秦文東 林賢坤

摘 要：傳統(tǒng)異型管件常采用板料成形生產(chǎn)，其缺點(diǎn)是成形工序多和模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜等.采用內(nèi)高壓成形生產(chǎn)異型管件，較傳統(tǒng)工藝具有工藝簡(jiǎn)單和生產(chǎn)費(fèi)用低，以及成形管件的強(qiáng)度與剛度高等優(yōu)點(diǎn).本文采用有限元軟件AUTOFORM對(duì)異型管件開展先彎管后內(nèi)高壓成形的多道次數(shù)值模擬，研究液壓加載方式、摩擦系數(shù)對(duì)其成形結(jié)果的影響規(guī)律，并確定合理的參數(shù)設(shè)置，并得到理想的數(shù)值模擬結(jié)果，為異型管件的實(shí)際內(nèi)高壓成形生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)作用.

關(guān)鍵詞：內(nèi)高壓成形；異型管件；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TG394 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.004

0 引言

在提倡節(jié)能減排的大環(huán)境下，現(xiàn)代車企對(duì)汽車輕量化的關(guān)注度越來越高，內(nèi)高壓成形技術(shù)作為輕量化技術(shù)的一種，已經(jīng)得到廣泛的研究 [1].Hwang等[2]系統(tǒng)地對(duì)比了內(nèi)高壓成形技術(shù)的成形工藝和傳統(tǒng)的沖壓—焊接技術(shù)的成形工藝，通過對(duì)兩者的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，內(nèi)高壓成形工藝能夠降低生產(chǎn)成本和減少加工步驟.苑世劍等[3]對(duì)內(nèi)高壓成形機(jī)理、工藝等進(jìn)行介紹，針對(duì)彎曲軸線異形截面構(gòu)件給出了典型零件的工藝參數(shù)的影響.張寶亮等[4]以汽車副車架為研究對(duì)象，開展了內(nèi)高壓成形技術(shù)在汽車輕量化中的應(yīng)用.劉忠利等[5]采用了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，對(duì)汽車縱梁內(nèi)高壓成形全過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)彎管工序?qū)罄m(xù)內(nèi)高壓成形質(zhì)量有直接的影響，而且各工序彎曲疊加處導(dǎo)致縱梁成形件的減薄率最大.榮吉利等[6]以汽車后橋?yàn)檠芯繉?duì)象，借助有限元軟件對(duì)其內(nèi)高壓成形全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到滿足汽車工業(yè)要求的仿真結(jié)果，并進(jìn)一步分析了退火處理對(duì)成形質(zhì)量的影響，結(jié)果表明經(jīng)退火處理后的成形件較未經(jīng)退火的成形件的壁厚分布更為均勻.

基于異型管件傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用板料沖壓—焊接成形，工序多，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)[7-8].采用內(nèi)高壓成形技術(shù)成形的異型管件，其結(jié)構(gòu)整體封閉緊湊，相比于傳統(tǒng)技術(shù)可有效降低零件重量，提高成形精度與質(zhì)量.本文通過非線性有限元軟件對(duì)其彎管、內(nèi)高壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析內(nèi)壓加載方式以及摩擦系數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響規(guī)律.

1 成形工藝分析

該異型管件結(jié)構(gòu)如圖1所示，長(zhǎng)度為1 100.27 mm，壁厚2.00 mm，最大截面周長(zhǎng)154.92 mm，最小截面周長(zhǎng)125.51 mm.由最小截面周長(zhǎng)可以換算出對(duì)應(yīng)的圓管直徑為39.95 mm，基于此，選取異型管件內(nèi)高壓成形的管坯直徑為39.00 mm.該異型管件幾何形狀復(fù)雜，軸線彎曲成波浪形，兩端有支管，截面為圓形，由于其是一個(gè)中軸線呈空間彎曲的構(gòu)件，初始管坯無法直接置入內(nèi)高壓成形模具中，所以在內(nèi)高壓成形工序之前需要對(duì)初始管坯進(jìn)行彎曲，將管坯彎曲成和成形件軸線相同或相近的形狀.由于初始管坯的寬度為39.00 mm，小于模具型腔最小截面所對(duì)應(yīng)的圓管直徑39.95 mm，故彎曲后的管坯可直接置入模具型腔，因此確定本次模擬過程采用的工序，即：彎管—內(nèi)高壓成形.

2 異型管件仿真分析

2.1 彎管數(shù)值模擬

為保證異型管件的彎曲精度，因此在數(shù)值模擬AUTOFORM軟件中采用繞彎工藝進(jìn)行預(yù)彎管，彎管示意圖如圖2所示.將所有的工具都劃分為剛性單元，設(shè)置管坯與彎管模具之間的摩擦系數(shù)為0.1.選取初始管坯長(zhǎng)度為1 100 mm，厚度2 mm，直徑39 mm，材料為SPH440，選用的材料力性能參數(shù)如表1所示.

彎曲模擬結(jié)果如圖3所示，由圖所知彎管后零件最大減薄處位于第七道彎外側(cè)，此處壁厚1.80 mm，減薄率為9.8%，最大增厚處位于第七道彎內(nèi)側(cè)，厚度2.22 mm，增厚率為11.1%，沒有產(chǎn)生起皺和破裂缺陷，減薄和增厚都在安全范圍之內(nèi).

2.2 內(nèi)高壓成形數(shù)值模擬

異型管件內(nèi)高壓成形有限元模型如圖4所示，具體包括上、下模具、左、右沖頭、背壓頭與彎曲后的結(jié)果管件.設(shè)置上、下模具、沖頭以及背壓頭為剛性單元，確定模具與管件間的摩擦系數(shù)為0.1.最終成形壓力為180 MPa.由于異型管件左右結(jié)構(gòu)對(duì)稱，設(shè)置左右沖頭軸向進(jìn)給量為48 mm，上下背壓頭進(jìn)給量15 mm，其加載路徑如圖5所示.

內(nèi)高壓成形結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出異型管件最大減薄率為18.5%，此處壁厚為1.63 mm，最大減薄處位于支管端部與圓角過渡區(qū)連接處，此處變形量最大，變形情況最復(fù)雜，金屬材料的流動(dòng)較為困難，補(bǔ)料效果不佳.

3 各參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響規(guī)律

為探究各參數(shù)對(duì)此異型管件內(nèi)高壓成形結(jié)果壁厚分布均勻性的影響規(guī)律，選取異型管件的典型截面—A截面（如圖7）為研究對(duì)象，在此截面（如圖8）選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，并對(duì)各測(cè)點(diǎn)的壁厚值進(jìn)行測(cè)量.

3.1 液壓加載方式影響規(guī)律

在液壓成形中不同的加載方式會(huì)影響材料的成形性能進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9].在此類異形結(jié)構(gòu)件的成形過程中，管坯的主要變形模式以支管方向的形狀改變?yōu)橹?，因此其成形控制的關(guān)鍵是在保證不產(chǎn)生破裂、起皺等成形缺陷的前提下盡可能使成形件截面壁厚分布均勻.研究3種不同加載方式對(duì)異型管件A截面的壁厚分布的影響，加載方式如圖9所示，加載方式對(duì)異型管件A截面內(nèi)高壓成形結(jié)果壁厚影響如圖10所示，由圖10可知，液壓加載方式對(duì)A截面壁厚影響較為顯著，加載方式3下各測(cè)點(diǎn)壁厚值更接近初始管坯壁厚值，壁厚分布更均勻，而加載方式1下壁厚均勻性最差，成形效果不佳.說明折線加載成形件的成形效果比線性加載成形件的成形效果好，同時(shí)也說明前期內(nèi)壓力增長(zhǎng)較為緩慢，后期內(nèi)壓力增長(zhǎng)較為迅速的折線加載方式，在一定程度上可以提高成形質(zhì)量.這是因?yàn)樵诩虞d路徑1下，在成形前期內(nèi)壓力幾乎達(dá)到成形壓力值，管件在此壓力下迅速脹形使成形區(qū)幾乎貼模，導(dǎo)致模具與管件表面的摩擦力增大，補(bǔ)料過程困難，成形結(jié)果壁厚分布的均勻性不佳.在加載路徑2下，在進(jìn)入成形中期時(shí)，待成形球形管的內(nèi)壓力仍然較小，管坯僅發(fā)生微小變形，模具與材料表面的摩擦力相對(duì)較低，故管坯補(bǔ)料充分，最終成形效果較好.

3.2 摩擦系數(shù)影響規(guī)律

模具與管件接觸面的摩擦力在一定程度上影響脹形件材料的流動(dòng)性，進(jìn)而影響對(duì)成形區(qū)的補(bǔ)料效果，最終在液壓成形中會(huì)對(duì)管件厚度分布造成一定的影響[10-12].因此研究摩擦條件對(duì)此異型管件內(nèi)高壓成形結(jié)果的影響規(guī)律，對(duì)制定合理的潤(rùn)滑方案和提高成形質(zhì)量具有重要意義.選取摩擦系數(shù)為變量，其他參數(shù)不變.摩擦系數(shù)分別為μ=0.10、μ=0.15、μ=0.20時(shí)A截面各測(cè)點(diǎn)分布情況如圖11所示，從圖中可以看出摩擦系數(shù)對(duì)成形件的成形結(jié)果影響較大，摩擦系數(shù)越大此異型管件主管端部壁厚增厚程度越小，但支管壁厚減薄程度越大，在摩擦系數(shù)μ=0.1時(shí)，A截面支管各測(cè)點(diǎn)壁厚更接近初始壁厚2.000 mm，平均壁厚為2.008 mm，但同時(shí)主管各測(cè)點(diǎn)厚度值較大，平均厚度為2.613 mm，而在μ=0.15和μ=0.20時(shí)支管測(cè)點(diǎn)平均厚度分別為1.933 mm和1.723 mm，主管各測(cè)點(diǎn)平均厚度分別為2.595 mm和2.372 mm.可知，摩擦系數(shù)越大，在成形過程中成形件表面與模具的摩擦力越大，材料的流動(dòng)性降低，軸向補(bǔ)料越困難，成形區(qū)的補(bǔ)料量減少，從而使成形件支管成形區(qū)壁厚減薄程度增大，成形質(zhì)量下降.

4 結(jié)論

1）對(duì)于有軸向彎曲的異型管件，可通過AUTOFORM軟件實(shí)現(xiàn)“彎管—內(nèi)高壓成形”成形全過程仿真分析，從而保證數(shù)值模擬的精確性.

2）不同加載路徑對(duì)橫梁壁厚影響較大.折線加載方式的此異型管件的成形效果比線性加載的成形效果好，且折線加載方式下，前期內(nèi)壓力增長(zhǎng)較為緩慢，后期內(nèi)壓力增長(zhǎng)較為迅速的方式的成形效果較前期內(nèi)壓力增長(zhǎng)較為迅速，后期內(nèi)壓力緩慢的方式好.

3）摩擦系數(shù)越小，在此異型管件成形過程中成形件表面與模具的摩擦力越小，材料的流動(dòng)性越高，軸向補(bǔ)料越容易，成形區(qū)的補(bǔ)料量減多，成形區(qū)整體壁厚越大.故制定合理的潤(rùn)滑方案及選用合理的潤(rùn)滑介質(zhì)具有重要意義.

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Abstract：The special-shaped pipe is often produced by the sheet metal forming. This forming process has many shortcomings， such as multi-forming steps and more complicated die structures. The hydraulic pressure forming is used to produce the special-shaped pipe， which has the advantages of simple forming process， low production cost， and good product quality compared with the traditional forming process. In this paper， the finite element software Autoform is used to simulate the hydraulic pressure forming of the special-shaped pipe， study the influence rule of hydraulic loading mode and friction coefficient on the forming results， and determine the reasonable parameters to obtain the ideal numerical simulation results. This may give guidance on the production of the special-shaped pipe by the hydraulic pressure forming.

Key words：hydraulic pressure forming； special-shaped pipe； numerical simulation

（學(xué)科編輯：張玉鳳）