鄧 江，莫健華

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

對(duì)于非圓形斷面的管材或沿長(zhǎng)度方向直徑或壁厚發(fā)生變化的管材統(tǒng)稱為異形管[1]。

內(nèi)高壓成形是以管材作坯料，通過(guò)管材內(nèi)部施加超高壓液體和軸向進(jìn)給補(bǔ)料把管坯壓入到模具型腔使其成形為所需工件的成形方法[2]。管件內(nèi)高壓成形技術(shù)作為汽車結(jié)構(gòu)輕量化的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，近幾年來(lái)發(fā)展迅速，國(guó)外眾多汽車公司已將其應(yīng)用于空心輕體零件的生產(chǎn)[3]。本文所研究的異形管由于其截面不規(guī)則，有90°的彎曲角度。為滿足產(chǎn)品尺寸精度要求，采用圓管預(yù)彎再用內(nèi)高壓成形異形截面的復(fù)合成形方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)異形管件的彎曲與成形。由于內(nèi)高壓成形時(shí)，工藝參數(shù)對(duì)最終產(chǎn)品尺寸精度影響很大，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行工藝參數(shù)預(yù)測(cè)，可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[4]。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，研究各種因素對(duì)成形質(zhì)量的影響，探索一種為實(shí)際生產(chǎn)提供工藝參數(shù)預(yù)測(cè)的方法。

1 彎曲與內(nèi)高壓復(fù)合成形工藝流程

如圖1 所示，先選擇與異形截面積相同的圓形截面管材用繞彎工藝進(jìn)行彎曲到位，然后進(jìn)入內(nèi)高壓成形工序，對(duì)已彎曲到位的圓截面管件進(jìn)行內(nèi)高壓成形為異形截面。為得到符合實(shí)際情況的成形件尺寸和優(yōu)化的工藝參數(shù)，先對(duì)圓形截面管型材的繞彎成形進(jìn)行模擬，模擬成形得到的彎曲圓管壁厚分布，接近實(shí)際繞彎成形管的實(shí)際情況。然后將這個(gè)具有不均勻管壁厚分布的彎管件數(shù)字模型放入內(nèi)高壓成形模擬模塊進(jìn)行脹形模擬，并試算各種參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響，探索參數(shù)的優(yōu)化。

2 圓截面管繞彎成形的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

圖2 異形截面管工件形狀尺寸

如圖2 所示為要加工的異形管工件形狀及其尺寸。由于需要預(yù)先用圓形截面管繞彎成形管坯件，其圓形截面積應(yīng)與異形截面積一致。依據(jù)在成形過(guò)程中管件的厚度不變的原則，按等體積法，將異形管件截面展開，可以計(jì)算出相應(yīng)圓截面管的外徑為29mm。圓管繞彎成形原理如圖3 所示，為了提高彎曲成形質(zhì)量，需要在管內(nèi)添加剛性芯棒和柔性芯頭。如圖4 所示為根據(jù)上述尺寸建立的3D 數(shù)值模型和模擬裝配圖。由于芯頭的尺寸、數(shù)目，芯棒的伸出量，芯棒和管件的摩擦等都會(huì)影響管件的成形質(zhì)量，在初始計(jì)算時(shí)預(yù)設(shè)了如表1 所示的芯棒、芯頭的尺寸和繞彎成形時(shí)在管內(nèi)的相對(duì)位置尺寸?？梢酝ㄟ^(guò)理論計(jì)算出芯頭個(gè)數(shù)，芯頭、芯棒與管件間的接觸間隙，芯棒的伸出量等[5]，表2 是被加工管件的材質(zhì)及其機(jī)械性能。

表1 繞彎成形芯棒、芯頭及其位置尺寸

表2 成形管件材料參數(shù)

繞彎成形的模擬，采用有限元仿真軟件ABAQUS/Explicit 模塊進(jìn)行。工作流程如圖5 所示。

圖5 繞彎成形模擬流程圖

2.2 繞彎成形模擬結(jié)果分析

如圖6a 所示為圓形截面管繞彎成形模擬過(guò)程，為分析繞彎成形對(duì)后續(xù)的內(nèi)高壓成形的影響。如圖6b 所示，取該圓形管成形截面上厚度變化較大部位的參考點(diǎn)，點(diǎn) 1、2、3、4、5、6、7、8，分析繞彎成形過(guò)程的厚度變化，并延續(xù)到內(nèi)高壓成形時(shí)這些對(duì)應(yīng)點(diǎn)的厚度變化。從圖 6b 看，參考點(diǎn) 1、2、6、7、8 分布于圓管截面中心線以下，屬于彎曲件內(nèi)側(cè)，該部位在彎曲成形時(shí)處于壓應(yīng)力狀態(tài)，管壁會(huì)發(fā)生增厚。參考點(diǎn)6、2 接近中心線部位，其厚度會(huì)隨彎矩中性層的變化而變化。參考點(diǎn)3、4、5 分布于圓管截面中心線的上部，屬于彎管件的外側(cè)，在彎曲成形時(shí)，該部位處于拉應(yīng)力狀態(tài)，管壁會(huì)發(fā)生減薄。圖7 所示為繞彎成形過(guò)程各參考點(diǎn)管壁厚度隨時(shí)間的變化過(guò)程。

圖7 管件彎曲成形部分參考點(diǎn)厚度變化過(guò)程

如圖7 所示，在繞彎成形過(guò)程中，0.4s 之前各參考點(diǎn)的管壁厚度值變化不大，在0.4s 之后，各部位的參考點(diǎn)的壁厚開始往不同方向發(fā)生變化。其中參考點(diǎn)1、7、8 處管壁厚度迅速增加后直至彎曲成形結(jié)束厚度保持不變。而參考點(diǎn)4、5 處的管壁厚度逐漸減薄后保持厚度不變至成形結(jié)束，該處是極易出現(xiàn)破裂。參考點(diǎn)3 靠近彎矩中性層，其減薄程度較小。參考點(diǎn)2、6 處的管壁厚度在過(guò)了0.4s 后先出現(xiàn)有所增厚現(xiàn)象，隨即由于彎曲度增加彎矩中性層的下移轉(zhuǎn)而發(fā)生拉伸應(yīng)變，管壁減薄過(guò)程在0.65s 后穩(wěn)定下來(lái)。各參考點(diǎn)處管壁在繞彎成形后的最終厚度值列于表3 中。

在繞彎成形過(guò)程中，影響管壁厚度變化的因數(shù)較多，其中芯頭的個(gè)數(shù)，芯頭和管件之間的間隙，芯頭和管件之間的摩擦等，在采用優(yōu)化的參數(shù)后可以得到相對(duì)均勻的管壁厚度。

3 異形截面管內(nèi)高壓成形的數(shù)值模擬

3.1 成形模擬流程

內(nèi)高壓成形的模擬，采用有限元仿真軟件ABAQUS/Explicit 模塊進(jìn)行。工作流程如圖8 所示。首先將通過(guò)繞彎成形模擬得到的彎管件數(shù)字模型和數(shù)據(jù)輸入ABAQUS/Explicit 模塊的模壓成形數(shù)字模具，進(jìn)行模壓預(yù)成形。然后進(jìn)入內(nèi)高壓程序進(jìn)行內(nèi)高壓成形模擬。成形完成，得到成形件數(shù)字模型后提取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

省廳將開展第 49 個(gè)世界地球日主題宣傳活動(dòng)（省廳新聞宣傳中心） ...............................................................3-5

圖8 內(nèi)高壓成形模擬流程圖

3.2 建立數(shù)字模型

如圖9 所示，建立上、下兩半數(shù)字模具模型，為了實(shí)施內(nèi)壓成形，需在模具兩端建兩個(gè)推頭件模型，用作內(nèi)壓封頭，并且成形過(guò)程中還要向里緩慢推進(jìn)。

對(duì)于上、下模具分模面的位置的確定，主要是通過(guò)幾次模壓試算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)分模面設(shè)置在圓管坯的中心線處時(shí)（見圖10），在合模預(yù)壓成形時(shí)不會(huì)出現(xiàn)飛邊缺陷。由此確定了分模面的位置。

3.3 異形截面彎管件的成形模擬

（1）模壓預(yù)成形。如圖11 所示，先將經(jīng)過(guò)繞彎的圓截面彎管件放入模具中（圖11a），然后合模進(jìn)行預(yù)壓成形（圖11b）。此時(shí)管件內(nèi)腔沒有形成脹形內(nèi)壓力，上下模合模后，管壁還不能充分貼模成形，管壁厚度幾乎沒有發(fā)生增厚或減薄的變化。

（2）內(nèi)高壓脹形。如圖12 所示，上下模具合模到位后，進(jìn)行內(nèi)壓成形。此時(shí)在管件內(nèi)按一定的加載路徑，將壓力施加到管件上，并使位于管口的兩個(gè)推頭配合作緩慢地向內(nèi)擠壓運(yùn)動(dòng)，使得管件壁逐漸貼合模具型腔，最后成形為所需的異形截面管件。圖13為成形為異形管件后的截面圖。

（3）成形模擬結(jié)果分析。由圖 11、12、13，對(duì)模壓成形、內(nèi)壓脹形過(guò)程的模擬結(jié)果的考察可以看到，其中的參考點(diǎn) 1、2、3、4、5、6、7、8，與圖 6 中的參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)。從圖 11、12 和 13，可以看到，原來(lái)在圓形截面上標(biāo)記的參考點(diǎn)，在經(jīng)過(guò)模壓預(yù)成形和內(nèi)壓脹形后都分別流動(dòng)到了異形截面上的六個(gè)角部和兩個(gè)直邊邊部。

如圖14 所示為管壁上8 個(gè)參考點(diǎn)在整個(gè)成形過(guò)程中的壁厚變化狀況。在圖 14 中，0～0.25s 時(shí)段為模壓成形階段（見圖11），此時(shí)管壁上除參考點(diǎn)4 有少許增厚外，其余7個(gè)參考點(diǎn)均保持著繞彎成形后的厚度，沒有發(fā)生增厚或減薄的變化。在0.25s～0.4s 時(shí)段為內(nèi)高壓脹形階段（見圖12），此時(shí)內(nèi)壓按一定的加載曲線加載到管件上，使得管件逐漸貼合模具，配合左右推頭的運(yùn)動(dòng)，最后成形異形截面管件。

對(duì)于整個(gè)成形過(guò)程中管壁厚度的變化情況，先看參考點(diǎn)1、7、8（見圖6），在圓形截面管繞彎成形時(shí)，這三個(gè)參考點(diǎn)位于彎曲管內(nèi)側(cè)，因此彎曲時(shí)受到壓應(yīng)力作用，管壁出現(xiàn)增厚現(xiàn)象（見圖7）。但在內(nèi)高壓脹形后（見圖13），點(diǎn)1、7 分別流動(dòng)到了角部并出現(xiàn)減薄現(xiàn)象（見圖14），點(diǎn)1 處減薄比點(diǎn)7 處顯著。而點(diǎn)8 流動(dòng)到直邊部位，其厚度減薄不明顯（見圖14）。

再看參考點(diǎn) 3、4、5（見圖 6），在圓形截面管繞彎成形時(shí)，這三個(gè)參考點(diǎn)處于彎曲管外側(cè)，因此彎曲時(shí)受到拉應(yīng)力作用出現(xiàn)減薄現(xiàn)象（見圖7）。但在內(nèi)高壓脹形后（見圖13），這三個(gè)點(diǎn)分別流動(dòng)到了角部，點(diǎn)3 處管壁出現(xiàn)減薄現(xiàn)象，而點(diǎn)4、5 處的管壁出現(xiàn)增厚現(xiàn)象（見圖14）。

參考點(diǎn)2、6（見圖6），在圓形截面管繞彎成形時(shí)，處于圓截面中心線偏下部分。在彎曲成形時(shí)有輕微減?。ㄒ妶D7），但在內(nèi)高壓脹形后（見圖13），點(diǎn)2處的管壁流動(dòng)到了角部，并出現(xiàn)明顯減薄現(xiàn)象，而點(diǎn)6 處的管壁流動(dòng)到直邊部分，減薄變化不明顯（見圖14）。

3.4 內(nèi)高壓成形時(shí)加載路徑對(duì)成形結(jié)果的影響

在異型截面管最后成形階段主要是通過(guò)內(nèi)高壓成形，在這個(gè)過(guò)程中，內(nèi)高壓和推頭的加載方式對(duì)成形結(jié)果影響比較顯著。如果內(nèi)壓加載過(guò)快而推頭推進(jìn)速度較慢，在成形的彎角部分會(huì)減??；如果內(nèi)壓加載速度較慢而推頭速度較快，管件某些成形部位會(huì)起皺，材料會(huì)有堆積。在本次模擬的過(guò)程中選取了以下三種比較典型的加載路徑，如圖15、16、17 所示。

在不同的加載方式下，參考點(diǎn)1～8 的厚度變化如圖 18～26 所示。

對(duì)于成形結(jié)束后管壁厚度情況（見圖18），在不同的加載方式下，點(diǎn)6、點(diǎn)8 成形厚度幾乎相同。這主要是由于點(diǎn)6、點(diǎn)8 所處的位置（見圖12），點(diǎn)8 成形過(guò)程中很快貼模（見圖26），貼模后材料的流動(dòng)較?。稽c(diǎn)6 在加載方式2（見圖16）作用下，貼模較快，厚度變化不大。

點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3 的成形厚度差別較大（見圖18），不同加載方式主要影響管件貼模的時(shí)間（見圖19、20、21），貼模后管件材料流動(dòng)受阻，厚度變化也較小。參考點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3 在加載方式2 和3 的作用下貼模很快，貼模后厚度變化較小，在加載方式1 的作用下，推頭的運(yùn)動(dòng)對(duì)抑制點(diǎn)1 的減薄有較好的效果（見圖19）；點(diǎn)2 由于貼模慢，材料流動(dòng)大，減薄嚴(yán)重（見圖 20）；點(diǎn) 3 在管件凹角部分（見圖 13），材料流動(dòng)困難，貼模后厚度幾乎不變。

參考點(diǎn) 4、5、7 在加載方式 1 和 3 的成形結(jié)果相同，內(nèi)壓的加載速度高于推頭的運(yùn)動(dòng)速度，推頭對(duì)成形的影響較?。ㄒ妶D22、23、25）。參考點(diǎn)4 采用加載方式2 加載時(shí)，厚度呈現(xiàn)階梯性變化，推頭的運(yùn)動(dòng)對(duì)于點(diǎn)4 處材料的補(bǔ)充效果較差，點(diǎn)4 主要處于自由脹形過(guò)程，貼模晚，厚度變化較大；點(diǎn)5、7 采用加載方式2 加載時(shí)，初始內(nèi)壓增加快，貼模快，厚度的變化主要是受內(nèi)壓的影響（見圖23、25）。

3.5 管件成形結(jié)果

當(dāng)采用加載方式2 成形時(shí)，圓管成形后的點(diǎn)1～8 各點(diǎn)的厚度值以及內(nèi)壓成形后的厚度值如表3 所示。

表3 管件成形厚度結(jié)果

如上表所示，在成形中點(diǎn) 3、5、6、7、8 在繞彎成形和內(nèi)壓成形過(guò)程中厚度變化不大，主要與各點(diǎn)所處的位置有很大的關(guān)系，當(dāng)管件很快和模具貼合時(shí)，此時(shí)內(nèi)壓的影響就非常小，材料的流動(dòng)也很少。而點(diǎn)1 處于繞彎成形的內(nèi)側(cè)，在內(nèi)壓成形時(shí)貼模也很慢，所以成形中材料流動(dòng)較大，厚度變化較多。而點(diǎn)2 和點(diǎn)4 一旦和側(cè)壁貼合隨之變化也較小。

4 結(jié)論

（1）本文利用傳統(tǒng)的彎曲成形和內(nèi)高壓成形彎曲異形管，充分利用兩種成形方式的優(yōu)點(diǎn)成形傳統(tǒng)彎曲較難繞彎的異形管件，成形結(jié)果沒有起皺等缺陷。

（2）模擬了先繞彎后內(nèi)高壓的過(guò)程；在繞彎成形后壁厚分布不均勻，有殘余應(yīng)力以及回彈等存在，與實(shí)際情況更加相符，對(duì)后續(xù)的研究有一定的指導(dǎo)意義。

（3）研究了管件成形過(guò)程中內(nèi)壓加載方式對(duì)成形過(guò)程的影響，可以發(fā)現(xiàn)不同的加載方式對(duì)不同點(diǎn)的影響不同。對(duì)在凹模底部和內(nèi)側(cè)的影響不大，最主要的是影響與凸模貼膜的拐角區(qū)域。

（4）研究了管件從繞彎成形到內(nèi)壓成形的成形過(guò)程，分析了各點(diǎn)的厚度變化情況，提出了對(duì)成形結(jié)果的影響主要是貼合模具的時(shí)間，當(dāng)管件貼模較早的時(shí)候厚度變化較小，反之變化則較大。

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