高深宽比微流道辊压成形实验及参数优化

彭赫力, 金新济, 徐竹田, 石文展, 彭林法

(1.上海神剑精密机械科技有限公司,上海 201600, E-mail:penglinfa@sjtu.edu.cn;2.上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室,上海 200240)

具有高深宽比微通道的薄板结构,其典型特征是单个微流道尺寸在亚毫米级,通过大面积密集微流道结构组合,可实现高通量、高比表面积、高比强度等特性[1],在高效换热器[2]、航空器舵翼蜂窝结构[3-4]、燃料电池[5]、微反应器[6-7]中具有广泛应用。

目前,金属表面微通道结构的加工方法主要有冲压、软膜冲压与液压成形三种工艺。对于这三种加工方法,国内外学者已开展了较为广泛的研究。孟维哥等学者对燃料电池中使用的316L不锈钢表面微通道冲压成形过程中的应力情况进行了研究,发现冲压过程中在金属薄板通道的脊部圆角处存在明显的应力集中,导致明显的厚度减薄现象[8]。刘艳雄等学者对燃料电池金属极板微通道的软模成形进行了研究,发现该工艺可有效成形微结构[9]。郎利辉等学者对薄板液压成形进行了研究,发现在压力过大时在圆角附近会产生反胀减薄现象[10]。但是,这些成形方式在加工大面积高深宽比微结构时,薄板会发生显著应力集中与减薄开裂,难以实现高深宽比结构成形[11-12]。

为了制造这类高深宽比微通道结构,Sung-Woo Choi等学者提出了一种多步冲压(Multi-Steps Stamping,MSS)的方式进行加工,能够实现高深宽比微通道结构的加工[13]。李志鹏等学者对钛板的微流道单步、多步成形工艺规律进行了实验研究,分析了不同工步加载对极限成形高度的影响规律[14]。有学者发现利用齿轮啮合原理的辊压成形,通过渐进塑性加载可显著降低应变集中,从而实现高深宽比微通道结构加工。Bitzer首先提出在蜂窝瓦楞板成形过程中使用带波纹的辊子进行辊压,张俊等学者通过改造二辊轧机,用波纹状轧辊轧制钛波纹板,相较于油压机压制成型具有低成本与高效率的优点。黄纪绘等学者发现辊压成形工艺可以有效减少板材的减薄现象,他们还对成形过程中齿轮参数对成形后板材的减薄程度、表面粗糙度等特征的影响进行了研究[15-16]。

但是,目前研究多围绕辊压成形可行性开展研究,尚未对不同工艺参数对微通道辊压成形的影响规律开展深入分析。本文针对齿轮辊子关键参数中的齿数、模数与加工过程中加工深度与成形金属板厚这四个因素对成形加工后微通道结构的最大减薄率与深宽比的影响进行了深入分析,为该类结构的高效精密成形工艺优化提供了参考和依据。

1 微流道辊压成形实验

1.1 实验台及试样

首先搭建了微通道辊压实验台如图1所示。辊压头采用渐近线齿轮,其模数m=1.25 mm,齿数为72,压力角α为20°,宽度为80 mm。为降低齿顶处微流道成形应力集中,齿顶圆角r为0.2 mm。

▲图1 试验台及关键参数

成形过程中,两齿轮通过啮合实现薄板微流道的塑性成形,两齿轮间隙可通过调整螺柱调节,实现不同深度微通道成形。本实验中采用三种成形深度分别为1.0 mm、1.5 mm和2 mm,理论成形微流道深宽比分别为0.5、0.75和1.0。辊压过程中齿轮角速度为2.5 r/min,薄板试样线速度为11.8 mm/s。

成形试样为INCONEL718高温镍合金薄板,其厚度为0.1 mm,为便于实验,通过线切割获得160×30 mm2的矩形试样,其力学性质参数见表1,通过单拉实验获得材料真应力-真应变曲线如图2所示。

表1 材料参数

成形后试样如图3所示。成形结束后,使用KEYENCE激光共聚焦显微镜扫描察成形后的微通道的尺寸形貌。通过对成形后试样进行切割、冷镶、抛光等制备金相试样,并利用Leica光学显微镜测量微流道不同区域成形后的厚度。成形实验重复实验数目为3次。

▲图2 真应力-真应变曲线

▲图3 成形后试样

1.2 实验结果及分析

对三种不同成形深度的微流道成形高度及减薄率测量如图4所示。

▲图4 实验测量结果

随下压深度增大,成形后流道高度显著增大,与此同时,薄板减薄率更加显著,最大减薄位置在齿顶圆角处,经测量,随下压深度由1.0 mm增大至2.0 mm,圆角处减薄率由4.9%升高至18.7%。从图3中可以看出,在加工深度为1.0 mm与1.5 mm时,微通道的壁面切面呈现出曲率较小的曲线形状,而当加工深度达到2.0 mm时,壁面切面则更加平坦。

为实现更高深宽比微流道成形,势必需采取增大下压深度、降低齿间距等工艺参数调整,但是同时使齿顶处薄板塑性变形增大、减薄加剧,易于发生开裂。因此需要建立辊压成形工艺参数与减薄率及微流道成形深度的关联机制,以指导高深宽比微流道的高鲁棒成形参数设计。

2 实验结果与讨论

2.1 仿真模型建立与验证

本次仿真实验主要研究的是辊压齿轮的参数对成形过程中金属薄板几何形态的影响,为了简化计算以及突出重点,本次仿真实验采用二维平面应变模型,具体形式见图5。

利用SolidWorks软件建立滚压齿轮的三维模型,导入Abaqus/Standard仿真环境。齿轮辊子设置为离散刚体,薄板试样为变形体,厚度方向网格数目为5,采用CPE4R的平面应变单元,摩擦系数设置为0.3。辊压加工过程中,两辊压齿轮不会发生位移,故给齿轮的参考点施加UX、UY两个自由度的约束,并给两个参考点施加URZ方向的旋转角速度。

为验证仿真模型准确性,首先对实验条件下辊压过程进行仿真分析,得到不同加工深度减薄率如图6所示。

▲图6 减薄率随加工深度的变化

从图中可以看出,仿真结果能够反映随加载升高、薄板减薄率加剧的趋势,切与实验结果吻合良好。但在2.0 mm下压深度仿真中,仿真结果略低于实验结果。根据之前研究,随辊压过程下压深度升高,摩擦系数将增大[19],导致实验中薄板减薄加剧。本文为简化计算仍采用了恒定摩擦系数。

2.2 仿真模型建立与验证

基于正交试验设计方法,针对辊压过程中的四个关键参数齿数、模数、成形深度和薄板厚度进行了仿真实验设计如表2所示。除齿数外其他三种因素各含有三个水平,故选择两次四因素三水平L9(34)正交实验表,共得到18组实验。在正式仿真过程中,齿数太小与齿数太大时所得到的仿真结果波动较大,故增加了若干组齿数为18与144的仿真实验。最后,为了分析齿轮齿数为72,板厚为0.1 mm时其它两种因素的全响应,再次增加了9组实验,这里不再列出。

表2 实验参数设计

3 结果与讨论

3.1 影响减薄率的因素

图7展示了平均减薄率随三种因素的变化曲线。从图中可以看出,成形减薄率随齿轮的模数增大而下降,根据齿轮啮合原理,这是由于齿轮齿厚、槽宽随模数增大而显著增大,因此在啮合过程中成形区域扩大、材料流动性加强,材料减薄趋势因此得到缓解。当加工深度从1 mm增加到1.5 mm时,平均减薄率上升了3%,当加工深度从1.5 mm增加到2 mm时,平均减薄率快速增长了8%,这是由于随加工深度提高,导致啮合弯曲加剧,同时齿轮中心距减小导致重合度增大,两齿同时啮合成形导致材料流动受限、局部变形加剧,使得减薄率升高。板厚对减薄率的影响与成形深度相似,随厚度增大,薄板塑性变形加剧、减薄率的增长明显。当板厚大于等于啮合齿面间距时,减薄率将大大提升,同时突增的成形力可能会对齿轮造成损伤,这是加工中应该避免的。在不同的齿轮齿数条件下,平均减薄率呈现出无规律的上下波动,说明齿数变化对减薄率影响不显著。这是由于齿数变化对齿轮基节长度、齿厚、槽宽等尺寸形貌均无影响,因此对成形过程中薄板成形过程影响较小。

▲图7 减薄率随不同因素的变化趋势

使用二次模型对实验数据进行处理,分别利用F值与P值检验四个因素的显著性,计算结果见表3。

表3 各因素显著性检验

假设F值高于8.65,或P值低于5%时,将此因素视为显著,从上表可以判断,齿轮的齿数对于合金板的减薄率没有显著影响,而齿轮模数、合金板厚度与加工深度对合金板的减薄率有显著影响,且影响程度从大到小排序为加工深度,板厚,模数。

图8(a)中显示了加工过程最大应力与减薄率的关系。从图中可以看出最大应力变化的趋势与减薄率变化的趋势几乎相同,在最大应力较高时,减薄率也随之较高,最大应力较低时。减薄率将随之减小。而图8(b)显示了最大应力与加工深度及模数的关系。

▲图8 最大应力与加工深度、模数的关系

当模数增大时加工最大应力减小,而当加工深度增大时,最大应力增大。加工过程中,成形深度增大时,成形过程中板上的应力的增大。从图3与图9可以看到,在实验与仿真过程中,成形深度较小的微通道的侧壁呈曲率较小的弧线状,而当加工深度达到2.0 mm时,侧壁则呈现出较为平直的形状,此时壁面上应力相较于成形深度为1.0 mm时显著增大,使得侧壁处的减薄率快速上升。

▲图9 成形后的微流道形态

3.2 响应面分析及参数优化

在分析中,已经得出了辊压齿轮的齿数与减薄率无关的结论。而成形的深宽比可以通过以下公式计算:

(1)

式中:l代表加工后微通道的宽度;h代表微通道的深度。从公式中可以看到,微通道的深宽比只与齿轮的模数和加工深度有关,而与齿轮的齿数无关。因此以薄板厚度0.1 mm为标准值,建立了加工深度和模数与成形深度和减薄率的响应面如图10所示。

由图10可见,微流道成形深宽比随成形深度增大和模数降低而升高,该趋势与公式(1)趋势相符。根据图所示,加工深度增大将导致减薄率的显著升高,此时深宽比显著增大,侧壁则呈现出较为平直的形状,此时壁面上应力相较于成形深度为1.0 mm时显著增大,使得侧壁处的减薄率快速上升。

图10(a)显示了实际得到的深宽比关于两因素的响应面,是一个较为平整的表面。为了得到尽可能深的微通道,我们将深宽比限制在0.8以上,得到加工深度的取值应有h≥1.4 mm。图10(b)显示了减薄率关于两因素的响应面。可以看到,当加工深度逐渐增大时,虽然微通道的深宽比在增大,意味着加工后的微通道更深了,但此时减薄率也相应增大,故不能一味的增大加工深度。

采用加权平均的方法来对参数进行优化。由于深宽比的选取目标是尽可能大,而减薄率的要求为尽可能小,与深宽比要求不同,故将深宽比做倒数,这样两个参数的要求都为尽可能小,方便最优点的选取。首先对减薄率与宽深比的数据进行归一化,将两组数据中各自的最大值定为0,最小值定为1,其余值利用以下公式进行标定:

▲图10 辊压工艺参数对微流道成形影响响应面分析

(2)

选取两者的权值分别为0.4与0.6,可以得到分数曲线如图11所示。

▲图11 分数的响应曲面

▲图12 分数的等高图

在得到的等高面图12中的最低点即为这种评价方法下的最优点。从标准模数中选取最低点最近的模数为1.25 mm,加工深度为1.6 mm,为齿数为72,板厚为0.1 mm条件下的最优点。

4 结论

本文围绕高深宽比微流道辊压成形工艺开展了实验和仿真研究,分析了齿轮几何参数与微通道几何参数对流道成形减薄率的影响,得到结论如下:

使用齿轮辊压的方式加工微通道的实验过程中,随下压深度的增加,金属薄板的减薄率会显著增加,金属薄板的减薄率与齿轮模数、加工深度、板厚有显著关系,而与齿轮的齿数没有显著的关联。

为了得到尽可能大的深宽比与小的减薄率,在齿轮齿数为72,板厚为0.1 mm的情况下,通过加权平均和响应面分析得到了齿轮模数1.25,加工深度1.6 mm的优化设计参数。