基于交叉式滑動(dòng)模具的某大膨脹率階梯管件內(nèi)高壓成形仿真分析*

彭永東，李健，苗明達(dá)，許元洪

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基于交叉式滑動(dòng)模具的某大膨脹率階梯管件內(nèi)高壓成形仿真分析*

彭永東，李健，苗明達(dá)，許元洪

（廣西科技大學(xué)廣西車輛零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545006）

根據(jù)某大膨脹率階梯管件的工藝要求設(shè)計(jì)交叉式滑動(dòng)模具，并借助有限元軟件DYNAFORM開展了內(nèi)高壓成形數(shù)值仿真分析。揭示了滑動(dòng)模具及其結(jié)構(gòu)對(duì)具有大膨脹率階梯管件成形性的影響規(guī)律：交叉式滑動(dòng)模具的控制模可約束管坯脹形區(qū)的材料流動(dòng)，成形穩(wěn)定性提高；控制模的負(fù)載過大會(huì)造成管坯材料塌陷，負(fù)載過小則無(wú)法約束脹形區(qū)兩端的材料先行脹起致使脹形區(qū)形成死皺；滑動(dòng)模具前端面位置越接近脹形區(qū)中央位置越有利于管坯材料向最大脹形區(qū)流動(dòng)。

內(nèi)高壓成形；三通管；大膨脹率階梯管件；交叉式滑動(dòng)模具；數(shù)值模擬

前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)燃料消耗和廢氣排放的要求越來越嚴(yán)格，汽車輕量化已成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。近年來，各汽車制造商紛紛尋求采用液壓成形技術(shù)來代替鍛造、沖壓焊接成形等傳統(tǒng)工藝[1-3]。然而，僅僅使用常規(guī)管件液壓成形技術(shù)難以獲得膨脹率超過1.4的復(fù)雜管件[4]，限制了副車架、后橋殼和排氣岐管等具有大膨脹率管件成形的發(fā)展。近年來國(guó)內(nèi)外專家通過改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)對(duì)具有大膨脹率的管件成形進(jìn)行了大量研究。

Hwang Y W[5]設(shè)計(jì)了一臺(tái)帶有兩個(gè)軸向液壓缸和一個(gè)背壓推頭的通用液壓成形設(shè)備，通過T三通管成形實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帶背壓推頭成形管件的支管高度比不帶背壓推頭的成形管件的支管高度要高出20%，且壁厚分布更為均勻。郭訓(xùn)忠等[6]通過研究得出使用階梯軸形式的推頭進(jìn)行三通管成形實(shí)驗(yàn)，并表明該形式推頭對(duì)管件成形效果要優(yōu)于圓柱形推頭。Hwang YM等[7]提出了使用可移動(dòng)模具能協(xié)助推頭軸向力有效作用于管件脹形區(qū)，并成功試制出低碳鋼材料的大變形偏心管。王連東等[8]自行設(shè)計(jì)半滑動(dòng)式模具并結(jié)合縮頸工藝成功試制出某小轎車橋殼。Qi Zhang[9]等設(shè)計(jì)了一種新型的可移動(dòng)的小載荷液壓成形模具，用于偏心管件的液壓成形。研究結(jié)果表明，該新型模具可以顯著降低成形壓力和合模力，降低圓角與直邊過渡區(qū)的減薄率。潘海彥[10]對(duì)變徑管現(xiàn)行模具進(jìn)行優(yōu)化，把過渡區(qū)和導(dǎo)向區(qū)從模具中分離出來成為在補(bǔ)料過程中可運(yùn)動(dòng)的模具，并提出平衡沖頭的概念。針對(duì)脹形比超過1.4的管件無(wú)法一次成形的問題，M.Wada等[11,12]提出了“多進(jìn)程單向擴(kuò)展”和“交叉可移動(dòng)”技術(shù)，設(shè)計(jì)交叉式滑動(dòng)模具并成功制備出某微型汽車后橋殼。

本文設(shè)計(jì)了交叉式滑動(dòng)模具，并通過仿真分析揭示了其內(nèi)高壓成形過程中滑動(dòng)模具前端面位置對(duì)管件脹形區(qū)材料補(bǔ)料效果和壁厚分布的影響的規(guī)律以及控制模負(fù)載對(duì)脹形區(qū)起皺的影響規(guī)律。

1 研究對(duì)象

圖1 大膨脹率階梯管件形狀和尺寸（單位：毫米）

表1 SAPH440鋼材料屬性

Table 1 SAPH440 steel material properties

本文所研究對(duì)象為具有大膨脹率的階梯管件，根據(jù)表面積相等原理及大脹形比階梯管成形工藝要求，選擇長(zhǎng)為1400 mm，外徑為68mm，壁厚為4mm的SAPH440無(wú)縫鋼管作為初始管坯，材料屬性如表1所示。階梯管形狀和尺寸如圖1所示，兩端直臂管外徑為68mm，脹形區(qū)長(zhǎng)度為374mm，最大脹形高度為198mm，最大膨脹率約為2.44。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高管坯材料向脹形區(qū)的流動(dòng)性，同時(shí)防止其脹形區(qū)產(chǎn)生缺陷，需要對(duì)脹形區(qū)材料進(jìn)行局部約束。本文設(shè)計(jì)了交叉式滑動(dòng)模具，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。交叉式滑動(dòng)模具的左、右滑動(dòng)模具主要作用是減少管坯與固定模具之間的直接接觸面積，降低成形過程中的摩擦力，同時(shí)可在管坯脹起一定高度后，由滑動(dòng)模具直接推動(dòng)管坯材料，提高管件成形過程中材料的流動(dòng)性，端部帶有滑槽可以與控制模相互交叉相嵌，避免了滑動(dòng)模具和控制模在運(yùn)動(dòng)過程中造成干涉；控制模與左右滑動(dòng)模具相互交叉相嵌，可以對(duì)整個(gè)脹形區(qū)的管坯材料進(jìn)行約束。

1.左推頭2.左滑動(dòng)模具(帶滑槽) 3.管坯 4.上背壓推頭 5.下被壓推頭6.上控制模（嵌入滑動(dòng)模具滑槽） 7.下控制模（嵌入滑動(dòng)模具滑槽）8.右滑動(dòng)模具(帶滑槽) 9.固定模具 10.右推頭

3 內(nèi)高壓成形有限元仿真

管坯屬于回轉(zhuǎn)式的旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，建模時(shí)可將立體管坯簡(jiǎn)化為平面問題。其有限元模型如圖3所示。合模過程：左、右推頭賦予軸線方向位移，并將其移至剛好與左、右模具末端先接觸位置，模具及管坯均設(shè)置為靜止；成形過程：外部模具設(shè)置為靜止，左、右推頭及左、右模具定義為軸線方向相向方向運(yùn)動(dòng)，上、下背壓推頭的負(fù)載直接施加在控制模上并定義為恒壓控制，其運(yùn)動(dòng)方向?yàn)楣芗较蛳蛲猓?dāng)內(nèi)壓力大于或等于背壓力時(shí)，管坯外壁推動(dòng)上、下背壓推頭運(yùn)動(dòng)，控制階梯管脹形。

圖3 大脹形比階梯管有限元模型圖

4 成形結(jié)果分析

4.1 滑動(dòng)模具及控制模對(duì)成形性能的影響

為研究滑動(dòng)模具和控制模對(duì)具有大膨脹率特征的階梯管件成形性能的影響，設(shè)計(jì)了四種模具結(jié)構(gòu)用于目標(biāo)管件的內(nèi)高壓成形仿真分析。

第一種成形模具為常規(guī)模具，無(wú)滑動(dòng)模具，無(wú)控制模，脹形區(qū)補(bǔ)料僅僅依靠左右推頭的軸向進(jìn)給。其仿真結(jié)果如圖4（a）所示，管件脹形區(qū)因過度減薄產(chǎn)生破裂缺陷，補(bǔ)料區(qū)兩端在摩擦力的作用下壁厚急劇增加，材料堆積嚴(yán)重，增厚率高達(dá)83.3%；第二種成形模具，帶滑動(dòng)模具，無(wú)控制模，左右滑動(dòng)模具與左右運(yùn)動(dòng)路徑一致，脹形區(qū)補(bǔ)料由兩者共同完成。其仿真結(jié)果如圖4（b）所示，管件兩端壁厚無(wú)明顯增厚，但是脹形區(qū)因無(wú)控制模的約束發(fā)生嚴(yán)重的屈曲和起皺等缺陷；第三種成形模具，帶滑動(dòng)模具，帶控制模（僅約束脹形區(qū)中央位置）。其仿真結(jié)果如圖4（c）所示，因控制空模僅約束脹形區(qū)中央位置，管坯脹形區(qū)兩端最先脹起，形狀呈馬鞍狀，懸空部位因材料失穩(wěn)急劇減薄而破裂；第四種成形模具為交叉式滑動(dòng)模具，帶滑動(dòng)模具，帶控制模，其中控制模和滑動(dòng)模具交叉相嵌，運(yùn)動(dòng)過程無(wú)干涉。其仿真結(jié)果如圖4（d）所示，階梯管件的最大減薄率為12%，最大增厚率為18%，未產(chǎn)生破裂、屈曲、起皺等缺陷，為合格管件。

根據(jù)成形結(jié)果可知，交叉式滑動(dòng)模具中的滑動(dòng)模具減少了管坯與固定模具之間的直接接觸面積，避免了補(bǔ)料區(qū)管坯與模具之間摩擦力的影響，同時(shí)可在管坯脹起一定高度后，由滑動(dòng)模具直接推動(dòng)管坯材料，提高管件成形過程中材料的流動(dòng)性，有利于向成形區(qū)補(bǔ)料，有效避免了脹形區(qū)因過度減薄而破裂的缺陷。控制模的長(zhǎng)度大于整個(gè)脹形區(qū)長(zhǎng)度，約束脹形區(qū)材料，有效避免脹形區(qū)過長(zhǎng)所導(dǎo)致的管坯屈曲、起皺及懸空部分漏料脹裂失效的問題。

圖4 不同模具下的模擬結(jié)果

4.2 加載路徑對(duì)成形質(zhì)量的影響

為研究加載路徑對(duì)該大膨脹率階梯管件成形質(zhì)量的影響，本節(jié)采用試錯(cuò)法對(duì)具有三種不同初始?jí)毫Φ牡湫图虞d路徑進(jìn)行了仿真研究，加載路徑如圖5所示。成形過程中，左右推頭和左右滑動(dòng)模具的加載路徑保持一致，控制模的負(fù)載恒為75KN。初始?jí)毫Ψ謩e為20MPa、34MPa、44MPa的加載路徑的模擬結(jié)果分別為圖5（a）、（b）、（c）所示結(jié)果。從圖中可以看出，初始?jí)毫?0MPa時(shí)，管件脹形區(qū)域在bc段產(chǎn)生起皺缺陷，這是因?yàn)槌跏級(jí)毫^低，管坯材料無(wú)法展開，此時(shí)增加軸向進(jìn)給會(huì)形成起皺缺陷；初始?jí)毫?4MPa時(shí)，管件脹形區(qū)域在cd段產(chǎn)生破裂缺陷，這是應(yīng)為初始?jí)毫^高，脹形區(qū)在bc段快速膨脹，cd段補(bǔ)料不足，導(dǎo)致脹形區(qū)因過渡減薄直至破裂；初始?jí)毫?4 MPa時(shí)，可以獲得合格的目標(biāo)管件，該管件無(wú)明顯缺陷，其最大壁厚為4.51mm，最小壁厚為3.61mm，最大增厚率為12.87%，最大減薄率為9.86%。在此過程中，控制模負(fù)載恒為75KN，隨著滑動(dòng)模具的進(jìn)給增大，控制模與成型區(qū)管坯材料的接觸面積會(huì)逐漸減小，控制模對(duì)管壁的壓強(qiáng)會(huì)越來越大。為平衡控制模對(duì)管壁的壓強(qiáng)增大及的影響和材料硬化帶來的影響，c點(diǎn)至d點(diǎn)的仍內(nèi)壓需要增加。

圖5 不同的加載路徑

圖6 不同加載路徑下的成形結(jié)果

4.3 控制模負(fù)載對(duì)成形質(zhì)量的影響

為研究控制模負(fù)載對(duì)該大膨脹率階梯管件成形質(zhì)量的影響，本節(jié)分別選取負(fù)載為71KN、75KN、83KN的三種情況進(jìn)行有限元仿真分析，采用初始?jí)毫?4MPa下的加載路徑。模擬結(jié)果如圖7（a）、（b）、（c）所示，控制模負(fù)載小于71KN時(shí)，脹形區(qū)中間部位產(chǎn)生死皺；控制模負(fù)載大于83KN時(shí)，脹形區(qū)與控制模接觸部位的材料產(chǎn)生塌陷和破裂缺陷。控制模負(fù)載為75KN左右時(shí)，管件成形質(zhì)量合格，無(wú)缺陷產(chǎn)生。這是因?yàn)槊浶芜^程中控制模負(fù)載過低，管件會(huì)首先從脹形區(qū)兩端開始脹形，脹形區(qū)兩端高于中間部位，導(dǎo)致成形后期形成死皺。適當(dāng)增加控制模負(fù)載的時(shí)候，管件成型區(qū)起皺缺陷被抑制。但是，當(dāng)控制模負(fù)載過大時(shí)，加上成形后期控制模與管坯的接觸面積減小，控制模對(duì)管坯脹形區(qū)的壓力增大，使得脹形區(qū)最高部位出現(xiàn)材料塌陷、破裂等缺陷。故在具有合理加載路徑的情況下，控制模的負(fù)載大小，對(duì)管件成形的質(zhì)量的影響也是很重要的。

圖7 控制模不同負(fù)載的成形結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了交叉式滑動(dòng)模具，并內(nèi)高壓成形進(jìn)行了有限元仿真分析。著重分析了控制模負(fù)載、加載路徑等因素對(duì)管坯材料流動(dòng)、壁厚分布及整體成形效果的影響規(guī)律，并得出以下結(jié)論。

（1）傳統(tǒng)的內(nèi)高壓脹形主要是依靠軸向進(jìn)給和內(nèi)壓力成形，僅僅依靠軸向進(jìn)給和內(nèi)壓力使得大脹形比管件的成形能力具有局限性。在內(nèi)高壓成形過程加入滑動(dòng)模具可以減小摩擦力對(duì)管坯材料流動(dòng)的影響，可以直接推動(dòng)管坯材料向脹形區(qū)中間流動(dòng)，提高膨脹率管件的成形能力。

（2）交叉式滑動(dòng)模具避免了滑動(dòng)模具與控制模在運(yùn)動(dòng)過程中的干涉問題，可以使用較長(zhǎng)的控制模對(duì)整個(gè)脹形區(qū)材料進(jìn)行約束，有效避免脹形區(qū)過長(zhǎng)所導(dǎo)致的管坯屈曲、起皺及懸空部分漏料脹裂失效的問題。

（3）在具有合理加載路徑的情況下，交叉式滑動(dòng)模具的控制模負(fù)載對(duì)管件成形也是至關(guān)重要的，當(dāng)控制模負(fù)載過小時(shí)，管件成型區(qū)兩端高度會(huì)高于成型區(qū)中間部位，會(huì)形成死皺缺陷；控制模負(fù)載過大時(shí)，管件成型區(qū)起皺缺陷被抑制，但是由于控制模對(duì)管壁的負(fù)載壓強(qiáng)過大，脹形區(qū)最高部位出現(xiàn)材料塌陷、破裂等缺陷。

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Simulation analysis of internal high pressure forming on the steppedtube with largeexpansion rate based on intersectional movable dies*

Peng Yongdong, Li Jian, Miao Mingda, Xu Yuanhong

( Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology, GuangxiUniversity of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006 )

The intersecting sliding die was designed according to the technological requirements of a stepped pipe with large expansion rate, and the numerical simulation analysis of internal high pressure forming was carried out by means of finite element software DYNAFORM.The influence of sliding die and its structure on the formability of stepped pipe fittings with large expansion rate is revealed. control module of the intersecting sliding die can restrain the material flow in the tube bulging area and improve the forming stability; If the load of the control mold is too large, the billet material will collapse, and if the load is too small, the material at both ends of the bulging area cannot be restrained to swell first, resulting in dead wrinkles in the bulging area; The closer the front end of the sliding die is to the central position of the bulging area, the more favorable it is for the billet to flow to the maximum bulging area.

nternal high pressure forming;large expansion ratio of stepped pipe fitting;intersecting sliding die;numerical simulation

TG394

A

1671-7988(2019)08-118-04

TG394

A

1671-7988(2019)08-118-04

彭永東，就讀于廣西科技大學(xué)。

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016GXNSFAA380211），柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃課題（2016C050203），廣西科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（GKYC201809）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.038