2.4 柔性漸進成形工藝參數(shù)選擇

下面以單點漸進成形為對象，針對軸向進給量（步距）、成形工具頭、工具頭轉(zhuǎn)速、進給速度、板材厚度、接觸與潤滑條件等工藝參數(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角度闡述成形工藝參數(shù)的選擇對成形件質(zhì)量及成形過程的影響。

1.軸向進給量

軸向進給量對成形極限、表面質(zhì)量和成形效率都有顯著影響。在漸進成形過程中，板材會發(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)局部塑性變形機理，軸向進給量越大引起當(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間。一般來說，減小軸向進給量可以提高尺寸精度和表面質(zhì)量，但同時成形時間也成倍地增加，為了協(xié)調(diào)加工質(zhì)量和加工效率的矛盾，就要考慮成形件實際情況，合理選擇軸向進給量。根據(jù)板材延展性能及工藝需求，軸向進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。漸進成形所采用的工具頭一般為半球形，工具頭直徑大小對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，在板材漸進成形過程中，成形工具和板材接觸部分的尺寸通常遠小于板材長度和寬度兩個方向上的尺寸，因此板材在漸進成形過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)致受力會更大，但受力會更加均勻使應(yīng)力較小，因此板材變形也會更加均勻。另外，成形力大時，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有所提高。直徑較小的成形工具頭會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)成形工具頭過小時，又會導(dǎo)致局部應(yīng)變過大致使板材過早破裂。在實際成形過程中，還應(yīng)考慮成形工具頭和成形件幾何特征相匹配，因為成形工具頭無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，建議首先選用較大直徑工具頭進行粗加工得到整體輪廓，然后再用小直徑工具頭進行局部位置精加工。不同尺寸工具頭的軸向進給量對成形極限的影響是不同的。在一定范圍內(nèi)，增大軸向進給量和增大工具頭尺寸都可以提高最大應(yīng)力。因此，成形工具的尺寸對成形質(zhì)量的作用受多個因素共同影響，在實際成形時，要針對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。一般認為在較低轉(zhuǎn)速（0～1000r/min）時，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，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。進一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在3000r/min以上時，摩擦產(chǎn)生的熱量足以使某些材料產(chǎn)生動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明，工具頭轉(zhuǎn)速對表面質(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。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)速會使成形工具頭磨損過快。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，會引起溫度不斷升高影響潤滑劑的性能，另一方面，工具頭轉(zhuǎn)速提高會顯著增加成形能耗，因此，應(yīng)根據(jù)實際情況合理選擇工具頭轉(zhuǎn)速。

4.進給速度

進給速度直接影響成形效率。雖然軸向進給量也直接影響加工時間，但是適當(dāng)減小軸向進給量，大幅提高進給速度，能夠在保證成形質(zhì)量的前提下提高成形效率。但是，加工速度不能無限增大，成形設(shè)備自身性能會限制進給速度的增大，并且速度太高會增大危險事件發(fā)生的可能性。進給速度過低會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成形過程的成形極限和成形精度。盡管在實際成形過程中，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，這是因為板材越厚成形力就越大，加工后的成形件回彈就越小；并且板材越厚越不容易發(fā)生彎曲變形，因此，相比于薄板有更高的精度。在實際應(yīng)用中，板材厚度主要取決于成形件的使用場合及對服役性能的要求。

為了降低成形時成形工具和板材之間的摩擦力并改善接觸條件，一般在漸進成形過程中采用潤滑劑。潤滑劑按其狀態(tài)可分為液態(tài)潤滑劑、潤滑脂和固態(tài)潤滑劑，其中使用最多的是液態(tài)潤滑劑。礦物油潤滑劑成本低并且常溫下潤滑效果好，但因不能承受高溫高壓不適合惡劣的接觸條件。潤滑脂一般是在石油潤滑劑中添加稠化劑減小其流動性，但潤滑脂涂覆和清洗不太方便。固體潤滑劑具有優(yōu)良的耐高溫、高壓的特性，常用的固體潤滑劑有二硫化鉬、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，成形時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導(dǎo)致液體潤滑劑失效，因此在成形此類材料時，可選擇潤滑脂或固體潤滑劑。對于熱輔助漸進成形來說，由于成形溫度很高（如TC4的建議成形溫度為500～600℃），推薦采用固體潤滑劑。但固體潤滑劑的缺點是摩擦系數(shù)較大，對成形件的表面質(zhì)量影響較大。成形工具與板材的接觸形式對漸進成形表面質(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)致接觸面上的壓強過大，潤滑油膜易破裂。金屬在塑性變形的過程中會產(chǎn)生一定熱量導(dǎo)致溫度升高，變形過程中不斷出現(xiàn)新的金屬表面會改變原來的摩擦條件。常見的接觸形式有滑動和滾動。滑動摩擦?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。滾動接觸相比滑動接觸摩擦系數(shù)較小，故對應(yīng)橫向力較小，對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，故滾動接觸能有效降低水平方向成形力，進一步降低了對成形機床的剛度要求。相比于滑動摩擦，滾動摩擦?xí)r極大地減少了兩種接觸材料之間的相互運動，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)，達到良好的潤滑效果。