复杂曲面钢板复合成形加工工艺研究

魏 波， 阎汉生， 徐勇军， 丘永亮

（广东工贸职业技术学院机电工程学院， 广东广州 510510）

0 引言

船舶、飞机、汽车等行业发展非常迅速，并且产品更新换代速度也越来越快。在这种情况下，对于板料弯曲成形的需求也越来越多。 而复杂曲面钢板复合成形对于传统的成形工艺带来了巨大的挑战。 接下来就对复杂曲面钢板复合成形加工工艺进行了综述。

1 热辅助单点渐进成形技术

热辅助渐进成形工艺适用于室温下整体延性较差的成形材料。轻质镁合金和钛合金通过增加形成温度，可以激活韧性面，使这些合金具有更好的延性。除了镁合金和钛合金外，高强度铝合金、5182-O alloy 或低碳合金钢（如DC04）也都是应用广泛的热辅助渐进成形材料。 此外，在高温下成形也会使回弹和成形力的降低， 可以一定程度上提高板材的成形极限。

在热辅助渐进成形技术的发展中， 对成形板材加热基本上可以分为两种策略：局部加热和全局加热。

1.1 局部加热

Kim 等研究了通过移动几个卤素灯来对0.8mm 厚AZ31 片进行局部加热。 研究表明，将温度提高到250℃左右可以略微改善成形性。 但是，由于所用的卤素热源，在刀架接触区以外的位置存在一定的热量， 加热不是完全局部化的。

Palumbo 等[1]结合静态加热和刀具高速旋转摩擦来加热工件，尝试加工1mm 厚的5 级钛板，成功制成一个有比例的汽车门壳。 整个板材使用电子带加热器被加热到大约150℃的温度（中心位置），成形工具头在800～1600rpm范围内旋转，导致温度分别进一步上升约100℃和180℃，产生了局部加热效果。由于刀具触头与工件之间的摩擦，刀具磨损会对工件表面粗糙度产生负面影响。此外，由于带式加热器的位置影响，使整个薄片产生不均匀的温度分布。

Duflou 等[2]介绍了激光辅助单点渐进成形（LASPIF）工艺。激光辅助加热在冲压位置生成合适的动态温度场，以优化单点渐进成形过程。 如图1（a）所示的激光辅助单点渐进成形设备示意图， 激光加热头在工具接触区域的附近区域内加热零件， 并且可以动态地跟踪成形工具的运动。 通过激光辅助单点渐进成形AA5182 合金过程中使切削力减小高达50%，并且钛板（5 级钛板，0.6 mm 和65 Cr2 钛板，0.5 mm）的最大成形角度由室温成形条件下的32°、57°显著提高到56°、64°， 同时通过减少回弹提高了精度， 这是由于局部加热产生的强大动态温度梯度的优势。该系统引入以来，Mohammadi 等建立了三维瞬态传热模型，确定了加热过程的最佳工艺参数，数值仿真结果通过平台上的红外摄像机系统获得的测量温度场进行了验证。

亚琛工业大学报道了另一项利用激光辅助在渐进成形中产生局部温度场的研究[3]。此设备激光作用在成形工具的同一边， 在与成形工具一定距离处对板材进行照射（图1（b）所示）。激光束被一个专用的激光光学设备引导，它允许使用镜子或棱镜旋转激光焦点。 通过使用此激光辅助单点渐进成形系统， 发现当加热温度达到400℃，可明显提高1.5 mm 厚5 级钛板的成形性。

图1 激光辅助加热渐进成形[2，3]Fig.1 Laser heating assisted incremental forming

电加热辅助渐进成形（EHIF）提供了另一种局部加热方法。 根据电阻加热定律，当电流从主轴通过板材时，对板材产生局部加热效果，设备示意图见图2。Fan 等[4]研究了不同工艺参数对1mm 厚度AZ31 成形性增强程度的影响， 得到电辅助加热下该材料最大成形角约为64°。Ambrogio 等研究发现电加热辅助单点渐进成形工艺可增强AA2024-T3 和5 级钛板的成形性，两种板材的最大可实现成形角分别为40°和45°，而室温条件下只能达到约30°和20°。 AZ31B-O 板的最大成形角为60°。

图2 电阻辅助加热渐进成形[4]Fig.2 Resistance assisted heating incremental forming

1.2 全局加热

Ji 和Park 通过平面应变拉伸和轴对称拉伸试验研究了0.5mm 厚AZ31 板材渐进成形的高温成形性。 通过热吹风机在全局范围内对板材进行加热， 研究发现在加热150℃以上可显著提高板材的成形性。 此外，通过使用多级成形路径策略和热渐进成形方法的组合，在加热150℃时获得最大成形角为59°。Ambrogio 等[5]研究了1mm 厚度AZ31-O 板材在加热条件下的加工性能。 研究过程中，金属板被放置在模具周围的加热带来加热， 与比例积分微分控制器相连的三个热电偶保证了整个成形过程的温度恒定。 试验结果表明，加热300℃时最大成形角可达60°。此外， 利用响应面分析法发现成形温度是成形极限的重要因素。

Galdos 等[6]提出了一种采用热流体作为加热介质对AZ31B 镁合金进行全局加热的热辅助渐进成形方法。 用于加热的热油可以达到约300℃的温度，并通过介质热传递效应间接加热金属板。 在250℃时，通过对热辅助的单点渐进成形零件的微观结构研究， 发现材料产生了完全的再结晶现象，在250℃加热温度下可以达到最大成形角为60°。

为了进一步研究热辅助技术对单点渐进成形工艺性能的影响， 开发适合于热应力应变场分析的优化有限元模型是非常重要的。但是，热辅助单点成形的仿真模拟要比室温条件下复杂得多， 需要进行顺序耦合或完全耦合的热应力有限元分析， 并且模型还需要考虑应变速率和温度对材料参数的影响。 Mohammadi 等通过使用瞬态传热分析建立热模型，确定了合适的局部加热参数，建立了热-力有限元模型来模拟热辅助单点渐进成形过程。

2 外载荷辅助的激光弯曲成形

激光弯曲存在一定的局限性。首先，每次扫描的塑性变形很小，对厚板很难弯曲；其次，板弯曲方向难以控制。为了解决这些问题， 许多学者提出了预载荷激光弯曲金属板的方法。Xu 等[7]首先使金属板在弹性范围内被夹具弯曲产生弹性变形， 然后用激光扫描金属板弹性应变能集中区域。扫描结束后，直到扫描区域冷却到室温之后金属板才被卸载，如图3（a）所示。

Guan 等[8-9]对外载荷辅助的激光弯曲模型进行了仿真模拟。实验结果表明，该方法可以大大提高板材的弯曲塑性变形。与传统弯曲工艺相比，该工艺还具有成形精度高、柔性高、避免塑性失稳等优点。 它为金属板材的弯曲提供了一种新的方法， 也解决了结构复杂整体板零件或钛合金板材等特殊材料的弯曲问题。Yao 等[10]模拟了悬臂激光弯曲板成形过程， 指出纯压缩和纯弯曲 （向激光方向）会增加弯曲角度，而纯拉伸和纯弯曲（远离激光方向）会降低弯曲角度。

Liu 等发现，变形方向可以通过改变预紧力的方向和数值来控制。 随着预紧力的增大， 板的弯曲角度明显增大。研究结果表明，适当的预紧力可使边缘效应降低80%左右。 三点弯曲和水平挤压弯曲预弯曲方式的激光弯曲也进行了研究。 张永春[11]以钛合金Ti-5Al-2.5Sn 薄板为研究对象，进行了预载荷下激光弯曲的可行性试验。结果表明，当预载荷越大或扫描速度越小时，弯曲角度越大，试件在完全弹性弯曲状态下和非完全弹性弯曲状态下得到弯曲角度相差28°，如图3（b）所示。 Gisario 等[12]采用外力激光辅助弯曲的方法， 不同实验条件下可以把钛合金板的弯曲角度弯曲到80°～140°左右， 铝板的弯曲角度为90°～140°左右，AISI 304 不锈钢板的弯曲角度为70°～140°左右； 并且成功得到了复杂的飞机形状和立方体形状。Roohi 等[13]对V 形金属板的预加载与没有预加载情况下激光弯曲进行了比较。发现随着激光束的扫描加热，增加预加载可以导致最终变形的增加， 经过多次扫描成形厚度为5mm 的Al-5005 合金可以获得90°弯曲角。

图3 外载荷辅助的激光弯曲成形Fig.3 External loading assisted laser bending forming

3 结论

上述研究得到了热辅助技术对单点渐进成形工艺性能的正面影响。 但是，上述加热方式仅适合于薄板成形，所以开发适合厚板加热的方法对渐进弯曲成形至关重要。此外为了获得可靠和可重复的热辅助成形结果，开发精确的温度测量装置和控制系统也非常关键。然而，由于热源的移动和安装温度传感器的复杂性， 上述的热辅助成形过程大多数缺乏准确的温度测量。 金属板在成形过程中必须用定制的装置夹紧，这增加了成本，限制了复杂金属成形的应用。因此，开发无模热辅助渐进弯曲工艺对于实现复杂大曲率的金属板材是非常必要的。