三通管內高壓成形數值分析

劉邦雄

三通管內高壓成形數值分析

劉邦雄

（景德鎮學院 機械電子工程學院，江西 景德鎮 333000）

文章以三通管為研究對象，借助非線性有限元Dynaform開展內高壓成形數值分析，結果表明采用線性軸向進給的情況下，成形質量較好，支管處壁厚較薄，減薄率較大，但未超出許用范圍，能夠為三通管的成形研究提供有益參考。

三通管；數值分析；壁厚

引言

近年來，隨著汽車產業的發生，新能源的推廣普及；需要降低汽車重量，減少由此帶來的排放問題[1-3]。人們開始關注通過降低結構重量來減少能源的消耗，為早日碳達標做出貢獻。內高壓成形技術是一種新型塑性加工工藝，現已成為生產復雜變截面空心件的一種重要的制造技術[4-6]。

馮瑩瑩等[7]以T形管為研究對象，采用遺傳算法對加載路徑進行優化，主要研究軸向進給、背向進給以及內壓力的內在聯系，能夠避免起皺、破裂等現象，有效解決優化路徑問題。張繼明[8]等對內高壓成形設備開展研究，研制了適用于板式充液的液壓系統，采用伺服控制系統對成形過程的進給精確控制。葛東東等[9]T形管狀航空部件為研究對象，采用正交試驗方法結合數值模擬，將壁厚均勻性和最小壁厚作為目標函數來求解出最優工藝參數。為此，本文以三通管作為研究對象，開展數值模擬研究，分析成形壁厚規律，為三通管成形奠定基礎。

1 數值分析

1.1 有限元模型

為深入、系統研究三通管件成形規律，了解成形過程中各關鍵參數對三通管件壁厚的影響，本文借助Solidworks建立數模，根據試驗工況，簡化模具，建立其有限元模型。如圖1所示，從圖中可以看出，由上模、下模、直管件以及背壓推頭等組成，直管件的直徑為22 mm，長度為100 mm，壁厚為1.5 mm，上模具和下模具僅需定義內表面，將其設置為剛體材料。三通管為薄壁結構，因此采用殼單元網格進行劃分，網格類型為四邊形。成形過程中管件置于上、下模具中間，液壓油介質通過左右兩端軸向進給。管件的真實應力-應變曲線如圖2所示，其本構關系通過采用萬能拉伸試驗機實驗測得，經過計算，得出真實結果。加載路徑如圖3所示，軸向進給量和內壓力均采用線性加載，進給量為17 mm，內壓力為92 MPa，設定加載時間為1.5 s。

1—上模具；2—直管件；3—背壓推頭；4—下模具。

圖2 真實應力-應變曲線

1.2 仿真成形結果分析

成形壁厚結果如圖4所示，未出現破裂和起皺的情況，從管件壁厚分布來看，兩端壁厚較厚，尚未有明顯減薄，沿著軸向方向，壁厚在支管附近較薄，在圓角處壁厚有所增加。壁厚最大減薄率位于支管頂端，主要是因為三通管在該處的脹形率較大且處于支管頂部。另一方面可能是由于此處材料的流動性較差，不利于軸向進給補料。

圖3 加載路徑

圖4 壁厚分布云圖

為進一步研究三通管成形質量，分析壁厚分布，沿著三通管測量壁厚，圖5為沿著三通管主管的軸向剖截面，沿軸向截面選取9個測點，1—3號點處的壁厚較小，4—9號點壁厚變化較為明顯，主要是因為測點1—3為零件過渡區，測點4—9位材料成形區。圖6為沿著三通管支管的縱向剖截面，沿著截面等距選取10個測點。

圖5 軸向壁厚分布

分別測量圖5和圖6的測點處的壁厚，測量結果如圖7所示，從圖中可以看出，在過渡區的變化趨勢基本一致，軸向壁厚和縱向壁厚的過渡區測點1至過渡區終點測點3零件的壁厚逐步降低，測點1壁厚相對較大，主要是由于零件在左右軸向進給端頭補料過程會受到管件與模具的摩擦力，阻礙材料流向成形區域。在成形區域測點4-9（軸向壁厚），測點4-10（縱向壁厚），越靠近支管部位，壁厚越小，在縱向壁厚測點8和測點10壁厚最薄，為1.31 mm，此時減薄率為12.67%，滿足要求。

圖6 縱向壁厚分布

圖7 壁厚分布

2 主要參數對三通管成形結果的影響

2.1 軸向進給量對成形壁厚的影響

為研究軸向進給量對管件壁厚的影響規律，按如圖8所示的加載路徑加載，以線性加載方式進行加載，最終進給量為22 mm。

將成形零件分別沿著軸向和縱向等距取截面，軸向獲取28個測點，縱向獲取18個測點，不同加載路徑下成形壁厚分布圖如圖9所示，從中可以看出，沿軸向截面和縱向截面，隨著測量點向支管方向移動，測量點的壁厚值不斷減小，在支管頂部達到最小，僅在軸向截面的主管與支管連接區域壁厚值有小幅度的增加。主要由于材料在此處流向轉變為縱向，流向支管難度較大，易發生增厚現象。沿軸向截面主管區域壁厚增加明顯，支管區域壁厚分布情況存在較大差異。在加載路徑1下，管件壁厚減薄量最小，最大減薄率為16.03%，相比于另外兩條加載路徑而言，減薄量明顯較小，在加載路徑3下，管件壁厚快速減薄，最大減薄率為27.85%。

圖8 軸向進給量加載路徑

圖9 不同軸向進給條件下截面壁厚分布

2.2 內壓力對成形壁厚的影響

為研究內壓力對管件成形壁厚分布情況的影響規律，按如圖10所示的加載路徑加載，以線性加載方式進行加載，最終內壓力為100 MPa。

將成形零件分別沿著軸向和縱向等距取截面，軸向獲取28個測點，縱向獲取18個測點，不同加載路徑下成形壁厚分布圖如圖11所示，由圖可知，沿軸向截面和縱向截面，隨著測量點靠近支管部分，測量點的壁厚值不斷減小，管件僅在軸向截面的主管與支管連接區域，壁厚有小幅度的增加，主要是由于此處材料流動方向改變，導致材料的流動性下降，出現局部增厚現象。管件的主管區域的壁厚增加明顯，支管區域處于主要變形區，壁厚分布情況存在較大差異，在加載路徑1下，成形管件的最大減薄率為15.35%，減薄率較小，在加載路徑3下，管件減薄速率較快，最大減薄率為25.22%。由此可知，內壓力對管件壁厚分布情況影響顯著。

圖10 內壓力加載路徑

圖11 不同內壓力條件下截面壁厚分布

3 結論

本文以三通管為研究對象，借助有限元Dynaform軟件對零件成形進行數值模擬分析，分析管件沿軸向和縱向截面的壁厚分布情況，在內高壓成形過程中，截面在支管處壁厚減薄較為明顯，減薄率為12.67%，在許用范圍內。軸向進給和內壓力進給路徑不同，成形的零件壁厚也就有所差異。

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[2] 陳建軍.內高壓成形工藝及其在汽車輕量化中的應用[J].鍛壓裝備與制造技術,2010,45(01):12-18.

[3] 郎利輝,苑世劍,王仲仁,等,Joachim Danckert,Karl Brian Nielsen.管件內高壓成形及其在汽車工業中的應用現狀[J].中國機械工程,2004(03):82-86.

[4] 李曉冬,徐雪峰,華如雨,等.5052鋁合金T型三通管內高壓成形規律研究[J].塑性工程學報,2021,28(03):41-49.

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[8] 張繼明,張淳,胡金雙.內高壓脹形設備的伺服控制[J].機械設計,2021,38(S1):313-316.

[9] 葛東東,祝良榮,邵國森.基于正交試驗的A6063內高壓成形加載路徑優化研究[J].兵器材料科學與工程,2018,41(02): 34-39.

Numerical Analysis of High Pressure Forming in Three-way Pipe

LIU Bangxiong

( Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, Jingdezhen University, Jiangxi Jingdezhen 333000 )

In this paper, the three-way pipe is taken as the research object, and the numerical analysis of internal high pressure forming is carried out with the help of nonlinear finite element DYNAFORM. The results show that under the condition of linear axial feed, the forming quality is better, the wall thickness at the branch pipe is thinner, and the thinning rate is larger, but it does not exceed the allowable range, which can provide a useful reference for the forming research of three-way pipe.

Three-way Pipe; Numeral Analysis; Thickness

U463

B

1671-7988(2022)02-87-04

U463

A

1671-7988(2022)02-87-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.020

劉邦雄（1990—），男，碩士，就職于景德鎮學院機械電子工程學院，研究方向：CAD/CAE/NVH。

江西省教育廳科學技術研究項目（GJJ191179），景德鎮市科技計劃項目（20192GYZD009-01）。