2.4 柔性漸進(jìn)成形工藝參數(shù)選擇

下面以單點(diǎn)漸進(jìn)成形為對(duì)象，針對(duì)軸向進(jìn)給量（步距）、成形工具頭、工具頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、板材厚度、接觸與潤(rùn)滑條件等工藝參數(shù)分別從成形極限、成形精度、表面質(zhì)量、成形效率與能耗四個(gè)角度闡述成形工藝參數(shù)的選擇對(duì)成形件質(zhì)量及成形過(guò)程的影響。

1.軸向進(jìn)給量

軸向進(jìn)給量對(duì)成形極限、表面質(zhì)量和成形效率都有顯著影響。在漸進(jìn)成形過(guò)程中，板材會(huì)發(fā)生明顯的局部塑性變形，能更充分利用板材的成形潛力，這也是其成形能力高于其他成形工藝（如沖壓、拉伸等）的重要原因之一。根據(jù)局部塑性變形機(jī)理，軸向進(jìn)給量越大引起當(dāng)前發(fā)生塑性變形的區(qū)域越大，所需的成形力也就越大。板材變形區(qū)域中心應(yīng)力增大，邊緣應(yīng)力減小，受力時(shí)間短，每層變形量變大層數(shù)變小，使得板材應(yīng)力與應(yīng)變分布不均勻，容易產(chǎn)生破裂。但增大軸向進(jìn)給量可以顯著減少成形軌跡的層數(shù)，因此可以大幅度的縮短成形時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，減小軸向進(jìn)給量可以提高尺寸精度和表面質(zhì)量，但同時(shí)成形時(shí)間也成倍地增加，為了協(xié)調(diào)加工質(zhì)量和加工效率的矛盾，就要考慮成形件實(shí)際情況，合理選擇軸向進(jìn)給量。根據(jù)板材延展性能及工藝需求，軸向進(jìn)給量的取值范圍一般為0.1～2.0mm。

2.成形工具頭

成形工具頭大小對(duì)成形性能的影響，主要體現(xiàn)在工具頭幾何形狀及大小引起的接觸面積與狀態(tài)改變上。漸進(jìn)成形所采用的工具頭一般為半球形，工具頭直徑大小對(duì)成形件的等效塑性應(yīng)變、成形精度和減薄率都有影響。與傳統(tǒng)的板材塑性成形工藝不同，在板材漸進(jìn)成形過(guò)程中，成形工具和板材接觸部分的尺寸通常遠(yuǎn)小于板材長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)方向上的尺寸，因此板材在漸進(jìn)成形過(guò)程中的變形僅僅為成形工具與板材接觸位置附近的很小區(qū)域。其中尺寸較大工具頭與板材的接觸面積更大，但接觸面積并非和工具頭成正比。接觸面積大雖然導(dǎo)致受力會(huì)更大，但受力會(huì)更加均勻使應(yīng)力較小，因此板材變形也會(huì)更加均勻。另外，成形力大時(shí)，成形后的材料回彈效應(yīng)減弱，從而成形后的零件尺寸精度會(huì)有所提高。直徑較小的成形工具頭會(huì)使板材變形更加集中在較小的區(qū)域，從而使板材局部發(fā)生較大的塑性變形，更充分地利用了板材的成形潛力，使板材的成形性能得以提高，但當(dāng)成形工具頭過(guò)小時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)變過(guò)大致使板材過(guò)早破裂。在實(shí)際成形過(guò)程中，還應(yīng)考慮成形工具頭和成形件幾何特征相匹配，因?yàn)槌尚喂ぞ哳^無(wú)法加工比它自身小的圓角。當(dāng)成形件具有比較復(fù)雜的小曲率幾何特征時(shí)，建議首先選用較大直徑工具頭進(jìn)行粗加工得到整體輪廓，然后再用小直徑工具頭進(jìn)行局部位置精加工。不同尺寸工具頭的軸向進(jìn)給量對(duì)成形極限的影響是不同的。在一定范圍內(nèi)，增大軸向進(jìn)給量和增大工具頭尺寸都可以提高最大應(yīng)力。因此，成形工具的尺寸對(duì)成形質(zhì)量的作用受多個(gè)因素共同影響，在實(shí)際成形時(shí)，要針對(duì)不同的成形零件綜合考慮，合理選擇相應(yīng)的成形工具的尺寸大小。

3.工具頭轉(zhuǎn)速

工具頭轉(zhuǎn)速對(duì)板材成形極限的影響主要包括兩方面：板材和工具頭之間的摩擦力及摩擦力產(chǎn)生的熱效應(yīng)引起材料本身性能的變化。一般認(rèn)為在較低轉(zhuǎn)速（0～1000r/min）時(shí)，摩擦力是影響成形極限的重要因素，適當(dāng)?shù)脑黾愚D(zhuǎn)速可以減小成形工具頭和板材之間的摩擦系數(shù)，從而降低成形時(shí)板材與成形工具之間的摩擦力；當(dāng)在較高轉(zhuǎn)速（2000～7000r/min）時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱效應(yīng)引起的材料性能變化是導(dǎo)致成形性能提高的主要原因。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在3000r/min以上時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量足以使某些材料產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，工具頭轉(zhuǎn)速對(duì)表面質(zhì)量影響較大，且在水平方向上和豎直方向上表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。在豎直方向上，零件的粗糙度值隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小；在水平方向上，粗糙度值隨轉(zhuǎn)速的增大先變大后變小。雖然工具頭在高轉(zhuǎn)速下，對(duì)成形性能和表面質(zhì)量有一定的提高，然而增大主軸轉(zhuǎn)速會(huì)使成形工具頭磨損過(guò)快。由于成形工具和板材之間不斷摩擦產(chǎn)生大量的熱量，一方面，會(huì)引起溫度不斷升高影響潤(rùn)滑劑的性能，另一方面，工具頭轉(zhuǎn)速提高會(huì)顯著增加成形能耗，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇工具頭轉(zhuǎn)速。

4.進(jìn)給速度

進(jìn)給速度直接影響成形效率。雖然軸向進(jìn)給量也直接影響加工時(shí)間，但是適當(dāng)減小軸向進(jìn)給量，大幅提高進(jìn)給速度，能夠在保證成形質(zhì)量的前提下提高成形效率。但是，加工速度不能無(wú)限增大，成形設(shè)備自身性能會(huì)限制進(jìn)給速度的增大，并且速度太高會(huì)增大危險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性。進(jìn)給速度過(guò)低會(huì)增加成形工具頭和板材的摩擦?xí)r間，造成成形工具頭和成形件表面磨損量增加。

5.板材厚度

板材厚度主要影響漸進(jìn)成形過(guò)程的成形極限和成形精度。盡管在實(shí)際成形過(guò)程中，板材的變形不僅僅只有剪切變形，板材的厚度并不是嚴(yán)格遵循正弦定理，但是最小厚度和減薄率仍是判斷板材變形后是否發(fā)生起皺、破裂等現(xiàn)象的重要參數(shù)。板材厚度除了影響破裂外，對(duì)成形件的精度也有較大的影響，一般成形件板材厚度越大其加工誤差就越小，這是因?yàn)榘宀脑胶癯尚瘟驮酱螅庸ず蟮某尚渭貜椌驮叫。徊⑶野宀脑胶裨讲蝗菀装l(fā)生彎曲變形，因此，相比于薄板有更高的精度。在實(shí)際應(yīng)用中，板材厚度主要取決于成形件的使用場(chǎng)合及對(duì)服役性能的要求。

為了降低成形時(shí)成形工具和板材之間的摩擦力并改善接觸條件，一般在漸進(jìn)成形過(guò)程中采用潤(rùn)滑劑。潤(rùn)滑劑按其狀態(tài)可分為液態(tài)潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑脂和固態(tài)潤(rùn)滑劑，其中使用最多的是液態(tài)潤(rùn)滑劑。礦物油潤(rùn)滑劑成本低并且常溫下潤(rùn)滑效果好，但因不能承受高溫高壓不適合惡劣的接觸條件。潤(rùn)滑脂一般是在石油潤(rùn)滑劑中添加稠化劑減小其流動(dòng)性，但潤(rùn)滑脂涂覆和清洗不太方便。固體潤(rùn)滑劑具有優(yōu)良的耐高溫、高壓的特性，常用的固體潤(rùn)滑劑有二硫化鉬、石墨和聚四氟乙烯等。在加工鈦合金、鎂合金等難成形材料時(shí)，成形時(shí)所需要的成形力比較大，成形工具和板材表面之間的摩擦使溫度升高可能會(huì)導(dǎo)致液體潤(rùn)滑劑失效，因此在成形此類材料時(shí)，可選擇潤(rùn)滑脂或固體潤(rùn)滑劑。對(duì)于熱輔助漸進(jìn)成形來(lái)說(shuō)，由于成形溫度很高（如TC4的建議成形溫度為500～600℃），推薦采用固體潤(rùn)滑劑。但固體潤(rùn)滑劑的缺點(diǎn)是摩擦系數(shù)較大，對(duì)成形件的表面質(zhì)量影響較大。成形工具與板材的接觸形式對(duì)漸進(jìn)成形表面質(zhì)量及成形力也有較大影響。漸近成形為局部塑性變形，工具頭和板材接觸面積小導(dǎo)致接觸面上的壓強(qiáng)過(guò)大，潤(rùn)滑油膜易破裂。金屬在塑性變形的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定熱量導(dǎo)致溫度升高，變形過(guò)程中不斷出現(xiàn)新的金屬表面會(huì)改變?cè)瓉?lái)的摩擦條件。常見(jiàn)的接觸形式有滑動(dòng)和滾動(dòng)。滑動(dòng)摩擦?xí)r，成形工具和板材兩種材料粗糙表面的波峰相互剪切，造成摩擦系數(shù)增大并呈現(xiàn)出一定程度的波動(dòng)。滾動(dòng)接觸相比滑動(dòng)接觸摩擦系數(shù)較小，故對(duì)應(yīng)橫向力較小，對(duì)板材表面的破壞更小，有利于提高成形件表面質(zhì)量。因水平方向成形力主要是摩擦力，故滾動(dòng)接觸能有效降低水平方向成形力，進(jìn)一步降低了對(duì)成形機(jī)床的剛度要求。相比于滑動(dòng)摩擦，滾動(dòng)摩擦?xí)r極大地減少了兩種接觸材料之間的相互運(yùn)動(dòng)，從而大幅度減少了粗糙表面波峰之間的剪切作用，可以有效降低摩擦系數(shù)，達(dá)到良好的潤(rùn)滑效果。