工艺参数对AZ31B_镁合金单点渐进翻边精度的影响

第16卷第5期精密成形工程
2024年5月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING99
工艺参数对AZ31B镁合金单点渐进
翻边精度的影响
安治国1，叶了1，张涛1，门正兴2，高正源1*
（1.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074；
2.成都航空职业技术学院航空装备制造产业学院，成都 610021）
摘要：目的以AZ31B镁合金板为研究对象，研究初始成形角、工具直径、成形温度及层间距对单点渐进圆孔翻边精度的影响规律。

方法使用有限元软件对2 mm厚的镁合金板材进行数值模拟，通过计算翻边直壁处的平均回弹量，得出不同工艺参数对单点渐进圆孔翻边直壁轮廓的影响规律。

通过正交实验分析了交互作用下工艺参数对圆孔翻边直壁处平均回弹量的影响，通过极差分析确定了最优工艺参数组合，并通过实验对所得结果进行了验证。

结果随着初始成形角的增大、工具直径的增大、成形温度的升高及层间距的减小，圆孔翻边制件直壁处的成形精度提高，各因素按影响程度由大到小的顺序依次为：成形温度、初始成形角、工具直径和层间距。

成形精度最高的工艺参数组合如下：初始成形角为30°、工具直径为10 mm、成形温度为275 ℃、层间距为0.5 mm。

结论采用仿真模型模拟单点渐进圆孔翻边过程具有较高的准确性，使用优化后的工艺参数得到翻边零件直壁区域的最小厚度以及平均回弹量与仿真结果误差均在3%以内，升高温度可以明显提高单点渐进圆孔翻边的制件精度。

关键词：镁合金；翻边；单点渐进成形；数值模拟；回弹
DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.05.011
中图分类号：TG376.2 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)05-0099-09
Effect of Process Parameters on Flanging Accuracy of AZ31B Magnesium Alloy
in Single Point Incremental Process
AN Zhiguo1, YE Liao1, ZHANG Tao1, MEN Zhengxing2, GAO Zhengyuan1*
(1. School of Mechatronics & Vehicle Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. School of
Aeronautical Manufacturing Industry, Chengdu Aeronautic Polytechnic, Chengdu 610021, China)
ABSTRACT: The work aims to take AZ31B magnesium alloy sheet as the object to study the effects of initial forming angle, tool diameter, forming temperature, and layer spacing on the flanging accuracy of the round hole in single point incremental forming. The finite element numerical simulation method was used to analyze the 2 mm thick magnesium alloy sheet, and the
收稿日期：2024-03-07
Received：2024-03-07
基金项目：重庆市自然科学基金面上项目（cstc2021jcyj-msxmX1047）；四川省自然科学基金（2023NSFSC0407）
Fund：The Scientific and Technological Research Program of Chongqing Science and Technology Bureau (cstc2021jcyj- msxmX1047); Scientific and Technological Research Program of Sichuan Province (2023NSFSC0407)
引文格式：安治国, 叶了, 张涛, 等. 工艺参数对AZ31B镁合金单点渐进翻边精度的影响[J]. 精密成形工程, 2024, 16(5): 99-107.
AN Zhiguo, YE Liao, ZHANG Tao, et al. Effect of Process Parameters on Flanging Accuracy of AZ31B Magnesium Alloy in Single Point Incremental Process[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(5): 99-107.
*通信作者（Corresponding author）
100精密成形工程 2024年5月
effect of different process parameters on the straight wall profile of the round hole flanging was obtained by calculating the av-erage springback value. The effect of process parameters under the interaction on the average springback at the straight wall of the flanging was analyzed by an orthogonal experiment. The optimal combination of process parameters was determined by range analysis, and the results were verified by experiments. With the increase of the initial forming angle, tool diameter and forming temperature and the decrease of the layer spacing, the flanging accuracy increased, and the importance of parameters in
a descending order was as follows: forming temperature, initial forming angle, tool diameter, and layer spacing. The combina-
tion of process parameters with the highest forming accuracy included the initial forming angle of 30°, tool diameter of 10 mm, forming temperature of 275 ℃, and layer spacing of 0.5 mm. The simulation model has a high accuracy for simulating the single point incremental flanging process. The profile error of the flanging by the optimal combination of process parameters between the physical experiments and the simulation results is less than 3%. The elevated temperature can significantly improve the flanging profile accuracy of the round hole.
KEY WORDS: magnesium alloy; flanging; single point incremental forming; numerical simulation; springback
翻边是一种将薄板边缘或预制孔边缘的材料沿着曲线或直线向竖直方向翻折的加工工艺[1]。

在翻边成形过程中，金属回弹是一种比较常见的缺陷[2-3]，它是由成形过程中去除载荷后材料产生弹性恢复而导致的。

材料回弹的产生会使零件成形精度降低[4]，零件产生的回弹大小与翻边零件的几何尺寸、预制孔径及加工参数等条件有关[5]。

渐进成形是一种利用成形工具沿着预先编制好的轨迹对板料进行逐层加工的塑性成形工艺[6-7]。

1967年，Edward[8]首先提出了渐进成形技术。

随后，经过30多年的发展，国内外学者对渐进成形技术进行了深入的研究，并提出了数控渐进成形技术[9]。

单点渐进翻边工艺是单点渐进成形技术的一个分支。

低成本、短周期以及高成形性是单点渐进翻边工艺的优点[10-11]，该技术已被应用于许多领域[12]。

近年来，许多学者从单点渐进圆孔翻边工艺中的材料成形极限、制件成形精度及表面质量等方面展开了相关工作。

Tian等[13]认为刀具直径与翻边直径的比值可以作为一个无量纲参数来反映翻边过程，并提出了增量翻边成形极限（IFFL）试验方法，成功地预测了单点渐进成形过程中断裂的发生情况，并对其准确性进行了实验验证。

Seyyedi等[14]对低成形性、易断裂的AA6061-T6铝合金板进行了研究，提出了一种新的非线性损伤累积规律，实验和数值结果表明，所提出的非线性累积预测方法在单段和多段渐进孔翻边过程中均具有较好的精度。

Gandla等[15]对DDQ钢板的不同预制孔径进行了渐进圆孔翻边，通过试验和有限元模拟得出制件表面粗糙度随着圆孔翻边工艺道次的增加而降低的结论。

Besong等[16]针对单点渐进成形翻边直壁区域产生弹性回弹的问题进行了研究，通过采用具有一定倾角的刀具轨迹，降低了翻边直壁区域的回弹。

Laugwitz等[17]设计了2种不同数量的成形工具（单个成形工具和4个成形工具），研究了成形速度对孔法兰几何精度的影响，结果表明，成形速度对孔翻边直壁区几何精度的影响不大，但是4个成形工具能显著提高零件的几何精度。

Roohi等[18]使用2205双相钢板进行了孔翻边研究，研究发现，层间距的增大会导致法兰壁上产生较大的弹性应变，从而导致材料回弹增大。

Makwana 等[19]对进给速度和层间距进行了研究，发现增大进给速度会提高材料的成形性能，而增大层间距会降低成形性能。

Chen等[20]采用厚度分别为1 mm和0.3 mm的Al6061和SUS304不锈钢板对斜孔翻边过程进行了研究，结果表明，最大回弹角随刀具直径、倾角和螺旋轨迹螺距的增大而增大。

Mezher 等[21]对AA1060铝合金和DC01碳钢孔翻边过程进行了研究，通过数值模拟与实验相结合的方式，发现增大材料的预制孔径会使材料的回弹角减小。

镁合金因具有比强度高、比刚度大、电磁屏蔽性好等特点而被广泛应用于汽车、船舶、生物学等领域的新产品开发和小批量生产中[22]。

但由于镁合金的晶体结构特殊，与常用的钢、铝及铜等材料相比，其室温塑性较差，很难成形变形程度较大的零件[23]，因此对于变形程度较大的镁合金零件，常常需要提高其成形温度以保证其顺利成形。

Song等[24]在AZ31B镁合金成形过程中同时加入了电脉冲和超声振动，研究了电脉冲和超声复合能量场对AZ31B镁合金表面质量的影响，结果表明，复合能量场能够提高零件的表面质量。

Liao等[25]提出了超声辅助热单点增量成形方法，通过评估不同成形温度和超声振幅对AZ31B板材表面质量的影响，得出成形温度对橘皮图案的产生有显著影响的结论。

Zhang等[26]提出了一种油浴加热辅助热增量成形方法，通过对AZ31B板材进行研究，发现成形温度、成形角度、层间距和板料厚度是影响回弹的重要因素。

综上所述，虽然当前国内外学者在单点渐进翻边方面已经进行了一些研究，但是采用单点渐进成形工艺对AZ31B镁合金进行圆孔翻边的研究鲜有报道。

因此，本文以AZ31B镁合金薄板为研究对象，通过建立单点渐进翻边模型对翻边成形过程进行数值模
第16卷 第5期 安治国，等：工艺参数对AZ31B 镁合金单点渐进翻边精度的影响
101
拟，研究不同工艺参数对翻边制件精度的影响规律，最后通过物理实验验证数值模拟结果。

1 实验
1.1 材料
本文选用厚度为2 mm 的AZ31B 镁合金板材，尺寸（长宽）为100 mm×100 mm ，其化学成分如表1所示。

表1 AZ31B 镁合金的化学成分
Tab.1 Element composition of AZ31B magnesium alloy
wt.% Al Zn Mn Fe
Cu
Ni
Si
Mg
2.85 0.75 0.62 0.002 9 0.000 45 0.000 52 0.025Bal.
1.2 数值模拟
通过Abaqus 有限元平台进行数值模拟。

圆孔翻边的几何模型如图1a 所示，其中D 0为预制孔径，D m 为翻边孔外径，D t 为工具直径。

采用壳单元对板材进行网格划分，采用三维实体单元对成形工具、压板和垫板进行划分网格。

综合考虑计算时间和精度，在板料的中间区域，将网格尺寸大小设置为0.5 mm× 0.5 mm ，而将边缘区网格的尺寸大小设置为 1 mm× 1 mm 。

成形工具的网格尺寸为1.0 mm ，垫板和压板网格尺寸均设置为2 mm ，划分的网格模型如图1b 所示。

图1 几何模型及网格模型
Fig.1 Geometric model and mesh model: a) geometric model; b) mesh model
在成形仿真中，成形工具的运动轨迹为螺旋状，其表达式如式（1）~（4）所示。

/z ht T =- (1) 0ππtan 2180R R z θ⎛⎫
=+- ⎪⎝⎭
(2)
2πcos ht x R Td ⎛⎫
= ⎪⎝⎭
(3)
2πsin ht y R Td ⎛⎫
= ⎪⎝⎭
(4)
式中：R 为螺旋轨迹任意位置的半径；R 0为螺旋轨迹初始点的半径；θ为成形角；t 为时间；T 为实际加工的总时间；h 为加工深度；d 为层间距。

利用式（1）~（4）得到的不同成形角下的成形轨迹如图2a 所示，变形区的材料可以通过单道次或多道次变形最终翻边成形为直壁。

在单道次成形时，常常会由于成形角过大而超出材料的成形极限，导致出现严重减薄或破裂缺陷。

多道次渐进翻边可以通过逐步增大成形角提高材料的成形极限。

单点渐进翻边过程的示意图如图2b 所示。

图2 单点渐进翻边成形轨迹及变形过程
Fig.2 Forming trajectory and deformation process of single
point incremental flanging: a) formingtrajectory;
b) deformation process
1.3 实验方案
本文采用三道次变角度刀路轨迹实现对圆孔翻边的加工，预制孔径D 0为30 mm ，翻边孔外径D m 为60 mm 。

初始成形角为θ1，为避免因初始成形角过大而导致材料超出其成形极限，初始成形角θ1不大于60°[27]。

与前一道次相比，第二、三道次成形材料的夹角分别为θ2和θ3，其取值相等，可由式（5）计算得出。

1
2902
θθ︒-=
(5) 根据确定的三道次变角度渐进成形圆孔翻边工
102
精 密 成 形 工 程 2024年5月
艺，首先研究单因素条件下工艺参数对AZ31B 镁合金板材圆孔翻边成形精度的影响，包括初始成形角A （20°、30°、40°、50°及60°）、工具直径B （8、10、12、14及16 mm ）、成形温度C （175、200、225、250及275 ℃）、层间距D （0.1、0.2、0.5、0.8及1 mm ）。

在单因素分析基础上，对4个工艺参数进行正交实验，以成形零件的平均回弹量作为本次正交实验的优化目标，通过极差分析确定最佳工艺参数。

正交实验的影响因子及其水平如表2所示。

表2 实验因子及水平
Tab.2 Test factors and levels
Level A /(°) B /mm C /℃
D /mm 1 30 10 225 0.2
2 40 12 250 0.5
3 50 1
4 27
5 0.8
成形零件的回弹量δd 可由式（6）确定。

d m δ= (6)
式中：x 、y 为通过仿真得到的成形零件翻边直壁
区单元节点的横纵坐标；m 为理论位置。

然后计算翻边直壁处所有节点回弹量的算术平均值得到成形零件的平均回弹量。

1.4 实验装置
采用CNC1690三轴立式数控铣床作为成形机床，通过自主开发的单点渐进成形装置对板料进行固定和加热，实验装置如图3所示。

加热装置通过加热单元对材料进行加热，板料温度由温度传感器进行实时采集，通过模糊PID 温度控制器对温度进行调节，使板料表面温度达到目标温度并保持稳定。

精铣后去除板材中部预制孔的毛刺。

图3 实验装置
Fig.3 Experimental device
2 结果与讨论
2.1 初始成形角对翻边精度的影响
根据实验方案仿真得到的不同初始成形角下翻边部分在xOz 平面的截面轮廓如图4a 所示。

可以看出，随着初始成形角的减小，截面轮廓与理论轮廓之间的偏差增大，最大偏差为0.76 mm 。

初始成形角对翻边直壁处回弹量的影响如图4b 所示，可以看出，随着初始成形角的增大，翻边直壁处平均回弹量逐渐减小，最小平均回弹量只有0.373 8 mm 。

初始成形角的增大有助于减小回弹量，提高零件的成形精度，但是较大的初始成形角可能会使零件成形时间延长、零件变形过度而超出材料的成形极限，导致其发生破裂。

当初始成形角为65°时，圆孔翻边的板料厚度分布云图如图4c 所示，可以看出，在成形区域出现明显破裂。

因此，初始成形角的取值范围为30°~50°较为合适。

2.2 工具直径对翻边精度的影响 仿真得到的不同工具直径在xOz 平面的截面轮廓如图5a 所示。

可以看出，随着工具直径的减小，截面轮廓与理论轮廓之间的偏差增大，最大偏差达到了1.12 mm 。

工具直径对翻边直壁处平均回弹量的影响如图5b 所示。

可以看出，随着工具直径的增大，翻边直壁处平均回弹量逐渐减小。

这是因为成形工具直径越小，板料成形部分的局部应变越大，导致回弹增加。

工具直径越大，制件在翻边过程中施加的应力越均匀，从而减小了回弹。

增大工具直径会减小翻边直壁处的平均回弹量，提高零件的成形精度，减小工具直径会增大翻边直壁处的平均回弹量。

当工具直径过小时，甚至会导致材料发生破裂。

当工具直径为6 mm 时，在圆孔翻边过程中，变形区材料产生明显破裂，如图5c 所示。

因此，为了提高翻边制件的成形精度，在满足形状、加工空间等其他条件的情况下，优先选择工具直径为10~14 mm 。

2.3 成形温度对翻边精度的影响
仿真得到的不同温度下xOz 平面的截面轮廓如图6a 所示。

可以看出，随着成形温度的升高，截面轮廓与理论轮廓之间的偏差逐渐减小，当温度为175 ℃时，最大偏差为1.45 mm 。

成形温度对翻边直壁处平均回弹量的影响如图6b 所示，可以看出，随着成形温度的升高，翻边直壁处的平均回弹量逐渐减小，制件的成形精度逐渐提高。

但是当温度高于250 ℃时，制件的平均回弹量几乎不再减小。

AZ31B 镁合金板料具有密排六方晶体结构，在室温下只有3个滑移系能够发生移动，远低于多晶体均匀变形所需的至少5个独立滑移系，导致它在室温下具有较差的塑性。

当成形温度为150 ℃时，在单点渐进圆孔翻边
第16卷第5期安治国，等：工艺参数对AZ31B镁合金单点渐进翻边精度的影响103
图4 初始成形角对翻边成形精度的影响
Fig.4 Effect of initial forming angle on forming accuracy of flanging: a) xOz cross-section profile; b) average springback; c) crack
图5 工具直径对翻边成形精度的影响
Fig.5 Effect of tool diameter on forming accuracy of flanging: a) xOz cross-section profile; b) average springback; c) crack
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精 密 成 形 工 程 2024年5月
图6 成形温度对翻边成形精度的影响
Fig.6 Effect of forming temperature on forming accuracy of flanging: a) xOz cross-section profile; b) average springback; c) crack
过程中，在翻边直壁部分出现材料破裂，如图6c 所示。

随着温度的升高，非基滑移系逐渐被激活，镁合金的成形性能发生转变，提高了镁合金塑性，减小了回弹量。

当成形温度升高到275 ℃后，继续升高温度将耗费更多的能量和时间，而且并不能明显提高翻边制件的成形精度，因此将成形温度控制在225~275 ℃较为合适。

2.4 层间距对翻边精度的影响
仿真得到的不同层间距下xOz 平面的截面轮廓如图7a 所示。

可以看出，随着层间距的增大，截面轮廓与理论轮廓之间的偏差变大，最大偏差达到了0.98 mm 。

层间距对翻边直壁处平均回弹量的影响如图7b 所示，可以看出，随着层间距的增大，翻边直壁处平均回弹量逐渐增大，制件的成形精度降低。

这是因为当层间距增大时，工具头对板料施加的载荷增大，导致材料局部发生较大的弹性变形，使材料的平均回弹量增大。

由图7可知，较小的层间距使材料的流动更加均匀，从而降低了材料的平均回弹量，提高了材料的成形精度，但是当层间距过小时，会大大延长制件的加工时间，因此层间距取值为0.2~0.8 mm 较好。

2.5 正交实验
根据表2中的实验因子及水平，进行单点渐进圆孔翻边数值模拟，仿真得到的结果如表3所示。

图7 层间距对翻边成形精度的影响
Fig.7 Effect of layer spacing on forming accuracy of flanging:
a) xOz cross-section profile; b) average springback
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表3 正交实验结果 Tab.3 Orthogonal test results
Sample A /(°)
B /mm
C /℃
D /mm
Average springback/mm
1 1 1 1 1 0.983 9
2 1 2 2 2 0.440 8
3 1 3 3 3 0.361
4 4 2 1 2 3 0.592 4
5 2 2 3 1 0.801 3
6 2 3 1 2 1.252 8
7 3 1 3 2 0.300
8 8 3 2 1 3 1.158 4
9 3 3 2 1 0.483 4
为了判断各因素对AZ31B 镁合金板材渐进翻边成形精度影响的显著程度，对表3的结果进行极差分析，得到的结果如表4所示。

可知，成形温度对AZ31B 镁合金板材渐进圆孔翻边精度的影响最大，其次是初始成形角，然后是工具直径，影响最小的是层间距。

因此，优化后的工艺参数组合为A 1B 1C 3D 2，
即初始成形角为30°，工具直径为10 mm ，成形温度为275 ℃，层间距为0.5 mm 。

表4 极差分析结果
Tab.4 Results of range analysis
1K 0.595 0.626 1.132 0.756 2K 0.882 0.800 0.506 0.665 3K
0.648 0.699 0.488 0.704 r
0.287
0.174
0.644
0.091
Note: i K (i =1,2,3) represents the average of test results for each factor at the i level; r is the difference of i K between the maximum and minimum values.
选择平均回弹最小的第7组实验作为对照组，对最优工艺参数组合进行仿真对比，结果如图8所示。

可以看出，优化后翻边直壁处在x 方向的回弹明显减少，这说明所确定的最佳工艺参数组合明显提高了翻边精度。

采用优化后的工艺参数进行零件试制，得到的翻边制件如图9a 所示，将制件沿着xOz 平面进行线切割，得到零件的截面，然后利用三维扫描仪对截面轮廓进行扫描，如图9b 所示。

利用扫描数据可以提取翻边区域截面上的特征点位置。

将所得到的成形样件截面轮廓与数值模拟结果
进行对比，所测量的特征点位如图10所示。

对比相应特征点位的x 方向坐标，计算实验与模拟之间的偏差，结果如表5所示。

可以看出，在相同位置，x 方向上的坐标均存在一定偏差，这可能是由于加工设备精度、摩擦条件以及成形温度分布不均匀。

从偏差结果来看，所有测量点的偏差均被控制在
3%以内，仿真与实验结果一致性较好。

图8 x 方向的位移云图
Fig.8 Cloud map of the displacement in x direction:
a) simulation results of the control group; b) simulation results after optimization
图9 成形样件及截面检测
Fig.9 Formed part and cross-section measurement:
a) flanged part; b) 3D scanning
图10 翻边部分特征点位置实验和仿真对比
Fig.10 Comparison of experiment and simulation on the posi-tion of some characteristic points in flanging
106精密成形工程 2024年5月表5 偏差结果对比
Tab.5 Comparison of deviation results
Point selection
Simulate x
coordinates/mm
Test x
coordinates/mm
Deviations/%
1 28.638 27.858 2.80
2 28.668 28.066 2.14
3 28.688 28.225 1.64
4 28.942 28.356 2.07
5 29.049 28.56
6 1.69
6 30.603 29.865 2.47
7 32.948 33.012 0.19 3 结论
以AZ31B镁合金板为研究对象，建立镁合金单
点渐进成形圆孔翻边的数值模型。

讨论了初始成形角、工具直径、成形温度及层间距对AZ31B镁合金
单点渐进成形圆孔翻边成形精度的影响。

采用正交实
验研究了交互作用下工艺参数对翻边成形精度的影响，并通过极差分析得到了最优工艺参数。

在最优工
艺参数条件下，对仿真和实验进行了对比分析。

得到
的主要结论如下：
1）通过单因素实验研究了成形温度、初始成形角、工具直径和层间距对AZ31B镁合金板单点渐进
成形翻边精度的影响，初步确定了最佳成形温度为
225~275 ℃，初始成形角为30°~50°，工具直径为10~
14 mm，层间距为0.2~0.8 mm。

2）正交实验结果表明，各因素按对AZ31B镁合
金单点渐进成形圆孔翻边精度的影响程度由大到小
的顺序依次为成形温度、初始成形角、工具直径和层
间距。

3）对正交实验结果进行极差分析，确定了最佳
工艺参数组合如下：初始成形角为30°，工具直径为
10 mm，成形温度为275 ℃和层间距为0.5 mm，并
对优化后的参数组合进行了实验试制，得到的翻边
零件与仿真结果误差在3%以内，验证了仿真结果的
准确性。

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