陳杰，金鑫，孔諒，王志遠(yuǎn)

(上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240)

管材液壓成形 (THF)作為一種非傳統(tǒng)的材料塑性成形方法，近些年來(lái)伴隨著節(jié)能減排、汽車車身輕量化等概念的提出，在工業(yè)領(lǐng)域特別是汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。液壓成形的優(yōu)點(diǎn)包括減少模具的數(shù)量，減少零件成形步驟，材料利用率高，并且能有效改善零部件的性能［1］。近些年來(lái)伴隨著先進(jìn)控制技術(shù)在內(nèi)高壓成形設(shè)備上的應(yīng)用，內(nèi)高壓成形技術(shù)漸漸成為一種靈活可控、安全高效的材料成形方法［2］。近些年來(lái)，運(yùn)用內(nèi)高壓成形技術(shù)制造的各種管材越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域，并且還在不斷拓展其應(yīng)用范圍。

內(nèi)高壓成形的基本過(guò)程是將預(yù)處理后的管坯放入模具型腔內(nèi)，然后內(nèi)部加壓與軸向加力補(bǔ)料，使管坯貼合到型腔內(nèi)表面，從而獲得所需的零部件。從管材成形過(guò)程可以看出，內(nèi)部壓力以及軸向補(bǔ)料是影響成形質(zhì)量的主要因素，另外管材、模具的性能、幾何參數(shù)成為另一個(gè)影響因素。文獻(xiàn) ［3］研究了材料各項(xiàng)異性系數(shù)r以及應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)n對(duì)管材成型性能的影響，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)異性系數(shù)r以及應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)n對(duì)自由漲形管材成形形狀以及應(yīng)變分布有著顯著影響，r值、n值越大，成形后零件應(yīng)變分布越均勻，同時(shí)能夠獲得更大的變形量。有學(xué)者研究證實(shí)，伴隨著n值的減小以及K值的增大，成形時(shí)的破裂壓力隨之增大［4］。研究表明:管材的直徑以及厚度等幾何參數(shù)對(duì)管材的液壓成形過(guò)程有著顯著的影響［5－7］，伴隨著管材直徑的增加，減薄率減少將近1/3，同時(shí)管材的厚度分布更加均勻;然而隨著管材長(zhǎng)度的增加，獲得支管的高度顯著下降，支管頂部減薄率明顯增加。管材與模具之間的摩擦因數(shù)也是影響成形過(guò)程的一個(gè)主要因素。許多的研究表明，成形過(guò)程中的參數(shù)控制(內(nèi)壓，軸向給進(jìn))是影響管材內(nèi)高壓成形質(zhì)量的主要因素［8］。軸向進(jìn)給對(duì)成形質(zhì)量有較大影響，合適的軸向給進(jìn)能有效避免破裂的發(fā)生，獲得合格的零部件。然而伴隨著給進(jìn)量的增加，所需要的整形壓力也相應(yīng)增加。內(nèi)壓越大，管材成形后減薄越明顯，同時(shí)發(fā)現(xiàn)伴隨內(nèi)壓增大，成形過(guò)程對(duì)摩擦因數(shù)也更加敏感。文獻(xiàn)［9］研究了內(nèi)壓與管材厚度、屈服強(qiáng)度、模具最小內(nèi)角半徑之間的關(guān)系以及成形過(guò)程所需的內(nèi)壓方法。從以上分析不難看出:加載路徑的優(yōu)化、軸向進(jìn)給的調(diào)整以及這兩者之間的關(guān)系成為管材成形質(zhì)量?jī)?yōu)化的主要方向。有限元分析方法 (FEA)相對(duì)與以往的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)方法，具有經(jīng)濟(jì)高效、靈活多變的特點(diǎn)，并且能幫助人們更好地理解管材成形的過(guò)程，協(xié)助探索、設(shè)計(jì)新的成形方法?；谝陨涎芯浚髡哌\(yùn)用有限元模擬的方法，探索、優(yōu)化加載路徑以及軸向進(jìn)給，并探究這兩者對(duì)X形管成形質(zhì)量的影響。

1 有限元模型的建立

X形管的有限元模型包括3個(gè)部分:(1)管坯;(2)模具;(3)左右沖頭。其中管坯為BT殼單元，離散化后單元總數(shù)為3 000，其中四邊形總數(shù)為3 000，三角形總數(shù)為0;左右沖頭及模具為剛性單元，剛性單元在模擬的過(guò)程中并不發(fā)生變形.左右沖頭的單元總數(shù)都為277，其中四邊形單元數(shù)目為245，三角形為32。模具的單元總數(shù)為1 756，其中四邊形單元數(shù)目為1 492，三角形單元數(shù)目為264。有限元模型如圖1所示。采用LS-DYNA的動(dòng)力顯式算法進(jìn)行計(jì)算，模型取1/4對(duì)稱進(jìn)行計(jì)算，以縮短計(jì)算時(shí)間。比例縮減成形時(shí)間為0.01 s，研究表明:動(dòng)力顯式算法下采用此比例縮放時(shí)間，對(duì)模擬精度幾乎沒(méi)有影響，卻能顯著縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率［10］。

圖1 X形管的有限元模型 (1/8對(duì)稱模型)

仿真實(shí)驗(yàn)采用60 mm×2.0 mm的管坯，管坯長(zhǎng)度為150 mm，材料為不銹鋼SS304。圓角半徑為5 mm，材料的本構(gòu)關(guān)系為 σ=Kξn，K=1 426 MPa，n=0.502。其他參數(shù):密度為7.85 g/cm3。材料具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 管材性能參數(shù)

2 主要工藝參數(shù)的確定

傳統(tǒng)的方法中，主要工藝參數(shù)，特別是內(nèi)壓的確定一般通過(guò)試錯(cuò)法獲得，試錯(cuò)法所獲得的數(shù)據(jù)主要依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)以及一些簡(jiǎn)單的近似等式獲得。例如，初始屈服壓力pyield，純漲形時(shí)的開(kāi)裂壓力pbursting，整形壓力pcalibration分別由公式 (1)— (3)估算［11］:

其中:t0為管材的厚度，D0為管材的直徑，Dp為凸起的直徑，rb為模具的最小半徑，σf為材料的流變應(yīng)力，σs為材料的屈服應(yīng)力，σu為材料的極限抗拉強(qiáng)度。由等式 (1)— (3)，代入表1中材料的對(duì)應(yīng)性能數(shù)值，可以初步估算出材料的內(nèi)壓的加載范圍。

利用以上3個(gè)公式計(jì)算出來(lái)的內(nèi)壓值可以為多線性加載參數(shù)提供參考，同時(shí)為試錯(cuò)法提供參考。參考以上計(jì)算數(shù)值，在DYNAFORM中進(jìn)行有限元模擬，作者將最大內(nèi)壓設(shè)為180 MPa，加載方式為線性加載，軸向進(jìn)給設(shè)為0，加載時(shí)間為0.01 s，觀察自由漲形時(shí)管材最小壁厚變化情況，從而確定以上主要參數(shù)，最終確定最大整形壓力為96 MPa。

3 主要工藝參數(shù)對(duì)成形結(jié)果影響分析

3.1 線性內(nèi)壓加載路徑對(duì)成形結(jié)果的影響

內(nèi)壓加載路徑是影響X形管成形質(zhì)量的一個(gè)重要因素，通常內(nèi)壓加載路徑分為線性加載路徑、梯形加載路徑。相同內(nèi)壓參數(shù)、不同的內(nèi)壓加載路徑下X形管成形質(zhì)量相差很大，因此探索不同加載路徑對(duì)X形管成形質(zhì)量的影響，對(duì)提高X形管成形質(zhì)量有很重要的意義。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探索，確定軸向進(jìn)給量為2 mm×40.5 mm，軸向加載方式為梯形加載方式，加載方式如圖2所示。整形最大壓力為96 MPa，加載時(shí)間為0.01 s。

此階段研究中，共設(shè)計(jì)了2組，共8種不同的加載路徑，如圖3所示，每組4種不同的加載路徑。最大整形壓力都為96 MPa。

圖2 軸向進(jìn)給路徑

圖3 線性內(nèi)壓加載方式

將仿真結(jié)束后最小壁厚Tmin、最大壁厚Tmax、最小主應(yīng)變?chǔ)舖in、最大主應(yīng)變?chǔ)舖ax作為衡量成形質(zhì)量的依據(jù)。不同內(nèi)壓加載路徑下，X形管的成形結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同內(nèi)壓加載路徑下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出:1組的成形質(zhì)量都要好于2組，其中1組中C的成形質(zhì)量最好，2組中F的成形質(zhì)量最好。從1組可以看出:在軸向給進(jìn)方式一致的情況下，線性內(nèi)壓加載時(shí)，內(nèi)壓加載速度對(duì)成形質(zhì)量有著顯著的影響。內(nèi)壓加載過(guò)慢，導(dǎo)致后期整形時(shí)內(nèi)壓上升過(guò)快，補(bǔ)料不足，從而導(dǎo)致最小壁厚減薄，最大壁厚增加。從第二組可以看出:內(nèi)壓加載不宜過(guò)快和過(guò)慢，內(nèi)壓加載過(guò)快過(guò)慢都不利于成形質(zhì)量的提高。為保證成形質(zhì)量，需要尋找一個(gè)合適的加載路徑。

3.2 梯度內(nèi)壓加載路徑對(duì)成形結(jié)果的影響

在研究了線性內(nèi)壓加載路徑對(duì)X形管成形結(jié)果影響基礎(chǔ)之上，經(jīng)過(guò)探索，設(shè)計(jì)了1組共3種不同的梯度加載方式，研究梯度加載方式對(duì)X形管成形結(jié)果影響，并且將線性加載與梯度加載獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探索，取軸向加載方式為梯形加載方式，梯度壓力分別取30，40，50 MPa。軸向進(jìn)給量分別取 2 mm×40.5 mm，2 mm×36 mm，加載方式如圖4所示。整形最大壓力為96 MPa，加載時(shí)間為0.01 s。

圖4 梯度內(nèi)壓加載方式

表3 不同內(nèi)壓梯度及不同軸向給進(jìn)量下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表3中可以看出:軸向給進(jìn)量為2 mm×40.5 mm時(shí)，J組的成形質(zhì)量較好;軸向給進(jìn)量為2 mm×36 mm時(shí)，L組的成形質(zhì)量較好。對(duì)比相同路徑下，不同軸向給進(jìn)量所獲得的結(jié)果，可以看出:軸向給進(jìn)量為2 mm×40.5 mm時(shí)所獲得結(jié)果相對(duì)較好，只是在內(nèi)壓梯度為30 MPa時(shí)，軸向給進(jìn)量為2 mm×36 mm所獲得的結(jié)果較好?？梢缘贸鲆?guī)律:在內(nèi)壓梯度為較高值時(shí)，軸向給進(jìn)量是決定X形管成形質(zhì)量的主要因素，給進(jìn)量大所獲得結(jié)果好。分析原因主要由于內(nèi)壓梯度值較大時(shí)，在梯度平臺(tái)值上管材已經(jīng)開(kāi)始快速變形、減薄，軸向給進(jìn)量越大，則補(bǔ)料越多，減薄率就越小;相反在內(nèi)壓梯度值為較低值時(shí)，管材在梯度平臺(tái)值上并不能快速發(fā)生變形、減薄，由于內(nèi)壓值限制，材料塑性變形量非常小，這時(shí)軸向給進(jìn)量較大則容易形成褶皺，不利于成形為質(zhì)量較好的X形管。

為驗(yàn)證以上結(jié)論，取給進(jìn)量2 mm×40.5 mm，2 mm×36 mm下I、L，K、N組所獲得結(jié)果進(jìn)行分析。這里取節(jié)點(diǎn)最大壁厚與最小壁厚隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行分析，所獲結(jié)果如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)壁厚隨時(shí)間變化曲線

從圖 (a)中可以看出:在0～2 ms之間，管材壁厚發(fā)生明顯的減薄，30 MPa平臺(tái)下I、L組減薄速度要明顯小于50 MPa平臺(tái)下K、N組;2～9 ms之間，30 MPa平臺(tái)下I、L組管材幾乎不發(fā)生減薄，50 MPa平臺(tái)下K、N組管材持續(xù)減薄，在9 ms時(shí)最大減薄率已接近35%。

從圖 (b)中可以看出:從仿真開(kāi)始，管材壁厚幾乎呈線性上升，30 MPa平臺(tái)下I、L組增厚速度要明顯高于50 MPa平臺(tái)下K、N組。

結(jié)果分析:30 MPa內(nèi)壓平臺(tái)下，在初期管材發(fā)生減薄，管材應(yīng)變量增加，隨著管材的加工硬化，平臺(tái)內(nèi)壓值不足，不足以使管材繼續(xù)減薄，因此管材最小壁厚幾乎不發(fā)生變化，在管材大面積減薄之前，管材獲得充足的軸向補(bǔ)料，因此最終成形效果較好;50 MPa內(nèi)壓平臺(tái)下，由于內(nèi)壓值較高，管材持續(xù)減薄，軸向補(bǔ)料不足，因此X形管成形質(zhì)量相對(duì)較差。

4 結(jié)論

(1)梯度內(nèi)壓加載方式比線性加載方式更容易獲得成形質(zhì)量較好的X形四通管。

(2)線性內(nèi)壓加載路徑下，內(nèi)壓加載速度對(duì)成形質(zhì)量有著顯著的影響，內(nèi)壓加載過(guò)快過(guò)慢都不利于成形質(zhì)量的提高。

(3)梯度內(nèi)壓加載路徑下，內(nèi)壓梯度值為30 MPa，給進(jìn)量為2 mm×36 mm所獲得成形質(zhì)量最好，為最優(yōu)內(nèi)壓加載路徑。

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