《Case Studies in Thermal Engineering》：Thermal and tool path effects on forming force and surface integrity in heat-assisted single point incremental forming of AA1050 aluminum alloy
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为降低单点渐进成形（SPIF）过程中的成形力、提升表面质量，研究人员将电阻加热系统与三种刀具路径策略（Contour Broken、Contour Ramp、Contour Helix）结合，系统研究了温度与刀具路径对AA1050铝合金成形力与表面粗糙度的影响。结果表明，提高温度可显著降低成形力（最高降低35.36%），而Contour Helix路径在150°C时能获得最佳表面质量（Ra=0.263 μm，降幅达72.20%）。该研究为优化热辅助SPIF工艺、提升航空航天、生物医疗及定制制造领域的构件精度与质量提供了关键参数指导。
在制造业追求柔性化、小批量生产的今天，一种名为单点渐进成形（Single Point Incremental Forming， SPIF）的技术因其无需专用模具、仅靠数控工具头逐点塑性变形板材即可成型复杂几何形状的优势，在原型制作和定制生产领域备受关注。然而，SPIF工艺的广泛应用仍面临两大核心挑战：一是成形过程中所需的力较大，这不仅对机床和工具提出了更高的强度和耐用性要求，也限制了高强度或难成形材料的加工能力；二是如何获得高质量的表面光洁度，这对于许多精密工程应用至关重要。近年来，研究者们尝试在成形过程中引入辅助加热（如激光、热风、摩擦生热等），通过热软化效应来降低材料的变形抗力，从而提高成形性并降低成形力。但以往的研究多聚焦于加热方式本身，或对单个工艺参数进行优化，对于加热温度与刀具运动轨迹（即刀具路径）这两种关键因素如何协同作用，共同影响成形力和最终零件表面质量，仍缺乏系统性的实验探索。特别是在热场精确控制条件下，对比不同刀具路径策略（如离散步进、连续斜向进给、螺旋连续运动）对成形过程稳定性和表面完整性的影响，是优化工艺、推动热辅助SPIF（Heat-Assisted SPIF, HA-SPIF）走向高精度应用必须回答的问题。
为了深入探究这一课题，来自越南Hungyen理工大学机械工程学院的The-Thanh Luyen、Thi-Bich Mac等研究团队，在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上发表了一项研究。他们设计了一套集成电阻加热系统的实验平台，对AA1050铝合金板材进行了系统的热辅助SPIF实验。研究旨在明确两个核心问题：在精确控制的温度场下（从室温25°C到250°C），不同的刀具路径策略如何影响成形过程的最大与平均成形力？同时，温度与刀具路径的交互作用如何决定最终工件的表面粗糙度？通过揭示热管理与刀具路径设计的协同效应，该研究期望为航空航天、生物医学植入物和个性化轻量化制造等领域的高精度、高质量成形工艺提供优化方案和理论依据。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们搭建了集成了定制化电阻加热板的实验装置，该加热板使用Cr20Ni80电阻丝，封装在A356铝合金板内，可提供最大2000W功率的均匀加热。其次，通过四个K型热电偶实时监测板材四角的温度分布，并结合热传导理论建立模型，精确预测并控制了六种目标成形温度（25°C、50°C、100°C、150°C、200°C、250°C）。第三，在VMC-85S立式数控加工中心上，使用SKD11工具钢制成的10mm直径半球形工具头，执行了三种由Mastercam软件生成的刀具路径策略：Contour Broken（轮廓间断）、Contour Ramp（轮廓斜向）和Contour Helix（轮廓螺旋）。第四，利用Kistler 9257B多分量压电测力仪实时采集成形过程中的三向力（FX、FY、FZ）数据，并通过公式 F = √(FX2+FY2+FZ2) 计算总合力。最后，使用Mitutoyo SJ-410接触式轮廓仪，在4mm的评定长度上测量了成形后工件表面的算术平均粗糙度（Ra），每个样品取三个不同位置测量值的平均值以保证数据可靠性。
研究结果部分的主要发现如下：
3.1. SPIF中工件温度的确定
研究人员首先通过实验确定了控制器设定温度（TS）与实际工件稳定温度（TSn）之间的关系。他们发现，距离热源最远的传感器TS3偏差最大（在100°C设定温度下偏差达8.6%），而最靠近加热中心的传感器TS1偏差最小。基于实验数据，他们建立了温度预测模型：TSn= 0.0002·TS2+ 0.875·TS+ 3.59，并据此校准了实验中为实现目标工件温度所需的控制器设定值，确保了热条件的精确控制和可重复性。
3.2. 室温下刀具路径策略对表面质量和成形力的影响
在室温（25°C）下对比三种刀具路径发现，Contour Broken路径因离散的垂直下压动作产生了明显的线性刀具痕迹，导致表面质量最差；Contour Ramp路径因斜向下降产生了螺旋状图案，表面有所改善；而Contour Helix路径因其连续的螺旋运动，产生了最均匀、最光滑的表面纹理，显著提升了表面完整性。在成形力方面，Contour Broken路径由于不连续的冲击运动，产生了最高的最大成形力（Fmax= 167.46 N）和平均成形力（Favg= 125.65 N），且侧向力（FX, FY）波动剧烈。Contour Helix路径则表现出最稳定的力曲线和最低的力值（Fmax= 148.82 N， Favg= 119.02 N），表明其能实现更平稳的变形。
3.3. 温度和刀具路径策略对成形力的影响
系统地研究了从25°C到250°C六个温度水平下三种刀具路径的成形力变化。结果清晰地表明，随着温度升高，所有路径下的成形力均显著下降，这归因于材料的热软化效应促进了塑性流动。例如，对于Contour Helix路径，在250°C时，其最大成形力相比室温降低了28.40%（从148.82 N降至106.55 N），平均成形力降低了34.17%（从119.02 N降至78.35 N）。Contour Ramp路径的平均成形力降低幅度最大，达35.36%。在不同刀具路径之间，Contour Broken路径始终产生最高的成形力，而Contour Helix路径的力值最低。在250°C时，Contour Broken与Helix路径之间的最大成形力偏差高达19.50%，凸显了刀具路径设计的显著影响。
3.4. 温度和刀具路径策略对表面粗糙度的影响
表面粗糙度（Ra）的测量结果显示了一个共同的趋势：随着温度从室温升高至150°C，所有刀具路径下的表面粗糙度均得到改善，在150°C时达到最佳值；但温度继续升高至200°C和250°C时，粗糙度会轻微回升，这可能与材料过度软化、粘附效应或轻微氧化有关。Contour Helix路径在改善表面质量方面表现最佳，在150°C时达到了最低的Ra值0.263 μm，相较于室温下的0.946 μm，粗糙度降低了惊人的72.20%。相比之下，Contour Broken和Contour Ramp路径在150°C时的最佳Ra值分别为0.785 μm和0.947 μm。这证实了连续的螺旋刀具运动在获得优异表面光洁度方面的优势。
结论与讨论
本研究通过一个集成的实验框架，系统揭示了热辅助单点渐进成形（HA-SPIF）中热管理（温度）和运动学（刀具路径）对AA1050铝合金成形力与表面完整性的协同影响机制。
研究得出的核心结论是：提升成形温度能有效降低材料的变形抗力，从而显著减少成形力，最高降幅可达35.36%（Contour Ramp路径，250°C）。然而，温度对表面质量的影响存在一个最佳区间（本研究中为150°C），适度加热能改善塑性流动性从而降低粗糙度，但过热（>150°C）可能因材料过度软化和工具-工件界面粘附而轻微劣化表面。在三种刀具路径策略中，Contour Helix（轮廓螺旋）路径凭借其连续、平滑的运动特性，在降低成形力波动、提高过程稳定性以及获得最佳表面光洁度（150°C时Ra=0.263 μm）方面表现最为突出，被证明是兼顾高效率（最短加工时间）、低载荷和高表面质量的最优选择。
这项研究的重要意义在于，它超越了以往孤立研究加热或路径的单因素分析，首次在一个统一的实验体系中定量揭示了温度与刀具路径的交互作用。这不仅为工艺工程师优化HA-SPIF参数（例如，针对高强度或复杂零件，可选择Contour Helix路径搭配150°C左右的加热温度）提供了明确的指导，而且深化了对热-力-运动耦合下材料变形行为的理解。研究成果对于推动SPIF技术在航空航天（如轻量化蒙皮）、生物医学（如定制化植入体）以及高附加值定制制造等对成形精度、表面质量和加工效率有严苛要求的领域中的应用，具有重要的实践价值和理论意义。未来的研究可以在此基础上，进一步探索该工艺组合对其他难加工材料（如钛合金、高强钢）的适用性，并集成更先进的控制策略以实现动态热-路径协同优化。
