基于交叉式滑動模具的某大膨脹率階梯管件內高壓成形仿真分析*

彭永東，李健，苗明達，許元洪

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基于交叉式滑動模具的某大膨脹率階梯管件內高壓成形仿真分析*

彭永東，李健，苗明達，許元洪

（廣西科技大學廣西車輛零部件與整車技術重點實驗室，廣西 柳州 545006）

根據某大膨脹率階梯管件的工藝要求設計交叉式滑動模具，并借助有限元軟件DYNAFORM開展了內高壓成形數值仿真分析。揭示了滑動模具及其結構對具有大膨脹率階梯管件成形性的影響規律：交叉式滑動模具的控制模可約束管坯脹形區的材料流動，成形穩定性提高；控制模的負載過大會造成管坯材料塌陷，負載過小則無法約束脹形區兩端的材料先行脹起致使脹形區形成死皺；滑動模具前端面位置越接近脹形區中央位置越有利于管坯材料向最大脹形區流動。

內高壓成形；三通管；大膨脹率階梯管件；交叉式滑動模具；數值模擬

前言

隨著社會的發展，人們對燃料消耗和廢氣排放的要求越來越嚴格，汽車輕量化已成為汽車工業發展的主要趨勢。近年來，各汽車制造商紛紛尋求采用液壓成形技術來代替鍛造、沖壓焊接成形等傳統工藝[1-3]。然而，僅僅使用常規管件液壓成形技術難以獲得膨脹率超過1.4的復雜管件[4]，限制了副車架、后橋殼和排氣岐管等具有大膨脹率管件成形的發展。近年來國內外專家通過改進模具結構對具有大膨脹率的管件成形進行了大量研究。

Hwang Y W[5]設計了一臺帶有兩個軸向液壓缸和一個背壓推頭的通用液壓成形設備，通過T三通管成形實驗發現帶背壓推頭成形管件的支管高度比不帶背壓推頭的成形管件的支管高度要高出20%，且壁厚分布更為均勻。郭訓忠等[6]通過研究得出使用階梯軸形式的推頭進行三通管成形實驗，并表明該形式推頭對管件成形效果要優于圓柱形推頭。Hwang YM等[7]提出了使用可移動模具能協助推頭軸向力有效作用于管件脹形區，并成功試制出低碳鋼材料的大變形偏心管。王連東等[8]自行設計半滑動式模具并結合縮頸工藝成功試制出某小轎車橋殼。Qi Zhang[9]等設計了一種新型的可移動的小載荷液壓成形模具，用于偏心管件的液壓成形。研究結果表明，該新型模具可以顯著降低成形壓力和合模力，降低圓角與直邊過渡區的減薄率。潘海彥[10]對變徑管現行模具進行優化，把過渡區和導向區從模具中分離出來成為在補料過程中可運動的模具，并提出平衡沖頭的概念。針對脹形比超過1.4的管件無法一次成形的問題，M.Wada等[11,12]提出了“多進程單向擴展”和“交叉可移動”技術，設計交叉式滑動模具并成功制備出某微型汽車后橋殼。

本文設計了交叉式滑動模具，并通過仿真分析揭示了其內高壓成形過程中滑動模具前端面位置對管件脹形區材料補料效果和壁厚分布的影響的規律以及控制模負載對脹形區起皺的影響規律。

1 研究對象

圖1 大膨脹率階梯管件形狀和尺寸（單位：毫米）

表1 SAPH440鋼材料屬性

Table 1 SAPH440 steel material properties

本文所研究對象為具有大膨脹率的階梯管件，根據表面積相等原理及大脹形比階梯管成形工藝要求，選擇長為1400 mm，外徑為68mm，壁厚為4mm的SAPH440無縫鋼管作為初始管坯，材料屬性如表1所示。階梯管形狀和尺寸如圖1所示，兩端直臂管外徑為68mm，脹形區長度為374mm，最大脹形高度為198mm，最大膨脹率約為2.44。

2 模具結構設計

為提高管坯材料向脹形區的流動性，同時防止其脹形區產生缺陷，需要對脹形區材料進行局部約束。本文設計了交叉式滑動模具，其結構如圖2所示。交叉式滑動模具的左、右滑動模具主要作用是減少管坯與固定模具之間的直接接觸面積，降低成形過程中的摩擦力，同時可在管坯脹起一定高度后，由滑動模具直接推動管坯材料，提高管件成形過程中材料的流動性，端部帶有滑槽可以與控制模相互交叉相嵌，避免了滑動模具和控制模在運動過程中造成干涉；控制模與左右滑動模具相互交叉相嵌，可以對整個脹形區的管坯材料進行約束。

1.左推頭2.左滑動模具(帶滑槽) 3.管坯 4.上背壓推頭 5.下被壓推頭6.上控制模（嵌入滑動模具滑槽） 7.下控制模（嵌入滑動模具滑槽）8.右滑動模具(帶滑槽) 9.固定模具 10.右推頭

3 內高壓成形有限元仿真

管坯屬于回轉式的旋轉體結構，建模時可將立體管坯簡化為平面問題。其有限元模型如圖3所示。合模過程：左、右推頭賦予軸線方向位移，并將其移至剛好與左、右模具末端先接觸位置，模具及管坯均設置為靜止；成形過程：外部模具設置為靜止，左、右推頭及左、右模具定義為軸線方向相向方向運動，上、下背壓推頭的負載直接施加在控制模上并定義為恒壓控制，其運動方向為管件徑向向外，當內壓力大于或等于背壓力時，管坯外壁推動上、下背壓推頭運動，控制階梯管脹形。

圖3 大脹形比階梯管有限元模型圖

4 成形結果分析

4.1 滑動模具及控制模對成形性能的影響

為研究滑動模具和控制模對具有大膨脹率特征的階梯管件成形性能的影響，設計了四種模具結構用于目標管件的內高壓成形仿真分析。

第一種成形模具為常規模具，無滑動模具，無控制模，脹形區補料僅僅依靠左右推頭的軸向進給。其仿真結果如圖4（a）所示，管件脹形區因過度減薄產生破裂缺陷，補料區兩端在摩擦力的作用下壁厚急劇增加，材料堆積嚴重，增厚率高達83.3%；第二種成形模具，帶滑動模具，無控制模，左右滑動模具與左右運動路徑一致，脹形區補料由兩者共同完成。其仿真結果如圖4（b）所示，管件兩端壁厚無明顯增厚，但是脹形區因無控制模的約束發生嚴重的屈曲和起皺等缺陷；第三種成形模具，帶滑動模具，帶控制模（僅約束脹形區中央位置）。其仿真結果如圖4（c）所示，因控制空模僅約束脹形區中央位置，管坯脹形區兩端最先脹起，形狀呈馬鞍狀，懸空部位因材料失穩急劇減薄而破裂；第四種成形模具為交叉式滑動模具，帶滑動模具，帶控制模，其中控制模和滑動模具交叉相嵌，運動過程無干涉。其仿真結果如圖4（d）所示，階梯管件的最大減薄率為12%，最大增厚率為18%，未產生破裂、屈曲、起皺等缺陷，為合格管件。

根據成形結果可知，交叉式滑動模具中的滑動模具減少了管坯與固定模具之間的直接接觸面積，避免了補料區管坯與模具之間摩擦力的影響，同時可在管坯脹起一定高度后，由滑動模具直接推動管坯材料，提高管件成形過程中材料的流動性，有利于向成形區補料，有效避免了脹形區因過度減薄而破裂的缺陷。控制模的長度大于整個脹形區長度，約束脹形區材料，有效避免脹形區過長所導致的管坯屈曲、起皺及懸空部分漏料脹裂失效的問題。

圖4 不同模具下的模擬結果

4.2 加載路徑對成形質量的影響

為研究加載路徑對該大膨脹率階梯管件成形質量的影響，本節采用試錯法對具有三種不同初始壓力的典型加載路徑進行了仿真研究，加載路徑如圖5所示。成形過程中，左右推頭和左右滑動模具的加載路徑保持一致，控制模的負載恒為75KN。初始壓力分別為20MPa、34MPa、44MPa的加載路徑的模擬結果分別為圖5（a）、（b）、（c）所示結果。從圖中可以看出，初始壓力為20MPa時，管件脹形區域在bc段產生起皺缺陷，這是因為初始壓力過低，管坯材料無法展開，此時增加軸向進給會形成起皺缺陷；初始壓力為44MPa時，管件脹形區域在cd段產生破裂缺陷，這是應為初始壓力過高，脹形區在bc段快速膨脹，cd段補料不足，導致脹形區因過渡減薄直至破裂；初始壓力為34 MPa時，可以獲得合格的目標管件，該管件無明顯缺陷，其最大壁厚為4.51mm，最小壁厚為3.61mm，最大增厚率為12.87%，最大減薄率為9.86%。在此過程中，控制模負載恒為75KN，隨著滑動模具的進給增大，控制模與成型區管坯材料的接觸面積會逐漸減小，控制模對管壁的壓強會越來越大。為平衡控制模對管壁的壓強增大及的影響和材料硬化帶來的影響，c點至d點的仍內壓需要增加。

圖5 不同的加載路徑

圖6 不同加載路徑下的成形結果

4.3 控制模負載對成形質量的影響

為研究控制模負載對該大膨脹率階梯管件成形質量的影響，本節分別選取負載為71KN、75KN、83KN的三種情況進行有限元仿真分析，采用初始壓力為34MPa下的加載路徑。模擬結果如圖7（a）、（b）、（c）所示，控制模負載小于71KN時，脹形區中間部位產生死皺；控制模負載大于83KN時，脹形區與控制模接觸部位的材料產生塌陷和破裂缺陷。控制模負載為75KN左右時，管件成形質量合格，無缺陷產生。這是因為脹形過程中控制模負載過低，管件會首先從脹形區兩端開始脹形，脹形區兩端高于中間部位，導致成形后期形成死皺。適當增加控制模負載的時候，管件成型區起皺缺陷被抑制。但是，當控制模負載過大時，加上成形后期控制模與管坯的接觸面積減小，控制模對管坯脹形區的壓力增大，使得脹形區最高部位出現材料塌陷、破裂等缺陷。故在具有合理加載路徑的情況下，控制模的負載大小，對管件成形的質量的影響也是很重要的。

圖7 控制模不同負載的成形結果

5 結論

本文設計了交叉式滑動模具，并內高壓成形進行了有限元仿真分析。著重分析了控制模負載、加載路徑等因素對管坯材料流動、壁厚分布及整體成形效果的影響規律，并得出以下結論。

（1）傳統的內高壓脹形主要是依靠軸向進給和內壓力成形，僅僅依靠軸向進給和內壓力使得大脹形比管件的成形能力具有局限性。在內高壓成形過程加入滑動模具可以減小摩擦力對管坯材料流動的影響，可以直接推動管坯材料向脹形區中間流動，提高膨脹率管件的成形能力。

（2）交叉式滑動模具避免了滑動模具與控制模在運動過程中的干涉問題，可以使用較長的控制模對整個脹形區材料進行約束，有效避免脹形區過長所導致的管坯屈曲、起皺及懸空部分漏料脹裂失效的問題。

（3）在具有合理加載路徑的情況下，交叉式滑動模具的控制模負載對管件成形也是至關重要的，當控制模負載過小時，管件成型區兩端高度會高于成型區中間部位，會形成死皺缺陷；控制模負載過大時，管件成型區起皺缺陷被抑制，但是由于控制模對管壁的負載壓強過大，脹形區最高部位出現材料塌陷、破裂等缺陷。

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Simulation analysis of internal high pressure forming on the steppedtube with largeexpansion rate based on intersectional movable dies*

Peng Yongdong, Li Jian, Miao Mingda, Xu Yuanhong

( Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology, GuangxiUniversity of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006 )

The intersecting sliding die was designed according to the technological requirements of a stepped pipe with large expansion rate, and the numerical simulation analysis of internal high pressure forming was carried out by means of finite element software DYNAFORM.The influence of sliding die and its structure on the formability of stepped pipe fittings with large expansion rate is revealed. control module of the intersecting sliding die can restrain the material flow in the tube bulging area and improve the forming stability; If the load of the control mold is too large, the billet material will collapse, and if the load is too small, the material at both ends of the bulging area cannot be restrained to swell first, resulting in dead wrinkles in the bulging area; The closer the front end of the sliding die is to the central position of the bulging area, the more favorable it is for the billet to flow to the maximum bulging area.

nternal high pressure forming;large expansion ratio of stepped pipe fitting;intersecting sliding die;numerical simulation

TG394

A

1671-7988(2019)08-118-04

TG394

A

1671-7988(2019)08-118-04

彭永東，就讀于廣西科技大學。

基金項目：廣西自然科學基金項目（2016GXNSFAA380211），柳州市科學研究與技術開發計劃課題（2016C050203），廣西科技大學研究生教育創新計劃項目（GKYC201809）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.038