采用PVC介質的三通管擠脹成形數值模擬

徐信

摘 要：以非線性顯式有限元分析軟件ABAQUAS為數值模擬平臺。建立以PVC為壓力介質的三通管脹形的有限元模型，通過對采用介質脹形和內高壓脹形的結果對比，表明采用介質脹形可使管件壁厚減薄更緩慢，壁厚分布更均勻，最終得到更大的支管長度。

關鍵詞：擠脹成形；數值模擬；PVC；三通管

Abstract： numerical simulation platform of nonlinear explicit finite element analysis software ABAQUAS. Establish to PVC medium three-way tube bulging finite element model， through to which contrast medium bulging and hydro forming results show that the medium bulging of the pipe wall thickness thinning more slowly， the wall thickness distribution is more uniform， and ultimately get larger branch length.

Keywords： extrusion bulging forming； numerical simulation； PVC； three way pipe

中圖分類號：TG376 文獻標志碼：A

三通管在工業上的用途較為廣泛，在空調制冷、機械、建材及輕工業等領域得到廣泛使用。三通管脹形主要通過在管件內部施加均勻分布的內壓力并結合模具在管件外部施加的約束力，從而使材料發生塑性變形以達到成型目的。內部壓力可通過液體、彈性體或塑性體來傳遞。目前，采用液壓油作為壓力介質的內高壓三通管成形技術較為成熟，但是在管件的壁厚較厚或管徑較小的情況下，該技術存在成形壓力高，壓力油的密封性要求高以及補料慢等原因而導致成形極限低的問題。所以在小管徑厚壁管的管件脹形技術中，如何提高成形極限成為管件脹形技術里面一個熱門的研究方向。本文采用PVC作為傳力介質，對軸向加壓和背壓力進行優化，并對三通管的擠脹過程進行數值模擬，在坯料直徑較小且長度較長的情況下取得了較好的成形效果。

1 三通管擠脹成形過程

以PVC棒材為介質的三通管擠脹成形過程為：分塊式凹模的模腔中放置著管內已填充PVC棒材的管坯。沖頭的推進提供了壓力使PVC棒膨脹并產生了垂直于管坯內壁向外的均勻內壓力，受到模腔約束力和向外內壓力的作用下材料進入初始塑性狀態；隨后在軸向沖頭的進給下產生的軸向壓力推動著毛坯端部，產生料流為凹模支管的凸起變薄補料。當支管凸頂與背壓沖頭接觸時，反壓力作用于支管頂部，減緩頂部增高和變薄速率，直至成形結束。

2 三通管擠脹成形數值模擬

三通管擠脹過程是一種既包括材料非線性（應力與應變之間的非線性），又有幾何非線性（應變與位移之間的非線性）的復雜力學過程。ABAQUAS軟件為數值模擬平臺，針對三通管擠脹成形過程，在保證壁厚分布均勻前提下，以獲得最大支管長度為優化目標，嘗試確定最佳工藝參數。在后期處理過程中，通過檢查每一步的計算結果，得到在滿足條件下獲得的最佳模擬結果。

2.1 有限元模型建立

（1）管坯材料為紫銅，選用各向同性硬化模型，管坯采用八結點線性六面體單元，以中性層建模。相關參數：管坯外徑20mm，長度為190mm，密度8900kg·m-3，楊氏模量124000MPa，泊松比0.31，屈服強度160MPa。PVC材料外徑18mm，密度1300kg·m-3，楊氏模量2410MPa，泊松比0.42，屈服強度45MPa。

（2）模具、軸向沖頭均視為離散剛體，采用四結點三維雙線性剛性四邊形單元，軸向沖頭擠壓端直徑與PVC棒材外徑一致。

（3）模型的邊界條件：用沖頭的軸向位移來表示軸向沖頭加軸壓，為了縮短計算時間，分析時間步長設為0.01，質量縮放因數為100。

（4）模型的摩擦條件：利用面-面接觸算法，結合兩接觸面的材料性能來計算網格單元的接觸剛度。同時將管坯與模具之間、管坯與沖頭之間的摩擦系數定義為0.1；將PVC棒材與管坯之間、PVC棒材與沖頭之間的摩擦系數定義為0.05，所建有限元模型如圖1所示。

2.2 加載條件

圖2 為PVC介質脹形與內高壓脹形中軸向沖頭的位移速度加載路徑，圖3為液內高壓脹形中的內壓力加載路徑。

2.3 模擬結果與液體介質脹形比較

通過控制變量法，在參與對比的兩種脹形工藝的限元模型中，除了壓力介質的材料性能以及壓力介質與管坯的摩擦條件不一致，其余數值模擬條件如模具、管坯的幾何模型和材料模型、兩者的軸向沖頭進給速度加載和徑向背壓的加載路徑均一致，通過數值模擬結果分析，本文主要從以下幾方面對兩種工藝進行比較。

2.3.1 最大支管高度

圖4為支管高度隨時間的變化曲線，可以看出，在0.035s之前內高壓脹形所得工件的支管高度比PVC介質脹形大，之后后者的支管高度比前者的大。這是由于在脹形初期，軸向沖頭的進給主要用來壓實PVC介質，并沒有對管材形成有效的擠脹。因此，支管增長較慢隨著脹形的進行，根據最小阻力定律，PVC介質的變形都會引起脹形區的變形。可見PVC介質的脹形效果較液體介質要好。

2.3.2 應力分布

為了比較應力分布情況，本文做了進一步模擬，圖5和圖6為脹形高度相同的前提下PVC介質脹形與內高壓脹形工件的等效應力分布。從圖中可以看出，PVC介質脹形所得工件的應力值比內高壓脹形所得工件的應力值一要小，而且最大應力值點處應力分布情況很相似。

相反，圖6中主管部的應力比圖中要大，這是由于在PVC介質脹形過程中，介質與管材之間的摩擦使得管材比在內高壓脹形中承受更大的軸向應力，而且由于介質與管材之間的粘滑運動，主管部的應力分布較為分散。除此之外，從圖中可以看出，獲得相同的支管高度，介質脹形用時比內高壓脹形用時要短，這樣在軸向沖頭進給速度相同的前提下，PVC介質脹形所用主管部材料較內高壓脹形要少。

2.3.3 介質脹形存在的問題以及解決辦法

雖然使用介質脹形有成形支管高度較高的優點，但是支管頂部減薄很厲害，采用加背壓的方法解決，如圖7所示，雖然厚度有所增加，但是高度減小到了18.8mm，效果不理想。

為了盡量減少支管頂部的減薄，采用了一種帶弧度的背壓來改善頂部材料受力狀況，如圖8所示。

得到的成形結果如圖9所示高度為21mm，厚度為0.426mm，比傳統背壓高度較高，頂部減薄較少。

結論

（1）通過PVC介質脹形和內高壓成形的結果對比，表明介質脹形管件壁厚減薄更緩慢，壁厚分布更均勻，最終得到更大的支管長度。

（2）本文采用了一種帶弧度的背壓形式，改善了支管頂部材料受力狀況，使減薄減少。

（3）增加支管高度，同時使頂部減薄的情況得到改善還可以進一步研究。

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