TB8鈦合金直壁方形盒多道次漸進成形壁厚分布的試驗研究

朱知壽，史文祥，王輝，王新南，李明兵，商國強，陳明和

TB8鈦合金直壁方形盒多道次漸進成形壁厚分布的試驗研究

朱知壽1，史文祥2，王輝2，王新南1，李明兵1，商國強1，陳明和2

（1.北京航空材料研究院 中國航空發動機集團先進鈦合金重點實驗室，北京 100095；2.南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

改善直壁方形盒制件在傳統成形路徑中厚度減薄嚴重的問題。采用一種上下交替往復成形軌跡的方法對TB8鈦合金直壁方形盒進行試驗研究，分析不同成形軌跡下制件壁厚的變化規律，測量直壁方形盒的最大減薄情況，并在此基礎上討論減薄程度與制件口部翹曲間的相關性。采用上下交替往復成形軌跡的方法能使制件壁厚減薄程度減輕、壁厚分布更加均勻且壁厚突破正弦定律，經測量制得的TB8鈦合金直壁方形盒的最大減薄率為42.6%，比經自上而下成形軌跡的成形方法制得的TB8鈦合金直壁方形盒的最大減薄率降低了23%，同時能有效減輕制件口部翹曲程度。上下交替往復成形軌跡的成形方法是改進傳統自上而下成形方法制作直壁方形盒的有效途徑。

數控漸進成形；多道次成形；TB8鈦合金；直壁方形盒；壁厚分布

隨著工業體系的不斷完善和工業制造技術的不斷升級，對高效率、高精度產品成形工藝的需求越來越迫切，金屬板料數控漸進成形作為一種鈑金制件快速成形工藝，是一種典型的無模成形技術，近年來得到了快速發展。該技術充分發揮“分層制造”工藝的優勢，通過建立成形件的三維模型，并依托三維繪圖軟件，將模型拆解得到離散化的模型數據，即沿豎直高度方向將成形件的三維模型分解成二維斷面層，漸進成形工具頭加工軌跡的獲取衍生于各二維斷面層上的包絡線，最終通過工具頭的加工軌跡編寫數控程序。試驗過程中，漸進成形工具頭在數控程序控制下沿加工軌跡運動，成形工具頭與材料之間直接接觸，使材料在工具頭擠壓下不斷發生塑性變形且變形隨著加工軌跡而不斷堆積，最終獲得目標制件形狀。由于數控漸進成形技術無需復雜昂貴的模具，只需要簡單的支撐模型就能夠在短周期內經濟快速地成形出所需的板材制件，且該技術適用于多品種小批量樣品的預研發和試制，在汽車、航空等領域具有廣泛的應用前景[1-4]。但是數控漸進成形生產效率偏低，現有的工藝無法一次成形出直壁零件，所以直壁零件的成形是板料數控漸進成形工藝的難點之一[5-6]。

直壁方形盒是一種應用非常廣泛的工業制品，目前研究人員對數控漸進成形制件厚度分布的研究主要集中在成形區域板料厚度的減薄規律和成形極限等方面。Jeswiet等[7]研究表明，成形區域的板料在漸進成形過程中厚度按照正弦規律減薄，即材料變形區厚度和板料初始厚度0以及成形角的關系符合正弦定律=0sin。當=0°時，理論上=0，所以直壁制件無法一次成形，必須采用其他方法成形直壁件。日本信州大學的Kitazawa等[8-9]提出了采用平行直線軌跡的成形方法，可以成形直壁筒形件及盒形件。華中科技大學的周六如等[10-11]從板材種類、板材厚度、成形半錐角和直壁形狀特征對漸進成形變形區域板材厚度的影響規律進行了研究。Awankar等[12]研究了成形工具頭直徑、機床主軸轉速、層下壓量和鈑金件壁的傾斜度對成形件厚度分布的影響。Li等[13]針對漸進成形制件厚度分布，利用仿真模擬和拉伸試驗相結合的方法開展試驗，認為采用傳統的刀具運動軌跡時最大減薄率與成形工具頭直徑有關。上述學者雖然對漸進成形制件壁厚分布情況進行了一些探究，但是關于成形路徑對壁厚分布的影響及是否可以改善壁厚均勻性等問題的研究還有待進一步探索與解決。文中采用一種上下交替往復成形軌跡的成形方法對直壁方形盒進行了試驗研究，該方法不僅能減輕制件壁厚的減薄程度，且能使壁厚分布更加均勻，同時能有效減輕制件口部翹曲程度。

1 金屬板料漸進成形原理

板料漸進成形根據成形時有無支撐可以分為2種成形方式，即有支撐漸進成形和無支撐漸進成形[14]，也可稱為正漸進成形和負漸進成形。正漸進成形是在成形時把一個與制件形狀相似的、由代木或樹脂加工制成的支撐模型固定在板料下面；負漸進成形是一種在成形制件下無支撐的成形形式，制件在成形過程中變形較為自由。因此正漸進成形在支撐模型和導向裝置的共同作用下成形出的制件比負漸進成形精度更高。

文中選擇正漸進成形方式成形TB8鈦合金直壁方形盒制件，成形原理如圖1所示。成形系統主要包括以下幾個部分：成形工具頭、導向裝置（導柱）、支撐模型、板材、夾持裝置（托架、壓板）和數控機床。試驗開始前，利用壓板和托架將成形板料進行夾緊固定處理，以防在試驗開始前板料滑動，將固定好的板料放置于支撐模型上方，在成形試驗過程中，當成形工具頭按照加工軌跡成形完一層材料后向下移動時，由于自重，托架和壓板會帶動四周的板料同時向下移動相同的距離，如此反復直至整個制件成形完成。

圖1 正漸進成形原理

2 直壁方形盒成形工具頭路徑方案設計

要成形的TB8鈦合金直壁方形盒的長度為90 mm，寬度為70 mm，高度為30 mm，模型如圖2所示。

圖2 直壁方形盒模型

相較于傳統的板料成形工藝，漸進成形工藝的優勢在于可以通過調整數控程序來控制材料的流動，為了精確成形TB8鈦合金直壁方形盒制件，找出最佳成形軌跡的工藝方案，得到壁厚分布更為均勻的直壁制件，文中采用成形工具頭沿平行直線逐層逼近的方法，通過多道次成形，將毛坯由原始板料經第1道次加工成錐臺殼形狀，而后經第2道次加工成直壁方形盒形狀，從而得到滿足試驗設計要求的外形。為此設計了如下2種成形工具頭加工路徑方案進行對比。

1）方案1：上下交替往復成形。成形工具頭加工路徑是一條直線，設定每一層加工軌跡與上一層加工軌跡平行，且每一次成形的直壁高度與工具頭下降距離相同，如圖3a所示。第1道次成形試驗中，以滿足多次成形后成形出的直壁方形盒制件不破裂為條件，計算出支撐模型與板料之間的夾角，并以此角為成形角，驅動成形工具頭自上而下成形出錐臺殼制件，使其斜表面平直，如圖3b所示。第2道次成形試驗中，驅動成形工具頭自下而上先成形平直的斜表面，隨后將直壁高度成形出來，形成如圖3c所示的輪廓。同樣根據設定的多道次成形工具頭運動路徑及加工軌跡，按照上下交替往復成形（即奇數道次自上而下成形，偶數道次自下而上成形）的順序進行下去，直至最后成形出直壁方盒形制件。

2）方案2：自上而下成形。成形工具頭路徑同樣也是一條直線，設定每一層加工軌跡與上一層加工軌跡平行，且每一次成形的直壁高度與工具頭下降距離相同。第1道次成形試驗中，以滿足多次成形后成形出的直壁方形盒制件不破裂為條件，計算出支撐模型與板料之間的夾角，并以此角為成形角，驅動成形工具頭自上而下成形出錐臺殼制件，使其斜表面平直。第2道次成形試驗中，驅動成形工具頭沿軸向下移動一個距離，重復一次該層加工路徑，在錐臺殼制件的斜表面成形出一段高度為的直壁，根據設定的多道次工具路徑及加工軌跡，成形自上而下反復進行下去，直至最后成形出直壁方盒形制件。

圖3 平行直線路徑數控漸進成形示意圖

3 結果與分析

采用厚度為0.8 mm的TB8鈦合金裁剪出尺寸為220 mm×220 mm的正方形板料，TB8鈦合金是新型亞穩態β鈦合金，具有高比強度、高抗氧化和抗疲勞性等特點，常用于制造有溫度要求的飛機結構件、蜂窩和緊固件等[15]。使用直徑為14 mm的成形工具頭，成形時進給速度設定為1 600 mm/min，單層下壓量Δ設定為0.5 mm。在板材和成形工具頭的接觸面上涂抹潤滑油。按照預先設計的2種成形工具頭路徑方案，生成不同加工軌跡的G代碼，分別在數控機床上進行正漸進成形，加工出如圖4所示的制件。圖4a和4b分別為方案1、方案2加工出的直壁方形盒制件。

圖4 2種方案下的數控漸進成形加工的直壁方形盒制件

為比較2種方案的成形制件在=0截面上的厚度，使用高度儀來進行測量，以成形制件頂部為起點，沿軸負向以2 mm為一個間距，依次標注15個測量點，然后沿=0截面對成形制件進行線切割，線切割后的直壁件如圖5所示。由圖5可以直觀看出，采用方案1成形路徑的TB8鈦合金直壁制件翹曲程度遠遠小于方案2的TB8鈦合金直壁制件的翹曲程度，這是由于上下往復交替成形軌跡可以在一定程度上抵消前一道次造成的翹曲，而自上而下成形軌跡每一道次都會產生制件口部翹曲，而每一道次產生的翹曲不斷累積就會產生如圖5b所示的嚴重翹曲。

使用厚度儀測量各個標注點的厚度，為了減小誤差，采用多次測量取平均值的方法，將成形制件在=0截面測量的厚度數據，以距離頂部尺寸為橫坐標、壁厚為縱坐標，在Origin中作出如圖6所示的成形件厚度對比曲線。

圖5 2種方案下線切割后的直壁制件尺寸測量

對圖6進行分析發現，采用方案1成形出來的制件有一段壁厚增大的區域，這是由于成形工具頭自下而上運動造成一部分材料向上轉移而堆積，從而使該部分直壁增厚；采用方案2成形出來的制件，壁厚先減小后增大，這是因為自上而下的成形方式會使工件的變形集中在側壁，導致側壁過度減薄，但是自上而下成形方式使材料不斷向下轉移，導致制件底部材料不斷堆積，從而使該部分壁厚增大。從圖6可以看出，利用方案1加工出來的成形件厚度為0.459～ 0.862 mm，整體的厚度差為0.403 mm，最大減薄率為42.6%；而利用方案2加工出的成形件厚度為0.275～0.782 mm，整體的厚度差為0.507 mm，最大減薄率為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為均勻，而且整體厚度更大，減薄率更小，同時從圖形形狀可以看出，由此方法成形出來的制件壁厚不再符合正弦定律。

圖6 2種方案下的方形盒直壁部分壁厚分布對比

4 結論

1）上下交替往復成形軌跡的成形方法能夠有效減輕制件口部的翹曲程度、減輕直壁成形制件厚度減薄程度，使直壁成形制件厚度差減小、厚度分布更加均勻、整體減薄率更小。

2）采用上下交替往復成形軌跡的成形方法成形出來的制件壁厚可以突破正弦定律的限制。

3）經上下交替往復成形軌跡的成形方法制得的TB8鈦合金直壁方形盒的最大減薄率為42.6%，經自上而下成形軌跡的成形方法制得的TB8鈦合金直壁方形盒的最大減薄率為65.6%。

[1] PARK J J, KIM Y H. Fundamental Studies on the Incremental Sheet Metal Forming Technique[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2003, 140(1/2/3): 447-453.

[2] SILVA M B, SKJOEDT M, MARTINS P A F, et al. Revisiting the Fundamentals of Single Point Incremental Forming by Means of Membrane Analysis[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, 48(1): 73-83.

[3] MARTINS P A F, BAY N, SKJOEDT M, et al. Theory of Single Point Incremental Forming[J]. CIRP Annals- Manufacturing Technology, 2008, 57(1): 247-252.

[4] 高錦張. 板料數控漸進成形技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011: 1-4.

GAO Jin-zhang. Sheet Metal Numerical Control Asymptotic Forming Technology[M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2011: 1-4.

[5] GATEA S, OU Hen-gan, MCCARTNEY G. Review on the Influence of Process Parameters in Incremental Sheet Forming[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 87(1/2/3/4): 479-499.

[6] SKJOEDT M, BAY N, ENDELT B, et al. Multi Stage Strategies for Single Point Incremental Forming of a Cup[J]. International Journal of Material Forming, 2008, 1(1): 1199-1202.

[7] 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.

[8] KITAZAWA K, NAKAJIMA A. A Method for Producing Aluminum Cylindrical Shell Having Uniform Wall- Thickness by CNC Incremental Forming Process[J]. Journal of Japan Institute of Light Metals, 1997, 47(7): 378-384.

[9] KITAZAWA K, NAKAJIMA A. Rupture Phenomena in Cylindrical Incremental Drawing of Aluminum Sheets[J]. Journal of Japan Institute of Light Metals, 1999, 49(2): 72-76.

[10] 周六如. 板料數控漸進成形變形區厚度變化規律的研究[J]. 機械工程學報, 2011, 47(18): 50-54.

ZHOU Liu-ru. Research on the Thickness Change Laws in Numerical Control Incremental Sheet Forming[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(18): 50-54.

[11] 周六如, 肖祥芷, 莫健華. 金屬直壁筒形件數控漸進成形工藝研究[J]. 機械科學與技術, 2004, 23(11): 1366-1369.

ZHOU Liu-ru, XIAO Xiang-zhi, MO Jian-hua. A Study of NC Incremental Vertical Wall Cylinder Forming Process[J]. Mechanical Science and Technology, 2004, 23(11): 1366-1369.

[12] AWANKAR G, RATHI M, BRAHMAGIRI A. Experimental Investigation of Thickness Distribution in Incremental Sheet Forming for Aluminum[J]. Journal of Material Science and Mechanical Engineering, 2015, 2(12): 31-34.

[13] LI Jun-chao, LI Chong, ZHOU Tong-gui. Thickness Distribution and Mechanical Properties of Sheet Metal Incremental Forming Based on Numerical Simulation[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(S1): 54-60.

[14] 陸文婷, 高錦張, 賈俐俐. 有支撐漸進成形直壁筒形件圓弧路徑研究[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(5): 135-138.

LU Wen-ting, GAO Jin-zhang, JIA Li-li. Study on Arc Paths of Straight Wall Cylinder Parts in Incremental Forming with Supporting[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(5): 135-138.

[15] 史文祥, 章文亮, 陳明和, 等. TB8鈦合金復雜外形槳葉前緣蒙皮多步熱成形工藝研究[J]. 航空制造技術, 2021, 64(8): 84-91.

SHI Wen-xiang, ZHANG Wen-liang, CHEN Ming-he, et al. Research on Multi-Step Hot Forming Process of TB8 Titanium Alloy Leading Edge Skin of Complex Shape Blade[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2021, 64(8): 84-91.

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

航發基金（HFZL2018CXY022）

朱知壽（1966—），男，博士，研究員，主要研究方向為先進成形技術和板料成形性能。

責任編輯：蔣紅晨