2.4 柔性渐进成形工艺参数选择

下面以单点渐进成形为对象，针对轴向进给量（步距）、成形工具头、工具头转速、进给速度、板材厚度、接触与润滑条件等工艺参数分别从成形极限、成形精度、表面质量、成形效率与能耗四个角度阐述成形工艺参数的选择对成形件质量及成形过程的影响。

1.轴向进给量

轴向进给量对成形极限、表面质量和成形效率都有显著影响。在渐进成形过程中，板材会发生明显的局部塑性变形，能更充分利用板材的成形潜力，这也是其成形能力高于其他成形工艺（如冲压、拉伸等）的重要原因之一。根据局部塑性变形机理，轴向进给量越大引起当前发生塑性变形的区域越大，所需的成形力也就越大。板材变形区域中心应力增大，边缘应力减小，受力时间短，每层变形量变大层数变小，使得板材应力与应变分布不均匀，容易产生破裂。但增大轴向进给量可以显著减少成形轨迹的层数，因此可以大幅度的缩短成形时间。一般来说，减小轴向进给量可以提高尺寸精度和表面质量，但同时成形时间也成倍地增加，为了协调加工质量和加工效率的矛盾，就要考虑成形件实际情况，合理选择轴向进给量。根据板材延展性能及工艺需求，轴向进给量的取值范围一般为0.1～2.0mm。

2.成形工具头

成形工具头大小对成形性能的影响，主要体现在工具头几何形状及大小引起的接触面积与状态改变上。渐进成形所采用的工具头一般为半球形，工具头直径大小对成形件的等效塑性应变、成形精度和减薄率都有影响。与传统的板材塑性成形工艺不同，在板材渐进成形过程中，成形工具和板材接触部分的尺寸通常远小于板材长度和宽度两个方向上的尺寸，因此板材在渐进成形过程中的变形仅仅为成形工具与板材接触位置附近的很小区域。其中尺寸较大工具头与板材的接触面积更大，但接触面积并非和工具头成正比。接触面积大虽然导致受力会更大，但受力会更加均匀使应力较小，因此板材变形也会更加均匀。另外，成形力大时，成形后的材料回弹效应减弱，从而成形后的零件尺寸精度会有所提高。直径较小的成形工具头会使板材变形更加集中在较小的区域，从而使板材局部发生较大的塑性变形，更充分地利用了板材的成形潜力，使板材的成形性能得以提高，但当成形工具头过小时，又会导致局部应变过大致使板材过早破裂。在实际成形过程中，还应考虑成形工具头和成形件几何特征相匹配，因为成形工具头无法加工比它自身小的圆角。当成形件具有比较复杂的小曲率几何特征时，建议首先选用较大直径工具头进行粗加工得到整体轮廓，然后再用小直径工具头进行局部位置精加工。不同尺寸工具头的轴向进给量对成形极限的影响是不同的。在一定范围内，增大轴向进给量和增大工具头尺寸都可以提高最大应力。因此，成形工具的尺寸对成形质量的作用受多个因素共同影响，在实际成形时，要针对不同的成形零件综合考虑，合理选择相应的成形工具的尺寸大小。

3.工具头转速

工具头转速对板材成形极限的影响主要包括两方面：板材和工具头之间的摩擦力及摩擦力产生的热效应引起材料本身性能的变化。一般认为在较低转速（0～1000r/min）时，摩擦力是影响成形极限的重要因素，适当的增加转速可以减小成形工具头和板材之间的摩擦系数，从而降低成形时板材与成形工具之间的摩擦力；当在较高转速（2000～7000r/min）时，摩擦产生的热效应引起的材料性能变化是导致成形性能提高的主要原因。进一步研究发现，当转速在3000r/min以上时，摩擦产生的热量足以使某些材料产生动态再结晶现象。试验结果表明，工具头转速对表面质量影响较大，且在水平方向上和竖直方向上表现出不同的变化趋势。在竖直方向上，零件的粗糙度值随着转速的增大而减小；在水平方向上，粗糙度值随转速的增大先变大后变小。虽然工具头在高转速下，对成形性能和表面质量有一定的提高，然而增大主轴转速会使成形工具头磨损过快。由于成形工具和板材之间不断摩擦产生大量的热量，一方面，会引起温度不断升高影响润滑剂的性能，另一方面，工具头转速提高会显著增加成形能耗，因此，应根据实际情况合理选择工具头转速。

4.进给速度

进给速度直接影响成形效率。虽然轴向进给量也直接影响加工时间，但是适当减小轴向进给量，大幅提高进给速度，能够在保证成形质量的前提下提高成形效率。但是，加工速度不能无限增大，成形设备自身性能会限制进给速度的增大，并且速度太高会增大危险事件发生的可能性。进给速度过低会增加成形工具头和板材的摩擦时间，造成成形工具头和成形件表面磨损量增加。

5.板材厚度

板材厚度主要影响渐进成形过程的成形极限和成形精度。尽管在实际成形过程中，板材的变形不仅仅只有剪切变形，板材的厚度并不是严格遵循正弦定理，但是最小厚度和减薄率仍是判断板材变形后是否发生起皱、破裂等现象的重要参数。板材厚度除了影响破裂外，对成形件的精度也有较大的影响，一般成形件板材厚度越大其加工误差就越小，这是因为板材越厚成形力就越大，加工后的成形件回弹就越小；并且板材越厚越不容易发生弯曲变形，因此，相比于薄板有更高的精度。在实际应用中，板材厚度主要取决于成形件的使用场合及对服役性能的要求。

为了降低成形时成形工具和板材之间的摩擦力并改善接触条件，一般在渐进成形过程中采用润滑剂。润滑剂按其状态可分为液态润滑剂、润滑脂和固态润滑剂，其中使用最多的是液态润滑剂。矿物油润滑剂成本低并且常温下润滑效果好，但因不能承受高温高压不适合恶劣的接触条件。润滑脂一般是在石油润滑剂中添加稠化剂减小其流动性，但润滑脂涂覆和清洗不太方便。固体润滑剂具有优良的耐高温、高压的特性，常用的固体润滑剂有二硫化钼、石墨和聚四氟乙烯等。在加工钛合金、镁合金等难成形材料时，成形时所需要的成形力比较大，成形工具和板材表面之间的摩擦使温度升高可能会导致液体润滑剂失效，因此在成形此类材料时，可选择润滑脂或固体润滑剂。对于热辅助渐进成形来说，由于成形温度很高（如TC4的建议成形温度为500～600℃），推荐采用固体润滑剂。但固体润滑剂的缺点是摩擦系数较大，对成形件的表面质量影响较大。成形工具与板材的接触形式对渐进成形表面质量及成形力也有较大影响。渐近成形为局部塑性变形，工具头和板材接触面积小导致接触面上的压强过大，润滑油膜易破裂。金属在塑性变形的过程中会产生一定热量导致温度升高，变形过程中不断出现新的金属表面会改变原来的摩擦条件。常见的接触形式有滑动和滚动。滑动摩擦时，成形工具和板材两种材料粗糙表面的波峰相互剪切，造成摩擦系数增大并呈现出一定程度的波动。滚动接触相比滑动接触摩擦系数较小，故对应横向力较小，对板材表面的破坏更小，有利于提高成形件表面质量。因水平方向成形力主要是摩擦力，故滚动接触能有效降低水平方向成形力，进一步降低了对成形机床的刚度要求。相比于滑动摩擦，滚动摩擦时极大地减少了两种接触材料之间的相互运动，从而大幅度减少了粗糙表面波峰之间的剪切作用，可以有效降低摩擦系数，达到良好的润滑效果。