李俊杰，顧文俊，趙坤民

（1．合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2．航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

1 引言

管材液壓成形是一種先進(jìn)的金屬塑性成形方法，它是通過(guò)向金屬管材內(nèi)部施加高壓介質(zhì)（通常為乳化液）使管材膨脹，逐漸貼合模具，同時(shí)為了降低脹形區(qū)的減薄率，加壓過(guò)程中管坯兩端的沖頭向內(nèi)推進(jìn)實(shí)現(xiàn)軸向補(bǔ)料，最終成形為特定形狀零件的加工方法。因?yàn)槌尚涡枰膱R力較高，管材液壓成形也叫內(nèi)高壓成形[1]。

液壓成形技術(shù)作為制造復(fù)雜形狀薄壁板管部件的精密成形技術(shù)，有利于裝備的輕量化、無(wú)余量化、高精度及整體化發(fā)展[2]。它是為了成形以輕量化和一體化為特征的空心變截面管狀構(gòu)件發(fā)展而來(lái)的加工技術(shù)，對(duì)于汽車、航空、航天、船舶等產(chǎn)業(yè)的制造技術(shù)的發(fā)展具有重大意義[3-4]。

對(duì)于表面形狀比較復(fù)雜的空心變截面金屬零件，傳統(tǒng)的加工方法是將零件分為兩個(gè)或者多個(gè)部分，使用板材沖壓的方法分開(kāi)加工，然后再將這幾個(gè)部分焊接成一個(gè)整體零件。這種加工方式一般需要多套加工模具，當(dāng)零件較薄時(shí)焊接難度較高，焊接后的密封性與強(qiáng)度很難保證，密封性的檢測(cè)也比較困難。與傳統(tǒng)的沖壓后再焊接技術(shù)相比，管材液壓成形的優(yōu)點(diǎn)十分明顯[5-6]：整體成形減輕質(zhì)量，節(jié)約材料；減少零件和模具數(shù)量，降低模具與焊接費(fèi)用；減少后續(xù)機(jī)械加工與組裝焊接量；降低生產(chǎn)成本。管材液壓成形的巨大優(yōu)勢(shì)使其受到眾多企業(yè)的青睞，上世紀(jì)九十年代，歐美的汽車行業(yè)率先實(shí)現(xiàn)液壓成形件的批量生產(chǎn)。在汽車輕量化與節(jié)能減排日益受到重視的今天，其發(fā)揮的作用也將與日俱增。

影響管材液壓成形件成形質(zhì)量的因素很多，加壓方式、摩擦系數(shù)、軸向補(bǔ)料的多少、壓力與補(bǔ)料的配合等因素都會(huì)影響成形質(zhì)量。文獻(xiàn)[7]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，比較脈動(dòng)加壓與恒壓加載下低碳鋼管自由脹形區(qū)的成形情況，結(jié)合應(yīng)力分析與現(xiàn)有理論，提出脈動(dòng)加壓能夠改善成形質(zhì)量，可以有效預(yù)防縮頸、脹破與起皺等缺陷，但對(duì)于低碳鋼管的脹形并未與其他形式的加壓方式相比較。由于設(shè)備相關(guān)設(shè)備過(guò)于昂貴，因此常使用數(shù)值模擬的方法為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究加壓方式對(duì)液壓脹形的影響，比較單直線加壓、脈動(dòng)加壓與折線加壓下脹形區(qū)的成形質(zhì)量。

2 液壓脹形的模型與仿真參數(shù)

2.1 液壓脹形的模型

低碳鋼管液壓脹形的模型，如圖1 所示。該模型與文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨?，管坯并非完全處于封閉的模具型腔內(nèi)，中間部分裸露于外部環(huán)境中，兩端被模具包裹，在高壓液體的作用下，中間裸露的區(qū)域會(huì)自由膨脹。成形時(shí)兩端的沖頭向內(nèi)推進(jìn)，在軸向推力與高壓液體的共同作用下，材料達(dá)到屈服應(yīng)力后，流向脹形區(qū)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)料。管坯的長(zhǎng)度為240mm，直徑為80mm，厚度為2mm，整個(gè)模型關(guān)于管坯的中心對(duì)稱，取管坯的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，左方區(qū)域的橫坐標(biāo)值為負(fù)，右方為正。模具的過(guò)渡圓角半徑為15mm，與文獻(xiàn)[7]實(shí)驗(yàn)裝置中的過(guò)渡圓角大小相同，不含過(guò)渡圓角區(qū)域在內(nèi)，整個(gè)脹形區(qū)的長(zhǎng)度為60mm。

圖1 液壓脹形的模型Fig.1 Model of Hydroforming

2.2 仿真模型

在三維建模軟件SolidWorks 中完成CAD 模型的建立，然后將模型以IGES 格式的文件導(dǎo)出，再導(dǎo)入CAE 軟件Dynaform 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、坯料與工具體的定義等操作。仿真模型，如圖2 所示。

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation Model

仿真模型使用的單元為BT 單元，管坯網(wǎng)格單元尺寸為6mm，工具體（上、下模具與左、右沖頭）的網(wǎng)格單元尺寸是8mm，管坯的材料選用軟件材料庫(kù)中的低碳鋼，牌號(hào)為DQSK（36），其材料參數(shù)，如表1 所示。

表1 材料參數(shù)表Tab.1 Material Parameter Table

2.3 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)與加壓方式的選擇對(duì)仿真至關(guān)重要，直接影響成形質(zhì)量的好壞，仿真的成形時(shí)間為0.1s，管坯與模具之間的摩擦系數(shù)為0.05。摩擦系數(shù)大小與文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同，常態(tài)下低碳鋼管與模具鋼之間的摩擦系數(shù)為0.12 左右，經(jīng)潤(rùn)滑處理后摩擦系數(shù)能夠降至0.05。成形需要的壓力可由式（1）和式（2）計(jì)算而來(lái)。有軸向應(yīng)力時(shí)，由Tresca 屈服準(zhǔn)則求得初始屈服壓力計(jì)算公式為：

式中：σs—材料屈服強(qiáng)度（MPa）；σb—材料的抗拉強(qiáng)度（MPa）；t—管坯厚度（mm）；d—管坯直徑（mm）。最大成形圧力介于兩者之間，為保證脹形區(qū)膨脹均勻，最大成形圧力取為10MPa，成形時(shí)左右沖頭的軸向送料速度取為100mm/s。

2.4 加壓方式

本研究共選取三種加壓方式：?jiǎn)沃本€加壓、脈動(dòng)加壓與折線加壓，三種加壓方式的最大壓力值相同且均為10MPa。單直線壓力的表達(dá)式為：

脈動(dòng)壓力的仿真頻率為100Hz，即在（0.01～0.1）s 這段成形時(shí)間內(nèi)，在基礎(chǔ)壓力上添加9 個(gè)完整周期的正弦壓力波動(dòng)，脈動(dòng)壓力的形式與文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)加載相同。脈動(dòng)壓力的構(gòu)成為基礎(chǔ)壓力加上特定頻率與幅值的正弦振動(dòng)，其準(zhǔn)確表達(dá)式為：

式中：t—時(shí)間（s）。

壓力加載曲線，如圖3 所示。

圖3 壓力加載曲線Fig.3 Load Curves of Pressure

在軟件中完成網(wǎng)格的劃分、坯料與模具的定義與定位、壓力的加載與摩擦系數(shù)大小的設(shè)定等操作，模擬成形過(guò)程無(wú)誤后提交作業(yè)，進(jìn)行運(yùn)算。

3 成形結(jié)果

成形質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)為膨脹率相同的情況下脹形區(qū)厚度的均勻性與厚度的大小，仿真結(jié)果，如圖4 所示。

3.1 最大壓力對(duì)脹形的影響

在單直線加壓的條件下，分別取最大成形壓力為9MPa、10MPa 與11MPa，脹形區(qū)的膨脹半徑，如圖5 所示。

圖5 最大脹形壓力的影響Fig.5 Influence of the Maximum Bulging Pressure

最大壓力為9MPa 時(shí)，由于液體壓力不足導(dǎo)致膨脹率過(guò)低，壓力過(guò)小造成脹形區(qū)的起皺。當(dāng)最大壓力為11MPa 時(shí)，由于壓力過(guò)大造成膨脹不均勻，管材中心的膨脹率過(guò)高，極易在此處發(fā)生破裂。最大壓力為10MPa 時(shí)脹形區(qū)膨脹均勻，有利于得到較高的成形質(zhì)量，因此仿真取最大壓力為10MPa。

3.2 加壓方式的影響

在其他因素均相同的情況下，三種壓力加載方式下脹形區(qū)的厚度，如圖6 所示。

圖6 脹形區(qū)厚度對(duì)比Fig.6 Thickness Comparison of Bulging Regions

脹形區(qū)的共同特征為：脹形區(qū)中間的厚度最小，從中間向兩端厚度逐漸增加。折線加壓下成形質(zhì)量最高，最小厚度為1.745mm，脈動(dòng)加壓次之，最小厚度1.71mm，單直線加壓下脹形區(qū)最小厚度為1.677mm。脈動(dòng)加壓下液體壓力處于快速波動(dòng)狀態(tài)，由于內(nèi)壓的往復(fù)變化能夠有效降低管材與模具表面之間的摩擦力，提高管材的軸向進(jìn)給補(bǔ)料量，從而抑制管材的局部減薄，使管材變形更加均勻[8]。折線狀態(tài)下，成形質(zhì)量的好壞可能與高壓作用時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)，當(dāng)脹形的最高壓力選定時(shí)，高壓作用時(shí)間長(zhǎng)短適中有利于得到成形質(zhì)量較高的零件。

3.3 折線加壓下壓力梯度的影響

折線加壓下，中間狀態(tài)的恒定壓力值選為7MPa，該壓力大小與脈動(dòng)加壓的基礎(chǔ)壓力相同，以便探究不同的高壓作用時(shí)間對(duì)成形的影響。最后階段壓力開(kāi)始由7MPa 升至10MPa 的時(shí)間點(diǎn)不同，最后階段壓力的梯度和高壓作用的時(shí)間就會(huì)不同。當(dāng)壓力拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)分別為0.05s、0.07s、0.09s、0.095s 時(shí)，研究不同的壓力梯度對(duì)液壓成形的影響，壓力加載曲線，如圖7 所示。管材脹形區(qū)的壁厚分布，如圖8 所示。

圖7 不同梯度的壓力曲線Fig.7 Pressure Curves with Different Gradients

圖8 不同梯度對(duì)成形的影響Fig.8 Influence of Different Gradients on Forming

不同梯度的壓力作用下，成形質(zhì)量有比較明顯的差異，壓力梯度不同時(shí)高壓作用的時(shí)間與均值壓力就會(huì)不同，成形質(zhì)量也會(huì)隨之而變。

3.4 進(jìn)給速度對(duì)脹形的影響

脈動(dòng)加壓下，保持其他因素不變，分別取軸向進(jìn)給速度為80mm/s、100mm/s、120mm/s 與140mm/s，脹形結(jié)果，如圖9 所示。脹形半徑，如圖10 所示。進(jìn)給速度越大，管材的脹形半徑越大，進(jìn)給速度為100mm/s 時(shí)脹形的均勻性最好，因此仿真的進(jìn)給速度取為100mm/s。

圖9 不同進(jìn)給速度下的脹形結(jié)果Fig.9 Bulging Results at Different Feed Rates

該現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與脹形過(guò)程中管材的應(yīng)力大小有關(guān)，根據(jù)Mises 屈服準(zhǔn)則，等效應(yīng)力表達(dá)式，如式（6）所示。

式中：σx—軸向應(yīng)力（MPa）；σθ—環(huán)向應(yīng)力（MPa）。

環(huán)向應(yīng)力的表達(dá)式為：

式中：p—壓力（MPa）；r—管材均值半徑；t—管材的原始厚度。

一定范圍內(nèi)，軸向進(jìn)給速度越大，管材受到的軸向推力越大，軸向應(yīng)力σx就越大，由式（6）可得材料達(dá)到塑性屈服所需要的環(huán)向應(yīng)力σθ就越小，進(jìn)而由式（7）可得，達(dá)到塑性屈服所需要的液體壓力p 就越小，材料進(jìn)入塑性屈服階段的時(shí)間點(diǎn)越靠前，脹形時(shí)材料可以自由流動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng)，從而使膨脹半徑增大。由式（7），膨脹半徑越大，環(huán)向應(yīng)力就越大，從而使等效應(yīng)力更大，材料越容易流動(dòng)，因此送料速度越大，膨脹率越高，膨脹半徑較大。

圖10 不同進(jìn)給速度下的脹形半徑Fig.10 Bulging Radius at Different Feed Rates

3.5 脈動(dòng)幅值與基礎(chǔ)壓力的影響

保持脈動(dòng)壓力的基礎(chǔ)壓力為7MPa 不變，僅改變脈動(dòng)壓力的振動(dòng)幅值不同幅值對(duì)成形的影響，如圖11 所示。幅值為3MPa時(shí)，脹形區(qū)的厚度較大，減薄率較小。

將幅值大小設(shè)定為3MPa，僅改變基礎(chǔ)壓力的大小，取基礎(chǔ)壓力為6.6MPa、6.8MPa、7.0MPa 與7.2MPa，脹形區(qū)的厚度分布，如圖12 所示。脈動(dòng)加壓下，當(dāng)幅值或基礎(chǔ)壓力較大時(shí)，最大壓力較高，管材膨脹率變大，厚度減?。划?dāng)幅值或者基礎(chǔ)壓力改變時(shí)，管材受到的摩擦力就會(huì)不同；由式（7），環(huán)向應(yīng)力與等效應(yīng)力也不同，進(jìn)而影響材料的流動(dòng)性與脹形的結(jié)果?；A(chǔ)壓力或者脈動(dòng)幅值較小時(shí)，等效應(yīng)力較小，材料的流動(dòng)性較差，脹形過(guò)程中補(bǔ)料困難，管壁厚度減小。

圖11 脈動(dòng)幅值對(duì)成形的影響Fig.11 Influence of Pulsing Amplitudes on Forming

圖12 基礎(chǔ)壓力對(duì)成形的影響Fig.12 Influence of Basic Pressure on Forming

4 結(jié)論

通過(guò)仿真的結(jié)果與分析可得，對(duì)于低碳鋼管的液壓脹形：

（1）單直線加壓是最常見(jiàn)的加壓方式，但是其成形質(zhì)量相比于合理的脈動(dòng)加壓與折線加壓較差，可以通過(guò)改變壓力加載的方式來(lái)進(jìn)行工藝改進(jìn)，提高管材液壓成形的零件質(zhì)量。

（2）折線加壓下，不同梯度的壓力對(duì)應(yīng)著不同的高壓作用時(shí)間與均值壓力，對(duì)應(yīng)的成形質(zhì)量也會(huì)有明顯不同。

（3）壓力加載形式為脈動(dòng)加壓時(shí)，脈動(dòng)加壓的幅值與基礎(chǔ)壓力的選擇均會(huì)對(duì)成形質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。軸向進(jìn)給速度的大小會(huì)影響膨脹半徑的大小。