三通管內高壓成形工藝參數優化研究

朱書建　常雪　蘇海迪

摘 要：針對三通管內高壓成形過程中內壓力與左右進給量匹配不合理而使三通管出現起皺和破裂等問題，而脹形高度是衡量三通管的一個重要指標，本文采用均勻試驗優化方法對三通管內高壓成形過程中內壓力與左右進給量進行優化，快速找到以脹形高度為優化目標的最優匹配關系，使用最優匹配關系分別進行試驗和預測，誤差為0.13%，滿足實際工程要求。

關鍵詞：三通管；內高壓成形；均勻試驗；脹形高度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.206

1 引言

近年來，隨著內高壓成形技術快速發展，三通管內高壓成形工藝已有取代傳統焊接支管成形工藝的趨勢。現階段內高壓成形技術還有不足之處，例如：支管脹形高度不高，壁厚分布不均勻等等，這些問題是由于工藝參數匹配不合適而產生的。因此，需要對三通管內高壓成形工藝參數進行優化使三通管內高壓成形零部件滿足生產要求。

國外對三通管內高壓成形研究較早，如德國Volerstern等人計算了T型三通管內高壓成形的工藝參數，給出了合模力、水平沖頭力、反推重頭力等估算公式[1]；日本的Okamoto對鎂合金T型三通管進行了熱態介質成形研究，指出了潤滑及溫度對成形的影響[2-3]。國內學者對三通管內高壓成形也做了很多研究，如林俊峰等人通過理論計算和數值模擬方法來調整加載路徑，確定內高壓成形加載區間[4]。蘇嵐等應用有限元分析T型三通管加載路徑對成形質量的影響，探討了最佳加載路徑確定的原則[5]。

三通管內高壓成形中內壓力、左右進給量，對成形質量的影響較大，故本文采用均勻試驗優化方法對以內壓力和左右進給量為優化因素，以三通管內高壓成形脹形高度為優化目標進行優化研究。

2 有限元模型

原始管坯長為114mm，外徑為22mm，管坯厚度為1.5mm，支管直徑為22mm，管坯主管與支管相貫處圓角半徑為8mm，如圖1所示。模具、沖頭和管材均采用殼單元，下模四邊形單元有1551個，上模四邊形單元有1020個，左沖頭、右沖頭、下沖頭四邊形單元均有140個，模型中上模、下模、下沖頭、左右沖頭均設定為剛體。管坯材料為T2紫銅，質量密度為8900kg/m2 ，泊松比為0.33，楊氏模量為118GPa。

3 優化分析

基于均勻試驗優化方法具有“均勻分散”特點，能快速找到最優組合，為研究T型三通管內高壓成形的工藝參數優化問題，所以本文采用均勻試驗法對脹形高度進行優化分析。

3.1 因素水平的選取及試驗安排

通過前期的實驗，確定影響三通管內高壓成形件脹形高度的兩個主要因素，因此將內壓力和左右進給量作為優化因子，內壓力4水平分別為：25MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa；左右進給量4水平分別為：10mm、13mm、16mm、19mm，試驗安排如表1所示。

3.2 試驗結果

按照表1的試驗方案利用DYNAFORM對三通管內高壓成形過程進行仿真分析，得到脹形高度結果如表2所示。使用SPSS對數據進行回歸分析，得到三通管脹形高度的多元線性回歸方程為：z=0.3265x+0.453y-1.31 。將表2中各試驗方案數據代入方程，得到三通管脹形高度的預測值，由試驗值與預測值的對比可以看到最大誤差為0.41%，所以此回歸方程是比較理想的。

回歸方程顯著性常數P=0.026<0.05，說明建立的多元回歸方程具有統計學意義；假設檢驗F=743.211，說明三通管脹形高度與內壓力和左右進給量之間具有線性關系；負相關系數r=0.999，說明三通管脹形高度與內壓力和左右進給量之間的線性關系很密切；偏回歸系數b2=0.453>b1=0.265，說明在影響三通管脹形高度方面，左右進給量比內壓力對脹形高度影響更大一些。通過試驗數據可知，在均勻設計的試驗點中，預測內壓力為40MPa，左右進給量為19mm時三通管脹形高度最高。

3.3 驗證試驗

內壓力為40MPa，左右進給量為19mm，摩擦系數設定為0.15利用DYNAFORM對三通管內高壓成形過程進行仿真分析，得到仿真結果如圖4所示，經測量脹形高度為17.92mm，而回歸方程預測高度17.897mm，誤差為0.13%，在合理的范圍之內，說明建立的回歸方程是合理的，同時說明均勻試驗優化方法對內高壓成形的三通管件脹形高度的優化是合適的。

4 結果與討論

本文對T型三通管內高壓成形過程進行仿真分析，采用均勻試驗優化方法對內壓力、左右進給量進行優化研究，得到如下結論：

（1）采用SPSS軟件對數據進行分析，得到以內壓力和左右進給量為自變量，以三通管脹形高度為因變量的線性回歸方程，實驗值與預測值誤差控制在0.41%之內，說明建立的回歸方程是合理的。

（2）以內壓力和左右進給量為優化因素通過均勻試驗優化方法對三通管脹形高度進行優化，得到在試驗設計范圍內的最優條件。在最優條件下，試驗值與預測值誤差為0.13%，說明均勻試驗優化方法對內高壓成形的三通管件脹形高度的優化是合適的，為工程實際提供

一定的指導意義。

參考文獻：

[1]F Volerstern，T Prange，M Sander.Hydroforming： needs，developments

and perspective.Proceedings of the 6th ICTP，Sept，1999，19-24

：1197-1210.

[2]Okamoto A，Naoi H，Kuwahara Y.Study on Hot Bulge Forming for Tees of Magnesium Alloy Pipe Joints[C].Proceedings of the third International Conference on Tube Hydroforming， 2007：121-128.

[3]T.Uchiyama，H.Naoi and Y.kuwahara. Development Resarch of Hot Bulge Forming for Tees Pipe Joint of Magnesium Alloy[C].Proc of the 56th Japanese Joint conference for the Technology of Plasticity，2007：129-130.

[4]林俊峰，李峰，韓杰才等.管件液壓成形中加載路徑的確定方法研究[J].材料科學與工藝，2009（06）：840-843.

[5]蘇嵐，王先進，唐荻，范光堯.T型管液壓成形過程的有限元分析[J].北京科技大學學報，2002（05）：537-540.

作者簡介：朱書建（1990-），男，山東濟寧人，碩士研究生在讀，研究方向：汽車輕量化。endprint