孫禮娜，余心宏

（西北工業(yè)大學 材料學院，陜西 西安 710072）

不規(guī)則四邊形截面管件內(nèi)高壓成形數(shù)值模擬

孫禮娜，余心宏

（西北工業(yè)大學 材料學院，陜西 西安 710072）

以不規(guī)則四邊形截面管件為研究對象，作內(nèi)高壓成形?；赿ynaform軟件平臺，建立了內(nèi)高壓成形有限元模型，利用該模型研究了內(nèi)壓和軸向進給對不規(guī)則四邊形管材內(nèi)高壓成形的成形形狀、角充填情況及壁厚減薄情況的影響規(guī)律，分析了管材破裂和起皺缺陷產(chǎn)生的原因。模擬結果顯示，適當減小內(nèi)壓力，同時增大軸向進給量，可以有效地防止破裂的發(fā)生。增大內(nèi)壓力和減小軸向進給量，是防止和消除起皺的有效方法，需要注意內(nèi)壓力不能過大，否則會出現(xiàn)破裂。

機械制造；內(nèi)高壓成形；管件；數(shù)值模擬

1 引言

在航空、航天和汽車工業(yè)等領域，減輕結構質(zhì)量以節(jié)約運行中的能量是人們長期追求的目標，也是現(xiàn)代先進制造技術發(fā)展的趨勢之一。結構輕量化有兩條主要途徑：一是材料途徑，二是結構途徑。內(nèi)高壓成形就是從結構途徑實現(xiàn)結構輕量化的重要方法之一[1～2]，它可以有效的減輕零件質(zhì)量，節(jié)約材料，提高強度與剛度，減少零件和模具數(shù)量，從而降低生產(chǎn)成本[3～5]，具有廣闊的應用前景。

內(nèi)高壓成形技術始于20世紀80年代初，20世紀90年代初開始，德國汽車工業(yè)界率先實現(xiàn)了內(nèi)高壓成形的大批量工業(yè)化應用，之后在歐洲其他國家、北美、日、韓等國迅速得到推廣[6～7]。德國Paderborn大學最早對內(nèi)高壓成形技術進行系統(tǒng)研究，F(xiàn).Dohmann教授[8]在內(nèi)高壓成形過程影響因素、失效形式以及有限元模擬方面做了大量工作，系統(tǒng)闡述了內(nèi)高壓成形過程及其過程參數(shù)控制的基本原理。俄亥俄州立大學T.Altan教授等[9]人利用有限元模擬方法確定了不同管狀結構件液壓成形的最佳加載路徑。Hwang等[10]對方截面管的成形過程進行了分析。國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學的苑世劍教授對幾類零件（如圓形，T形管和Y形管等）的內(nèi)高壓成形機理進行了全面系統(tǒng)研究；林俊峰等[11]模擬了空心雙拐曲軸；清華大學雷麗萍等[12]模擬了轎車副車架；黎俊初等[13]人對異型變徑管內(nèi)高壓成形進行了有限元模擬。

由于方形、矩形截面或不規(guī)則截面管結構件在汽車工業(yè)領域有著良好的應用前景，近年來國內(nèi)外學者作了大量的研究，在圓管、方形管、T形管和Y形管等的內(nèi)高壓成形方面研究頗多，但對不規(guī)則四邊形管材的研究較少。本文選擇不規(guī)則四邊形管件為研究對象，對其內(nèi)高壓成形過程進行了三維數(shù)值模擬研究，系統(tǒng)分析了內(nèi)壓和軸向進給對成形件的成形形狀、角充填情況及壁厚減薄的影響規(guī)律，并對破裂和起皺缺陷產(chǎn)生的原因進行了分析。

2 內(nèi)高壓成形原理

內(nèi)高壓成形技術是用管坯作為原料，通過對管腔內(nèi)施加液體壓力及軸向施加載荷作用，使其在給定模具型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形，管壁與模具內(nèi)表面貼合，從而得到所需形狀零件的成形技術?；竟に囘^程是，首先將管坯放入下模，閉合模具，然后把管坯內(nèi)部充滿液體，并開始施壓，在加壓的同時管端的沖頭按與內(nèi)壓一定的匹配關系向內(nèi)送料使管坯成形如圖1所示。

圖1 內(nèi)高壓成形原理示意圖

3 有限元模擬

3.1 模型建立

因為 60°、75°、105°和 120°是四邊形的典型角度。本文使用這些角度來建立不規(guī)則四邊形，其有限元模型及模具截面如圖2所示。管坯材料取不銹鋼SS304，力學參數(shù)見表1所示。所用管坯尺寸：外徑30mm，長度76mm，管壁厚1.0mm。模具總長度90mm，管材變形區(qū)長度50mm。

圖2 有限元模型及截面形狀

表1 材料參數(shù)

采用Dynaform有限元模擬軟件和LS-DYNA求解器，管坯為BT殼單元，其他工具均為剛體單元。模擬中，假設管坯材料模型為各向同性彈塑體，符合Mises屈服準則，材料在成形過程中的硬化規(guī)律為 σ=Kεn，其中 K=1426MPa，n=0.502。管坯與模具間的摩擦系數(shù)取0.1，成形時間為0.01s。

3.2 模擬方案

內(nèi)高壓成形過程中，影響因素比較多，如材料性能、摩擦、軸向進給和內(nèi)壓力等。其中軸向進給量與內(nèi)壓力的匹配關系稱為加載路徑，也是影響內(nèi)高壓成形性能的關鍵因素，它直接影響截面的形狀、厚度分布和最終的成形尺寸。在內(nèi)高壓成形過程中，只有給出內(nèi)壓力與軸向進給的合理匹配關系，才能獲得合格的零件。

經(jīng)過分析，本文設計了如下方案，如表2所示。選擇了在不同的軸向進給和不同內(nèi)壓情況下，來研究內(nèi)壓和軸向進給對不規(guī)則四邊形構件的成形形狀、角充填情況及壁厚減薄的影響規(guī)律。分析了內(nèi)高壓成形過程中破裂和起皺缺陷產(chǎn)生的原因。

表2 模擬方案

4 模擬結果和分析

在成形前管材和模具有四個接觸點（N1、N2、N3和N4）。隨著壓力的增大，管材與模具接觸部分越來越多，形成直角邊。隨著直角邊長度的增加，材料的流動越來越困難，圓角區(qū)得不到補給，管材壁厚減薄就比較嚴重，且直邊區(qū)與圓角區(qū)的過渡處壁厚減薄劇烈甚至開裂，因此，圓角的充填是反映內(nèi)高壓成形性能的一個關鍵問題。由圖2可以看出，60°角處管材的變形程度最大，也是最容易破裂的位置，所以，60°角半徑最能反映圓角的充填情況。由圖1中的DH1和DH2反應了變形后管材的尺寸。為了簡便，這里只分析DH1。所以，為了得到合理的成形形狀，綜合分析內(nèi)壓力和軸向進給互相匹配的結果，本文從60°角半徑，DH1和最小壁厚與內(nèi)壓和軸向進給的關系來表達內(nèi)高壓成形管材的成形情況。

4.1 內(nèi)壓對成形的影響

通過有限元模擬，在無軸向進給時，通過分析管材內(nèi)高壓成形后的DH1、60°角半徑和最小壁厚與軸向進給的關系，研究內(nèi)壓對管材成形的影響規(guī)律，模擬分析結果如圖3所示。

圖3 無軸向進給時模擬分析結果

由圖3中曲線的變化趨勢可以看出，DH1的值隨著內(nèi)壓的增大而增大，60°角半徑和最小壁厚隨著內(nèi)壓的增大而減小。說明加大內(nèi)壓，管材的成形形狀更貼近模具，角充填情況更好，但管材的最小厚度卻越來越小，相應的減薄率隨之增大，與有軸向進給相比，相同的內(nèi)壓下產(chǎn)生破裂的可能性就較大。

對于相同的軸向進給，不同的內(nèi)壓對管坯產(chǎn)生的變形量是不一樣的，說明內(nèi)壓是管坯發(fā)生變形的主要因素。隨著內(nèi)壓力的增加，管坯的變形量越來越大，管壁厚度明顯減小。由于內(nèi)壓過大，引起環(huán)向應力遠遠大于軸向應力，達到了材料的變形極限而產(chǎn)生了破裂。當內(nèi)壓力過大而軸向力相對較小或者內(nèi)壓力迅速增大而軸向力增長緩慢時，中間內(nèi)高壓成形部分面積急劇加大，兩端的材料不能及時的補給，造成中間部分厚度極度變薄，容易出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。當取內(nèi)壓95MPa，無軸向進給時，成形結果如圖4所示。原因是因為內(nèi)壓力過大而無軸向進給，會使中間內(nèi)高壓部分厚度過度減薄，從而導致了破裂的產(chǎn)生。

圖4 破裂缺陷時管材成形極限圖

圖5 不同軸向進給時的模擬結果

4.2 軸向進給對成形的影響

若內(nèi)壓不變，軸向進給改變，如表2所示，內(nèi)壓取值為 80MPa。管材兩端的進給量分別 為 0.2mm，4mm，6mm，8mm。

通過有限元模擬，在不同軸向進給情況下，管材內(nèi)高壓成形后的DH1、60°角 半 徑和最小壁厚與軸向進給的關系如圖5所示。

由圖5可以看出，在內(nèi)壓一定的情況下，隨著軸向進給的加大，DH1和最小壁厚的值有所增大，60°角半徑的值有所減小。說明在單獨增大軸向進給量的情況下，管材成形形狀更貼近模具，角充填情況更好，壁厚減薄的情況得到減緩。軸向進給的加大使管材的成形極限加大，說明軸向進給是影響內(nèi)高壓成形的一個主要因素。

從管坯內(nèi)高壓成形的模擬過程來看，在管材內(nèi)高壓成形的低壓成形階段，如果軸向進給較小，對應管材的軸向收縮量也就比較少，那么在管材內(nèi)高壓成形過程中補給的材料也就不足，軸向力的補料作用不能發(fā)揮完全，管壁的減薄量就會很大，這時軸向的補料作用是很明顯的。當管材進入高壓成形階段，由于管材和模具的貼合區(qū)域較大，產(chǎn)生了很大的摩擦，軸向進給的補料作用就不是很明顯，管材只有通過自身厚度的減薄來達到脹大成形的目的，這時也是最容易發(fā)生破裂的階段。所以需要在成形的初始階段，在不產(chǎn)生起皺缺陷的情況下，盡量加大軸向力，以增加軸向補料作用。

當軸向進給量過大而內(nèi)壓力較小時，易產(chǎn)生起皺缺陷。圖6所示，是取內(nèi)壓20MPa，軸向進給8mm時，管材因內(nèi)壓過小，軸向進給過大，產(chǎn)生了起皺。

圖6 起皺缺陷時管材成形極限圖

由以上分析可以看出，內(nèi)壓和軸向進給都是影響內(nèi)高壓成形的主要因素。當內(nèi)壓力過大而軸向進給不足時，管材中間脹形部分厚度過度減薄，從而導致了破裂的產(chǎn)生。當軸向力過大而內(nèi)壓力較小或軸向力增長迅速而內(nèi)壓力增加緩慢時，易產(chǎn)生起皺缺陷。所以，要想得到合格的內(nèi)高壓成形管件，單純的增大內(nèi)壓和軸向進給量是不行的，需要合理匹配內(nèi)壓和軸向進給的關系。適當減小內(nèi)壓力，同時增大軸向進給量，可以有效地防止破裂的發(fā)生。增大內(nèi)壓力和減小軸向進給量是防止和消除起皺的有效方法。但是內(nèi)壓力也不能無限制的增大，否則就會出現(xiàn)破裂，如圖4所示。當取內(nèi)壓為80MPa，軸向進給量為4mm時，成形管材的DH1為41.08mm，60°角半徑為7.52mm，最小壁厚為0.82mm。此時管材不產(chǎn)生起皺和破裂等缺陷，管材成形性能較好，管材形狀如圖7所示。

圖7 成形管材形狀及截面

5 結論

本文對不規(guī)則四邊形構件內(nèi)高壓成形進行了有限元模擬，分析了內(nèi)壓和軸向進給對其內(nèi)高壓成形的成形形狀、角充填情況及壁厚減薄情況的影響規(guī)律。并對管材破裂和起皺缺陷產(chǎn)生的原因進行了分析，得出以下結論：

（1）在增大內(nèi)壓和軸向進給量的情況下，管材的變形量增大，DH1的值增大，60°角半徑的值減小，即管材形狀就越接近模具形狀，角充填情況也越好。當內(nèi)壓力過大而軸向進給不足時內(nèi)高壓成形管件的中間部分厚度過度減薄，易產(chǎn)生破裂缺陷。當軸向進給量過大而內(nèi)壓力較小時，易產(chǎn)生起皺缺陷。

（2）適當減小內(nèi)壓力，同時增大軸向進給量，可以有效地防止破裂的發(fā)生。增大內(nèi)壓力和減小軸向進給量是防止和消除起皺的有效方法。但是內(nèi)壓力也不能無限制的增大，否則就會出現(xiàn)破裂。

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Numerical simulation of hydroforming process for irregular quadrilateral cross-sectional tube

SUN Lina，YU Xinhong
（School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnic University,Xi'an 710072,Shanxi china）

The irregular quadrilateral cross-section tube has been studied and hydroformed in the text.By use of numerical simulation,the hydroforming finite element model has been established based on dynaform software platform.The affect laws of internal pressure and axial feed to forming shapes,corner filling and wall thinning during the hydroforming process for irregular quadrilateral tube have been studied.The reasons for rupture and wrinkling have been analyzed.The simulation results show that proper decease of the inner pressure and increase of axial feeding volume could prevent the rupture effectively.Meanwhile,the increase of inner pressure and decrease of axial feeding volume is the effective way to prevent and eliminate the wrinkle.But too large inner pressure may cause the rupture.

Hydroforming；Numerical simulation；Inner pressure；Axial feed

TG394

B

1672－0121（2011）06－0090－04

2011－09－05

孫禮娜（1986－），女，碩士在讀，主攻管材液壓成形