液壓脹形環(huán)境下多通管成形性能的研究

張文袖 ,劉建偉, ,趙鑫牛 ,田豐碩 ,呂汝金

(1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電綜合工程訓(xùn)練國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,廣西 桂林 541004)

結(jié)構(gòu)輕量化是汽車、航空航天等制造領(lǐng)域節(jié)約能源和減少環(huán)境污染的重要手段之一,多通管液壓成形技術(shù)是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的先進(jìn)制造技術(shù),其以管材為毛坯,在內(nèi)部液壓力和軸向推力共同作用下,使管材成形為所需要的形狀,可大幅提高成形件的質(zhì)量,因此,液壓脹形技術(shù)被廣泛應(yīng)用于形狀復(fù)雜的管件脹形加工中[1-3]。

管材液壓脹形包括徑壓脹形、脈動(dòng)液壓脹形和沖擊液壓脹形等多種方式[4],多通管成形過(guò)程中成形性能的研究為管材成形過(guò)程中力學(xué)行為分析及成形質(zhì)量的提高奠定了良好基礎(chǔ)。鑒于此,著重介紹了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于成形性能的研究進(jìn)展,分析液壓成形工藝對(duì)多通管成形性能的影響規(guī)律,以期為多通管液壓脹形的研究和應(yīng)用提供有益參考。

1 成形性能的評(píng)價(jià)參數(shù)

液壓脹形環(huán)境下多通管成形最主要的評(píng)價(jià)參數(shù)是支管高度、壁厚分布規(guī)律等。

1.1 支管高度

支管高度是表征管件成形性能的主要參數(shù),在脹形過(guò)程中,支管高度越高,減薄率越高,破裂失效越大,因此,延緩管件的過(guò)度減薄是提高支管高度的重要前提。章凱等[5]以并列雙支管為研究對(duì)象,分析不同加載速度和不同內(nèi)壓加載方式對(duì)管材支管高度和補(bǔ)料情況的影響,得出不同加載路徑對(duì)支管高度影響較大和以外側(cè)主管補(bǔ)料為主、內(nèi)側(cè)主管補(bǔ)料較小的補(bǔ)料規(guī)律。Nishant等[6]通過(guò)分析不同加載路徑條件下內(nèi)壓力和軸向進(jìn)給對(duì)三通管支管高度和壁厚分布的影響表明,隨著內(nèi)壓的增大,支管頂部減薄率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。何建春等[7]運(yùn)用顯示算法模擬分析軸向位移量對(duì)成形支管高度壁厚的影響,結(jié)果如圖1所示,可看出位移變量對(duì)成形支管高度影響較大,成形支管高度和最大壁厚隨位移變量呈線性增長(zhǎng)。吳磊等[8]以三通管為例分析了支管直徑大小對(duì)T型三通管的在充液成形過(guò)程中的影響,結(jié)果表明,支管直徑越小,壁厚分布越不均勻,充液成形的難度越大,且起皺和破裂的風(fēng)險(xiǎn)增大。Chen等[9]利用理論分析和實(shí)驗(yàn)得出,采用多級(jí)沖頭可有效提高支管高度,進(jìn)一步減少成形過(guò)程中的缺陷,提高零件精度。Yuan等[10]提出一種新型差速潤(rùn)滑方法,與傳統(tǒng)的潤(rùn)滑方法相比,差速潤(rùn)滑可有效避免主管后區(qū)起皺,提高支管高度,減弱支管的增厚。

圖1 位移量對(duì)支管成形的影響

1.2 壁厚均勻性

在液壓成形過(guò)程中,壁厚均勻性是衡量管坯脹形質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn),合理的內(nèi)壓供給與軸向補(bǔ)料可提高成形質(zhì)量和成形效率,但不匹配的加載路徑會(huì)導(dǎo)致管坯脹形壁厚分布不均、起皺和折疊等缺陷。唐巧生等[11]用成形時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變的變化解釋了形成厚度分布趨勢(shì)的原因,詳細(xì)分析了最大變形區(qū)的壁厚變化與其他變形區(qū)的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變相對(duì)數(shù)值關(guān)系。包文兵等[12]和程?hào)|明等[13]在多通管液壓成形過(guò)程中探討了管材整體液壓成形在不同階段的管材壁厚分布規(guī)律和管材關(guān)鍵部位壁厚的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)成形管材左側(cè)過(guò)度圓角處壁厚最大,支管頂部最薄,易發(fā)生破裂起皺。壁厚隨內(nèi)壓的變化規(guī)律如圖2所示,隨著內(nèi)壓的增大,零件壁厚減薄率增大。Mehdi等[14]在液壓成形過(guò)程中引入超聲振動(dòng),通過(guò)獲得較低的圓角半徑來(lái)改善壁厚分布,提高管材液壓的管材成形性。Jin等[15]通過(guò)對(duì)空心曲軸管內(nèi)液壓成形過(guò)程進(jìn)行模擬,運(yùn)用修正模擬對(duì)管材的成形性進(jìn)行預(yù)測(cè),更準(zhǔn)確地優(yōu)化了內(nèi)壓、進(jìn)給量和摩擦系數(shù)等工藝參數(shù),得到了厚度更加均勻的空心曲軸。Peng等[16]通過(guò)采用多段式?jīng)_頭減少摩擦力來(lái)達(dá)到提高材料流動(dòng)性的目的,從而改善管材壁厚均勻性。劉琴等[17]為研究初始管材壁厚不均勻?qū)σ簤好浶魏蠊懿闹芟虮诤穹植嫉挠绊?建立了2種壁厚偏差模型,研究結(jié)果表明,橢圓模型的形狀偏差和壁厚偏差比偏心距模型更小。

圖2 壁厚隨內(nèi)壓的變化規(guī)律

2 成形工藝參數(shù)對(duì)成形性能的影響

內(nèi)壓力、軸向進(jìn)給、背壓和摩擦是影響多通管液壓脹形性能的主要工藝參數(shù)[18]。確定合理的成形工藝參數(shù)對(duì)提高多通管成形質(zhì)量具有重要意義,因此,結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多通管液壓脹形的研究成果,對(duì)成形工藝參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行分析總結(jié)。

2.1 內(nèi)壓力

內(nèi)壓的合理選取是液壓成形過(guò)程中管材成形的關(guān)鍵,內(nèi)壓過(guò)大會(huì)使管壁過(guò)度減薄而發(fā)生破裂,而內(nèi)壓過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致起皺等缺陷[19]。王忠堂等[20]研究了內(nèi)壓和軸向進(jìn)給速度對(duì)壁厚均勻性的影響,并設(shè)計(jì)出多段式?jīng)_頭以改變導(dǎo)向區(qū)內(nèi)壓。陳名濤等[21]采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究?jī)?nèi)壓力和加載路徑對(duì)支管高度和壁厚分布規(guī)律的影響,其支管高度隨內(nèi)壓變化曲線如圖3所示,可看出,隨著內(nèi)壓增加,支管高度呈增大趨勢(shì),且當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到64 MPa時(shí),支管頂部產(chǎn)生破裂。Lin等[22]利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究不同內(nèi)部壓力隨位移變化的折線加載路徑對(duì)成形的影響規(guī)律。Nader[23]根據(jù)行程控制的液壓成形提出了預(yù)測(cè)成形壓力的數(shù)學(xué)公式,并得出了成形T形管需要的軸向補(bǔ)料量與壓力之間的關(guān)系。

圖3 支管高度隨內(nèi)壓的變化曲線

2.2 軸向進(jìn)給

軸向進(jìn)給是多通管液壓脹形的重要參數(shù)。軸向進(jìn)給的速度直接影響管材的成形質(zhì)量,當(dāng)軸向進(jìn)給速度過(guò)快時(shí),易形成死皺;當(dāng)軸向進(jìn)給過(guò)慢時(shí),支管頂部易破裂。因此,確定合理的軸向進(jìn)給速度可有效避免破裂、起皺等缺陷。滕步剛等[24]研究了補(bǔ)料比對(duì)Y型三通管壁厚的影響規(guī)律及成形中產(chǎn)生的缺陷,利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬設(shè)計(jì)不同補(bǔ)料比并進(jìn)行分析,得出左右補(bǔ)料比為2.5∶1～3.5∶1時(shí)為最佳補(bǔ)料比范圍的結(jié)論。佘雨來(lái)等[25]對(duì)管材液壓沖擊成形的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析表明,不同的成形速度對(duì)管材成形性能影響明顯,成形速度的快慢影響其填充性和壁厚均勻性。彭俊陽(yáng)等[26]通過(guò)分析補(bǔ)料比對(duì)應(yīng)力狀態(tài)分區(qū)和典型點(diǎn)應(yīng)力軌跡的影響,建立了加載路徑的成形窗口,并發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整補(bǔ)料比來(lái)改變應(yīng)力狀態(tài),是避免起皺的有效方法。

通過(guò)對(duì)不同加載路徑下管材的成形過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,可獲得良好的管材成形質(zhì)量。Huang等[27]采用響應(yīng)面法研究了加載路徑對(duì)T型管液壓成形性能的影響及相互作用,為優(yōu)化加載路徑提供了理論依據(jù)。Feng等[28]對(duì)T型管在不同加載路徑下的成形性能進(jìn)行仿真,采用響應(yīng)面法研究加載路徑對(duì)管材成形性能的影響,為加載路徑提供理論指導(dǎo)。Jang等[29]為探究軸向進(jìn)給和內(nèi)壓對(duì)管材液壓成形質(zhì)量的影響,采用非線性動(dòng)力響應(yīng)分析的方法對(duì)管材液壓成形過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,從而確定了最優(yōu)的成形工藝參數(shù)。王鑫等[30]建立了Y型管彈塑性模型,并利用該模型研究了補(bǔ)料比對(duì)支管高度的影響,如圖4所示。從圖4可看出,隨著補(bǔ)料比的不斷增加,支管高度也隨之增加。因此,增加補(bǔ)料比可改善支管的部分壁厚減薄,但補(bǔ)料比過(guò)大會(huì)使支管頂部減薄嚴(yán)重,發(fā)生破裂。

圖4 補(bǔ)料比對(duì)支管高度的影響

2.3 背壓

在多通管液壓脹形工藝中,背壓的作用是抵消內(nèi)壓的影響,改變支管頂部的雙向拉應(yīng)力,進(jìn)而延遲支管頂部壁厚的減薄,使危險(xiǎn)變形區(qū)從支管端部分離出來(lái),進(jìn)而轉(zhuǎn)移到支管端部圓角部位,最終在良好的壓應(yīng)力狀態(tài)下形成管件[31]。童江槐等[32]為探究背壓對(duì)并列雙支管液壓成形性能的影響,對(duì)比分析了背壓對(duì)管材支管高度和壁厚的影響,結(jié)果表明,在脹形過(guò)程中要選擇合適的背壓,背壓過(guò)小會(huì)導(dǎo)致管材破裂,過(guò)大則會(huì)抑制支管高度的增加。余心宏等[33]對(duì)三通管脹形工藝的加載路徑進(jìn)行了研究,根據(jù)成形過(guò)程中的內(nèi)壓和背壓的變化情況,對(duì)5種不同加載路徑下管件的支管高度、壁厚分布規(guī)律等進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)提升初始?jí)毫Φ纳仙俣群筒捎脺蠛蜏p緩背壓的加載路徑更有利于獲得成形性能較好的管件。Chu等[34]利用有限元仿真軟件對(duì)管材成形過(guò)程進(jìn)行仿真,研究了不同加載路徑下內(nèi)壓、軸向進(jìn)給、背壓等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)T型管液壓成形的影響,結(jié)果表明,較大的內(nèi)壓和較小的背壓均會(huì)導(dǎo)致支管頂部變薄或斷裂。另外,通過(guò)對(duì)管材成形過(guò)程中背壓進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬,確定了最佳工藝參數(shù)。Zhang等[35]基于遺傳算法的全局優(yōu)化能力和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較好的非線性映射能力,建立了預(yù)測(cè)和優(yōu)化模型,針對(duì)三通管液壓成形過(guò)程中背壓、內(nèi)壓等關(guān)鍵參數(shù)的非線性關(guān)系,利用仿真軟件對(duì)液壓成形工藝參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化,得到了形狀良好的T 型管。Feng等[36]以三因子圖的形式表示X 形管成形過(guò)程中加載路徑的主要影響因素,反映了軸向進(jìn)給、內(nèi)壓及背壓之間的關(guān)系,并采用遺傳算法對(duì)加載路徑進(jìn)行優(yōu)化。翟江波等[37]采用斜坡式加載方式分析了背壓對(duì)脹形高度的影響,分別選用12種不同的背壓研究對(duì)支管高度的影響,如圖5所示。由圖5可知,支管高度隨背壓的增大呈先升后降的變化趨勢(shì),在背壓為5 MPa時(shí),支管高度達(dá)到最大。

圖5 背壓對(duì)支管高度的影響

2.4 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)是影響其壁厚分布及支管高度的重要因素之一,隨著摩擦系數(shù)的增大,零件的減薄率不斷增加[38]。為研究摩擦系數(shù)對(duì)管材液壓脹形的影響,王玲等[39]通過(guò)摩擦系數(shù)的變化對(duì)壁厚影響的研究表明,摩擦系數(shù)為0.075時(shí),多通管的成形效果最佳,并獲得了摩擦系數(shù)對(duì)壁厚的影響規(guī)律,如圖6所示。由圖6可知,隨著摩擦系數(shù)的增大,零件的減薄率不斷增加,當(dāng)摩擦系數(shù)為0.075 時(shí),零件的增厚率為23.4%。戴龍飛等[40]用6種不同摩擦系數(shù)分析了支管高度和壁厚的變化情況,從而確定出最佳的摩擦系數(shù)為0.060～0.125。王文遠(yuǎn)等[41]為了研究不同工具摩擦力對(duì)零件成形的影響,以有限元模擬為工具設(shè)置不同的摩擦系數(shù),得出凹模摩擦系數(shù)為0.3、壓進(jìn)塊摩擦系數(shù)為0.1時(shí)零件的成形質(zhì)量最佳的結(jié)論。

圖6 摩擦系數(shù)對(duì)壁厚的影響

在管材成形過(guò)程中,摩擦系數(shù)越小,材料的成形性能越好。Teng等[42]采用脈動(dòng)液壓脹形對(duì)管材成形進(jìn)行研究,結(jié)果表明,脈動(dòng)液壓脹形可減少摩擦力,有利于材料流動(dòng),從而提高成形質(zhì)量。Fiorentino等[43]基于板材液壓脹形技術(shù),在不對(duì)稱摩擦條件下,對(duì)三通管鼓包高度進(jìn)行分析,結(jié)果表明,潤(rùn)滑可改善材料的膨脹,促進(jìn)金屬流動(dòng)。因此,摩擦系數(shù)對(duì)板料成形質(zhì)量也有較大影響。侯明軍等[44]運(yùn)用理論分析和有限元模擬相結(jié)合的方法分析了管材液壓脹形高度的影響因素,通過(guò)4種不同摩擦系數(shù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),隨著摩擦系數(shù)的增大,材料的極限脹形高度降低,成形性能也隨之變差。

3 結(jié)束語(yǔ)

多通管液壓脹形技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,在成形機(jī)理、模具設(shè)備及微觀組織等方面的研究也取得了較大進(jìn)展。結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在多通管液壓脹形工藝參數(shù)方面的研究進(jìn)展,本文全面分析總結(jié)了參數(shù)對(duì)成形性能的影響規(guī)律及優(yōu)化方法,可為推動(dòng)液壓脹形技術(shù)的發(fā)展提供理論指導(dǎo)。下一步,將建立更加準(zhǔn)確的多通管液壓脹形模型,探尋多通管液壓脹形過(guò)程中成形規(guī)律和力學(xué)行為,以期獲得更優(yōu)的成形工藝參數(shù),為提高多通管成形性能提供有益探索。