變徑管液壓脹形與折疊有限元分析及加載路徑的優(yōu)化

陳君迪，雷君相

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093）

液壓脹形技術(shù)是一種以液體作為傳力媒介，利用液壓力或兩端軸向力共同作用下使管坯成型出所需加工零件的塑性加工工藝。在德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，此項(xiàng)技術(shù)已有一些研究，并且已經(jīng)應(yīng)用在航空、汽車、化工、機(jī)械等各行各業(yè)的領(lǐng)域［1］。

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)于安全性的重視程序越來(lái)越高。吸能元件在人體防護(hù)和結(jié)構(gòu)安全方面起著關(guān)鍵的作用。車輛行駛安全、重裝備空投、航天器軟著陸、直升機(jī)起落、核電站防護(hù)和電子產(chǎn)品或貴重物品的包裝等領(lǐng)域?qū)Σ牧虾徒Y(jié)構(gòu)的能量吸收皆提出迫切的需求［2］。變徑管主要采用鑄造和焊接的方法來(lái)生產(chǎn)，但這些方法原材料利用太低，生產(chǎn)成本高。因此本文針對(duì)現(xiàn)有的成形技術(shù)，提出采用液壓脹形的方法，并且提出折疊的工藝，實(shí)現(xiàn)脹形與折疊在一副模具中實(shí)現(xiàn)。但是這一變形系統(tǒng)是一個(gè)非穩(wěn)定的成形過(guò)程。要使管材在脹形與折疊當(dāng)中不發(fā)生屈曲、褶皺和破裂等失效形式的話，精確控制液壓脹形與折疊成形過(guò)程中的加載路徑是十分重要的。文中用軟件對(duì)液壓脹形與折疊進(jìn)行有限元模擬，以變徑管吸能元件成形件的最大減薄率和均勻度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析加載路徑對(duì)成形質(zhì)量的影響，通過(guò)模擬得出最優(yōu)的加載路徑。

1 液壓脹形與折疊原理及工藝分析

1.1 液壓脹形與折疊原理

將管坯放入成形模具中，通過(guò)左右兩端沖頭將管材放入下模中，然后通過(guò)兩端的沖頭將其密封，隨后上模向下模移動(dòng)，與下模接觸，形成一個(gè)封閉模腔。隨后液壓油從兩端沖頭進(jìn)入到管材內(nèi)部。兩端沖頭通過(guò)設(shè)定，給兩端進(jìn)給，使管坯在型腔內(nèi)完成液壓脹形。完成脹形后，內(nèi)壓保持不變沖頭繼續(xù)進(jìn)給，完成折疊，如圖1所示。

1.2 變徑管液壓脹形與折疊工藝分析

一般的變徑管是通過(guò)液壓脹形成形出零件，本文采用變徑管吸能元件的成形在一副模具中一次完成，成形階段分為兩部，首先是液壓脹形，完成后繼續(xù)通入液壓油完成液壓折疊階段，并且在液壓脹形過(guò)程中首先要保證管材的長(zhǎng)度；而后液壓折疊要保證壁厚和折疊圓角半徑，就是要滿足吸能元件在成形后的折疊圓角半徑與在進(jìn)行自由翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的翻卷圓角半徑的一致性。因此，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)變徑管吸能元件時(shí)，一次成形兩幅吸能元件，這樣成形出的零件壁厚均勻，又可以節(jié)省不必要的成本和時(shí)間。

圖1 管材液壓成形與折疊工藝過(guò)程

管材液壓脹形的主要工藝參數(shù)包括初始屈服壓力、開(kāi)裂壓力、整形折疊壓力、軸向進(jìn)給力、合模力和補(bǔ)料量［3］。圖2所示的是所要成形后的變徑管零件圖。成形區(qū)直徑D為56 mm，成形區(qū)長(zhǎng)度為100 mm，零件長(zhǎng)度為200 mm，最小圓角半徑為2.5 mm，管材外徑為40 mm，壁厚為1.4 mm。

圖2 變徑管成形零件圖

2 變徑管有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

首先本文對(duì)成形零件進(jìn)行分析，依據(jù)零件的特點(diǎn)，因?yàn)樽儚焦芊陷S對(duì)稱的要求，因此建有限元模型對(duì)于Y軸中心對(duì)稱模型，又為以后方便進(jìn)行自由碰撞，減少需要切開(kāi)變徑管的仿真工序，將模型又對(duì)于Z軸對(duì)稱。經(jīng)過(guò)與三維實(shí)體建模零件模擬結(jié)果相比較，在忽略材料各向異性的情況下，三維實(shí)體與簡(jiǎn)化后建模模型結(jié)果基本一致。

圖3 成形過(guò)程有限元模型

模型的幾何尺寸如下：管坯長(zhǎng)260 mm、外徑20 mm、厚1.4 mm；模具總長(zhǎng)280 mm、模具大徑56 mm、變形區(qū)長(zhǎng)100 mm，圓角半徑3 mm；沖頭直徑為20 mm。網(wǎng)格劃分：厚度方向取網(wǎng)格數(shù)為3，長(zhǎng)度方向取網(wǎng)格數(shù)為300。

2.2 材料的選取

按照材料的本構(gòu)關(guān)系，管坯可選擇理想剛塑性，在管材液壓成形模擬中，采用滿足Misse各向同性屈服準(zhǔn)則和Hill厚向異性屈服準(zhǔn)則的彈性材料模型。模具和兩端沖頭的材料模型為解析剛體。

表1 20號(hào)鋼無(wú)縫冷拔鋼管

2.3 液壓成形模擬

計(jì)算采用ABAQUS／Explicit求解器求解，并且定義分析步：為了更好控制屈服、脹形、圓角折疊這三個(gè)成形階段，將分析過(guò)程分為了三個(gè)分析步。

變徑管自由翻卷吸能元件的液壓成形過(guò)程設(shè)計(jì)分為液壓脹形與折疊兩個(gè)階段，第一階段為液壓脹形，完成傳統(tǒng)的管材液壓成形；第二階段為液壓折疊，在保持液壓油通入的情況下，完成吸能元件在自由翻卷變形前的預(yù)成形-液壓折疊。液壓成形與折疊的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 變徑管能量吸收元件的成形過(guò)程仿真

3 加載路徑對(duì)成形的影響

變徑管成形質(zhì)量、減薄和增厚情況、甚至之后的碰撞自由翻轉(zhuǎn)情況主要取決于液壓脹形與折疊過(guò)程中對(duì)于控制液壓載荷和軸向進(jìn)給的加載路徑。在成形過(guò)程中，如果軸向推力和內(nèi)壓力無(wú)法匹配，都會(huì)使成形件失敗。因此，加載路徑的設(shè)計(jì)首先要保證零件能夠成形，避免各種缺陷的產(chǎn)生，然后是設(shè)計(jì)合理的加載路徑提高成形件的精度。下面以壁厚分布以及均勻度為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)選擇合理的加載路徑來(lái)優(yōu)化內(nèi)高壓成形。

3.1 壁厚分布均勻性指數(shù)

壁厚的減薄率是判斷變徑管成形的標(biāo)準(zhǔn)。但同時(shí)它無(wú)法作為評(píng)判的唯一標(biāo)準(zhǔn)。液壓脹形與折疊的壁厚是否均勻直接影響零件質(zhì)量的好壞。因此，本文引入了壁厚均勻性指數(shù)：

式中，t0是管坯的初始壁厚（mm），ti是變形后各點(diǎn)的壁厚（mm）；N是測(cè)量的點(diǎn)數(shù)。index值越小，表示成形件的壁厚越均勻，成形質(zhì)量越好，更利于今后的自由翻轉(zhuǎn)；反之，表示成形件的壁厚越不均勻，成形質(zhì)量越差。該評(píng)判方法用于管件受模具約束的情況下［4］。

3.2 加載路徑的選擇

本文主要采用折線加載路徑，提高成型件的質(zhì)量。針對(duì)一直以來(lái)的減薄問(wèn)題，提高管材的液壓脹形能力，設(shè)計(jì)管材在初始內(nèi)壓力下和初始軸向進(jìn)給按直線加載路徑完成，使內(nèi)壓力和軸向進(jìn)給量同時(shí)按直線加載路徑增大，最后在折疊時(shí)直線加載增加軸向進(jìn)給，而內(nèi)壓按直線加載路徑下降的形式，這就是本文采用的多折線線性加載路徑，如圖5所示。

圖5 多重折線加載路徑

3.3 加載路徑的設(shè)計(jì)以及模擬結(jié)果的分析

因?yàn)橐簤好浶闻c折疊是一個(gè)非穩(wěn)定的變形過(guò)程。變徑管液壓脹形與折疊的軸材料向進(jìn)給與液壓力的匹配協(xié)調(diào)是決定變徑管成形成敗和質(zhì)量高低的關(guān)鍵技術(shù)。本文按多折線加載路徑設(shè)計(jì)了3種內(nèi)壓方式，2種不同的軸向進(jìn)給量，共6種不同的加載路徑，如表2所示。

表2 不同內(nèi)壓加載路徑

模擬結(jié)果分析：本文中把仿真所得到的相對(duì)最小壁厚T-min，相對(duì)最大壁厚T-max和index作為衡量成形質(zhì)量的依據(jù)，不同加載路徑下，變徑管成形質(zhì)量結(jié)果如表3。

表3 不同內(nèi)壓/不同軸向進(jìn)給量下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表中可以看出，軸向進(jìn)給量為2×（10，16，22）時(shí)，相對(duì)壁厚的均 值Tˉmin=-0.264 mm，Tˉmax=0.071 mm，其中可以明顯看出成形最后的是1組；軸向進(jìn)給量為2×（12，16，22），相對(duì)壁厚均值Tˉmin=-0.25 mmmax=0.078 mm，其中最好的是a組。

對(duì)比兩種模擬結(jié)果，如表3可以看出，從相對(duì)減薄程度來(lái)看軸向進(jìn)給量為2×（12，16，22）要好于軸向進(jìn)給量為2×（10，16，22），但是對(duì)于相對(duì)厚度來(lái)說(shuō)，軸向進(jìn)給量為2×（10，16，22）所獲的結(jié)果好于軸向進(jìn)給量為2×（12，16，22）。分析模擬現(xiàn)象，得出當(dāng)采用軸向進(jìn)給量較大時(shí)，中間的減薄區(qū)域的補(bǔ)料更加利于進(jìn)行，這樣的話軸向進(jìn)給會(huì)對(duì)減薄區(qū)在成形過(guò)程中有足夠大的補(bǔ)料，從而產(chǎn)生的減薄會(huì)較少一些；從另一方面來(lái)講，當(dāng)采用軸向進(jìn)給大，意味著成形后的最大壁厚會(huì)比軸向進(jìn)給量小的要增厚一點(diǎn)，這可以從模擬所得結(jié)果看出。同時(shí)從圖6可以看出無(wú)論管材的成形效果如何，管材在進(jìn)行完液壓脹形與折疊后的厚度變化趨勢(shì)都是一樣的，即都是先從端部向中間逐漸變薄，越接近中間的對(duì)稱部位，壁厚減薄越嚴(yán)重。最大的厚度發(fā)生在成形管件的端部，最小厚度發(fā)生在成形后管件的最高的外徑中間。

圖6 兩種最優(yōu)路徑的成形零件壁厚分布

圖7 成形零件的均勻指數(shù)

從上面分析可知，軸向進(jìn)給多少都會(huì)對(duì)成形件有一定的影響，因此本文從均勻指數(shù)來(lái)看，index值越小，表示成形件的壁厚越均勻，成形質(zhì)量越好。從圖7可知軸向進(jìn)給量2×（12，16，22）要比2×（10，16，22）更小，更加的均勻，從質(zhì)量上來(lái)講，更接近理想的狀態(tài)。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)變徑管吸能元件的制造技術(shù)采用液壓脹形與折疊成形的方法，通過(guò)模擬所得壁厚更加的均勻。

（2）對(duì)變徑管進(jìn)行液壓脹形與折疊有限元模擬以壁厚增厚和減薄程度，以及均勻度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，判斷加載路徑對(duì)成形的影響，獲得最佳加載路徑。

（3）本文采用的多重折線加載路徑所成形出的結(jié)果較好。

（4）采用初始階段內(nèi)壓力與軸向推力同時(shí)較大的加載路徑方式所獲得的零件成形性能最好，即零件壁厚分布均勻而且最小減薄率最低，成形零件質(zhì)量較好。

［1］郎利輝，苑世劍，王仲仁，等.管件內(nèi)高壓成形及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，15（3）：268-272.

［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、材料科學(xué)與工程出版中心，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.

［4］楊 兵，張衛(wèi)剛，林忠欽.管件液壓成形的加載路徑理論與試驗(yàn)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

［5］Kristoffer Trana.Finite element simulation of the tube hydroforming process-bending preforming and hydroforming［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002：401-408.

［6］俞漢清，陳金德.金屬塑性成形原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［7］Sohn S M，Kim B J，Park K S，Moon Y H.Evaluation of the crash energy absorption of hydroformed bumper stays［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007：187-188.

［8］趙長(zhǎng)財(cái)，周 磊，張 慶.薄壁管液壓脹形加載路徑研究 ，中國(guó)機(jī)械工程 ［J］.2003，14（13）：1086-1090.

［9］楊 兵，張衛(wèi)剛，衛(wèi) 兵，等.管件液壓成形動(dòng)力顯式有限元仿真的虛擬加載時(shí)間分析［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2007，18（8）：904-911.

［10］王同海.管件脹形工藝分類及其變形力學(xué)特征［J］.鍛壓技術(shù)，1999，31（4）：30-32.