摩擦對T 型管內高壓成形影響有限元分析

李瑞玲，賴明波，陳清根，錢未騻

(航空工業洪都，江西 南昌， 330024）

0 引言

最早在20 世紀40 年代，管材脹形技術由國外學者首先提出，之后20 年間，美、日等國開始研發管材脹形相關產品，直到20 世紀70 年代末80 年代初，德國率先進行管材脹形基礎研究。 此后，管材脹形技術就進入了突飛猛進的時代，并成為現代制造業的主要發展技術之一。隨著工業技術的發展，現代化科技水平的飛躍， 塑性成形技術越來越成為一種關鍵技術，尤其是在汽車領域。早在20 世紀70 年代，德國就已經在汽車領域率先采用了管材脹形工藝。 進入21 世紀以來， 汽車制造業的飛速發展給汽車零部件的生產提出了更高要求，汽車制造業不得不尋求新的道路、新的發展和新的技術。 在考慮到安全問題的前提下，越來越多的汽車產業追求減重、燃耗和成本的降低。 因此，作為實現該目標非常好的方法之一，管材脹形工藝得到廣泛的研究，并且取得了一定的成績。

本文利用DYNAFORM 軟件對LF2M 薄壁鋁合金管進行內高壓成形的數值模擬，探討液壓成形三通管在不同摩擦系數下支管高度、壁厚差、最小壁厚及關鍵部位壁厚變化，觀察整體成形質量，為之后的成形試驗奠定基礎。

1 三通管內高壓成形原理

三通管內高壓成形工藝以直管或者預變形的管坯作為預成形件，管件內部壓力和兩端軸向進給的共同作用使管坯沿模具型腔發生塑性變形， 如圖1 所示。 其成形過程可分為3 個階段：

圖1 T 型三通管內高壓成形原理

1） 成形初期，左右沖頭同時向中間進給，密封管坯兩端，進油孔快速往管坯里注水，進行增壓，同時左右沖頭推動管材，往中間進給補料；

2） 成形中期， 內壓力和軸向進給量以一定的匹配關系使支管逐漸突出成形；

3） 成形后期，左右進給量逐漸減少，內壓持續增加，直至支管達到一定高度，左右沖頭停止，穩壓，試驗結束。

由于三通管是中間對稱零件，變形形狀復雜，并且成形支管高度必須能夠保證后期機械加工及焊接需求。而對于內高壓成形三通管，影響因素較多，其中最重要的是管材與模具間的摩擦。若摩擦系數過大，則在成形時管坯材料流動性差，易起皺；若摩擦系數過小，則成形時管坯材料流動性好，易堆積。所以，在良好的匹配關系下，合理的摩擦系數更是成形出符合要求的三通管的關鍵。

2 有限元模型及模擬方案

本文采用三維軟件CATIA 進行三維模型圖繪制，其中，管坯直徑為32mm，厚度為1mm，長度為180mm，支管直徑為32mm，過渡圓角為4mm，模具與管坯之間間隙為0.1mm。如圖2（a）所示。三維模型包括5 個部分：型腔、頂缸、管坯、左沖頭、右沖頭。 導入到專業數值模擬分析軟件Dynaform 中構建1/4 模型，如圖2（b）所示，模型由1355 個殼單元組成，其中包含1294 個四邊形單元，61 個三角形單元。 型腔、左右沖頭及頂缸設定為剛體。 管坯材料為防銹鋁合金（LF2M），材料參數見表1。

表1 材料和模型參數

圖2 三維模型及有限元模型

模擬中左、右沖頭進給總量為60mm，最大內壓為20MPa，進給總時間為0.3s。在成形過程中，隨著補料的進行，內壓持續增加。 圖3 為模擬過程匯總的內壓隨時間變化曲線。 T 型三通管內高壓成形時，在相同加載路徑下，對摩擦系數分別為0.2、0.15、0.125、0.1、0.06、0.01 進行模擬分析。

圖3 內壓隨時間變化圖

3 模擬結果分析

模擬結果如表2 所示。結果表明：當其他量設為定量，只考慮摩擦系數的影響時，摩擦系數減小，支管高度逐漸增加，由于摩擦系數的降低，材料往支管型腔的補償量增加，支管高度隨之增加。 最大壁厚隨著摩擦系數的降低也逐漸降低， 由于摩擦系數的降低，材料的流動能力增強， 減少了直管處材料的堆積能力。然而從表中觀察到，摩擦系數過大或者過小，最小壁厚都相對較低，在摩擦系數為0.01 時，最小壁厚值最小。 從表2 結果分析各項參數，即摩擦系數為0.06時，支管高度較高，減薄率在20%以內，且壁厚差值最小，為最理想狀態。

表2 不同摩擦系數模擬結果

不同摩擦系數模擬結果如圖4 所示。 由圖可知，管件最大壁厚隨著摩擦系數的降低逐漸降低；在直管區域，隨著摩擦系數的降低，壁厚分布越均勻。摩擦系數較大時， 壁厚呈現從直管中間開始向管端逐漸增加，層次分明；摩擦系數較小時，直管區域的壁厚云圖逐漸均勻，尤其在摩擦系數為0.06 時，可直管區域的云圖分布最為均勻。 當摩擦系數為0.2 時，管端部位的壁厚局部增厚明顯，而隨著摩擦系數的降低，逐漸趨于均勻。 這幾種不同摩擦系數的模擬差別非常大，說明摩擦是三通管內高壓成形的重要影響因素之一。

圖4 不同摩擦系數模擬結果

分析在6 種不同摩擦系數下，三通管最小壁厚變化，如圖5 所示。從圖中可觀察到，摩擦系數為0.06~0.125 時， 最小壁厚在安全范圍內。 分析模擬結果可知，摩擦系數過大或者過小都會導致最小壁厚超過安全區域。 當摩擦系數過大時，摩擦力阻礙了材料的補償量，導致支管頂部壁厚減薄并破裂；當摩擦系數過小時，發生過潤滑現象，材料沒有阻力，在兩端軸向加載下，直管區域很容易發生起皺、折疊，導致材料補償到支管過少，使支管頂部壁厚減薄，從而破裂。 所以，摩擦系數是決定最小壁厚的關鍵因素。

圖5 不同摩擦系數下最小壁厚變化

圖6為整體液壓成形數值模擬過程中，支管頂部觀測點A、過渡圓角觀測點B 和直管底部觀測點C的壁厚隨時間的變化規律。從圖中可知，在液壓成形的初期和中期，觀測點A 處壁厚減薄，過渡圓角B 及直管底部C 點的壁厚增加。在成形后期，支管頂部A點壁厚趨于一個平均值；過渡圓角觀測點B 壁厚下降； 直管底部觀測點C 的壁厚增加較快。 在成形階段，支管頂部觀測點A 的壁厚逐漸減少，過渡圓角觀測點B 的壁厚減少但變化緩慢， 直管底部觀測點C處壁厚逐漸增加。

圖6 關鍵點壁厚隨時間變化規律

4 結論

摩擦系數決定支管高度、最大壁厚及最小壁厚。模擬結果顯示，過大或過小的摩擦都會影響三通管的成形。隨著摩擦系數的降低，支管高度增加，壁厚減小，但摩擦系數過小導致支管頂端減薄嚴重，易發生破裂。所以，摩擦是決定三通管內高壓成形的關鍵因素之一，采用合適的摩擦環境、選取合適的摩擦系數能夠成形出合格的T 型三通管零件。