高深寬比微流道輥壓成形實驗及參數優化

彭赫力, 金新濟, 徐竹田, 石文展, 彭林法

(1.上海神劍精密機械科技有限公司,上海 201600, E-mail:penglinfa@sjtu.edu.cn;2.上海交通大學 機械系統與振動國家重點實驗室,上海 200240)

具有高深寬比微通道的薄板結構,其典型特征是單個微流道尺寸在亞毫米級,通過大面積密集微流道結構組合,可實現高通量、高比表面積、高比強度等特性[1],在高效換熱器[2]、航空器舵翼蜂窩結構[3-4]、燃料電池[5]、微反應器[6-7]中具有廣泛應用。

目前,金屬表面微通道結構的加工方法主要有沖壓、軟膜沖壓與液壓成形三種工藝。對于這三種加工方法,國內外學者已開展了較為廣泛的研究。孟維哥等學者對燃料電池中使用的316L不銹鋼表面微通道沖壓成形過程中的應力情況進行了研究,發現沖壓過程中在金屬薄板通道的脊部圓角處存在明顯的應力集中,導致明顯的厚度減薄現象[8]。劉艷雄等學者對燃料電池金屬極板微通道的軟模成形進行了研究,發現該工藝可有效成形微結構[9]。郎利輝等學者對薄板液壓成形進行了研究,發現在壓力過大時在圓角附近會產生反脹減薄現象[10]。但是,這些成形方式在加工大面積高深寬比微結構時,薄板會發生顯著應力集中與減薄開裂,難以實現高深寬比結構成形[11-12]。

為了制造這類高深寬比微通道結構,Sung-Woo Choi等學者提出了一種多步沖壓(Multi-Steps Stamping,MSS)的方式進行加工,能夠實現高深寬比微通道結構的加工[13]。李志鵬等學者對鈦板的微流道單步、多步成形工藝規律進行了實驗研究,分析了不同工步加載對極限成形高度的影響規律[14]。有學者發現利用齒輪嚙合原理的輥壓成形,通過漸進塑性加載可顯著降低應變集中,從而實現高深寬比微通道結構加工。Bitzer首先提出在蜂窩瓦楞板成形過程中使用帶波紋的輥子進行輥壓,張俊等學者通過改造二輥軋機,用波紋狀軋輥軋制鈦波紋板,相較于油壓機壓制成型具有低成本與高效率的優點。黃紀繪等學者發現輥壓成形工藝可以有效減少板材的減薄現象,他們還對成形過程中齒輪參數對成形后板材的減薄程度、表面粗糙度等特征的影響進行了研究[15-16]。

但是,目前研究多圍繞輥壓成形可行性開展研究,尚未對不同工藝參數對微通道輥壓成形的影響規律開展深入分析。本文針對齒輪輥子關鍵參數中的齒數、模數與加工過程中加工深度與成形金屬板厚這四個因素對成形加工后微通道結構的最大減薄率與深寬比的影響進行了深入分析,為該類結構的高效精密成形工藝優化提供了參考和依據。

1 微流道輥壓成形實驗

1.1 實驗臺及試樣

首先搭建了微通道輥壓實驗臺如圖1所示。輥壓頭采用漸近線齒輪,其模數m=1.25 mm,齒數為72,壓力角α為20°,寬度為80 mm。為降低齒頂處微流道成形應力集中,齒頂圓角r為0.2 mm。

▲圖1 試驗臺及關鍵參數

成形過程中,兩齒輪通過嚙合實現薄板微流道的塑性成形,兩齒輪間隙可通過調整螺柱調節,實現不同深度微通道成形。本實驗中采用三種成形深度分別為1.0 mm、1.5 mm和2 mm,理論成形微流道深寬比分別為0.5、0.75和1.0。輥壓過程中齒輪角速度為2.5 r/min,薄板試樣線速度為11.8 mm/s。

成形試樣為INCONEL718高溫鎳合金薄板,其厚度為0.1 mm,為便于實驗,通過線切割獲得160×30 mm2的矩形試樣,其力學性質參數見表1,通過單拉實驗獲得材料真應力-真應變曲線如圖2所示。

表1 材料參數

成形后試樣如圖3所示。成形結束后,使用KEYENCE激光共聚焦顯微鏡掃描察成形后的微通道的尺寸形貌。通過對成形后試樣進行切割、冷鑲、拋光等制備金相試樣,并利用Leica光學顯微鏡測量微流道不同區域成形后的厚度。成形實驗重復實驗數目為3次。

▲圖2 真應力-真應變曲線

▲圖3 成形后試樣

1.2 實驗結果及分析

對三種不同成形深度的微流道成形高度及減薄率測量如圖4所示。

▲圖4 實驗測量結果

隨下壓深度增大,成形后流道高度顯著增大,與此同時,薄板減薄率更加顯著,最大減薄位置在齒頂圓角處,經測量,隨下壓深度由1.0 mm增大至2.0 mm,圓角處減薄率由4.9%升高至18.7%。從圖3中可以看出,在加工深度為1.0 mm與1.5 mm時,微通道的壁面切面呈現出曲率較小的曲線形狀,而當加工深度達到2.0 mm時,壁面切面則更加平坦。

為實現更高深寬比微流道成形,勢必需采取增大下壓深度、降低齒間距等工藝參數調整,但是同時使齒頂處薄板塑性變形增大、減薄加劇,易于發生開裂。因此需要建立輥壓成形工藝參數與減薄率及微流道成形深度的關聯機制,以指導高深寬比微流道的高魯棒成形參數設計。

2 實驗結果與討論

2.1 仿真模型建立與驗證

本次仿真實驗主要研究的是輥壓齒輪的參數對成形過程中金屬薄板幾何形態的影響,為了簡化計算以及突出重點,本次仿真實驗采用二維平面應變模型,具體形式見圖5。

利用SolidWorks軟件建立滾壓齒輪的三維模型,導入Abaqus/Standard仿真環境。齒輪輥子設置為離散剛體,薄板試樣為變形體,厚度方向網格數目為5,采用CPE4R的平面應變單元,摩擦系數設置為0.3。輥壓加工過程中,兩輥壓齒輪不會發生位移,故給齒輪的參考點施加UX、UY兩個自由度的約束,并給兩個參考點施加URZ方向的旋轉角速度。

為驗證仿真模型準確性,首先對實驗條件下輥壓過程進行仿真分析,得到不同加工深度減薄率如圖6所示。

▲圖6 減薄率隨加工深度的變化

從圖中可以看出,仿真結果能夠反映隨加載升高、薄板減薄率加劇的趨勢,切與實驗結果吻合良好。但在2.0 mm下壓深度仿真中,仿真結果略低于實驗結果。根據之前研究,隨輥壓過程下壓深度升高,摩擦系數將增大[19],導致實驗中薄板減薄加劇。本文為簡化計算仍采用了恒定摩擦系數。

2.2 仿真模型建立與驗證

基于正交試驗設計方法,針對輥壓過程中的四個關鍵參數齒數、模數、成形深度和薄板厚度進行了仿真實驗設計如表2所示。除齒數外其他三種因素各含有三個水平,故選擇兩次四因素三水平L9(34)正交實驗表,共得到18組實驗。在正式仿真過程中,齒數太小與齒數太大時所得到的仿真結果波動較大,故增加了若干組齒數為18與144的仿真實驗。最后,為了分析齒輪齒數為72,板厚為0.1 mm時其它兩種因素的全響應,再次增加了9組實驗,這里不再列出。

表2 實驗參數設計

3 結果與討論

3.1 影響減薄率的因素

圖7展示了平均減薄率隨三種因素的變化曲線。從圖中可以看出,成形減薄率隨齒輪的模數增大而下降,根據齒輪嚙合原理,這是由于齒輪齒厚、槽寬隨模數增大而顯著增大,因此在嚙合過程中成形區域擴大、材料流動性加強,材料減薄趨勢因此得到緩解。當加工深度從1 mm增加到1.5 mm時,平均減薄率上升了3%,當加工深度從1.5 mm增加到2 mm時,平均減薄率快速增長了8%,這是由于隨加工深度提高,導致嚙合彎曲加劇,同時齒輪中心距減小導致重合度增大,兩齒同時嚙合成形導致材料流動受限、局部變形加劇,使得減薄率升高。板厚對減薄率的影響與成形深度相似,隨厚度增大,薄板塑性變形加劇、減薄率的增長明顯。當板厚大于等于嚙合齒面間距時,減薄率將大大提升,同時突增的成形力可能會對齒輪造成損傷,這是加工中應該避免的。在不同的齒輪齒數條件下,平均減薄率呈現出無規律的上下波動,說明齒數變化對減薄率影響不顯著。這是由于齒數變化對齒輪基節長度、齒厚、槽寬等尺寸形貌均無影響,因此對成形過程中薄板成形過程影響較小。

▲圖7 減薄率隨不同因素的變化趨勢

使用二次模型對實驗數據進行處理,分別利用F值與P值檢驗四個因素的顯著性,計算結果見表3。

表3 各因素顯著性檢驗

假設F值高于8.65,或P值低于5%時,將此因素視為顯著,從上表可以判斷,齒輪的齒數對于合金板的減薄率沒有顯著影響,而齒輪模數、合金板厚度與加工深度對合金板的減薄率有顯著影響,且影響程度從大到小排序為加工深度,板厚,模數。

圖8(a)中顯示了加工過程最大應力與減薄率的關系。從圖中可以看出最大應力變化的趨勢與減薄率變化的趨勢幾乎相同,在最大應力較高時,減薄率也隨之較高,最大應力較低時。減薄率將隨之減小。而圖8(b)顯示了最大應力與加工深度及模數的關系。

▲圖8 最大應力與加工深度、模數的關系

當模數增大時加工最大應力減小,而當加工深度增大時,最大應力增大。加工過程中,成形深度增大時,成形過程中板上的應力的增大。從圖3與圖9可以看到,在實驗與仿真過程中,成形深度較小的微通道的側壁呈曲率較小的弧線狀,而當加工深度達到2.0 mm時,側壁則呈現出較為平直的形狀,此時壁面上應力相較于成形深度為1.0 mm時顯著增大,使得側壁處的減薄率快速上升。

▲圖9 成形后的微流道形態

3.2 響應面分析及參數優化

在分析中,已經得出了輥壓齒輪的齒數與減薄率無關的結論。而成形的深寬比可以通過以下公式計算:

(1)

式中:l代表加工后微通道的寬度;h代表微通道的深度。從公式中可以看到,微通道的深寬比只與齒輪的模數和加工深度有關,而與齒輪的齒數無關。因此以薄板厚度0.1 mm為標準值,建立了加工深度和模數與成形深度和減薄率的響應面如圖10所示。

由圖10可見,微流道成形深寬比隨成形深度增大和模數降低而升高,該趨勢與公式(1)趨勢相符。根據圖所示,加工深度增大將導致減薄率的顯著升高,此時深寬比顯著增大,側壁則呈現出較為平直的形狀,此時壁面上應力相較于成形深度為1.0 mm時顯著增大,使得側壁處的減薄率快速上升。

圖10(a)顯示了實際得到的深寬比關于兩因素的響應面,是一個較為平整的表面。為了得到盡可能深的微通道,我們將深寬比限制在0.8以上,得到加工深度的取值應有h≥1.4 mm。圖10(b)顯示了減薄率關于兩因素的響應面?？梢钥吹?當加工深度逐漸增大時,雖然微通道的深寬比在增大,意味著加工后的微通道更深了,但此時減薄率也相應增大,故不能一味的增大加工深度。

采用加權平均的方法來對參數進行優化。由于深寬比的選取目標是盡可能大,而減薄率的要求為盡可能小,與深寬比要求不同,故將深寬比做倒數,這樣兩個參數的要求都為盡可能小,方便最優點的選取。首先對減薄率與寬深比的數據進行歸一化,將兩組數據中各自的最大值定為0,最小值定為1,其余值利用以下公式進行標定:

▲圖10 輥壓工藝參數對微流道成形影響響應面分析

(2)

選取兩者的權值分別為0.4與0.6,可以得到分數曲線如圖11所示。

▲圖11 分數的響應曲面

▲圖12 分數的等高圖

在得到的等高面圖12中的最低點即為這種評價方法下的最優點。從標準模數中選取最低點最近的模數為1.25 mm,加工深度為1.6 mm,為齒數為72,板厚為0.1 mm條件下的最優點。

4 結論

本文圍繞高深寬比微流道輥壓成形工藝開展了實驗和仿真研究,分析了齒輪幾何參數與微通道幾何參數對流道成形減薄率的影響,得到結論如下:

使用齒輪輥壓的方式加工微通道的實驗過程中,隨下壓深度的增加,金屬薄板的減薄率會顯著增加,金屬薄板的減薄率與齒輪模數、加工深度、板厚有顯著關系,而與齒輪的齒數沒有顯著的關聯。

為了得到盡可能大的深寬比與小的減薄率,在齒輪齒數為72,板厚為0.1 mm的情況下,通過加權平均和響應面分析得到了齒輪模數1.25,加工深度1.6 mm的優化設計參數。