變直徑管液壓脹形工藝流程優(yōu)化

馬鋒濤，雷君相

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093；2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200093）

為了提高結(jié)構(gòu)的耐撞性，使碰撞能量的耗散盡可能以一種可控制的方式進(jìn)行，利用金屬的塑性變形吸收能量是一種很好的能量吸收方式［1］。圓管無(wú)論是向內(nèi)或者向外翻轉(zhuǎn)時(shí)都要耗散能量，能夠獲得作用力不變的穩(wěn)定狀態(tài)，這對(duì)于能量吸收來(lái)說(shuō)是非常理想的［2］。圓管在液壓機(jī)上經(jīng)液壓脹形可以得到變直徑管［3］。變直徑管軸向壓縮過(guò)程中，隨著壓縮位移的不斷增加，變直徑管可能發(fā)生兩種形式的翻轉(zhuǎn)變形，一種是內(nèi)管向外翻轉(zhuǎn)并不斷縮短，中管從無(wú)到有，并不斷伸長(zhǎng)。另一種是外管向內(nèi)翻轉(zhuǎn)并不斷縮短，中管不斷變長(zhǎng)。還可能兩種變形模式同時(shí)發(fā)生。翻轉(zhuǎn)力隨著軸向位移的不斷增加而增大并逐漸趨向于穩(wěn)定［4］。而變直徑管成形質(zhì)量直接影響軸向壓縮翻轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能。本文著重探究變直徑管成型過(guò)程中脹形壓力、圓管和凹模的摩擦系數(shù)、折疊圓角工藝對(duì)變直徑管軸向壓縮自由翻轉(zhuǎn)變形力學(xué)性能的影響。

1 有限元建模

本文材料采用20鋼，材料參數(shù)如表1。

表1 圓管材料參數(shù)

模型建立采用ABAQUS6.10有限元分析軟件，采用ABAQUS／Explicit求解器求解。ABAQUS／Explicit可以有效地求解非線性問(wèn)題［5］。圓管的自由翻轉(zhuǎn)過(guò)程涉及材料非線性、幾何結(jié)構(gòu)非線性、變形模式非線性。因此采用ABAQUS／Explicit動(dòng)態(tài)隱式求解器。用于液壓脹形與折疊的圓管長(zhǎng)度260 mm，外徑40 mm，壁厚1.4 mm。

模型建立從圓管通過(guò)內(nèi)高壓在模具中脹形得變徑管，再通過(guò)左右沖頭移動(dòng)和管腔內(nèi)部液壓力聯(lián)合作用折疊出折疊圓角半徑，然后卸載管內(nèi)液壓力和沖頭的壓力，并將已成型好的變徑管脫離磨具。最后軸向沖壓變徑管，變徑管發(fā)生自由翻轉(zhuǎn)變形。即變徑管液壓脹形與折疊并發(fā)生軸向變形的過(guò)程分四步：（1）液壓脹形（如圖1）；（2）折疊（如圖2）；（3）卸載（如圖3）；（4）沖壓變形（如圖4）。

影響變徑管軸向壓縮變形力學(xué)性能的主要參數(shù)包括液壓脹形階段的液壓力、液壓脹形與折疊過(guò)程管壁和凹模的摩擦系數(shù)以及折疊圓角的形狀。數(shù)值模擬共分為三組：第一組液壓力均采用90 Mpa，管壁與凹模的摩擦系數(shù)均為0.1，分別采用無(wú)折疊圓角半徑、折疊9 mm、折疊12 mm三個(gè)不同的折疊參數(shù)。第二組分別采用70 Mpa、80 Mpa、90 Mpa三個(gè)不同的液壓力，管壁與凹模的摩擦系數(shù)均采用0.1，折疊過(guò)程左右沖頭折疊位移均為9 mm（折疊出來(lái)的圓角為倒圓錐形）來(lái)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。第三組采用90 Mpa的液壓力，圓角折疊9 mm，管壁與凹模的摩擦系數(shù)分別為0.1、0.15、0.2。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

第一組無(wú)折疊圓角半徑、折疊9 mm、折疊12 mm，分別對(duì)應(yīng)折疊位移d=0，d=9，d=12，摩擦系數(shù)均相同為0.1，脹性液壓力均為90 MPa。所得到的變徑管軸向壓縮力-位移曲線如圖5所示。

圖1 液壓脹形過(guò)程

圖2 液壓折疊

圖3 卸載

圖4 軸向壓縮變形

通過(guò)圖5可以看出隨著位移的增加軸向自由翻轉(zhuǎn)力不斷趨于平穩(wěn)。但達(dá)到平穩(wěn)的速度不同，折疊量d=12的變徑管軸向壓縮時(shí)趨向于平穩(wěn)的速度最快，折疊量d=9的變變直徑管次之，無(wú)折疊工藝的變徑管趨向于穩(wěn)定的速度最慢。測(cè)量得到的軸向力最大值如表2所示。

圖5 折疊量分別為d=0,d=9,d=12力-位移曲線對(duì)比

表2 不同折疊量對(duì)應(yīng)的最大軸向力

通過(guò)表2可以看出最大軸向力相差不大，因此，折疊圓角半徑主要影響變徑管軸向壓縮達(dá)到穩(wěn)定的速度，而對(duì)翻轉(zhuǎn)力最大值影響不明顯。

第二組折疊量為9 mm，摩擦系數(shù)0.1，脹形階段的液壓力分別采用 P=70 MPa、P=80 MPa、P=90 MPa三個(gè)不同的液壓力值，得到的變直徑管軸向壓縮的力-位移曲線如圖6所示。

圖6 脹形液壓力分別為P=70、80、90 MPa力-位移曲線對(duì)比

通過(guò)圖6可以看出隨著軸向位移的增加脹形液壓力P=70的變徑管增加最快，P=90的變徑管次之，P=80的變徑管最慢。測(cè)量得到的軸向自由翻轉(zhuǎn)力最大值如表3所示。

表3 不同脹形壓力對(duì)應(yīng)的最大軸向力

通過(guò)表3可以看出脹形壓力在保證可以脹形出變徑管的情況下，增加液壓力的值并不會(huì)對(duì)變徑管軸向壓縮力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響，只是影響軸向力達(dá)到穩(wěn)定的速度。

第三組折疊9 mm，脹形液壓力90 MPa，管壁與凹模的摩擦系數(shù)分別采用f=0.1，f=0.15，f=0.2。得到的變直徑管軸向壓力-位移曲線如圖7所示。

通過(guò)圖7可以看出，摩擦系數(shù)越小，隨著軸向壓縮位移的增加，軸向力趨向于穩(wěn)定的速度越快，軸向力也更加平穩(wěn)。測(cè)得軸向翻轉(zhuǎn)力最大值如表4所示。

圖7 管壁與凹模摩擦系數(shù)分別為0.1、0.15、0.2力-位移曲線對(duì)比

表4 不同摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)的最大軸向力

通過(guò)表4可以看出，在保證可以脹形出變徑管的情況下，脹形系數(shù)對(duì)變徑管軸向壓縮最大翻轉(zhuǎn)力影響不大。但是，摩擦系數(shù)對(duì)變徑管脹形折疊結(jié)束后壁厚有顯著影響。不同摩擦系數(shù)下的最大壁厚，見(jiàn)表5。

表5 不同摩擦系數(shù)下的最大壁厚

3 結(jié) 論

（1）液壓脹形結(jié)束后的折疊工藝對(duì)變徑管軸向壓縮力學(xué)性能有顯著影響，會(huì)使軸向自由翻轉(zhuǎn)力趨向于穩(wěn)定的速度明顯加快。

（2）在保證脹形過(guò)程圓管可以貼合凹模的情況下，液壓脹形階段液壓力的增加不利于變徑管軸向壓縮的力學(xué)性能。

（3）摩擦系數(shù)越小，變徑管軸向壓縮時(shí)變形力達(dá)到穩(wěn)定的速度越快。摩擦系數(shù)對(duì)液壓脹形與折疊結(jié)束后變徑管壁厚影響較大。摩擦系數(shù)越小壁厚增厚也越小。

［1］余同希.結(jié)構(gòu)的耐撞性和能量吸收裝置 ［J］.力學(xué)與實(shí)踐，1985，7（3）：2-9.

［2］余同希，盧國(guó)興.材料與結(jié)構(gòu)的能量吸收［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］苑世劍.現(xiàn)代液壓成形技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009年.

［4］鄧天根，雷君相.變徑管自由翻轉(zhuǎn)變形的趨向性研究［J］.鍛壓技術(shù)，2014，39（2）：144-149.

［5］莊 茁，由小川.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.