CN113857342B - 一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，1)建立待成形零件的三维几何模型，确定目标几何形状的成形角α_d、成形高度h_d、顶边尺寸l_d、选定板材厚度t₀及成形工具头尺寸r_tool；2)根据解析模型计算最佳反向偏置补偿距离d和中间构型的成形角α_i，并获取中间构型的成形深度h_i和中间构型的顶边长度尺寸l_i；3)根据α_i、h_i、d和l_i生成运动轨迹，完成中间成形道次，成形出中间构型；4)根据α_d、h_d和l_d，在中间构型外侧利用成形工具头反向运动成形出目标轮廓部件。与现有技术相比，本发明最大程度降低了薄壁件厚向晶粒梯度，均匀化薄壁件细小的等轴晶粒分布，进一步提高了薄壁成形件的强度，改善了变形承载能力和稳定性。

Description

一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法

技术领域

本发明涉及金属材料塑性成形工艺技术领域，尤其是涉及一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法。

背景技术

搅拌摩擦渐进成形工艺是一种具有独特优势和应用前景的板材成形工艺，它一方面提高了板材成形温度改善了板材成形性，并且热变形诱发动态再结晶；另一方面，它不需要额外的加热设备，不牺牲工艺柔性，简化了设备复杂性，节约了设备成本。良好的晶粒组织分布对薄壁成形件的性能有重要影响，不合理的微观组织会弱化成形件的性能。研究表明：在搅拌摩擦渐进成形工艺中，通过选择合理的参数组合，诱发动态再结晶，可以细化晶粒，产生等轴晶粒，提高薄壁件的性能。Zhan等人(Dynamic recrystallization andsolute precipitation during friction stir assisted incremental forming ofAA2024 sheet.Materials Characterization 2021,174:111046)通过高转速搅拌摩擦渐进成形提高了成形温度，促使动态再结晶发生，形成细小的等轴晶及高角晶界，晶粒尺寸明显减小，提高了成形件的抗拉强度、屈服强度，改善了断裂韧性。

然而，研究表明：常规的单道次渐进成形由于局部弯曲使得板材厚向变形不均匀，产生变形梯度。动态再结晶与温度和变形量直接相关，在温度等同时，变形梯度使得动态再结晶晶粒不均匀，存在厚向晶粒梯度，弱化了均匀变形能力，容易导致失稳。Mirnia等人(Ductile damage and deformation mechanics in multistage single pointincremental forming.International Journal of Mechanical Sciences 2018,136:396-412)发现板材外侧的变形要比接触内侧大；Zhan等人(Investigations on failure-to-fracture mechanism and prediction of forming limit for aluminum alloyincremental forming process.Journal of Materials Processing Technology 2020,282:116687)阐明厚向各层的应变是不一致的，存在厚向应变梯度，并且逐渐增大。Gupta等人(Effect of temperatures during forming in single point incrementalforming.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2018,95:3693-3706)揭示了搅拌摩擦渐进成形后接触内侧是细小的等轴晶区，外侧是拉长的条状晶粒，动态再结晶改变了晶粒分布特征。

综合以上研究表明，搅拌摩擦渐进成形产生细小的等轴晶及高角晶界对薄壁件的性能很重要。然而，常规的搅拌摩擦渐进成形厚向晶粒分布不均匀，晶粒梯度明显存在，因而，开发一种新颖的搅拌摩擦渐进成形工艺策略，降低晶粒梯度，优化晶粒分布，进一步提高薄壁成形件的性能，是很有实际意义的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，该方法首先建立待成形零件的三维几何模型，确定目标几何形状的成形角α_d、成形高度h_d、顶边尺寸l_d，以及选定板材厚度t₀、工具头尺寸r_tool；随后，根据解析模型计算得到最佳反向偏置补偿距离d和中间构型的成形角α_i，由此得到中间构型的成形深度h_i和中间构型的顶边长度尺寸l_i；根据α_i、h_i、d和l_i，生成运动轨迹，完成中间成形道次，成形出中间构型。最后，根据目标形状的成形角α_d、成形高度h_d和顶边尺寸l_d，在中间构型外侧，成形工具反向运动成形出目标轮廓部件。本发明利用正向中间道次成形出中间轮廓，是为了预留反向道次的补偿变形，而采用反向道次是为了增加不均匀接触层的应变量，使得整个厚向层应变梯度最小化，同时保持温度相同，可以均匀化厚向晶粒分布。在正向中间道次和反向第二道次阶段，转速、步进下压量、进给量等工艺参数及设备是相同的，可保证两个道次温度一致。

所述的最佳反向偏置补偿距离d的计算包括以下步骤：

S1：根据余弦法则和体积守恒法则，确定中间道次变形板材厚度t_i、反向第二道次变形板材厚度t_d：

t_i＝t₀cosα_i

t_d＝t₀cosα_icos(α_d-α_i)

S2：渐进成形等效应变解析公式如下：

式中，r为指定位置到曲率中心的径向距离，t_b为成形道次开始时板材厚度；当r＝r_tool，

为工具头接触侧等效应变；当r＝r_tool+t，

为工具头非接触侧等效应变。将S1得到的中间道次变形板材厚度t_i、反向第二道次变形板材厚度t_d分别代入上式中的t，即可分别获取中间道次、反向第二道次到工具头曲率中心距离为r值的板材变形位置的等效应变。

根据以上公式，成形件轮廓内侧在中间成形道次和反向第二道次的等效应变总量

如下：

成形件轮廓外侧的等效应变总量

如下：

进而得到轮廓内侧到外侧厚向应变梯度表达式为：

式中，

为中间道次和反向第二道次时轮廓外侧的等效应变总和，

为中间道次和反向第二道次轮廓内侧的等效应变总和。

当应变梯度

最小化时，反向确定α_i。

S3：由微单元的热量公式，按照两道次总热量相等，可推导得到微单元的体积恒定，当反向第二道次的接触角φ与中间构型的成形角α_i相等时，则两道次的成形温度可等同。

S4：根据反向第二道次接触变形微单元体的几何关系，可初步推导得到反向偏置补偿值d的表达式：

将S2中反向确定的α_i，以及S3中的反向第二道次的接触角φ代入到上述d的计算公式中，可得到d的最终表达式为：

所述的中间构型的成形深度h_i的表达式如下：

h_i＝h_d+d

所述的中间构型的顶边长度尺寸l_i的表达式如下：

本发明提供的提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)本发明在中间构型外侧，利用成形工具反向运动成形出最终目标轮廓部件，通过正向中间道次成形出中间轮廓，可预留反向道次的补偿变形，而通过反向道次可增加不均匀接触层的应变量，使得整个厚向层应变梯度最小化，同时保持温度相同，内侧与外侧的再结晶差异最小，可以均匀化厚向晶粒分布，解决了常规搅拌摩擦渐进成形薄壁件厚向晶粒梯度过大、弱化稳定性的问题，实现厚向均匀的细小等轴晶粒，优化了成形件晶粒分布，进一步提高了成形件的强度，改善了成形件的承载能力和变形稳定性，满足薄壁成形件微观质量要求。

2)本发明在正向中间道次和反向第二道次成形阶段，转速、步进下压量、进给量等工艺参数及设备是相同的，可进一步保证两个道次温度一致，有利于提高成形件的承载能力和变形稳定性。

附图说明

图1为实施例中正向中间成形道次示意图；

图2为实施例中反向第二成形道次示意图；

图3为实施例中正向中间道次微单元变形力学分析；

图4为实施例中反向第二道次微单元变形力学分析；

图5为实施例中提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法的流程示意图；

图中标号所示：

1、夹具；2、背板；3、球头工具；4、中间构型；5、目标构型；6、初始板材。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，该方法提供一种对均匀薄壁件厚向晶粒分布进行的正反两道次最佳补偿搅拌摩擦渐进成形工艺，如图5所示，具体步骤如下：

首先，确定目标成形零件轮廓的空间三维几何参数，如图1、图2所示，成形设置包括夹具1、背板2、球头工具3、中间构型4、目标构型5、初始板材6。夹具1与背板2之间设有初始板材6，中间构型4是中间道次变形轮廓，目标构型5是反向第二道次的变形轮廓，需要变形的区域上设有成形工具头，即球头工具3，由于渐进成形其特殊的加工方式，成形工具头与板材的接触方式为球面接触，成形工具头(球头工具3)在驱动力的作用下沿着轮廓轨迹对初始板材6进行变形，根据最终成形构型(目标构型5)计算得到中间构型4的几何参数，完成中间成形道次获得中间构型4轮廓，如图1；而后，在中间构型外侧，根据目标构型5的几何参数,工具反向运动成形出目标轮廓部件，如图2。根据预先设计的目标构型几何参数：成形角α_d＝40°，成形高度h_d＝35mm，顶边尺寸l_d为116mm；成形工具头(球头工具3)的半径尺寸为5mm；使用的初始板材厚度t₀(图1中夹具1与背板2之间的厚度)为1mm。

然后，建立渐进成形解析模型，如图3和图4所示，分析中间道次接触微单元变形，确定中间道次需要的变量值α_i、h_i、d、l_i。

其一，最佳反向偏置补偿距离d的计算步骤如下：

S1：如图1和图2所示，按照中间道次变形板材厚度t_i、反向第二道次变形板材厚度t_d的表达式计算两道次变形板材厚度：

t_i＝t₀cosα_i

t_d＝t₀cosα_icos(α_d-α_i)

S2：如图3和图4所示，按照渐进成形等效应变解析公式

分别确定两个道次从轮廓内侧到外侧的等效应变总量，从而得到轮廓内侧到外侧厚向应变梯度

当应变梯度

最小化为0时，得到α_d＝α_i＝40°。

S3：由微单元的热量公式，按照两道次总热量相等，可以确定微单元的体积恒定，当反向第二道次的接触角φ与中间构型的成形角α_i相等时，即φ＝α_i＝40°，则两道次的成形温度可以等同。

S4：根据反向第二道次变形微单元体的几何关系，得到最佳反向偏置补偿值d：

将S2和S3确定的数值代入到上述d计算公式，得到d＝1.17mm。

其二，按照所述的中间构型成形深度h_i表达式计算h_i＝h_d+d＝36.17mm；其三，按照下式计算中间构型的顶边长度尺寸l_i：

根据中间构型的α_i、h_i、d、l_i，生成运动轨迹，完成中间成形道次。

最后，如图2所示，根据目标几何轮廓的α_d、h_d、l_d，成形工具在中间构型4轮廓外侧反向运动完成第二道次，成形出最终目标轮廓5。在正向中间道次和反向第二道次成形阶段，转速、步进下压量、进给量等工艺参数及设备是相同的。

本实施例对本发明方法与现有单道次搅拌摩擦渐进成形后的晶粒结果进行了比较，如表1所示。

表1两种成形工艺后EBSD表征的晶粒结果比较

通过分析表1的薄壁件晶粒分布结果，得到如下结论：相比较现有单道次搅拌摩擦渐进成形后晶粒梯度差异明显过大，本发明提出的正反两道次最佳补偿搅拌摩擦渐进成形工艺能够保证厚向由内到外各区域晶粒平均尺寸相近，晶粒子午向与厚向尺寸比值降低且相近，细小的等轴晶粒厚向均匀化。

本实施例对现有单道次搅拌摩擦渐进成形工艺以及现有常温渐进成形工艺的性能进行了比较，如下表2所示。

表2几种成形工艺性能比较

通过分析表2几种薄壁件力学性能，得到如下结论：相比较现有的常温渐进成形、单道次搅拌摩擦渐进成形薄壁件，本发明提出的正反两道次最佳补偿搅拌摩擦渐进成形工艺进一步提高了薄壁成形件的抗拉强度，延缓了颈缩发生，改善了变形稳定性，提高了断裂韧性。

本发明在中间构型外侧，利用成形工具反向运动成形出最终目标轮廓部件，通过正向中间道次成形出中间轮廓，可预留反向道次的补偿变形，而通过反向道次可增加不均匀接触层的应变量，使得整个厚向层应变梯度最小化，同时保持温度相同，内侧与外侧的再结晶差异最小，可以均匀化厚向晶粒分布，解决了常规搅拌摩擦渐进成形薄壁件厚向晶粒梯度过大、弱化稳定性的问题，实现厚向均匀的细小等轴晶粒，优化了成形件晶粒分布，进一步提高了成形件的强度，改善了成形件的承载能力和变形稳定性，满足薄壁成形件微观质量要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)建立待成形零件的三维几何模型，确定目标几何形状的成形角α_d、成形高度h_d、顶边尺寸l_d、选定板材的厚度t₀以及成形工具头尺寸r_tool；

2)根据解析模型计算最佳反向偏置补偿距离d和中间构型的成形角α_i，并获取中间构型的成形深度h_i和中间构型的顶边长度尺寸l_i；

3)根据中间构型的成形角α_i、中间构型的成形深度h_i、最佳反向偏置补偿距离d和中间构型的顶边长度尺寸l_i，生成运动轨迹，完成中间成形道次，成形出中间构型；

4)根据目标几何形状的成形角α_d、成形高度h_d和顶边尺寸l_d，在中间构型外侧，利用成形工具头反向运动成形出目标轮廓部件。

2.根据权利要求1所述的提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，所述最佳反向偏置补偿距离d的计算步骤包括：

a1)根据余弦法则和体积守恒法则，确定中间道次变形板材厚度t_i和反向第二道次变形板材厚度t_d；

t_i＝t₀cosα_i

t_d＝t₀cosα_icos(α_d-α_i)

a2)根据渐进成形等效应变解析公式分别推导中间道次、反向第二道次距离工具头曲率中心径向距离为r的变形位置的等效应变，进而获取两个道次轮廓内侧到外侧厚向应变梯度；当轮廓内侧到外侧厚向应变梯度最小化时，反向确定中间构型的成形角α_i；

a3)基于微单元的热量公式，设定两道次总热量相等，获取微单元的体积恒定，当反向第二道次的接触角φ与中间构型的成形角α_i相等时，则两道次的成形温度等同；

a4)根据反向第二道次接触变形微单元体的几何关系，获取反向偏置补偿值；

a5)将步骤a2)中反向确定的中间构型的成形角α_i，以及步骤a3)中的反向第二道次的接触角φ代入到反向偏置补偿值d的计算公式中，获取反向偏置补偿值d。

3.根据权利要求2所述的提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，步骤a2)中，中间道次、反向第二道次距离工具头曲率中心径向距离为r的变形位置的等效应变按下述公式获取：

式中，r为指定位置到工具头曲率中心的径向距离，t_b为成形道次开始时板材厚度，t为步骤a1)得到的中间道次变形板材厚度t_i或反向第二道次变形板材厚度t_d。

4.根据权利要求3所述的提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，步骤a2)中，两个道次轮廓内侧到外侧厚向应变梯度

的表达式为：

式中，

为成形件轮廓内侧在中间成形道次和反向第二道次的等效应变总量，

为成形件轮廓外侧的等效应变总量。

5.根据权利要求2所述的提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，反向偏置补偿值的表达式为：

6.根据权利要求5所述的提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，将步骤a2)中反向确定的中间构型的成形角α_i，以及步骤a3)中的反向第二道次的接触角φ代入到反向偏置补偿值d的计算公式中后，最佳反向偏置补偿距离d的表达式为：

7.根据权利要求1所述的提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，在正向中间道次和反向第二道次成形阶段，各工艺参数及设备均相同。

8.根据权利要求5所述的提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，中间构型成形深度h_i的计算式为：

h_i＝h_d+d

式中，d为最佳反向偏置补偿距离。

9.根据权利要求5所述的提高薄壁成形件搅拌摩擦渐进成形性能的方法，其特征在于，中间构型的顶边长度尺寸l_i的计算式为：

式中，α_i为反向确定的中间构型的成形角，d为最佳反向偏置补偿距离。

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