丁露露,成小樂,劉 劼,李滋陽,武 鵬,鄭守東

(1.西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.遼寧忠旺機械設(shè)備制造有限公司,遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

Y型管作為支撐結(jié)構(gòu)和過濾器,Y型被廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)機結(jié)構(gòu)[1-2]及石化設(shè)備[3]。Y型管件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求高,而內(nèi)高壓成形技術(shù)可以實現(xiàn)輕量化、便捷化與集成化[4-8],還被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的排氣管、發(fā)動機散熱器支架、儀表盤支架、座椅骨架、緩沖器的生產(chǎn)[9-11]。

管件在內(nèi)高壓成形過程中最常碰到的問題有起皺和斷口缺陷,采用低壓和高壓雙線加載路徑時,可以顯著控制起皺和斷口缺陷,從而可以獲得符合要求的工件[12]。另外,工藝參數(shù)對管件成形的質(zhì)量至關(guān)重要,有學(xué)者運用數(shù)值模擬方法,通過分析管件成形時的應(yīng)力分布,確定最優(yōu)成形工藝參數(shù)[13-15],在設(shè)計模具時需要考慮管件的起皺和斷口缺陷以及成形工藝參數(shù)等問題。

文獻[16]運用有限元模擬方法設(shè)計并優(yōu)化了汽車發(fā)動機托架的內(nèi)高壓成形模具結(jié)構(gòu)。有限元模擬的方法可以為模具設(shè)計提供可靠的驗證及優(yōu)化工具,提高工件質(zhì)量。所以本文結(jié)合有限元模擬的方法，設(shè)計非對稱Y型管內(nèi)高壓成形模具,根據(jù)對模具的應(yīng)力分析優(yōu)化其模具結(jié)構(gòu),以期提高管件質(zhì)量。

1 Y型管內(nèi)高壓成形模具設(shè)計

該Y型管采用鋁合金管狀材料A6063-T5,其屈服強度為120 MPa,拉伸強度為210 MPa,延伸率為29%,為設(shè)計Y型管的成形模具,還需確定該管件的結(jié)構(gòu)尺寸,如圖1所示。

圖1 Y型管三視圖

從Y型管結(jié)構(gòu)三視圖中可以看出,管件為非對稱結(jié)構(gòu),外徑為42.7 mm,壁厚為1.1 mm,軸向長度為200 mm,初始反沖孔位置為45.6 mm。

根據(jù)非對稱Y型管的結(jié)構(gòu)尺寸,初步設(shè)計模具結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 模具結(jié)構(gòu)圖

從圖2可知,內(nèi)高壓成形中采用了3個沖頭,左右沖頭推動管坯向內(nèi)補料,中間沖頭在成形后期支撐支管頂部向后退出,以防止支管頂部過度減薄。

2 Y型管的成形工藝條件

管件的成形質(zhì)量取決于管坯的材料性能參數(shù)、初始尺寸和成形工藝參數(shù)。管坯的材料性能參數(shù)為屈服強度、拉伸強度及延伸率等。管坯的初始尺寸包括外徑、壁厚及軸向長度等。成形工藝參數(shù)有初始屈服壓力、成形壓力及合模力等[17]。

首先需要確定管坯開始塑性變形時所需的壓力即初始屈服壓力,以保證管坯的成形質(zhì)量,其值為

(1)

式中:σs為屈服強度,MPa;t為管件厚度,mm;d為管件外徑,mm。

為保證尺寸精度,成形截面過渡圓角所需內(nèi)壓高于其他部位所需內(nèi)壓[18-19]。過渡圓角半徑越小成形壓力越高,則合模力越大,密封難度增大,功率加大[20],所以在滿足使用要求的情況下,過渡圓角半徑應(yīng)盡可能大。成形壓力約為屈服強度的0.1～0.25倍。左右沖頭的成形壓力值分別為

右沖頭:

(2)

左沖頭:

(3)

根據(jù)成形壓力確定模塑過程中保持模具閉合的力即合模力,以合模力的最小值來選擇合適的內(nèi)高壓成形設(shè)備,其值為

Fz=ApPi×10-3=492.3 kN

(4)

式中:Ap為管件在水平面上的投影面積,mm2;Pi為成形壓力,N。

通過以上計算確定設(shè)備的合模力最小為500 kN。在內(nèi)高壓成形工序中,成形模具的型腔與產(chǎn)品的形狀相同,需注意分模線的位置,在公差允許的范圍內(nèi),不可產(chǎn)生負角。還需要考慮兩沖頭液壓缸的位置,液壓管路、控制管線等的布置,在允許的工作臺面內(nèi)保證完成工作[21]。

3 模具的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 模具材料性能

Cr2Mov鋼有高淬透性,在 300 ～400 ℃時仍可保持良好的硬度和耐磨性,韌性較Cr12 鋼高,淬火時體積變化最小。對模具進行有限元分析時,所需Cr2Mov鋼的彈性模量為2.19×1011N/m2,泊松比為0.310,質(zhì)量密度為7.75×103kg/m3。

3.2 有限元分析

為驗證模具設(shè)計的合理性,建立有限元分析模型進行模擬計算。為縮短計算時間,按其對稱性取1/2進行分析,然后在ANSYS模擬軟件中將模型劃分為四邊形單元,單元類型為體單元,如圖3所示。

在模具底部施加X、Y、Z方向的位移約束,在模具表面及模具凹槽內(nèi)部施加大小為24 MPa、方向垂直于接觸面的壓力載荷,最后進行求解計算。

圖3 網(wǎng)格劃分

3.3 結(jié)果與討論

3.3.1 模具應(yīng)力分析 根據(jù)有限元的計算結(jié)果,對該模具進行應(yīng)力分析,以便對應(yīng)力集中及應(yīng)力分布不均勻的部位進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,圖4為模具應(yīng)力分布云圖。

圖4 模具應(yīng)力分布云圖

從圖4可知，應(yīng)力集中處位于模具的4個棱角,此處會發(fā)生翹曲而影響管件與模具的重合度,并且模具凹槽處應(yīng)力分布不均勻,以下針對這2個問題對模具進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.3.2 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化 針對圖4中模具的4個棱角應(yīng)力集中問題,對模具進行第一次結(jié)構(gòu)優(yōu)化,將模具的4個棱角改為圓角,加大接觸面的面積,從而減少應(yīng)力集中。改進后模具應(yīng)力分布云圖如圖5(a)所示。由圖5(a)可知,Y型管凹槽部分應(yīng)力值增大且分布不均勻,最主要的問題在于支管凹槽部分形變加大。凹槽的變形主要是由于模具棱邊處倒角過小,應(yīng)力過于集中而產(chǎn)生的[22-23],所以針對凹槽處要進行第二次結(jié)構(gòu)優(yōu)化,具體的改進方法是將靠垂直方向凹槽部分的模具棱邊處的倒角由60°增大到120°,具體位置見圖5(b)的圓圈處。

從圖5(a)可知，4個棱角的應(yīng)力分布已變得較均勻,且此處應(yīng)力值減小;從圖5(b)可知,凹槽處的應(yīng)力分布已變得較均勻,且應(yīng)力值也進一步減小。

經(jīng)過將模具4個棱角改為圓角的第一次優(yōu)化及增大凹槽處倒角的第二次優(yōu)化,模具的應(yīng)力分布更加均勻,且4個棱角及凹槽處的應(yīng)力值有所降低。通過兩次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最終模具結(jié)構(gòu)如圖6所示。

(a)第一次優(yōu)化

(b)第二次優(yōu)化

圖6 模具分型面結(jié)構(gòu)圖

從圖6可知,最終的模具結(jié)構(gòu)較初始結(jié)構(gòu)(圖2)有所改變，4個棱角變?yōu)閳A角,且增大了中間沖頭模具棱邊處的倒角,經(jīng)過以上的應(yīng)力分析,優(yōu)化后的模具應(yīng)力分布更均勻。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)非對稱Y型管的結(jié)構(gòu)尺寸,運用Solidworks軟件建立其內(nèi)高壓成形模具三維模型,分析內(nèi)高壓成形工藝條件并計算主要成形工藝參數(shù),通過對模具進行ANSYS有限元模擬,分析初始模具的應(yīng)力分布,根據(jù)分析結(jié)果對模具結(jié)構(gòu)進行了兩次優(yōu)化。為了獲得質(zhì)量更好的制品,后續(xù)還需加強管件與模具之間擬合程度的設(shè)計。