基于随动支撑的板料渐进成形数值模拟.pdf
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1、第 15 卷 第 10 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 10 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 111 收稿日期:2023-06-15 Received:2023-06-15 基金项目:山东省重点研发计划(2019GGX102023)Fund:Key R&D Plan of Shandong Province(2019GGX102023)引文格式:张泽昊,王进.基于随动支撑的板料渐进成形数值模拟J.精密成形工程,2023,15(10):111-120.ZHANG Ze-hao,WANG Jin.Numerical Simulation
2、 of Incremental Sheet Forming Based on Follower SupportJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(10):111-120.基于随动支撑的板料渐进成形数值模拟 张泽昊,王进*(青岛理工大学 机械与汽车工程学院,山东 青岛 266000)摘要:目的目的 提出了基于随动支撑的板料渐进成形方法,研究基于随动支撑的渐进成形在刀具与随动板之间距离不同时成形精度、厚度、轴向力、等效应变和等效应力的变化情况。方法方法 通过对厚度为 1 mm 的 6061铝合金板料分别进行普通渐进成形数值模拟、刀具与
3、随动支撑板距离为 1 mm 和 0.8 mm 的随动支撑渐进成形数值模拟,分析了板料在成形过程中成形精度、厚度、轴向力和等效应变的变化情况,并将普通渐进成形数值模拟的结果与刀具和随动支撑板距离为 1 mm 和 0.8 mm 的基于随动支撑渐进成形数值模拟结果进行对比分析。结果结果 与普通渐进成形相比,随动支撑渐进成形能够提升成形精度,但当刀具与随动板之间的距离较小时,成形精度较差;随动支撑渐进成形板料侧壁厚度更薄,轴向力的数值及波动范围都更大,且随着刀具与随动支撑板之间距离的减小而增大。此外,当刀具与随动支撑板之间的距离为 0.8 mm 时,随动支撑渐进成形板料的等效应变会明显增大。结论结论
4、基于随动支撑的板料渐进成形在一定程度上可以提高板料成形精度。关键词:渐进成形;随动支撑;6061 铝合金;数值模拟;对比分析 DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.013 中图分类号:TG306;TB331 文献标识码:A 文章编号:1674-6457(2023)10-0111-09 Numerical Simulation of Incremental Sheet Forming Based on Follower Support ZHANG Ze-hao,WANG Jin*(School of Mechanical and Automotive Engi
5、neering,Qingdao University of Technology,Shandong Qingdao 266000,China)ABSTRACT:The work aims to propose an incremental sheet forming method based on the follower support,study the varia-tion of forming accuracy,thickness,axial force,effective strain and equivalent stress of incremental sheet formin
6、g based on fol-lower support at different distances between the tool and the follower plate.Numerical simulation of normal incremental form-ing,numerical simulation of incremental sheet forming based on the follower support with 1 mm and 0.8 mm clearance between the tool and the follower support pla
7、te were carried out for 6061 aluminium alloy sheets with a thickness of 1 mm,respectively.The changes in forming accuracy,thickness,axial force and effective strain of the sheet during the forming process were ana-lyzed,and the results of the numerical simulation of normal incremental forming and th
8、e numerical simulation of incremental sheet forming based on the follower support with a clearance between the tool and the follower support plate of 1 mm and 0.8 mm were compared and analyzed.The results of the comparative analysis showed that,compared with the normal incremental sheet forming,the
9、following support incremental sheet forming could improve the forming accuracy,but when the distance be-tween the tool and the following plate was small,the forming accuracy was worse;the side wall thickness of the following sup-112 精 密 成 形 工 程 2023 年 10 月 port incremental forming sheet was thinner,
10、and the axial force in forming was larger in value and the fluctuation range was lar-ger than that of the normal single-point incremental sheet forming,and it increased with the decrease of the distance between the tool and the following support plate.In addition,when the distance between the tool a
11、nd the follower support plate was 0.8 mm,the effective strain of the follower-supported incremental sheet forming of the sheet increased significantly.In conclusion,the incremental sheet forming of sheets based on the follower support can improve the sheet forming accuracy to a certain extent.KEY WO
12、RDS:incremental forming;follower support;6061 aluminum alloy;numerical simulation;contrast analysis 数控渐进成形技术是由日本学者松原茂夫1在19 世纪 90 年代初提出的,该技术是一种采用了分层制造思想2的柔性板料成形工艺,通常分为单点渐进成形工艺和双点渐进成形工艺3,两者区别在于是否需要模具支撑。与传统成形工艺相比,数控渐进成形工艺具有不依赖特定模具、研发周期短及成形性能高等优点,可用于小批量、小规模生产以及设计过程中的试制,近年来在航空航天、汽车制造,医疗健康等行业都有广泛应用。近年来,国内
13、外许多学者对辅助渐进成形技术进行了相关研究。Valoppi 等4研究发现,电热辅助渐进成形能够在降低板料成形载荷的前提下提升板料成形极限。Okoye 等5研究了电磁辅助冲压渐进成形,发现成形极限、表面质量及成形精度都得到了提高。敖冬威6研究发现,随着有效电流密度的增大,加工过程中的变形抗力和回弹减小,这有利于增强材料塑性。郝用兴等7研究了超声辅助渐进成形,发现超声振动可以显著降低成形力。闫飞宇等8研究了辅助工艺孔对渐进成形性能的影响,研究发现,合理设置工艺孔的辅助面能够实现对成形区域的动态补料,提高板材成形性能,改善壁厚分布。李金慧等9研究了超声振动对渐进成形表面性能的影响,研究发现,施加超声
14、振动后,成形件的表面粗糙度明显下降,成形件的硬度大幅提升。史鹏涛10研究了液体介质辅助支撑加热渐进成形,结果表明,液体支撑会使成形力增大、等效应变增大、壁厚变薄、成形精度和性能提高。Zhan等11采用两级搅拌摩擦渐进成形方法提高了成形强度和延展性。Lehtinen 等12通过激光照射提高了板料成形极限和表面粗糙度。Lu 等13通过刀具旋转-振动细化了晶粒、提高了板材硬度。Li 等14通过让电流从板料的一侧流入另一侧,研究了电流对板料温度、粗糙度和刀具损伤的影响。Sharma 等15通过数值模拟对比了超声辅助渐进成形和热渐进成形的成形力和回弹力。Cheng 等16研究发现,成形件厚度随着倾角的减
15、小和高度的增大而增大。Al-obaidi 等17通过感应加热辅助渐进成形,显著降低了成形力。Duflou等18通过激光辅助方法提高了板料的成形性能和成形精度。Liu 等19通过电辅助渐进成形机床开发了新型刀具,提高了成形件的表面粗糙度。Abdelhafeez等20通过对压力辅助渐进成形进行数值模拟,确定了在测试材料和参数范围内材料模型和实验具有较好的一致性。Zhu 等21研究了虚拟辅助板,实现了直臂零件成形。Bao 等22对 AZ31B 镁合金板进行了电脉冲渐进成形研究,发现电磁脉冲渐进成形可以提高板材的成形极限。基于随动支撑的板料渐进成形本质上也采用了分层制造的思想(刀具分层逐点加工)23,
16、与普通单点渐进成形相比,板料底部多了一个支撑板,可以在整个加工过程中为板料底部提供支撑,使板料在成形过程中的破裂极限提高,进而在一定程度上增大了成形精度。与双点渐进成形相比,不需要专用的模具,可以降低设计周期与成本,并且可以通过改变刀具与随动支撑板之间的距离来调整成形件底部的厚度,在成形过程中刀具与随动支撑板之间的距离是可以不断调整的。对于基于随动支撑的板料渐进成形,是在机床的第四轴上安装一个随动支撑板,通过程序控制支撑板上下移动来实现随动支撑,在加工过程中先将板料用压料板压紧,然后使刀具与随动支撑板按照程序预先设好的加工轨迹移动,从而对板料进行加工。1 基于随动支撑的渐进成形设计及原理 本文
17、提出了一种新型的板料渐进成形加工方法:基于随动支撑的板料渐进成形,其原理图如图 1 所示。基于随动支撑的板料渐进成形的主要部件有刀具、压料板、支架和随动支撑板。刀具负责板料的成形工作,可以实现水平径向进给和竖直纵向进给以及水平周向进给。压料板和支架负责在成形加工过程中固定板料,防止板料发生不必要的位移。随动支撑板负责给加工过程中的板料底部提供支撑,可以通过改变随动支撑板与刀具之间的距离,进而研究对成形件壁厚、成形精度、成形力、等效应变以及等效应力的影响。数值模拟采用尺寸为 180 mm180 mm1 mm 的6061 铝合金板,采用 Zlevel 的刀具加工轨迹。为了方便分析与讨论,针对随动支
18、撑板与刀具之间不同的距离,将加工方式定义为 3 个系列:系列一为普通单点渐进成形的加工方式;系列二为随动支撑板与刀具之间距离为 1 mm 的基于随动支撑的板料渐进成形加工方式;系列三为随动支撑板与刀具之间距离为 0.8 mm 第 15 卷 第 10 期 张泽昊,等:基于随动支撑的板料渐进成形数值模拟 113 图 1 基于随动支撑渐进成形原理图 Fig.1 Schematic diagram of incremental forming based on follower support 的基于随动支撑的板料渐进成形加工方式。2 基于随动支撑的板料渐进成形数值模拟研究 2.1 有限元模型的建立和
19、网格划分 在不影响成形效果的前提下,通过 UG 对基于随动支撑的渐进成形进行简化建模,将建立好的部件以SAT 格式分别导入 ABAQUS 中。将压料板、支架、刀具和随动支撑板设置为离散刚体,板料设置为可变形。对所有零部件进行网格划分,其中刀具和板料的网格进行精密划分,网格尺寸为 1 mm,为了缩短计算时间,其余部件采用 5 mm 的稀疏网格。最终模型装配图如图 2 所示。图 2 基于随动支撑的渐进成形有限元模型 Fig.2 Finite element analysis model of incremental forming based on follower support 2.2 板料属
20、性设置 本文以 6061 铝合金板为材料建立有限元模型,并对板料的密度、弹性和塑性进行设定。将密度分布设置为一致,质量密度设为 2 700 kg/m3。对于弹性,需要设置杨氏模量和泊松比,且设置为各向同性,其中杨氏模量为 68 000 MPa,泊松比为 0.33。对于塑性,可通过屈服应力和塑性应变的相对关系进行确定。最后将设置完的材料属性赋予板料。屈服应力与等效塑性应变的关系曲线如图 3 所示。图 3 屈服应力-等效塑性应变关系曲线 Fig.3 Yield stress-effective plastic strain curve 2.3 分析步与相互作用设置 根据仿真需要,求解器选择显式算法
21、。创建分析步需要分别设定场输出和历程输出。场输出分为 2个:针对板料,输出选项选择应力-应变、厚度及变形力等;针对整个模型,输出选项为位移、速度、加速度以及作用力和反作用力。历程输出则是针对刀具,选择的输出项为作用力、反作用力以及能量。设置相互作用时采用罚函数对接触力进行计算,摩擦因数设置为 0.12。相互作用选择通用接触24。2.4 边界条件设置 设置边界条件需要对每个部件进行设置。支架在整个模拟过程中只对板料起到支撑作用,不会参与到计算过程中,其边界条件设置为完全固定。在设置板114 精 密 成 形 工 程 2023 年 10 月 料时,为了保证成形过程中板料四周不存在材料流动,只需要保留
22、 z 向位移,其余的位移和自由度为全部约束。压料板负责在加工成形过程中防止板料位置发生偏移,所以只需要在 z 轴方向施加50 000 N 的压边力。由于刀具和随动支撑板的边界条件较为复杂,因此需要设置几个关于时间和位移的幅值关系。分别以刀具和随动支撑板的参考点为对象,赋予 x、y、z 方向的幅值。其中各轴的幅值是通过将刀路导入MATLAB 中分解得到的,在下一节刀路的建立中会有说明。在设定刀具边界条件时,只需保留 x、y、z 方向的位移,不需要转动。因此,只需要对 x、y、z 方向赋予相应的幅值即可实现刀具的移动。在设置随动支撑板的边界条件时,只需要保留 z 方向的位移,将其z 方向的幅值设定
23、为与刀具 z 方向的幅值相同,可通过增加一个单独幅值来实现刀具与随动支撑板之间距离的改变。2.5 刀路的建立 渐进成形技术通过刀具的分层逐点加工来实现板料的累积变形,刀具的移动轨迹分为 x、y、z 3 个方向的运动轨迹。本文通过使用 UG 中的加工模块生成机床代码,通过 MATLAB 预先编好程序,将 UG中生成的代码文档分解为 x、y、z 方向上的位移以及时间的文档,以实现刀具的运动。随动支撑板的位移与刀具z方向的位移相同或者相差一个值,在时间上,随动支撑板与刀具 z 轴保持同步移动,可通过增加一个幅值来实现刀具与随动板之间距离的控制。在数值模 拟 中,z 轴 步 距 为 0.5 mm,刀
24、具 进 给 率 为500 mm/min。不同软件生成的刀路图如图 4 所示。3 仿真结果对比与分析 3.1 路径的选取及数据的提取 通过综合数值模拟结束后的云图以及提取模型中间截面上的一整条路径数据来实现仿真结果的对比。通过 ABAQUS 中的可视化选项查看云图,通过工具中的路径选项创建路径,之后即可提取整条路径上的数据,再将数据导入 ORIGIN 中画出点线图,将不同系列的轴向力、厚度、等效塑性应变和等效应力等数据进行对比。路径选取示意图如图 5 所示。3.2 成形精度 由于在加工过程中,工件会出现鼓凸、沉头等现象,因此,会导致成形件与理想模型之间存在形状及轮廓偏差,可通过 GEOMAGIC
25、 软件对比 UG 中标准模型与 ABAQUS 仿真模拟结束后模型的轮廓偏差来实现成形精度的对比。通过 GEOMAGIC 软件,可以 图 4 不同软件产生的刀路图 Fig.4 Toolpath diagrams generated by different software 图 5 路径选取示意图 Fig.5 Path selection diagram 得出最大偏差、最小偏差及标准偏差。不同系列成形精度的对比结果如图 6 所示。由图6a 可 以 看 到,系 列 一 成 形 精 度 的 最 大 偏 差 为0.654 9 mm,最小偏差为2.325 3 mm,标准偏差为1.160 9 mm。由图
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