Al6063管件漸進成形壁厚減薄率研究

摘 要：基于正交試驗法定量分析某種管件單點漸進成形機對Al6063鋁合金管件的塑性成形工藝；通過有限元軟件ABAQUS仿真，探究各工藝參數對Al6063管件成形后最大減薄率的影響規律，找到最佳工藝參數組合。結果表明：各工藝參數影響順序由大到小依次為徑向進給距離、工具頭半徑、軸向進給距離、摩擦因數。在半徑60 mm、壁厚1 mm的管件尺寸下，最優工藝參數組合為工具頭半徑6 mm、徑向進給量0.5 mm、軸向進給量1.5 mm、摩擦因數0.100。最優工藝參數組合會隨著管件尺寸的改變發生小幅變化。

關鍵詞：管件加工；漸進成形；有限元分析；正交試驗；工藝優化

中圖分類號：TG376.9文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）03-0088-06

Research on Wall Thickness Reduction Rate of Al6063 Tube Progressive Forming

Abstract：Based on the orthogonal test method， the plastic forming of Al6063 aluminum alloy pipe fittings by a single point progressive forming machine for pipe fittings was quantitatively analyzed. Through the finite element software ABAQUS simulation， the influence of various process parameters on the maximum thinning rate of Al6063 pipe fittings after forming was explored， and the best combination of process parameters was found. The results show that the order of influence of the process parameters from the largest to the smallest is radial feed distance， tool head radius， axial feed distance and friction coefficient. With the pipe size of 60 mm radius and 1 mm wall thickness， the optimal combination of process parameters is tool head radius of 6 mm， radial feed distance of 0.5 mm， axial feed distance of 1.5 mm， and friction coefficient of 0.100. The optimal combination of process parameters will change slightly with the change of pipe size.

Keywords：pipe fitting processing; progressive forming; finite element analysis; orthogonal test; process optimization

0 引言

管類零件強度和剛度高，外形對稱美觀，節省材料，其成形加工性好，廣泛應用于航空航天、車輛工程、醫療器械等領域。目前，管類零件傳統的加工方法一般都需要開發許多模具，生產繁瑣，周期長，無法完全適應產品更新換代。漸進成形是一種無模、塑性成形制造工藝，其引入了快速原型制造中的“分層制造思想”［1］，將零件沿高度方向切分為多層二維平面，將三維零件的加工轉變為多個二維形狀的疊加，分層制造每個二維平面應有的形狀。這種加工方式生產周期短，加工成本低，符合當下綠色成本制造理念，能夠滿足市場對產品個性化、多樣化、復雜化的需求。管材漸進成形是通過工具頭擠壓使管壁塑性成形的方法，其具有生產效率高、結構輕量化的特點。然而，在管材的塑性加工中，如果處理不當就會出現許多缺陷。管材塑性加工的主要缺陷如下：管壁過度減薄導致破裂，管壁出現波紋現象、形狀畸變、尺寸偏差。為了消除或減少上述質量缺陷，滿足管件的使用要求，選擇合適的工藝方法和采取必要的工藝措施是非常重要的，各國學者對此展開了研究。

日本學者在管材漸進成形技術方面的研究較為超前，據相關文獻顯示，早在21世紀初，日本學者YOSHIHARA等［2］就通過仿真模擬鎂合金試樣管的旋轉漸進成形，對漸進成形在管件中的應用提供了堅實的理論基礎。在對零件采用漸進成形方式加工時，加工工藝參數對加工質量的影響最為顯著。郝用興、蘇春建等［3-4］以各種金屬材料的板件結構為研究對象，結合有限元仿真分析法，模擬各個工藝參數對成形Mises應力等的影響規律，通過試驗驗證了仿真結果的準確性。不同的加工路徑對成形精度有著不同的影響。劉炫、KWIATKOWSKI 等［5-6］以有限元法模擬仿真數種不同刀具成形路徑，分析各種路徑對工件厚度分布和減薄率的影響并以試驗法驗證最優刀具路徑成形，結果與仿真基本相似。由于成形后零件的應力加大，成形后的回彈問題也是研究漸進成形必須考慮的問題。ANCELLOTTI等［7］利用ABAQUS有限元仿真，以成形角變化率和回彈角度為衡量標準，研究了工藝參數、加工道次對成型件厚度分布、輪廓尺寸精度以及回彈率的影響規律。

與平面漸進成形相比，漸進成形在管類零件上的應用雖然有許多相似之處，但由于管件空心截面的特點，相對難以加工，對工藝方法、工裝結構都有著更高的要求。本文通過ABAQUS有限元仿真軟件，以所設計的一種管類零件漸進加工機［8］加工的Al6063鋁合金管件為研究對象，探究工具頭半徑、工具頭軸向進給量、徑向進給量等對成形管件壁厚減薄率的影響規律，對后期改進管類零件漸進成形機以及最優化參數組合提供理論基礎。

1 實驗原理及方法

1.1 成形過程及其原理

管件單點漸進成形過程原理如圖1所示，主要零件包括管材、工具頭、左夾具、右夾具。其中，左夾具、右夾具用來固定管件，保證管件在成形時不發生位移。工具頭在與管件內壁接觸時沿著管件徑向進給擠壓內壁，使管壁局部形變，徑向進給量為Y，工具頭半徑為R。徑向擠壓完成后工具頭沿著管件周向旋轉360°，使管壁整個圓周形變。而后使工具頭軸向移動至下一個加工位置，再一次徑向進給擠壓內壁，軸向進給量為Z。循環數次，直至管件被加工成目標形狀，整個加工過程模擬圖如圖2所示。

1.2 實驗方法

考慮到影響管壁減薄率的因素有工具頭半徑、徑向進給量、軸向進給量、摩擦因數，設計四因素三水平正交實驗，如表1所示。工具頭半徑在4.0～6.0 mm之間；徑向進給量在0.5～2.5 mm之間；軸向進給量在1.5～3.5 mm之間；摩擦因數在0.100～0.200之間。

選擇成形制件的最大減薄率ψmax作為正交試驗指標，計算公式如下：

式中：t0為成型件壁厚，mm；tmin為成型后最小壁厚，mm。

管件成形前后壁厚示意圖如圖3所示，在后文仿真模擬數據中壁厚以STH代表，單位為mm。

以極差分析法處理正交實驗得出的結果并得到模擬最優參數組合，同時通過物理試驗校核并驗證其準確性。物理試驗裝置為所設計制作的管件漸進成形機，通過PLC控制三軸運動（分別控制進給機構、旋轉機構、位移機構）對管件施加作用力與力矩，從而完成零件加工。

1.3 有限元仿真模型

管件漸進成形數值模擬在ABAQUS軟件中進行，本文的研究對象為外接圓直徑120 mm、長度200 mm、壁厚1 mm的Al6063鋁合金管形件。在ABAQUS有限元仿真中，設置管形件的網格為S4R四邊形單元，尺寸為1.5 mm，將成形管件定位殼體單元，工具頭設置為剛體，采用R3D4網格單元對其進行劃分。

成形模擬過程中，主要成形步驟分為三步：1）成形工具頭在管件內部對其施加成形作用力，使管件產生局部擴徑；2）成形工具頭施加周向力矩，使管件產生周向擴徑；3）成形工具頭回縮后沿管件軸向方向移動至下一個工作位。三步為一個循環，循環數次后完成指定要求。整個成形過程管件均由夾具夾持，所以要限制所有自由度。管件材料為Al6063鋁合金，密度為2 700 kg/m3，彈性模量為69 GPa，泊松比為0.33。

切取小段Al6063鋁合金管進行拉伸試驗，得到其真實應力-應變參數，如表2所示，將此應力-應變參數設定為材料的塑性屬性。

2 結果與討論

2.1 成形工具頭半徑對管件成型區最大減薄率的影響

在管件漸進成形數值模擬中，分別使用4.0 mm、4.5 mm、5.0 mm、5.5 mm、6.0 mm半徑的成形工具頭對管件進行單點漸進成形，將其他工藝參數設置為定值（徑向進給量為1.5 mm、軸向進給量為2.5 mm、摩擦因數為0.200），分析加工工具頭半徑的不同對管件漸進成型區減薄率的影響。不同工具頭半徑下的管件壁厚模擬云圖如圖4所示。圖中STH為當前位置壁厚，將最小壁厚代入式（1）可得（后不贅述）：當工具頭半徑為4.0 mm時，管件成型區最大減薄率為16%；當工具頭半徑為6.0 mm時，管件成型區最大減薄率為13.81%。

2.2 徑向進給量對管件成型區最大減薄率的影響

在管件漸進成形數值模擬中，分別采用0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm的徑向進給量對管件進行單點漸進成形，將其他參數設置為定值（工具頭半徑為5.0 mm、軸向進給量為2.5 mm、摩擦因數為0.200），分析徑向進給量對管件成型區最大減薄率的影響。不同徑向進給量下的管件壁厚模擬云圖如圖5所示。由圖可知，當徑向進給量為0.5 mm時，管件成型區最大減薄率為8.54%；當徑向進給量為2.5 mm時，管件成型區最大減薄率為21.98%。

2.3 軸向進給量對管件成型區最大減薄率的影響

在管件漸進成形數值模擬中，分別采用1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm的軸向進給量使工具頭沿管件軸向方向進給距離對管件進行單點漸進成形，并將其他參數設置為定值（工具頭半徑為5.0 mm、徑向進給量為1.5 mm、摩擦因數為0.200），分析軸向進給量對管件成型區最大減薄率的影響。不同軸向進給量下的管件壁厚模擬云圖如圖6所示。由圖可知，當軸向進給量為1.5 mm時，管件成型區最大減薄率為15.72%；當軸向進給量為3.5 mm時，管件成型區最大減薄率為14.34%；在等加工次數的情況下，軸向進給量越大，管件成型區范圍越大。

2.4 摩擦因數對管件成型區最大減薄率的影響

在管件漸進成形數值模擬中，分別使用0.100、0.125、0.150、0.175、0.200的摩擦因數對管件進行單點漸進成形，將其他參數設置為定值（工具頭半徑為5.0 mm、軸向進給量為2.5 mm、徑向進給量為1.5 mm），分析摩擦因數對管件成型區最大減薄率的影響。不同摩擦因數下的管件壁厚模擬云圖如圖7所示。由圖可知，當摩擦因數為0.100時，管件成型區最大減薄率為15.03%；當摩擦因數為0.200時，管件成型區最大減薄率為15.08%。

2.5 各工藝參數模擬對管件成型區最大減薄率的影響分析

將各不同工藝參數下成形管件的最大減薄率云圖繪制曲線圖，如圖8所示。圖8（a）所示為不同工具頭半徑下管壁最大減薄率曲線。隨著工具頭半徑的增大，管件成型區最大減薄率逐漸減小，管件成型區最大減薄率與工具頭半徑成反比。這是因為隨著工具頭半徑的增大，管件成形時工具頭與管件內壁接觸面積增大，接觸瞬時應變減小，減薄率隨之降低。圖8（b）所示為不同徑向進給量下管壁最大減薄率曲線。隨著徑向進給量的增大，管件成型區最大減薄率線性增加，管件成型區最大減薄率與徑向進給量成正比。徑向進給量越大，管壁成型區局部形變越大，導致管壁厚度不均勻性增加，從而成型區減薄率增大。圖8（c）所示為不同軸向進給量下管壁最大減薄率曲線。隨著軸向進給量的增大，管壁最大減薄率逐漸減小，管件成型區最大減薄率與軸向進給量成反比。這是由于軸向進給量增大時，工具頭軸向加工重疊區域減小，從而導致管壁減薄率減小。同時，過大的軸向進給量會導致加工重疊區域縮減過大，部分管壁沒有被完全加工，使管壁出現波紋現象。圖8（d）所示為不同摩擦因數下管壁最大減薄率曲線。隨著摩擦因數由0.100增大至0.200，管壁最大減薄率圍繞15%附近波動，說明該范圍內摩擦因數過小，改變摩擦因數幾乎不影響管壁減薄率。

工件尺寸的變化對成型區最大減薄率也有影響，這是因為在各工藝參數保持不變的情況下，工件尺寸增大相當于工具頭半徑減小，而工具頭半徑減小會導致減薄率增大。所以工件尺寸與管件成型區最大減薄率成正比。

2.6 正交實驗分析

根據表1中的實驗因子對正交實驗進行設計，統計模擬數據結果如表3所示。

2.7 極差分析

采用極差分析法對表3中的數據進行處理，分析結果如表4所示。極差反映值的變化范圍，極差越大表示該因素對結果的影響越大。因此，極差最大因素即為影響管壁減薄率最主要的因素［9］。由實驗結果得出，對管件漸進成形最大減薄率影響最大的因素為B因素，即工具頭徑向進給量。因素A和因素C（工具頭半徑和軸向進給量）對管件漸進成形最大減薄率影響較小，因素D（摩擦因數）在0.100～0.200之間時，對管件漸進成形最大減薄率幾乎無影響。各工藝參數對管件漸進成形最大減薄率影響順序依次為：B、A、C、D。此外，由極差分析法得到一組最優實驗方案A3B1C3D1。

2.8 物理試驗

以表3為試驗數據同時進行9組物理試驗。由于物理試驗中摩擦因數是很難動態固定的，而摩擦因數對管件漸進成形的影響十分微小，故物理實驗中統一使用乳化潤滑劑，使各對照組的摩擦因數趨于相同。加工完成后選取成型區最后一圈的8個點進行壁厚測量，取其中最小值帶入式（1），得出的數據記為該組最大減薄率，各試驗組最大減薄率如表5所示。

在9組試驗對照組中，第5組與第9組試驗如圖9所示。如圖9（a）所示，第5組出現局部過大變形，使管件出現偏心問題，嚴重影響成形質量，這驗證了徑向距離過大會導致管件壁厚不均勻性增加這一結論。如圖9（b）所示，第9組出現明顯波紋現象，說明過大軸向進給量會導致成形管件出現軸向加工不良現象。

結合上述物理試驗以及極差分析法，將C因素從水平3降至水平2，即適當減小軸向進給量，得到最優方案A3B1C2D1，即工具頭半徑為6.0 mm，徑向進給量為0.5 mm，軸向進給量為1.5 mm，摩擦因數為0.100，將其設為第10組。

將最優方案組（第10組）試驗測量結果與數值模擬對比，如圖10所示，得到成形管件的減薄率偏差值如表6所示。由表6可知模擬實驗與物理試驗的誤差均小于3%，證明仿真與正交實驗具有較高準確性與真實性。

3 結語

本文以Al6063鋁合金管件為研究對象，通過ABAQUS建立單點漸進成形有限元仿真模型，分析了控制單一變量工具頭半徑、徑向與軸向進給量以及摩擦因數對管件成型區最大減薄率的影響，同時通過正交試驗得到最佳工藝參數組合，通過物理試驗優化了最佳工藝組合，驗證了結果數據的真實性，結論如下。

1）管件漸進成形過程中，成型區最大減薄率與工具頭半徑和軸向進給量成反比；與徑向進給量成正比；摩擦因數在0.100～0.200之間對成型區最大減薄率幾乎沒有影響。

2）管件漸進成形過程中，對成型區最大減薄率影響順序由大到小依次為：徑向進給量、工具頭半徑、軸向進給量、摩擦因數。

3）半徑60mm、壁厚1mm的管件尺寸的最優工藝參數組合：工具頭半徑為6.0 mm，徑向進給量為0.5 mm，軸向進給量為1.5 mm，摩擦因數為0.100。由此工藝參數組合制成管件成型區最大減薄率為6.486%。隨著管件尺寸的變化最優工藝參數組合會發生小幅變化。

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