管材液压胀形有限元模拟

第１　５卷增刊　计算机辅助工程　Ｖｏ１．１５　Ｓｕｐｐｌ　２００６年９月　Ｃ０ＭＰＵＴＥＲ　ＡＩＤＥＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｓｅｐ．２００６　文章编号：１００６－０８７１（２００６）Ｓ１－０３７０－０４　管材液压胀形有限元模拟　袁安营　，王忠堂２，张士宏　（１．中国科学院金属研究所，辽宁沈阳　ｌ】００１６；２．沈阳理工大学，辽宁沈阳　ｌ】０１６８；　３．中国科学院　精密铜管工程研究中心，河南新乡４５３０００）　摘要：通过建立内高压成形有限元模拟模型，用ＭＳＣ　Ｍａｒｃ有限元分析软件进行模拟分析，　研究变径管成形过程的基本变形特征、成形参数的影响规律，探讨轴向进给与内压力的合理　匹配关系．模拟分析得知适当的提高变形速率，减少减薄区变形持续时间，有缓解该处过度　减薄的作用；轴向进给应在减薄前进＋ｉ－ｉＦ料，而不是变形同时补充所需金属．　关键词：内高压成形；有限元；管材；成形参数　中图分类号：ＴＧ３３５．７１；Ｏ２４１．８２；ＴＰ３９１．９　文献标志码：Ａ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｕｂｅ　Ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ　ＹＵＡＮ　Ａｎｙｉｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｚｈｏｎｇｔａｎｇ２，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｉｈｏｎｇ　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＭｅｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１　１００１６，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｌｉｇｏｎｇ　Ｕｎｉｖ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１　１　０１　６８，Ｃｈｉｎａ；３．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｔｕｂｅ　Ｅｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｒｅ，　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉ．，Ｘｉｎｘｉａｎｇ　Ｈｅ’ｎａｎ　４５３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＭＳＣ　Ｍａｒｃ，ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈａｐｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｕｅｎｃｅ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｐｒｏｐｅｒｌｙ　ｃａｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ａｖａｉｌａｂｌｙ；ａｎｄ　ａｘｉａｌ　ｆｅｅｄｉｎｇ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｂｅｆｏｒｅ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；ｔｕｂｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ；ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　零件　Ｏ　引　—口　　一　内高压管材成形技术是近年来发展较快、以轻　量化和一体化为特征的一种空心变截面轻体构件的　先进塑性加工技术．内高压成形的原理是通过在管　图１　内高压成形过程示惹图　坯内部加高压，同时进行轴向推进，使管坯在模具　早在２０世纪６０年代，内高压成形已用于生产　型腔内成形为预定形状，如图１所示．　三通管和形状简单的管路配件，但零件精度不高，　成形压力小于３０　ＭＰａ．现代内高压成形生产压力　１一头　　４００　ＭＰａ，最高能达到１　０００ＭＰａ；内　篓　；　／　可达到２００压加载路径和轴向进给量实现了计算机控制，成形　｛　精度很高．超高压动密封技术和超高压计算机控制　技术两个方面的技术突破促进了内高压成形的发　维普资讯 http://www.cqvip.com

增刊　袁安营，等：管材液压胀形有限元模拟　３７１　展．　开展内高压成形技术研究，对于推动我国管材　零件加工、为汽车行业提供技术支持具有重要理论　意义和工程实际意义．　１有限元模拟　本文利用ＭＳＣ　Ｍａｒｃ软件的前处理建立变径管　内高压成形模拟模型，如图２，其中模腔截面最大　处为原来管坯的７．１倍．模型有３个刚体和一个　变形体．其中，闭合的上下模具可以用一个刚体曲　面来描述和表示，左右轴向冲头分别用两个刚体平　面描述，刚体不用划分单元．管坯定义为变形体并　划分单元，定义管坯所用单元类型为三维薄壳单元，　管坯的厚度为１　ｒｎｉＹｌ，节点数为１　８３０个，单元数为　１　８００个．材料选用ＴＰ２紫铜，材料参数如表１．冈　３为用三维建模软件构造的模具和管坯的三维立体　示意图及各相关尺寸．　一　∞　｛己　图２利用Ｍａｒｃ软件建立的模拟模型　图３三维模型图及尺寸，ｍｍ　表１材料参数　２结果分析与成形规律　２．１变形特征及易减薄区分布　变径管内高压成形的变形特征有：（１）变形分　为两个比较明显的阶段：低压初步成形阶段和高压　贴模阶段；（２）压力使坯料屈服后，随着压力增大，　坯料初步成彤阶段变形非常迅速．　该模型管坯自南胀形后减薄区分布如图４所示．　从图中可以看出，成形后厚度减薄最大的区域发生　在截面面积增大最大处．　图４自由胀形减薄区分布　Ｕ　Ｚ　４　ｂ　ｄ　ＩＵ　１Ｚ　Ｉ４　Ｉｂ　ＩＩ￣ｊ＇ｆｎｌ（ｓ）　∞　０　图５线性加载路径　＾　一酷剖÷　２．２摩擦系数对成形厚度的影响　㈣　㈣　㈨　．、、　自由胀形，采用线性加载方式，加载曲线如图　、　＼　、　５．改变摩擦系数，考察成形件最大减薄处厚度．内　、　高压成形的摩擦系数范同一般是０．０４～０．０５．为了　考察摩擦系数的影响规律取摩擦系数０—０．２，步长　为０．０１．模拟时选用库仑摩擦条件．　图６为不同摩擦条件下成形件最小壁厚的变化．　摩ｊ葑ｆ系数　图６不同摩擦条件下成形件最小壁厚　２．３不同加载路径与成形件最小壁厚　自由胀形，摩擦系数取／ｘ＝０．０５．研究线性、　折线及阶梯型加载路径方式下成形件壁厚的变化规　律．　２．３．１线性加载　压力从０开始，随Ｈ，￣Ｉ＇Ｈ－Ｉ线性增加，研究不同压　力增大速率情况下管坯变形情况．保持时间轴不　变，改变模拟最后达到的最大压力值，如图７所示．　不同加载路径下获得的成形件最小壁厚的变化如图　８所示．南图可见，随着压力梯度的增大，成彤件最　侣　漤槎　呈！　㈣　㈣　一　一　一　Ｔ　一　维普资讯 http://www.cqvip.com

３７２　计算机辅助工程　２００６年　小壁厚度也逐渐增大，减薄率减小．冈为压力变化　阶梯型加载．网１　１是局部放大水平段的加载路径　ｉ＿Ｉ　ｌ＿＝＝：　ｉ　＾｜一　剞÷　章　槎　牢大，可以使管坯在较高压力下成形，成形速度较　图．　渊　㈣㈣㈣㈣　㈣㈣　ｊ快，减薄区来不及过渡减薄　Ｉ　１０Ｄ　婚枉ｌｊ　ｐ＝５　］ｌ　『卜－一路程　ｌｌ＿６　０　∞　Ｂ０　７０三　Ｉ　｝Ｌ…　．．．＿　ｌ　路径７　ｐ＝６　３　１Ｊ　ｒ［＝—三—～———＿＿　■＿　。＿—’Ｌ　Ｊ啦ｉ　ｌ　／　／　／　６０∞　墨　４。　∞　一　４—ｊ．．．—，——————１—．．——　—　．—————ｒ——————　．～　∞　１。　０　／图７不同加载梯度的线性加载路径　Ｕ　Ｕ　４Ｕ　ｔＳＯ　§Ｕ　１ＵＵ　内￡叵（ＭＰｎ）　图８成形件最小壁厚与最大压力的关系　２．３．２折线型加载　图９是显示局部放大的折线加载路径图，初步　变形后的线性增加段只显示部分，各个加载路径最　终的最大压力不同但都保证管坯能充分贴模．不同　加载路径成形后最小壁厚的对比如图１０所示．　１　２　３　４　５　６　７　８　时州（ｓ）　放大局部的折线加载路径图　０．４～　ｕ　Ｉ　Ｊ　ｑ　０　加栽路径　图１０不同折线加载路径成形厚度的对比　２＿３＿３阶梯型加载　折线加载对变形速率的控制没有达到理想的　结果，把加载路径改进为对变形速率控制更有效的　图１１阶梯型加载路径　图１２是不同阶梯型加载路径成形后最小厚度　的对比．南图可见，当变形压力增大时，成形最小　一　厚度变大，减薄牢变小；但压力超过一定值之后，　随变形压力增大成形最小厚度又变小；变形压力值　在６．０　ＭＰａ左右时，成形结果最理想．这是因为随　变形压力增大，变形时间缩短，截面增大处的局部　减薄得到缓解；但压力过大时，由于变形过快，变　形过渡区金属向变形区的流动相对较慢，导致变形　区减薄明显．　＾田田　鞋÷　嫠疆　㈣㈣…　㈣㈣㈣　㈣　５　６　７　８　９　１０　内ＩＫ（Ｍ　）　图１２不同阶梯型加载路径成形厚度的对　２．４轴向进给的分析　加裁路径与轴向进给的合理匹配是内高压成　形成功与否的关键所在，也是最难实现的．选择线　性加载和阶梯型加载两种加载方式，通过调整轴向　进给总量和不同时间段的轴向进给量进行分析．当　轴向进给量相对过大时，管坯在变形区出现起皱现　象．起皱可分为有益的和有害的两种，对于有益的　皱纹，可以在最后整形阶段采用高内压力的方法进　行消除，有害的皱纹将最终形成死皱．图１３所示为　由于轴向进给过大引起的轻微褶皱，可以通过高压　变形消除，属于有益褶皱范围．如果轻微的褶皱产　生后，内压力仍然没有上升到足够大的值使管坯膨　胀，并且轴向继续推进，则这些轻微褶皱将恶化为　死皱或折叠，如图１４所示．死皱形成后，即使压力　足够大，褶皱也不会再展开，管坯不能最终成形，　甚至会冈影响金属流动导致破裂．　对于塑性较差的金属内高压成形或由于零件　形状导致局部减薄严重时，轴向进给量不足会导致　管坯破裂．　维普资讯 http://www.cqvip.com

增刊　袁安营，等：管材液压胀形有限元模拟　３７３　３　结论　通过内高压成形的数值模拟，可以得到以下结论：　（１）当内压使坯料产生屈服后，减薄区Ｆ｝１于　厚度的减薄，使该区域更容易变形；适当的提高变　彤速率，有缓解该处过度减薄的作用．　（２）在过大内压下变形时，由于变形过快，　金属流动相对较慢，不能满足补料的要求，也导致　图１３轴向进给过大导致的轻微褶皱　图】４轻微褶皱继续恶化形成的死皱　局部过度减薄．　（３）线性加载时，适当增大压力增加牢，可　提高应变速率；阶梯型加载使管坯在给定压力下变　彤，更加容易控制变形速率．　（４）在高压贴模阶段，只要压力大于一定的　值足够的时间即可，此阶段压力增大速率对最终成　形厚度影响很小．　（５）由于轴向进给使金属产生的流动相对于　减薄区的变形具有滞后性，应在减薄前进行补料，　而不是变形同时补充所需金属．　（编辑袁林新）