加載路徑對X形管內高壓成形質量的影響

陳杰，金鑫，孔諒，王志遠

(上海交通大學材料科學與工程學院，上海200240)

管材液壓成形 (THF)作為一種非傳統的材料塑性成形方法，近些年來伴隨著節能減排、汽車車身輕量化等概念的提出，在工業領域特別是汽車領域得到了廣泛的應用。液壓成形的優點包括減少模具的數量，減少零件成形步驟，材料利用率高，并且能有效改善零部件的性能［1］。近些年來伴隨著先進控制技術在內高壓成形設備上的應用，內高壓成形技術漸漸成為一種靈活可控、安全高效的材料成形方法［2］。近些年來，運用內高壓成形技術制造的各種管材越來越多地應用于汽車、航空航天等領域，并且還在不斷拓展其應用范圍。

內高壓成形的基本過程是將預處理后的管坯放入模具型腔內，然后內部加壓與軸向加力補料，使管坯貼合到型腔內表面，從而獲得所需的零部件。從管材成形過程可以看出，內部壓力以及軸向補料是影響成形質量的主要因素，另外管材、模具的性能、幾何參數成為另一個影響因素。文獻 ［3］研究了材料各項異性系數r以及應變強化系數n對管材成型性能的影響，發現各項異性系數r以及應變強化系數n對自由漲形管材成形形狀以及應變分布有著顯著影響，r值、n值越大，成形后零件應變分布越均勻，同時能夠獲得更大的變形量。有學者研究證實，伴隨著n值的減小以及K值的增大，成形時的破裂壓力隨之增大［4］。研究表明:管材的直徑以及厚度等幾何參數對管材的液壓成形過程有著顯著的影響［5－7］，伴隨著管材直徑的增加，減薄率減少將近1/3，同時管材的厚度分布更加均勻;然而隨著管材長度的增加，獲得支管的高度顯著下降，支管頂部減薄率明顯增加。管材與模具之間的摩擦因數也是影響成形過程的一個主要因素。許多的研究表明，成形過程中的參數控制(內壓，軸向給進)是影響管材內高壓成形質量的主要因素［8］。軸向進給對成形質量有較大影響，合適的軸向給進能有效避免破裂的發生，獲得合格的零部件。然而伴隨著給進量的增加，所需要的整形壓力也相應增加。內壓越大，管材成形后減薄越明顯，同時發現伴隨內壓增大，成形過程對摩擦因數也更加敏感。文獻［9］研究了內壓與管材厚度、屈服強度、模具最小內角半徑之間的關系以及成形過程所需的內壓方法。從以上分析不難看出:加載路徑的優化、軸向進給的調整以及這兩者之間的關系成為管材成形質量優化的主要方向。有限元分析方法 (FEA)相對與以往的試錯實驗方法，具有經濟高效、靈活多變的特點，并且能幫助人們更好地理解管材成形的過程，協助探索、設計新的成形方法?；谝陨涎芯?，作者運用有限元模擬的方法，探索、優化加載路徑以及軸向進給，并探究這兩者對X形管成形質量的影響。

1 有限元模型的建立

X形管的有限元模型包括3個部分:(1)管坯;(2)模具;(3)左右沖頭。其中管坯為BT殼單元，離散化后單元總數為3 000，其中四邊形總數為3 000，三角形總數為0;左右沖頭及模具為剛性單元，剛性單元在模擬的過程中并不發生變形.左右沖頭的單元總數都為277，其中四邊形單元數目為245，三角形為32。模具的單元總數為1 756，其中四邊形單元數目為1 492，三角形單元數目為264。有限元模型如圖1所示。采用LS-DYNA的動力顯式算法進行計算，模型取1/4對稱進行計算，以縮短計算時間。比例縮減成形時間為0.01 s，研究表明:動力顯式算法下采用此比例縮放時間，對模擬精度幾乎沒有影響，卻能顯著縮短計算時間，提高計算效率［10］。

圖1 X形管的有限元模型 (1/8對稱模型)

仿真實驗采用60 mm×2.0 mm的管坯，管坯長度為150 mm，材料為不銹鋼SS304。圓角半徑為5 mm，材料的本構關系為 σ=Kξn，K=1 426 MPa，n=0.502。其他參數:密度為7.85 g/cm3。材料具體性能參數如表1所示。

表1 管材性能參數

2 主要工藝參數的確定

傳統的方法中，主要工藝參數，特別是內壓的確定一般通過試錯法獲得，試錯法所獲得的數據主要依據以往的經驗以及一些簡單的近似等式獲得。例如，初始屈服壓力pyield，純漲形時的開裂壓力pbursting，整形壓力pcalibration分別由公式 (1)— (3)估算［11］:

其中:t0為管材的厚度，D0為管材的直徑，Dp為凸起的直徑，rb為模具的最小半徑，σf為材料的流變應力，σs為材料的屈服應力，σu為材料的極限抗拉強度。由等式 (1)— (3)，代入表1中材料的對應性能數值，可以初步估算出材料的內壓的加載范圍。

利用以上3個公式計算出來的內壓值可以為多線性加載參數提供參考，同時為試錯法提供參考。參考以上計算數值，在DYNAFORM中進行有限元模擬，作者將最大內壓設為180 MPa，加載方式為線性加載，軸向進給設為0，加載時間為0.01 s，觀察自由漲形時管材最小壁厚變化情況，從而確定以上主要參數，最終確定最大整形壓力為96 MPa。

3 主要工藝參數對成形結果影響分析

3.1 線性內壓加載路徑對成形結果的影響

內壓加載路徑是影響X形管成形質量的一個重要因素，通常內壓加載路徑分為線性加載路徑、梯形加載路徑。相同內壓參數、不同的內壓加載路徑下X形管成形質量相差很大，因此探索不同加載路徑對X形管成形質量的影響，對提高X形管成形質量有很重要的意義。

經過實驗探索，確定軸向進給量為2 mm×40.5 mm，軸向加載方式為梯形加載方式，加載方式如圖2所示。整形最大壓力為96 MPa，加載時間為0.01 s。

此階段研究中，共設計了2組，共8種不同的加載路徑，如圖3所示，每組4種不同的加載路徑。最大整形壓力都為96 MPa。

圖2 軸向進給路徑

圖3 線性內壓加載方式

將仿真結束后最小壁厚Tmin、最大壁厚Tmax、最小主應變εmin、最大主應變εmax作為衡量成形質量的依據。不同內壓加載路徑下，X形管的成形結果見表2。

表2 不同內壓加載路徑下實驗結果

從表2可以看出:1組的成形質量都要好于2組，其中1組中C的成形質量最好，2組中F的成形質量最好。從1組可以看出:在軸向給進方式一致的情況下，線性內壓加載時，內壓加載速度對成形質量有著顯著的影響。內壓加載過慢，導致后期整形時內壓上升過快，補料不足，從而導致最小壁厚減薄，最大壁厚增加。從第二組可以看出:內壓加載不宜過快和過慢，內壓加載過快過慢都不利于成形質量的提高。為保證成形質量，需要尋找一個合適的加載路徑。

3.2 梯度內壓加載路徑對成形結果的影響

在研究了線性內壓加載路徑對X形管成形結果影響基礎之上，經過探索，設計了1組共3種不同的梯度加載方式，研究梯度加載方式對X形管成形結果影響，并且將線性加載與梯度加載獲得的結果進行比較。

經過實驗探索，取軸向加載方式為梯形加載方式，梯度壓力分別取30，40，50 MPa。軸向進給量分別取 2 mm×40.5 mm，2 mm×36 mm，加載方式如圖4所示。整形最大壓力為96 MPa，加載時間為0.01 s。

圖4 梯度內壓加載方式

表3 不同內壓梯度及不同軸向給進量下實驗結果

從表3中可以看出:軸向給進量為2 mm×40.5 mm時，J組的成形質量較好;軸向給進量為2 mm×36 mm時，L組的成形質量較好。對比相同路徑下，不同軸向給進量所獲得的結果，可以看出:軸向給進量為2 mm×40.5 mm時所獲得結果相對較好，只是在內壓梯度為30 MPa時，軸向給進量為2 mm×36 mm所獲得的結果較好?？梢缘贸鲆幝?在內壓梯度為較高值時，軸向給進量是決定X形管成形質量的主要因素，給進量大所獲得結果好。分析原因主要由于內壓梯度值較大時，在梯度平臺值上管材已經開始快速變形、減薄，軸向給進量越大，則補料越多，減薄率就越小;相反在內壓梯度值為較低值時，管材在梯度平臺值上并不能快速發生變形、減薄，由于內壓值限制，材料塑性變形量非常小，這時軸向給進量較大則容易形成褶皺，不利于成形為質量較好的X形管。

為驗證以上結論，取給進量2 mm×40.5 mm，2 mm×36 mm下I、L，K、N組所獲得結果進行分析。這里取節點最大壁厚與最小壁厚隨時間變化曲線進行分析，所獲結果如圖5所示。

圖5 節點壁厚隨時間變化曲線

從圖 (a)中可以看出:在0～2 ms之間，管材壁厚發生明顯的減薄，30 MPa平臺下I、L組減薄速度要明顯小于50 MPa平臺下K、N組;2～9 ms之間，30 MPa平臺下I、L組管材幾乎不發生減薄，50 MPa平臺下K、N組管材持續減薄，在9 ms時最大減薄率已接近35%。

從圖 (b)中可以看出:從仿真開始，管材壁厚幾乎呈線性上升，30 MPa平臺下I、L組增厚速度要明顯高于50 MPa平臺下K、N組。

結果分析:30 MPa內壓平臺下，在初期管材發生減薄，管材應變量增加，隨著管材的加工硬化，平臺內壓值不足，不足以使管材繼續減薄，因此管材最小壁厚幾乎不發生變化，在管材大面積減薄之前，管材獲得充足的軸向補料，因此最終成形效果較好;50 MPa內壓平臺下，由于內壓值較高，管材持續減薄，軸向補料不足，因此X形管成形質量相對較差。

4 結論

(1)梯度內壓加載方式比線性加載方式更容易獲得成形質量較好的X形四通管。

(2)線性內壓加載路徑下，內壓加載速度對成形質量有著顯著的影響，內壓加載過快過慢都不利于成形質量的提高。

(3)梯度內壓加載路徑下，內壓梯度值為30 MPa，給進量為2 mm×36 mm所獲得成形質量最好，為最優內壓加載路徑。

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