汽車異徑三通管成形數值分析及試驗研究

朱若嶺，宋丹丹，崔源

(河南交通職業技術學院汽車學院，河南鄭州 450000)

0 引言

三通管通常作為連接結構零件或者流體(氣、液體)的輸送管路構件，廣泛應用在汽車工業、航空航天、家電、化工等行業。采用焊接、鑄造等工藝生產此類零件，材料利用率、生產效率以及產品質量低，生產成本高，很難滿足工業生產的需要。而利用固體或液體作為介質的脹形成形，具有內、外表面光滑美觀，加工工序少，管件的力學性能、質量可靠，是目前最常見的現代生產工藝之一。

三通管的曲面結構、復雜形狀，決定了在脹形過程中的變形復雜，變形規律難以掌握，易產生缺陷，如起皺和破裂等，如圖1所示。近年來，日、德、美及中國等都對管材脹形做了大量研究。20世紀40年代，Grey等首次利用液壓成形技術制造出了三通管。Dohmann等最早開始全面系統地研究現代管材充液成形技術;Kim等通過有限元方法對管材充液成形過程的破裂缺陷進行預測;王同海等用聚氨酯橡膠作為脹形介質進行了三通管脹形實驗,孫愛學等對紫銅三通管進行了脹形試驗，這些研究的開展有利于三通管脹形理論的發展和生產應用。

圖1 三通管成形缺陷

1 三通管脹形原理

1.1 三通管的脹形原理簡介

將管坯放入模具，閉合模具通過右凸模向管坯內充滿介質，并用左右凸模進行密封。然后左、右凸模對介質施加一定的壓力，使管坯在內壓力作用下發生塑性變形。此時，平衡凸模在初始階段未與支管接觸，保持不動;隨著管材塑性變形的進行，支管與平衡凸模開始接觸，平衡凸模對脹形部分施加一定的反力，平衡凸模隨著支管的增高而后退，直至零件成形。三通管脹形基本原理如圖2所示。

圖2 三通管脹形基本原理

1.2 異徑三通管簡介

文中研究的對象是異徑三通管，材質為黃銅合金，其基本尺寸如圖3所示。相比等徑三通管，異徑三通管成形更是一個復雜的彈性變形過程，涉及幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性等一系列問題，并且成形的影響因素多，不易確定最優工藝參數。

圖3 異徑三通管基本尺寸

文中采用數值模擬軟件ABAQUS對該異徑三通管的成形進行了工藝分析，直觀地分析了其成形過程，有效預防了成形缺陷的產生。同時研究了關鍵工藝參數對成形的影響，得到了合理的工藝參數范圍，并進行了試驗驗證。相比試錯法，通過數值模擬和試驗驗證的有機結合，可大量縮短產品的開發周期，節省研發費用，能夠以低成本得到高品質的產品。

2 異徑三通管脹形過程仿真與分析

2.1 異徑三通管脹形仿真模型建立

考慮到異徑三通管結構的對稱性，選取1/2模型作為研究對象。管坯材料選用H62黃銅合金為彈塑性體，模具設置為剛性體(忽略模具變形);脹形介質選用聚氨酯橡膠類為超彈性材料;模型中各部件的接觸類型均為面與面接觸，并假設管坯端面與軸向沖頭接觸表面、管材外表面與模腔接觸表面均滿足庫侖摩擦條件，摩擦因數設為0.15，聚氨酯橡膠與管材內表面之間的摩擦因數為0.25。異徑三通管的有限元分析簡化模型如圖4所示。

圖4 異徑三通管的有限元分析簡化模型

2.2 模擬結果與分析

通過數值模擬，可以直觀異徑三通管脹形的基本成形過程，主要分為4個階段：初始階段、自由脹形階段、軸向壓縮階段和復合脹形階段，如圖5所示。隨著左右凸模對橡膠介質施壓，管坯金屬在內壓力作用下開始發生塑性變形，流向阻力小的凹模型腔，此為自由脹形階段，如圖5(b)所示;當左右凸模臺肩與管坯端面接觸，而支管頂部尚未與平衡沖頭接觸，此時，管坯開始受到軸向壓力的作用，如圖5(c)所示，為軸向壓縮變形階段;當支管與平衡凸模開始接觸時，左右凸模繼續進給，平衡凸模開始后退，后退中平衡沖頭與支管頂部始終接觸，此階段是三通管復合脹形階段，如圖 5(d)所示。此時，管坯受到3個作用力，即內壓力、軸向擠壓力和平衡壓力，在這3種壓力作用下，支管頂端漸漸形成平面，其高度也隨著凸模的推進而不斷增長，直至成形過程結束。

圖5 異徑三通管成形結果

2.3 影響成形因素分析優化

異徑三通管的脹形是個復雜的過程，影響因素多，為進一步掌握異徑三通管的脹形規律，分別對影響其成形的主要因素：過渡圓角半徑、摩擦因數、軸向進給加載路徑等進行研究分析。

2.3.1 上模具過渡圓角半徑對成形的影響

上模具過渡圓角半徑的大小影響著支管的形成和過渡區金屬的流動。圖6為設計圓角半徑為5 mm的模擬分析結果。為掌握圓角對脹形的影響規律，分別選取為5、5.5、6、6.5、7、8 mm(其中為5 mm是設計初始圓角半徑)。

我一副痛心疾首的樣子，希望讓白麗筠看了心里難過。可是白麗筠一副超然物外的表情，連一個顧睨也不給我，全不把我的痛哭放在眼里，更不會放在心上。白麗筠越是這樣，越是讓我對她重生愛慕之心。我痛感到，她正在離我遠去，目前的形勢并不是我要不要她，而是我還能不能抓得住她。

圖6 初始圓角的模擬結果

為分析圓角半徑大小對支管過渡區的厚度影響，沿縱向測量脹形管壁上的點～的厚度。通過計算得到不同半徑下的三通管最大減薄量;同時，可以測量出不同半徑下支管的高度。所得的上模具過渡圓角半徑對減薄率和支管高度的影響規律如圖7所示。

圖7 圓角半徑R對ε和h的影響

由圖7可知，增大過渡區圓角半徑，可使摩擦阻力和彎曲變形抗力減小，管坯金屬更容易流向凹模支管型腔，抑制了壁厚變薄的趨勢;支管的高度也不斷增高，提高了脹形成形極限，但當半徑增加到7 mm，減薄率趨于平衡，支管高度隨著圓角半徑而降低。因此，建議圓角半徑的取值范圍為6～6.5 mm。

2.3.2 摩擦因數對成形的影響

管坯和模具之間的摩擦因數對成形載荷和支管高度有很大的影響。為研究摩擦因數對三通管成形的影響，其他工藝參數保持不變，摩擦因數分別取0.05、0.10、0.15、0.20、0.25，得到結果如圖8所示。

圖8 摩擦因數μ對F和h的影響

由圖8可知，隨著管坯與模具間的摩擦因數增大，兩者之間的摩擦阻力也增大，所需成形載荷就越大，但支管成形高度逐漸減少。當摩擦因數005時，成形載荷最小為116 kN，支管高度最高為256 mm，當摩擦因數大于01時，成形載荷和支管高度的趨勢變化加快。所以，模具型腔表面越光滑，潤滑越好，可有效降低成形載荷，有利于異徑三通管的脹形，但同時也增加了模具加工和生產的難度。結合生產條件和產品要求，建議摩擦因數的取值范圍為01～02，既能降低生產難度，又能獲得滿足產品需求。

2.3.3 軸向進給加載路徑對成形的影響

軸向進給量也是三通管脹形的重要參數，進給量太小，支管高度很小;在支管高度已達到了產品要求的前提下，進給量太大，在變形中會出現失穩現象(起皺和形式多樣的飛邊)。在此設計了3種不同的線性加載路徑，如圖9所示。

圖9 3種不同的線性加載路徑

路徑1、2、3的進給量分別為9、12、16 mm，脹形后得到三通管的支管高度分別為20.3、24.5、21.1 mm。圖10為3種不同路徑的模擬結果，由圖可以得出，隨著軸向進給量的增加，三通管支管高度增高。但在圖10(c)的進給量為16 mm時，支管高度增高趨勢降低，且管端出現飛邊毛刺，這是因為隨著進給量的增加，內壓逐漸增加，管坯與模具間的摩擦阻力也增加，材料流動困難，支管高度增高趨勢下降，同時一部分金屬溢出而形成飛邊毛刺。因此，路徑2是比較理想的加載路徑。

圖10 3種不同路徑的模擬結果

3 試驗驗證

根據以上分析可知，通過優化異徑三通管脹形成形參數，得到了影響異徑三通管成形的合理工藝參數范圍。為了驗證所得結論的合理性，文中采用退火軟化的H62黃銅合金作為管坯，脹形介質采用固體純石蠟，摩擦因數采用0.15，軸向進給量12 mm等工藝參數，在30 t的壓機上對該工藝方案進行了生產試驗驗證研究，如圖11所示。

圖11 生產試驗驗證

由圖11可知，采用優化后的工藝參數得到的脹形具有良好的三通管。由此可見，有限元數值模擬可有效的指導生產，避免缺陷的產生，得到合格的產品。

4 結語

文中采用有限元軟件ABAQUS對異徑三通管的脹形過程進行了模擬分析，分析了其成形的基本過程;討論了異徑三通管脹形的關鍵參數對其的影響規律,得到了合理的參數范圍;采用優化后的工藝參數進行模擬仿真計算和實驗驗證，結果吻合良好。通過此研究，得到如下結論：

(1)利用有限元數值模擬方法，可以直觀地分析異徑三通管的脹形成形過程，可有效預防成形缺陷的產生;

(2)研究了影響異徑三通管脹形成形的關鍵工藝參數，分析了各工藝參數對脹形的影響規律，并針對該異徑三通管，得到了合理的工藝參數范圍：當管內壓力一定的情況下，采用加載進給量為12 mm，上模具過渡圓角半徑在[6，6.5]mm和管坯與模具間的摩擦因數在[0.1，0.2]之間的任意組合，均可滿足產品需求;

(3)通過采用有限元數值模擬得到的異徑三通管的成形工藝參數，在試驗中能有效避免成形缺陷的產生，得到合格的產品，大量縮短產品的開發周期，為新產品的研發提供了理論依據和技術支持。