破裂，球壳制件壁厚的最大减薄处在应变分布图中的最大峰值处。而渐进成形的ε1与ε2之和小于胀形，且渐进成形的球壳制件没有破裂。渐进成形的周向应变为0，说明渐进成形只是在切向产生应变，只在1个方向受拉，而胀形在2个方向受拉，双向拉应力更大，不利于发挥材料的塑性，造成渐进成形的成形极限更高。因此，渐进成形的成形极限大于胀形。

对比图5(b)，(c)可以得出：成形高度不同时，渐进成形球壳制件的切向最大应变值ε1为1.83，周向应变ε2为零；胀形球壳制件的切向最大应变值ε1为0.32，周向最大应变值ε2为0.16。根据体积不变原则，εt=-(ε1+ε2)，渐进成形厚度方向应变εt=-1.83，胀形厚度方向应变εt=-(0.32+0.16)=-0.48，渐进成形厚度方向应变是胀形的-1.83/-0.48=3.8倍。渐进成形球壳制件临界成形高度 h2(45 mm)是胀形临界成形高度 h1(15 mm)的3倍。随着渐进成形零件高度不断增加，渐进成形的高度已达到或接近工件的半径，在这种情况下，工件边缘的受力状况发生了很大的变化，球壳制件边部已经接近纯拉深，降低了渐进成形球壳制件的最大应变值。

综上分析可得，渐进成形的成形极限是胀形的3倍以上。

3 结 论

通过渐进成形和胀形2种方式得到球壳制件，测量成形制件的应变变化，对3种应变分布进行对比分析，得到如下结论：

1)采用渐进成形方法加工的球壳制件周向应变为零，且母线方向应变ε1与厚度方向应变εt存在εt=-ε1的应变特点；

2)加工相同高度的球壳制件时，渐进成形切向应变与周向应变峰值之和小于胀形，渐进成形较胀形利于提高板料的成形性能；

3)渐进成形的成形极限大于胀形，成形极限是胀形的3倍以上。

[1]王同海，孙胜.管材胀形工艺分类及其变形力学特征[J].锻压技术，1999(4):30-33.

[2]宋晓锋.胀形模具设计分析[J].机械工程师，2014(6):216-217.

[3]崔振，高霖，陆启建.复杂钣金零件渐进成形方法[J].机械工程学报，2007,43(12):235-239.

[4]莫健华，韩飞.金属板材数字化渐进成形技术现状研究现状[J].中国机械工程，2008,19(4):494-497.

[5]Jeswiet J,Micari F,Hirt G,et al.Asymmetric single point incremental forming of sheet metal[J].CIRP Annals-manufacturing Technology,2005,54(2):88-114.

[6]张兴权，余晓流，汪永明，等.UG三维建模在机床夹具设计教学中的应用[J].安徽工业大学学报(自然科学版)，2011,28(2): 118-120.

[7]莫健华，叶春生，黄树槐，等.金属板料数控渐进成形技术[J].航空制造技术，2002(12):25-27.

[8]Silva M B,Skjoedt M,Martins P A F,et al.Revisiting the fundamental of single point incremental forming by means of membrane analysis[J].International Journal of Machine Toll&Manufacture,2008,48(1):73-83.

[9]甘文星.金属板材数控单点渐进成形回弹及数值模拟的研究[D].武汉：华中科技大学,2003:22-42.

[10]甘文星，莫健华.金属板材数控单点渐进成形回弹的实验研究[J].机械科学与技术，2004,23(6):739-741.

[11]韩飞，莫健华，龚攀.基于遗传神经网络的数字化渐进成形回弹预测[J].华中科技大学学报，2008,36(1):121-124.

[12]李军超，潘俊杰，耿佩，等.基于工艺参数的渐进成形回弹量预测与控制[J].热加工工艺，2012,41(7):79-80.

[13]Skjoedt M,Hancock M H,Bay N.Creating helical tool paths for single point incremental forming[J].Key Engineering Materials,2007,344:583-590.

[14]Yamashita M,Gotoh M,Atsumi S Y.Numerical simulation of incremental forming of sheet metal[J].Journal of Materials Processing Technology,2008,199:163-172.

[15]曹翰中,高锦张,肖士昌,等.渐进成形锥形件壁厚稳定区域影响因素的研究[J].锻压技术，2012,37(6):16-22.

[16]肖士昌,高锦张,贾俐俐,等.单道次渐进成形锥形件壁厚均匀临界成形角的研究[J].锻压技术，2012,37(1):49-54.

[17]Kitazawa K,Nishibayashi T,Fujino H.Forming limit for incremental stretching of aluminum and aluminum alloy blanks by single-tool-path process[J].Journal of Japan Institute of Light Metals,2001,51(2):103-107.

[18]Ambrogio G,Filice L,Napoli L D,et al.A simple approach for reducing profile diverting in a single point incremental forming process[J].Part B:Journal of Engineering Manufacture,2005,219:823-830.

[19]冯甜甜,张青来,肖富贵,等.镁合金板料数控热渐进成形时的摩擦和润滑性能[J].中国有色金属学报，2012,22(1):45-52.

[20]池永涛,徐文骥.导电加热渐进成形试验和模拟研究[D].大连：大连理工大学,2012:8-25.

[21]郭海玲,张青来.AZ31B镁合金薄板热渐进成形及数值模拟[D].镇江：江苏大学,2010:59-66.

[22]Hino R,Yoshida F,Nagashi N,et al.Incremental sheet forming with local heating for lightweight hard-to-form material[J].International Journal of Modern Physics B,2008,22(31/32):6082-6087.

[23]周六如，莫健华，肖祥芷.板料零件数控渐进成形工艺研究[J].塑性工程学报，2003,10(4):27-29.

[24]曹翰中，高锦张，肖士昌，等.渐进成形锥形件壁厚稳定区域影响因素的研究[J].锻压技术，2012，37(6):16-22.

责任编辑：何莉

Experimental Research on Incremental Forming and Bulging

WANG Tao1,WANG Huiting1，QIAN Jianqing1，ZHUANG Li2，PENG Fengwei1，CHEN Jiping1，ZHANG Le1
(1.School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002，China; 2.Ma'anshan Steel Scrap Company,Ma'anshan Iron and Steel Co.Ltd.,Ma'anshan 243000,China)

Two kinds of processing methods of incremental forming and bulging were carried out on the 3003 aluminum plate sample with grid spherical shell processing.Mesh size was measured by microscopic measuring after molding,and strain distribution from the top center of the spherical shell parts to sheet edges was calculated with engineering strain formula.Compared the same height(15 mm)and different heignts of(15,45 min)strain distributions of the incremental forming and bulging，the different forming characteristics and the forrning limit of two methods for forming were analyzed.The results show that the formability of incremental forming method is better than that of bulging,and the sheet processed by incremental forming method circumferential strain is zero.

incremental forming;bulging;aluminum sheet

TB31

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.04.002

2015-04-19

国家自然科学基金项目(51275003)；安徽省科学基金项目(1508085ME78)

王涛(1989-)，男，安徽滁州人，硕士生，主要研究方向为材料成形。

钱健清(1963-)，男，浙江衢州人，教授，主要研究方向为材料科学与工程。

1671-7872(2015)-04-0305-05