力学性能试验研究，

AA7075-O铝合金板材渐进成形过程成形性和力的测量

关键词：板材渐进成形，力学性能，铝7075-O，成形性，力的测量

摘要：

板料渐进成形（ISF）展示了其加工复杂的三维零件不需要借助特定工具的潜力，从而满足产品的市场化，降低了成本并且提高了效率。本文探究了用单点渐进成形技术（SPIF）加工AA7075-O铝合金板的实验并且对成型过程机制进行了深入理解。首先，对三个不同厚度的AA7075-O板材进行拉伸试验来表明其力学性能。然后，通过最大拉伸角度和完成加工最大高度的不同改变加工增量步骤，使其对刀具轨迹产生影响，借此来说明成形的可行性。此外，通过断裂成形极限图来给出应变的设计极限。最后，根据不同的拉伸角度，片材厚度，减缓尺寸和片材取向产生的影响，对成形力的趋向进行了分析。实验结果表明，成形性受到一些拉伸角度和刀具轨迹增量步骤的影响。然而，成功的成形也可能取决于其他几何参数的设计，例如部分的高度。除此以外，工艺参数对切削的影响，也为AA7075-O板材的变形力学提供了进一步的探索研究。当使用截圆锥体作为参考时，峰值后的力曲线斜率可以被视为成形失败预测标识，而不用去考虑刀具路径类型。当然，在SPIF试验中也有对板材成形力的取向影响的研究。对于三个不同厚度的片材来说，在片材轧制方向45°取向上的垂直成形力被发现小于在片材轧制方向0°取向上的垂直成形力。

正文：

1. 简介

7XXX系铝合金由于其优异的综合性能，例如密度低、强度高、塑性好、韧性强和耐疲劳性好等，其已被广泛用于结构材料。7075铝合金使强度最高的合金之一，通常用于飞机结构上。7075铝合金由于其更高的可成形性，在O回火条件下，与其他回火条件相比，具有广泛的实用性和广阔的工业应用前景。对于许多应用来说，在各种三维壳变形加工商都需要AA7075-O板材。在工业中，成形过程成本花费很高，例如深冲压或冲压过程，都需要专门的工具用于特定的三维形状设计。然而，在快速成型和定制产品等领域的应用需要小批量生产，因此，高成本的模具是不利的。渐进成形技术（ISF）的出现提供了一个解决方案，这种技术非常的便捷，适合小批量生产，并且不需要高成本的模具。ISF的发展始于上世纪90年代的日本。自那时以来，该技术已经在欧洲和北美洲受到了极大地关注，并且做出了很大的努力来推动它走向工业应用。基本上，有两种板料渐进成形方式，单点渐进成形（SPIF）和双点渐进成形（TPIF）。在单点渐进成形技术中，刀具加工板料成凹形不需要任何模具，而双点渐进成形技术中，刀具通过阳模在板料凸面上移动。通过液压执行器来移动压边器，以便将板料牢固的保持在适当的工作位置。

综合回顾了ISF在过去几十年里的发展。值得注意的是，刀具路径决定了组件的几何形状。因此，不同的成形增量产生的不同刀具路径的影响是值得进一步调查的。Filice等人根据提出的螺旋形刀具路径以形成截锥形，讨论了渐进成形材料的成形性。他们的结论是增量成形的特征是由局部拉伸变形力学确定的线形成性极限曲线在第一象限的负斜率。Young等人指出可以根据SPIF的最大牵引角来评估部件的成形性。通过实验测试确定了两种铝合金材料的特定值（3003-O和5754-O）。Durante等人进行了对比试验来对AA7075-T0板材进行成形加工。他们通过对测量截锥体的最大成形角的评估，发现成形性随着刀具直径和角度梯度的增加而降低。然而，在成形性方面还没有对具有不同增量步骤的两种刀具路径（螺旋和Z向）进行比较。

成形力是了解ISF变形力学总要依据之一。Duflou等人研究了四个工艺参数（垂直步长，刀具直径，几何壁角和板材厚度）以及零件的润滑和几何形状对成形力的影响。得出的结论是，在探索的范围内，垂直步长具有最小的影响，因此可以增加而没有很大的害处，有利于下部的生产时间。Jackson等人比较了夹层板增量成形与铝板增量成形之间的成形力。突出了刀具半径和垂直间距对刀具力的影响。他们得出的结论是，两种材料的垂直力与刀具半径大致呈线性增加。Jeswiet等人发现刀具力通常发展到一个峰值，然后在制造具有恒定壁角的零件时稳定到一个稳定的状态。

本文的研究范围主要集中在AA7075-O铝板的增量成形。在具有三种不同厚度的AA7075-O板材上进行单轴拉伸试验，以表明一些基本的材料性质。然后，本文对两个方面进行了研究。首先对成形性进行了评估，以便通过不同的增量步骤来阐明不同种类的道具路径的影响。最大牵引角可以看作是一个简单的成形性指标。然而，成功成形的可能性也取决于其他几何参数的设计，如零件高度。根据不同的刀具路径和增量步骤，给出安全可成形性区域。此外，导出断裂形成极限图，以进一步表明材料成形性。其次，对工具参数对刀具力的影响进行分析，以进一步了解AA7075-O板的变形力学。特别是本研究首次考虑了板材取向对成形力的影响。

1. 材料表征和力学性能

在这一部分中，对三种不同厚度（1.02mm，1.60mm和2.54mm）的AA7075-O型铝合金板进行了研究。AA7075-O型铝片的化学成分列于表1中。为了获得力学性能吗，对相对于轧制方向在0°，45°和90°方向上切割的样品进行单轴拉伸试验。式样形状的尺寸如图1所示。拉伸试验采用INSTRON 5584万能试验机进行，该试验机配备一个尺寸为50mm的伸长计，见图2。

通过拉伸试验，活泼的了不同方向的基本力学性能如屈服应力，极限拉伸强度，如表2所示。

在片材平面中的材料流动行为的特征基于相对于轧制方向上得0°，45°和90°中的三个取向的真实应力-应变曲线来表现。它们呈现在图3~5中。通过这些曲线，揭示了每个厚度在片材平面中的某些各向异性流动行为。结果表明随着板厚的增加，各向异性变得更加明显。但总的来说，它代表了调查表中的相当弱的各向异性行为。真实应力-应变曲线可以通过Hollomon幂律拟合，其中K是强度系数，n是应变硬化（或加工硬化）指数。相应的参数如表3所示。

表1 AA7075-O型铝合金板材的化学成分（%wt）

图1 单轴拉伸试验式样形状（单位：mm）

图2 INSTRON 5584万能试验机

表2 具有三种不同厚度的AA7075-O型铝合金板的力学性能

注：Y为0.2%屈服应力[MPa]，UTS为极限拉伸强度[MPa]，EI是伸长率[%]，E是杨氏模量[GPa]。

图3 厚度为1.02mm的AA7075-O型铝合金板材的真实应力-应变曲线

图4 厚度为1.60毫米的AA7075-O铝合金的真实应力-应变曲线

图5 具有2.54毫米厚度的AA7075-O型铝合金板材的真实应力-应变曲线

1. 成形性

在ISF中，可成形性比传统的成形加工如深冲压和冲压要高得多。在许多ISF研究论文中，拉伸角度可以看作是可成形性指标，因为这个数量与广泛用于估计厚度分布作为平面应变模型的正弦定定律有着密切的联系。在本节中，考虑到具有不同增量步长的不同刀具路径的影响，使用最大牵引角作为指标来估计厚度为1.6mm的AA7075-O铝板的成形性。选择截圆锥作为基准，如图1所示。AA7075-O铝板的尺寸为300mmtimes;300mm。刀具半径为15mm，进给速度设为4000mm/min。为了增加成形区域和板状凸缘之间的刚性，在金属片下方使用背板。在成形之前，将润滑油-壳牌液压油68喷涂在坯料上。刀具路径由西门子NX7.0生成。图7显示了用于实验的氨基ISF机。

表3 具有三种不同厚度的AA7075-O铝板的强度系数K和应变硬化指数n

图6 基准-截锥体

图7 用于实验的氨基ISF机

图8显示了增量成形的细节和增量步骤的说明。需要注意的是，在西门子NX软件中，可以通过调整量来生成螺旋刀具路径。对于具有恒定牵引角的研究的截锥体，基于简单的三角关系直接相关地进行逐步降档。为了进行比较，生成两种刀具路径（螺旋和Z级），用于控制成形工具的向下运动，并研究其对成形性的影响。图9（a）中的螺旋刀具路径是连续的，该工具在零件的整个表面上有一个渐进的下降，它可以通过改变步骤来调整。该工具路径的优点是在降档时不会发生任何痕迹。图9（b）中的Z级工具路径由连续离散轮廓之间的固定垂直增量定义。以前的研究已经表明，对于Z级工具路径，在每个轮廓的起点和终点处变形是双轴的，并且在两者之间接近平面应变。已经观察到，与形成轮廓的其余部分相比，每个轮廓的起点和终点处的断裂倾向较高。与螺旋刀具路径相比，Z级刀具路径可以再层之间的过渡点处留下妊娠纹，并产生峰值。应注意，刀具路径定义了成形几何形状。那么，采用不同的刀具路径来使同一部分变形时，成形性是否有差异？刀具路径的不同增量步骤如何产生影响成形性？这些问题将根据以下讨论中的实验测试进行回答。

图8 增量成形和增量步骤说明细节（增量和减量步骤）

图9 针对截圆锥体测试成形性的刀具路径设计：（a）螺旋刀具路径和（b）Z级刀具路径（alpha;为拉拔角）

• 1. 刀具路径和降压尺寸对成形性的影响

在第一次测试中，为了研究螺旋刀具路径和Z级刀具路径对成形性的影响，对于两个刀具路径，步进设置为一个恒定值0.5mm。形成一系列具有牵引角60°，61°，62°，63°，64°，65°和70°的截圆锥，以评价成形性。实验结果如图10所示，可以看出，在相同的步进尺寸下，螺旋刀具路径和Z级路径刀具之间的成形性没有明显差异。成形性受截圆锥的拉拔角度影响很大。然而，成功成形的可能性也取决于截圆锥体高度。可以看出，拉拔角度62°和63°是用于成功形成截圆锥体的可成形性边界。考虑到锥高，确定安全可塑性区域，如图10所示。区域A B是于Z级路径的区域B相比的螺旋路径的安全可成形区域。在第二次测试中，重点是评估Z级刀具路径对不同增量步长对成形性的影响。实验结果如图11所示。结论是，基于实验结果，对于较大步长（0.5mm，相对于0.2mm），成形性更高。然而，由于仅测试了两个降压尺寸，因此需要进行更多的降压尺寸测试，以便将来进一步证明这一结论。另外，图11中画出了安全可塑性区域。区域B是具有0.2mm分段尺寸的Z级刀具路径的安全可成形区域。区域A显示了Z级刀具路径的0.5mm分段尺寸和0.2mm分段尺寸之间的定量可成形性差异。图12总结了螺旋和Z级刀具路径与不同增量步长对成形性的影响的比较。

图10 螺旋和Z级刀具路径对成形性与拉拔角alpha;的影响

图11 采用不同增量步长的Z级刀具路径对成形性与拉拔角alpha;的影响

图12 螺旋和Z级刀具路径与成形性对拉拔角alpha;的增量步长的影响比较

• 1. 断裂形成极限图

为了进一步研究成形性，得到断裂形成极限图，如图13所示。 通过在具有0.2mm分层尺寸的Z级路径的情况下，通过测量沿着裂纹的几个位置处的具有不同牵伸角的截圆锥体的实验应变来获得结果。 为了测量变形后的应变，使用0.5mm厚的油基蓝笔在成形之前在片材的表面上绘制5.5mm初始直径的圆。 线间距为0.5mm，并且已经包括在圆的初始直径的尺寸中。根据圆直径的直线表面应变，测量圆周塑性变形后的椭圆长轴和短轴的尺寸，并计算出其中D为圆的初始直径的X轴和Y轴为对应的主要尺寸 和椭圆的短轴。

如图所示。 如图13所示，测得的裂纹破裂的主要真实应变在0.68和0.92之间，为主要的真实应变确定了断裂带。 流程设计人员可以通过在形成或选择多阶段变形路径设计开始时适当选择过程参数，如较大增量步长，从而获得该结果的洞察力并提高产品成型性。

图13 断裂形成极限图-具有不同牵伸角的截头锥体的实验应变（z级路径，0.2 mm分步尺寸）-固体点对应于最大和最小主要真实应变

1. 力测量

值得注意的是，形成力的调查是理解ISF变形机理的最重要的方面之一。以前的研究主要集中在工艺参数对工具力的影响。在本节中，重点分析通过力测量形成三个厚度（1.02 mm，1.60 mm和2.54 mm）的AA7075-O板材的力学性能。成形力由三个特征进行评估：（1）牵引角和刀具路径对合成成形力的影响，（2）z级刀具路径的板厚和下降尺寸对成形力的影响（ 3）片材取向对成形力的影响。值得注意的是，第三方面在ISF中没有被考虑过。在本研究中，使用安装在直径为30mm的成形工具上的专门设计的传感器来实现力测量，如图14所示。它有三个完整的惠斯通电桥。每个桥梁由四个应变计构成，设计用于测量三个正交力之一：两个弯曲方向和一个轴向。在进行任何测量之前，通过

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