直壁網孔板件的多道次漸進成形研究★

李鵬程，張云龍，金俊希，朱 虎

（沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧 沈陽 110136）

引言

金屬板材數控漸進成形是近幾年發展起來的無模成形技術[1]。該技術將待成形件分解為二維層后，采用成形工具逐點逐層成形加工板料來實現板材件成形。由于該技術不需要傳統沖壓模具，可減小制造成本和時間，因而在原型制造、維修和個性化定制等多品種小批量生產中具有廣泛的應用前景[2]。

金屬網孔板材是帶有按一定規律排列孔的板材，在工業、電子產品、家用電器和醫學等領域具有廣泛的應用[3]，但由于網孔板含有孔，因此在成形中其材料流動不規則、應力應變分布不均勻，容易發生拉裂現象，導致其成形難度較大[4-5]。

直壁網孔板件是指帶有直壁曲面的網孔板材件，由于其成形角都比較大，其成形厚度減薄幅度大，板料容易破裂，因而其成形難度比普通網孔板件更大。目前，基于數控漸進成形的網孔板件成形制作研究剛處于起步階段。有關網孔板材件的數控漸進成形研究主要針對網孔板材的變形趨勢、改善材料流動、減小成形力以及通過數值模擬的成形缺陷分析等成形性能展開的，而且都以單道次漸進成形方式為主[6-7]，而沒有涉及針對大成形角直壁網孔板件的多道次漸進成形。

本文采用有限元分析軟件Ansys/LS-DYNA對大成形角直壁網孔板件的多道次漸進成形過程進行了數值模擬，分析了大成形角直壁網孔板件的多道次漸進成形的可能性、成形后的網孔板材件厚度分布和厚度減薄情況。

1 直壁網孔板件的多道次漸進成形

本文采用如圖1所示的圓臺型直壁網孔板件模型為研究對象。該模型的最大直徑為100 mm，成形深度為25 mm，成形角為65°（70）°。如圖1和圖2所示分別為網孔板件的二維圖和三維模型。

圖1 網孔板件二維圖

圖2 網孔板件三維模型

由于圖1所示模型的成形角較大，而且由于采用網孔板，因此其成形難度較大，成形時會發生板材破裂現象。為此，本文采用三道次成形策略，如圖3所示：第一道次成形角為25°，成形深度是18 mm；第二道次成形角是45°，成形深度是22 mm；第三道次成形角是65°（70）°，成形深度是25 mm。

圖3 三道次成形策略

為了能夠按照圖3所示的成形策略進行多道次成形加工，本文利用UG軟件根據圖3所示的成形策略，生成了第一、第二道次成形模型，如下頁圖4所示。第三道次成形則直接以直壁件的內表面為成形加工面。

本文以圖4所示第一、第二成形道次成形模型和圖1所示帶成形模型的內表面，利用UG軟件以深度輪廓銑方式，分別生成了第一道次、第二道次和最終道次成形等高線軌跡，如圖5所示。其中成形工具采用直徑為Φ10的球頭工具，并將進給速度和主軸轉速分別設定為600 mm/s和0，層間距設定為1 mm。

圖4 成形模型

圖5 多道次成形軌跡

2 直壁件多道次成形過程有限元分析

本文以如圖1所示的網孔板材件模型為研究對象，采用ANSYS/LS-DYNA軟件，按照圖3所示的三道次成形策略，對網孔板件的多道次漸進成形過程進行數值模擬，分析網孔板材件的厚度分布和減薄規律。在數值模擬分析中，板料選用1060鋁板，其密度為2 700 kg/m3，彈性模量55.95 GPa，泊松比0.324，屈服應力153.6 MPa，切線模量為2.9，硬化系數為0.198。板材選用帶有圓孔的網孔板，其圓孔直徑為Φ3 mm，孔與孔之間的距離為6 mm，厚度為0.88 mm，網孔板長寬均為150 mm。板材選用殼單元SHELL163和全積分Full Intgr Shell算法，并采用1.5 mm大小的映射網格。在數控漸進成形過程中，板材與成形工具頭之間發生動摩擦，板材與支撐凹模之間發生靜摩擦，為此將動摩擦系數和定靜摩擦系數分別設定為0.05和0.1。本文是將網孔板固定在支撐模上，然后用成形工具頭對網孔板進行擠壓，成形加工出直壁網孔板件。所采取的約束方式是約束支撐整體，使其固定不動，并約束板材四周以及成形工具頭的旋轉運動，但不限制成形工具的X，Y軸方向移動。如圖6所示為所建立的有限元數值模擬模型。

圖6 有限元模型建立

在數值模擬中將成形軌跡刀位點坐標的x，y，z值按一定的時間間隔，以數組形式分別保存并輸入到ANSYS軟件中，進而通過成形軌跡加載來實現成形工具對板料的成形加工，其成形軌跡加載曲線如圖7所示。

圖7 軌跡加載曲線

利用有限元分析后處理軟件LS-PrePost對數值模擬結果進行后處理，得到基于三道次數控漸進成形的網孔板材件數值模擬模型。下頁圖8所示為網孔板材件的成形角為65°時的數控漸進成形數值模型、厚度分布云圖和厚度減薄率分布云圖，其第一道次、第二道次和最終道次成形最小厚度分別為0.602 7 mm、0.336 0 mm和0.145 0 mm，最大減薄率為81.28%。

圖8 成形角為60°時數值模擬結果

下頁圖9所示為網孔板材件的成形角為70°時的數控漸進成形數值模擬模型厚度分布云圖，其第一道次、第二道次和最終道次成形最小厚度分別為0.566 6 mm、0.292 5 mm和0.108 0 mm，但在最終道次成形時，模型底部位置板料發生破裂，表明隨著成形角的增大，網孔板的成形性下降，其成形難度也增大。

圖9 成型角為70°時數值模擬模型及厚度（mm）分布云圖

3 結語

本文針對成形角分別為65°和70°的網孔板材件，采用有限元分析軟件Ansys/LS-DYNA軟件，以三道次漸進成形方式進行了數值模擬。從得到的數值模擬模型可以看出，網孔板在成形過程中，由于材料流動不夠順暢，出現不同程度的材料堆積，進而表現出厚度增大現象，而部分區域材料減薄嚴重。當成形角為65°時，順利實現了其成形；而當成形角為70°時，板料發生破裂，成形失敗；網孔板的成形性，隨著成形角的增大而下降，成形難度增大。