劉邦雄，王發(fā)良，黃佳雯，董金香，何佳琪

矩形截面管件液壓成形研究

劉邦雄，王發(fā)良，黃佳雯，董金香，何佳琪

（景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

液壓成形的矩形截面管件由于工序較為簡(jiǎn)單、成形質(zhì)量高，相比于圓形管狀零件而言，具有更大的抗彎模量等優(yōu)點(diǎn)，在汽車行業(yè)輕量化成形技術(shù)中有較大發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。為了研究液壓成形矩形截面零件成形規(guī)律，文章以圓形管件為研究對(duì)象。通過實(shí)驗(yàn)獲取成形材料的力學(xué)參數(shù)，采用萬能拉伸機(jī)獲取應(yīng)力應(yīng)變曲線，將其轉(zhuǎn)化為真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)圓管無軸向進(jìn)給液壓成形實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，獲取圓形管件成形的關(guān)鍵參數(shù)及其圓角貼合情況。采用非線性有限元軟件Dynaform對(duì)圓管件成形過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏差在5%以內(nèi)，吻合率較高，從而驗(yàn)證了文章有限元模型建立與計(jì)算方法的正確性，為工程應(yīng)用提供必要的參考。

矩形截面；液壓成形；數(shù)值計(jì)算

引言

近年來，越來越多的人開始關(guān)注通過降低結(jié)構(gòu)重量來減少能源消耗的方式[1]。在滿足汽車安全性的前提下，管件內(nèi)高壓脹形技術(shù)生產(chǎn)的空心結(jié)構(gòu)件可以在滿足強(qiáng)度要求下減重，現(xiàn)已成為生產(chǎn)輕質(zhì)空心結(jié)構(gòu)件一種不可替代的制造技術(shù)[2-4]。

Yannis P等[5]研究了在矩形截面管件的液壓成形過程中圓角成形所需內(nèi)壓力相對(duì)較大，并且在直邊與圓角過渡點(diǎn)附近應(yīng)力較大，材料將會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，易發(fā)生壁厚過度減薄甚至開裂的現(xiàn)象，基于液壓成形的矩形截面零部件由于具有質(zhì)量輕、精度高、力學(xué)性能好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。為此，本文以圓管的液壓成形為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)測(cè)試獲取鋁合金材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，基于自行研制的液壓成形試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，開展矩形截面鋁合金管件液壓成形的試驗(yàn)研究，借助非線性有限元軟件對(duì)管件成形全過程進(jìn)行仿真分析，為管件液壓成形奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)測(cè)試

1.1 材料力學(xué)性能測(cè)試

借助萬能拉伸機(jī)對(duì)鋁合金管材進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，得到真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，沿管件軸向切割，得到試樣如圖1所示，對(duì)其開展力學(xué)性能測(cè)試。由于萬能拉伸機(jī)所獲取的為工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，忽略材料塑性變形時(shí)體積的變化，根據(jù)公式（1）和公式（2）得到工程應(yīng)力應(yīng)變曲線和真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的關(guān)系，真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖1 拉伸試樣

=（1+） （1）

=（1+） （2）

式中：為真實(shí)應(yīng)變；為真實(shí)應(yīng)變；為工程應(yīng)力；為工程應(yīng)變。

圖2 管件真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 液壓成形試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備原理如圖3所示，主要包括增壓泵、合模機(jī)、泄壓閥等部件組成，增壓泵將液壓油經(jīng)管道作用于合模機(jī)中模具端頭位置，通過模具端頭進(jìn)給高壓液壓油，合模機(jī)充分保證上下模具緊密閉合。試驗(yàn)過程中增壓泵對(duì)液壓油介質(zhì)增壓，在和模機(jī)中保壓一段時(shí)間后通過泄壓閥泄壓。

圖3 成形系統(tǒng)

模具由內(nèi)模和外模組成，外模主要是用以機(jī)械裝配，通過定位銷定位上下模具，配有6個(gè)均布分布的安裝孔，同時(shí)上下模裝有手柄用以方便裝配。內(nèi)模與外模為過間隙配合，內(nèi)模用以成形矩形管件，內(nèi)模如圖4所示，尺寸規(guī)格為200 mm·100 mm·140 mm，其中液壓成形區(qū)域長(zhǎng)度為100 mm，圓角半徑為6 mm。

圖4 模具

試驗(yàn)過程中增壓泵逐步增壓，從30 MPa開始間隔5 MPa增壓，如圖5所示，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出當(dāng)內(nèi)壓力越高，成形效果越好，圓角半徑越低。當(dāng)內(nèi)壓力為30 MPa時(shí)，成形效果較差，圓角較大，為10.2 mm，當(dāng)壓力為40 MPa時(shí)，成形效果較好，圓角半徑與模具圓角半徑較為接近，貼合率較高，壓力為35 MPa時(shí)，成形效果介于二者之間。試驗(yàn)過程中50 MPa時(shí)，管件發(fā)生破裂，表明成形質(zhì)量在一定范圍內(nèi)是隨著內(nèi)壓力的增高而提高。圖6位內(nèi)壓力為40 MPa時(shí)成形樣件，從圖中可以看出成形質(zhì)量較好，貼合率較高。

圖5 不同壓力下圓角填充度

圖6 成形結(jié)果

2 數(shù)值分析

2.1 有限元模型

為深入、系統(tǒng)的研究矩形截面管件液壓成形規(guī)律，了解成形過程中各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)管件壁厚的影響，本文采用非線性有限元軟件Dynaform對(duì)管件成形全過程進(jìn)行仿真分析。根據(jù)試驗(yàn)工況，簡(jiǎn)化模具，建立管件液壓成形的有限元模型。如圖7所示，從圖中可以看出，上下模具僅需要定義內(nèi)表面，設(shè)置成剛體材料，將管件的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變輸入軟件中，液壓油介質(zhì)加載路徑為線性加載。

圖7 有限元模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

得到仿真結(jié)果為壁厚和主應(yīng)變分布情況，如圖8所示，從圖中可以看出，整個(gè)橫截面沿周長(zhǎng)方向均是在矩形截面直邊中點(diǎn)附近的壁厚最大，但主應(yīng)變最小。

圖8 內(nèi)壓為40 MPa厚度及主應(yīng)變分布

2.3 對(duì)比分析

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的正確性，選取40 MPa下液壓成形管件為研究對(duì)象，沿軸向選取6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，將試驗(yàn)值與計(jì)算值作對(duì)比分析，如圖9所示，從圖中可以看出，試驗(yàn)值與計(jì)算值的結(jié)果基本上是吻合的，在測(cè)點(diǎn)2處二者相差最大，試驗(yàn)值為1.59 mm，計(jì)算值為1.67 mm，誤差為5.03%，最大誤差在5%左右。

圖9 對(duì)比圖

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)結(jié)果得出，不同內(nèi)壓力對(duì)成形的效果影響較大，40 MPa時(shí)成形質(zhì)量較好，貼合率也較高，超過40 MPa容易發(fā)生破裂現(xiàn)象。選取40 MPa下液壓成形管件為研究對(duì)象，軸向選取6個(gè)測(cè)點(diǎn)，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，通過對(duì)比測(cè)點(diǎn)壁厚值，得出最大偏差在5%左右，較為吻合，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，為液壓成形管件積累了經(jīng)驗(yàn)，提供了借鑒。

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Research on Hydroforming of Rectangular Section Pipe Fittings

LIU Bangxiong, WANG Faliang, HUANG Jiawen, DONG Jinxiang, HE Jiaqi

( Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, Jingdezhen University, Jiangxi Jingdezhen 333000 )

Compared with circular tubular parts, hydroforming rectangular section pipe has the advan- tages of simple process and high forming quality. It has great development potential and application prospect in lightweight forming technology in automobile industry. In order to study the forming ways of hydroforming rectangular section parts, circular pipe fittings are taken as the research object in this paper. The mechanical parameters of the forming material are obtained through experiments, and the stress-strain curve is obtained by universal tensile machine, which is transformed into the real stress-strain curve. An experimental platform was built to study the hydroforming experiment of circular pipe without axial feed, and the key parameters of circular pipe forming and the fillet fitting were obtained. The nonlinear finite element software DYNAFORM is used to calculate the forming process of circular pipe fittings. Through experimental comparison, the results show that the deviation between the experimental and numerical results is less than 5%, and the coincidence rate is high, which verifies the correctness of the finite element model and calculation method in this paper, and provides a necessary reference for engineering application.

Rectangular section;Hydroforming;Numeral calculations

A

1671-7988(2022)01-145-04

U467

A

1671-7988(2022)01-145-04

CLC NO.: U467

劉邦雄（1990—），男，碩士，就職于景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，研究方向：CAD/CAE/NVH?；痦?xiàng)目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ191179，GJJ191180）；景德鎮(zhèn)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（20192GYZD009-01）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.033