TB8钛合金直壁方形盒多道次渐进成形壁厚分布的试验研究

朱知寿，史文祥，王辉，王新南，李明兵，商国强，陈明和

TB8钛合金直壁方形盒多道次渐进成形壁厚分布的试验研究

朱知寿1，史文祥2，王辉2，王新南1，李明兵1，商国强1，陈明和2

（1.北京航空材料研究院 中国航空发动机集团先进钛合金重点实验室，北京 100095；2.南京航空航天大学 机电学院，南京 210016）

改善直壁方形盒制件在传统成形路径中厚度减薄严重的问题。采用一种上下交替往复成形轨迹的方法对TB8钛合金直壁方形盒进行试验研究，分析不同成形轨迹下制件壁厚的变化规律，测量直壁方形盒的最大减薄情况，并在此基础上讨论减薄程度与制件口部翘曲间的相关性。采用上下交替往复成形轨迹的方法能使制件壁厚减薄程度减轻、壁厚分布更加均匀且壁厚突破正弦定律，经测量制得的TB8钛合金直壁方形盒的最大减薄率为42.6%，比经自上而下成形轨迹的成形方法制得的TB8钛合金直壁方形盒的最大减薄率降低了23%，同时能有效减轻制件口部翘曲程度。上下交替往复成形轨迹的成形方法是改进传统自上而下成形方法制作直壁方形盒的有效途径。

数控渐进成形；多道次成形；TB8钛合金；直壁方形盒；壁厚分布

随着工业体系的不断完善和工业制造技术的不断升级，对高效率、高精度产品成形工艺的需求越来越迫切，金属板料数控渐进成形作为一种钣金制件快速成形工艺，是一种典型的无模成形技术，近年来得到了快速发展。该技术充分发挥“分层制造”工艺的优势，通过建立成形件的三维模型，并依托三维绘图软件，将模型拆解得到离散化的模型数据，即沿竖直高度方向将成形件的三维模型分解成二维断面层，渐进成形工具头加工轨迹的获取衍生于各二维断面层上的包络线，最终通过工具头的加工轨迹编写数控程序。试验过程中，渐进成形工具头在数控程序控制下沿加工轨迹运动，成形工具头与材料之间直接接触，使材料在工具头挤压下不断发生塑性变形且变形随着加工轨迹而不断堆积，最终获得目标制件形状。由于数控渐进成形技术无需复杂昂贵的模具，只需要简单的支撑模型就能够在短周期内经济快速地成形出所需的板材制件，且该技术适用于多品种小批量样品的预研发和试制，在汽车、航空等领域具有广泛的应用前景[1-4]。但是数控渐进成形生产效率偏低，现有的工艺无法一次成形出直壁零件，所以直壁零件的成形是板料数控渐进成形工艺的难点之一[5-6]。

直壁方形盒是一种应用非常广泛的工业制品，目前研究人员对数控渐进成形制件厚度分布的研究主要集中在成形区域板料厚度的减薄规律和成形极限等方面。Jeswiet等[7]研究表明，成形区域的板料在渐进成形过程中厚度按照正弦规律减薄，即材料变形区厚度和板料初始厚度0以及成形角的关系符合正弦定律=0sin。当=0°时，理论上=0，所以直壁制件无法一次成形，必须采用其他方法成形直壁件。日本信州大学的Kitazawa等[8-9]提出了采用平行直线轨迹的成形方法，可以成形直壁筒形件及盒形件。华中科技大学的周六如等[10-11]从板材种类、板材厚度、成形半锥角和直壁形状特征对渐进成形变形区域板材厚度的影响规律进行了研究。Awankar等[12]研究了成形工具头直径、机床主轴转速、层下压量和钣金件壁的倾斜度对成形件厚度分布的影响。Li等[13]针对渐进成形制件厚度分布，利用仿真模拟和拉伸试验相结合的方法开展试验，认为采用传统的刀具运动轨迹时最大减薄率与成形工具头直径有关。上述学者虽然对渐进成形制件壁厚分布情况进行了一些探究，但是关于成形路径对壁厚分布的影响及是否可以改善壁厚均匀性等问题的研究还有待进一步探索与解决。文中采用一种上下交替往复成形轨迹的成形方法对直壁方形盒进行了试验研究，该方法不仅能减轻制件壁厚的减薄程度，且能使壁厚分布更加均匀，同时能有效减轻制件口部翘曲程度。

1 金属板料渐进成形原理

板料渐进成形根据成形时有无支撑可以分为2种成形方式，即有支撑渐进成形和无支撑渐进成形[14]，也可称为正渐进成形和负渐进成形。正渐进成形是在成形时把一个与制件形状相似的、由代木或树脂加工制成的支撑模型固定在板料下面；负渐进成形是一种在成形制件下无支撑的成形形式，制件在成形过程中变形较为自由。因此正渐进成形在支撑模型和导向装置的共同作用下成形出的制件比负渐进成形精度更高。

文中选择正渐进成形方式成形TB8钛合金直壁方形盒制件，成形原理如图1所示。成形系统主要包括以下几个部分：成形工具头、导向装置（导柱）、支撑模型、板材、夹持装置（托架、压板）和数控机床。试验开始前，利用压板和托架将成形板料进行夹紧固定处理，以防在试验开始前板料滑动，将固定好的板料放置于支撑模型上方，在成形试验过程中，当成形工具头按照加工轨迹成形完一层材料后向下移动时，由于自重，托架和压板会带动四周的板料同时向下移动相同的距离，如此反复直至整个制件成形完成。

图1 正渐进成形原理

2 直壁方形盒成形工具头路径方案设计

要成形的TB8钛合金直壁方形盒的长度为90 mm，宽度为70 mm，高度为30 mm，模型如图2所示。

图2 直壁方形盒模型

相较于传统的板料成形工艺，渐进成形工艺的优势在于可以通过调整数控程序来控制材料的流动，为了精确成形TB8钛合金直壁方形盒制件，找出最佳成形轨迹的工艺方案，得到壁厚分布更为均匀的直壁制件，文中采用成形工具头沿平行直线逐层逼近的方法，通过多道次成形，将毛坯由原始板料经第1道次加工成锥台壳形状，而后经第2道次加工成直壁方形盒形状，从而得到满足试验设计要求的外形。为此设计了如下2种成形工具头加工路径方案进行对比。

1）方案1：上下交替往复成形。成形工具头加工路径是一条直线，设定每一层加工轨迹与上一层加工轨迹平行，且每一次成形的直壁高度与工具头下降距离相同，如图3a所示。第1道次成形试验中，以满足多次成形后成形出的直壁方形盒制件不破裂为条件，计算出支撑模型与板料之间的夹角，并以此角为成形角，驱动成形工具头自上而下成形出锥台壳制件，使其斜表面平直，如图3b所示。第2道次成形试验中，驱动成形工具头自下而上先成形平直的斜表面，随后将直壁高度成形出来，形成如图3c所示的轮廓。同样根据设定的多道次成形工具头运动路径及加工轨迹，按照上下交替往复成形（即奇数道次自上而下成形，偶数道次自下而上成形）的顺序进行下去，直至最后成形出直壁方盒形制件。

2）方案2：自上而下成形。成形工具头路径同样也是一条直线，设定每一层加工轨迹与上一层加工轨迹平行，且每一次成形的直壁高度与工具头下降距离相同。第1道次成形试验中，以满足多次成形后成形出的直壁方形盒制件不破裂为条件，计算出支撑模型与板料之间的夹角，并以此角为成形角，驱动成形工具头自上而下成形出锥台壳制件，使其斜表面平直。第2道次成形试验中，驱动成形工具头沿轴向下移动一个距离，重复一次该层加工路径，在锥台壳制件的斜表面成形出一段高度为的直壁，根据设定的多道次工具路径及加工轨迹，成形自上而下反复进行下去，直至最后成形出直壁方盒形制件。

图3 平行直线路径数控渐进成形示意图

3 结果与分析

采用厚度为0.8 mm的TB8钛合金裁剪出尺寸为220 mm×220 mm的正方形板料，TB8钛合金是新型亚稳态β钛合金，具有高比强度、高抗氧化和抗疲劳性等特点，常用于制造有温度要求的飞机结构件、蜂窝和紧固件等[15]。使用直径为14 mm的成形工具头，成形时进给速度设定为1 600 mm/min，单层下压量Δ设定为0.5 mm。在板材和成形工具头的接触面上涂抹润滑油。按照预先设计的2种成形工具头路径方案，生成不同加工轨迹的G代码，分别在数控机床上进行正渐进成形，加工出如图4所示的制件。图4a和4b分别为方案1、方案2加工出的直壁方形盒制件。

图4 2种方案下的数控渐进成形加工的直壁方形盒制件

为比较2种方案的成形制件在=0截面上的厚度，使用高度仪来进行测量，以成形制件顶部为起点，沿轴负向以2 mm为一个间距，依次标注15个测量点，然后沿=0截面对成形制件进行线切割，线切割后的直壁件如图5所示。由图5可以直观看出，采用方案1成形路径的TB8钛合金直壁制件翘曲程度远远小于方案2的TB8钛合金直壁制件的翘曲程度，这是由于上下往复交替成形轨迹可以在一定程度上抵消前一道次造成的翘曲，而自上而下成形轨迹每一道次都会产生制件口部翘曲，而每一道次产生的翘曲不断累积就会产生如图5b所示的严重翘曲。

使用厚度仪测量各个标注点的厚度，为了减小误差，采用多次测量取平均值的方法，将成形制件在=0截面测量的厚度数据，以距离顶部尺寸为横坐标、壁厚为纵坐标，在Origin中作出如图6所示的成形件厚度对比曲线。

图5 2种方案下线切割后的直壁制件尺寸测量

对图6进行分析发现，采用方案1成形出来的制件有一段壁厚增大的区域，这是由于成形工具头自下而上运动造成一部分材料向上转移而堆积，从而使该部分直壁增厚；采用方案2成形出来的制件，壁厚先减小后增大，这是因为自上而下的成形方式会使工件的变形集中在侧壁，导致侧壁过度减薄，但是自上而下成形方式使材料不断向下转移，导致制件底部材料不断堆积，从而使该部分壁厚增大。从图6可以看出，利用方案1加工出来的成形件厚度为0.459～ 0.862 mm，整体的厚度差为0.403 mm，最大减薄率为42.6%；而利用方案2加工出的成形件厚度为0.275～0.782 mm，整体的厚度差为0.507 mm，最大减薄率为65.6%。因此利用方案1加工出的成形件厚度比利用方案2加工出的成形件厚度更为均匀，而且整体厚度更大，减薄率更小，同时从图形形状可以看出，由此方法成形出来的制件壁厚不再符合正弦定律。

图6 2种方案下的方形盒直壁部分壁厚分布对比

4 结论

1）上下交替往复成形轨迹的成形方法能够有效减轻制件口部的翘曲程度、减轻直壁成形制件厚度减薄程度，使直壁成形制件厚度差减小、厚度分布更加均匀、整体减薄率更小。

2）采用上下交替往复成形轨迹的成形方法成形出来的制件壁厚可以突破正弦定律的限制。

3）经上下交替往复成形轨迹的成形方法制得的TB8钛合金直壁方形盒的最大减薄率为42.6%，经自上而下成形轨迹的成形方法制得的TB8钛合金直壁方形盒的最大减薄率为65.6%。

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Experimental Study on Wall Thickness Distribution in Multi-pass Incremental Forming of TB8 Titanium Alloy Vertical Walls Square Box

ZHU Zhi-shou1, SHI Wen-xiang2, WANG Hui2, WANG Xin-nan1, LI Ming-bing1, SHANG Guo-qiang1, CHEN Ming-he2

(1. Key Laboratory of Advanced Titanium Alloys, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Aero Engine Corporation of China, Beijing 100095, China; 2. College of Mechanical & Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

This paper is to improve the serious thickness reduction problem of vertical walls square box parts in the traditional forming path. A method of alternating up and down reciprocating forming trajectories was used to conduct experimental research on the TB8 titanium alloy vertical walls square box, the variation law of the wall thickness of the workpiece under different forming trajectories is analyzed, and the maximum thinning of the vertical walls square box is measured. On this basis, the correlation between the thickness reduction degree and the warpage of the workpiece mouth is discussed. The results show that the method of alternating up and down reciprocating forming trajectories can reduce the degree of thickness reduction of the wall thickness of the work piece, make the wall thickness distribution more uniform and the wall thickness break through the sine law of the wall thickness. The measured TB8 titanium alloy vertical walls square box has the largest thickness reduction rate of 42.6%, which is 23% lower than that of the TB8 titanium alloy vertical walls square box made by the method of up and down forming trajectories. At the same time, it can effectively reduce the warpage of the workpiece mouth. The method of alternating up and down reciprocating forming trajectories is an effective way to improve the traditional method of up and down forming trajectories to make vertical walls square boxes.

CNC incremental forming; multi-pass forming; TB8 titanium alloy; vertical walls square box; thickness distribution

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.002

TG659

A

1674-6457(2022)05-0008-06

2021–08–18

航发基金（HFZL2018CXY022）

朱知寿（1966—），男，博士，研究员，主要研究方向为先进成形技术和板料成形性能。

责任编辑：蒋红晨