CN110681768B - 一种金属薄壁件形表一体数控渐进成形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属薄壁件及其形表一体数控渐进成形的方法，在数控渐进成形高精度制造金属薄壁件的同时，在一次加工中，在金属薄壁件上制备出纳米梯度结构、表面微沟槽，同时实现形状精度和表面性能的控制。该方法在保证成形件高精度的基础上，提高了其强度硬度、减阻、疲劳寿命、扩散等性能，缩短了制造周期，具有潜在的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属薄壁件形表一体数控渐进成形的方法，属于数控渐进成形领域。
背景技术
获得高精度的同时实现成形件性能的提高是先进塑性成形技术的发展趋势之一，而微观组织和表面形态是影响材料性能的重要因素，因此可通过对成形工艺的控制获得特定的微观组织和表面形态，以满足其特殊的性能要求。例如，纳米梯度结构可提高材料强度硬度、疲劳性能、扩散性能等；表面微沟槽在减阻方面可以发挥重要作用，顺流向的微小结构表面能有效地降低壁面摩阻达8％。
发明内容
一种金属薄壁件形表一体数控渐进成形的方法，是指在数控渐进成形高精度制造金属薄壁件同时，在一次加工中，在其上制备出纳米梯度结构、表面微沟槽，同时实现形状精度和表面性能的控制。金属薄壁件形表一体数控渐进成形的方法，在保证成形件高精度的基础上，提高了其强度硬度、减阻、疲劳寿命、扩散等性能，缩短了制造周期，具有潜在的应用前景。
本发明提供的一种金属薄壁件形表一体数控渐进成形的方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)选择微沟槽：根据金属薄壁件性能要求，通过流体软件进行仿真，选择减阻效果最好的微沟槽形状、尺寸和位置；
2)微沟槽成形仿真：通过有限元软件进行仿真，试验件为金属薄壁件，根据其外形特征分两种情况。情况一，金属薄壁件外形平缓时，在渐进成形工具头部开微沟槽作为模具，尺寸形状与1)中相同，工具挤压材料流入模具形成微沟槽。分析仿真结果，选择尺寸和形状精度最高的工艺参数组合，包括工具微沟槽数量、工具直径、工具速度、压下量、步进距离等；情况二，金属薄壁件外形复杂时，采用头部与1)中相同的工具，工具挤压材料流动形成微沟槽。分析仿真结果，选择尺寸和形状精度最高的工艺参数组合，包括工具速度、压下量、步进距离等；
3)纳米梯度结构试验：试验件为平板，工具轨迹在同一平面上且平行平板，工具碾压材料积累塑性变形使晶粒细化。对试验件进行微观表征，选择最小晶粒尺度达到纳米级的工艺参数组合，包括工具直径、工具速度、步进距离、压下量、加工道次等；
4)数控渐进成形试验：在不同工艺参数组合下，数控渐进成形金属薄壁件，对成形件进行精度测量，选择使形状和尺寸精度最高的工艺参数组合，包括工具直径、工具速度、步进距离等；
5)形表一体数控渐进成形工艺参数选择：采用灰色关联度分析，以宏观成形评价指标(薄壁件形状精度和尺寸精度)、微观纳米梯度结构评价指标(最小晶粒尺寸)为目标，通过标准化处理、关联度分析，将其转化为取最大关联度系数的单目标问题，获得最优工艺参数组合；
6)进行形表一体数控渐进成形：以5)中工艺参数组合进行形表一体数控渐进成形，同时得到纳米梯度结构和薄壁件尺寸外形，然后换用2)中成形工具，并以其中工艺参数成形出设计的微沟槽，获得兼具纳米梯度结构和微沟槽的高精度金属薄壁件。
其中，步骤1)中所述微沟槽形状可为V形、锯齿形、梯形、弧形等，微沟槽特征尺寸(沟槽最大深度和最大宽度)为0.05～1mm；
其中，步骤2)中所述工艺参数范围一般为：工具微沟槽1～10个、工具直径1～20mm、工具速度5000～10000mm/min、压下量0.001～0.1mm、步进距离大于微沟槽宽度；
其中，步骤3)中所述平板件材料、厚度与所金属薄壁件相同，长宽一般为100mm×100mm；
其中，步骤3)中所述工艺参数的一般范围如下：工具直径5～10mm、工具速度1000～10000mm/min、步进距离0.01～3mm、压下量为厚度的0.1％～1％、加工道次1～1000次；
其中，步骤4)中所述工艺参数的一般范围如下：工具直径5-20mm、工具速度5000～10000mm/min、步进距离0.1～10mm；
其中，步骤6)中所述形表一体数控渐进成形采用较厚板料，以补偿压下量引起的误差。
本发明还提供一种金属薄壁件，使用上述方法，在金属薄壁件成形的同时，制备出具有纳米梯度结构和表面微沟槽的高精度金属薄壁件，所述表面微沟槽形状为V形、锯齿形、梯形、弧形，微沟槽特征尺寸为0.05～1mm。
本发明提供的一种金属薄壁件形表一体数控渐进成形的方法能在金属薄壁件成形同时，制备出纳米梯度结构和表面微结构，在保证成形件高精度的基础上，提高了其强度硬度、减阻、疲劳寿命、扩散等性能，实现了形性一体化控制，缩短了制造周期。
附图说明
图1为本发明的形表一体数控渐进成形原理图。
图2为本发明的形表一体数控渐进成形工艺流程图。
图3为本发明的形表一体数控渐进成形的典型件示意图。
图4为本发明的形表一体数控渐进成形典型件的过程示意图。
图中符号说明如下：1.板材；2.开槽工具；3.头部微沟槽相同的工具；4.工具轨迹；5.夹具；6.木质模具。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明提供的一种金属薄壁件形表一体数控渐进成形的方法进行详细说明。
如图1所示，一种金属薄壁件形表一体数控渐进成形的方法原理，是在同一工位上，成形金属薄壁件外形的同时，一方面通过工具外加载荷反复碾压、碾磨或冲击金属表面，在距表面不同深度处积累不同的应变量和应变速率，使材料的单位微观结构(如晶粒大小、位错密度、织构等)在空间上呈梯度变化，从表面到心部由纳米尺寸不断变化到宏观尺寸，产生纳米梯度结构；另一方面通过成形工具开微沟槽或换用头部与微沟槽形状尺寸相同的工具，挤压材料流动形成微沟槽。其中D为工具直径，v是工具速度，L为步进距离，Δh为压下量，工具沿设定轨迹运行一次为1道次。
实施例1：
图3为形表一体数控渐进成形的典型件，材料为厚1.5mm的铝合金AA2024板材。依据图2工艺流程，其形表一体数控渐进成形具体实施步骤如下：
1)选择微沟槽：根据典型件减阻性能要求，通过流体软件FLUENT进行仿真，选择减阻效果最佳的微沟槽为：形状是v形、槽深和槽宽都是50μm，微沟槽外表面在水平投影上的中心线呈直线分布，间隔1mm；
2)微沟槽成形仿真：通过有限元软件ABAQUS进行仿真，以典型件进行试验，此件外形平缓，选择在工具上开槽的方式进行仿真。工具为渐进成形工具，选择尺寸和形状精度最高的工艺参数组合为：工具上开1个微沟槽，尺寸形状与1)中相同，工具直径10mm、工具速度5000mm/min、压下量40μm、步进距离1mm；
3)纳米梯度结构试验：试验件为平板，工具轨迹在同一平面上且平行平板，工具碾压材料积累塑性变形使晶粒细化。对试验件进行微观表征，选择最小晶粒尺度达到纳米级的工艺参数组合为：工具直径8mm、工具速度3000mm/min、步进距离0.5mm、压下量30μm、加工道次10次；
4)数控渐进成形试验：在不同工艺参数组合下，数控渐进成形金属薄壁件，对成形件进行精度测量，选择使形状和尺寸精度最高的工艺参数组合为：工具直径12mm、工具速度8000mm/min、步进距离0.5mm；
5)形表一体数控渐进成形工艺参数选择：采用灰色关联度分析，以宏观成形评价指标(薄壁件形状精度和尺寸精度)、介观表面微沟槽评价指标(微沟槽形状精度、尺寸精度和位置精度)、微观纳米梯度结构评价指标(最小晶粒尺寸)为目标，通过标准化处理、关联度分析，将其转化为取最大关联度系数的单目标问题，获得最优工艺参数组合为：工具上开1个微沟槽，尺寸形状与1)中相同，工具直径10mm、工具速度5000mm/min、步进距离0.8mm、压下量35μm、加工道次10次；
6)进行形表一体数控渐进成形：以5)中工艺参数组合进行形表一体数控渐进成形，同时得到纳米梯度结构和薄壁件尺寸外形，然后换用2)中成形工具，并以其中工艺参数成形出设计的微沟槽，获得了兼具纳米梯度结构和微沟槽的高精度金属薄壁件。
以上仅为本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种金属薄壁件形表一体数控渐进成形的方法，其包括按顺序进行的下列步骤：
1)选择微沟槽，根据金属薄壁件性能要求，通过流体软件进行仿真，选择减阻效果最好的微沟槽形状、尺寸和位置；
2)微沟槽成形仿真，通过有限元软件进行仿真，试验件为金属薄壁件，选取渐进成形工具，分析仿真结果，选择尺寸和形状精度最好的工艺参数；
3)纳米梯度结构试验，选择最小晶粒尺度达到纳米级的工艺参数组合；
4)数控渐进成形试验，选择使形状和尺寸精度最高的工艺参数组合；
5)形表一体数控渐进成形工艺参数选择；
6)进行形表一体数控渐进成形，以步骤5)中工艺参数组合进行形表一体数控渐进成形，同时得到纳米梯度结构和薄壁件尺寸外形，然后换用步骤2)中成形工具，并以其中工艺参数成形出设计的微沟槽，获得兼具纳米梯度结构和微沟槽的高精度金属薄壁件；
步骤3)中纳米梯度结构试验，试验件为平板，工具轨迹在同一平面上且平行平板，工具碾压材料积累塑性变形使晶粒细化，对试验件进行微观表征，选择最小晶粒尺度达到纳米级的工艺参数组合，包括工具直径、工具速度、步进距离、压下量、加工道次，步骤3)中所述工艺参数的范围如下：工具直径5～10mm、工具速度1000～10000mm/min、步进距离0.01～3mm、压下量为厚度的0.1％～1％、加工道次1～1000次。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当金属薄壁件外形平缓时，步骤2)中微沟槽成形仿真时，在渐进成形工具头部开微沟槽作为模具，尺寸形状与步骤1)中选择的微沟槽相同，工具挤压材料流入模具形成微沟槽，分析仿真结果，选择尺寸和形状精度最高的工艺参数组合，包括工具微沟槽数量、工具直径、工具速度、压下量、步进距离，步骤2)中所述工艺参数范围为：工具微沟槽1～10个、工具直径1～20mm、工具速度5000～10000mm/min、压下量0.001～0.1mm、步进距离大于微沟槽宽度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)中数控渐进成形试验：在不同工艺参数组合下，数控渐进成形金属薄壁件，对成形件进行精度测量，选择使形状和尺寸精度最高的工艺参数组合，包括工具直径、工具速度、步进距离，步骤4)中所述工艺参数的范围如下：工具直径5-20mm、工具速度5000～10000mm/min、步进距离0.1～10mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)中形表一体数控渐进成形工艺参数选择：采用灰色关联度分析，以薄壁件形状精度和尺寸精度，微沟槽形状精度、尺寸精度和位置精度，微观纳米梯度结构评价指标最小晶粒尺寸为目标，通过标准化处理、关联度分析，将其转化为取最大关联度系数的单目标问题，获得最优工艺参数组合，步骤5)中最优工艺参数组合为：工具上开1个微沟槽，微沟槽的尺寸、形状与步骤1)中相同，工具直径10mm、工具速度5000mm/min、步进距离0.8mm、压下量35μm、加工道次10次。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述微沟槽形状为V形、锯齿形、梯形或弧形，微沟槽特征尺寸为0.05～1mm；步骤3)中平板试验件材料厚度与所述金属薄壁件相同，长宽为100mm×100mm。
6.一种金属薄壁件，其特征在于，使用权利要求1-5任一项的方法制备，在金属薄壁件成形的同时，制备出具有纳米梯度结构和表面微沟槽的高精度金属薄壁件。
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