简介概要

防锈铝变径管内高压成形过程数值模拟

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z2期

论文作者：郎利辉苑世剑王仲仁王小松付庄

文章页码：211 - 216

关键词：液力成形；内高压成形；数值模拟

Key words：hydroforming； internal high pressure forming； numerical simulation

摘要：内高压成形技术具有诸多的优点如零件具有重量轻、刚度好、零件数量少、可减少后续机械加工和组装焊接量及成本低等 ,广泛应用于宇航、汽车等工业。采用数值模拟技术对防锈铝内高压成形过程中材料的合理流动趋势及其对最终成形结果的影响进行了分析 ,并与实验结果进行了比较。结果表明低塑性材料—防锈铝成形过程中皱纹的形成及形状是关键 ,影响到成形的结果 ,应采用合理的工艺参数来控制皱纹的形成。

Abstract: The internal high pressure forming (IHF) technology that can be applied in the fields of aerospace and automobile etc has many advantages such as lightweight of parts, high rigidity, less components needed, amount of succeeding machining and welding assembling are reduced greatly, and low cost etc. By means of numerical simulation, the proper flow trend of material and the effect of material flow on the finished workpieces during IHF are analyzed. Some comparison between simulation and experiment are studied. It is shows that it is very important to control formation and shape of wrinkling by means of applying the optimized process parameters during IHF of low plasticity material.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.048

防锈铝变径管内高压成形过程数值模拟

郎利辉苑世剑王仲仁王小松付庄

哈尔滨工业大学博士后流动站

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院

上海交通大学博士后流动站哈尔滨150001

上海210001

摘要：

内高压成形技术具有诸多的优点如零件具有重量轻、刚度好、零件数量少、可减少后续机械加工和组装焊接量及成本低等 , 广泛应用于宇航、汽车等工业。采用数值模拟技术对防锈铝内高压成形过程中材料的合理流动趋势及其对最终成形结果的影响进行了分析 , 并与实验结果进行了比较。结果表明低塑性材料—防锈铝成形过程中皱纹的形成及形状是关键 , 影响到成形的结果 , 应采用合理的工艺参数来控制皱纹的形成。

关键词：

液力成形;内高压成形;数值模拟;

中图分类号： TG394

收稿日期：2001-05-08

基金：国家自然科学基金资助项目 (5 9975 0 2 1);教育部留学回国启动基金资助项目;

Numerical simulation of internal high-pressure forming of antirust aluminum tubular component

Abstract：

The internal high pressure forming (IHF) technology that can be applied in the fields of aerospace and automobile etc has many advantages such as lightweight of parts, high rigidity, less components needed, amount of succeeding machining and welding assembling are reduced greatly, and low cost etc. By means of numerical simulation, the proper flow trend of material and the effect of material flow on the finished workpieces during IHF are analyzed. Some comparison between simulation and experiment are studied. It is shows that it is very important to control formation and shape of wrinkling by means of applying the optimized process parameters during IHF of low plasticity material. [

Keyword：

hydroforming; internal high pressure forming; numerical simulation;

Received： 2001-05-08

在塑性加工中利用液体作为成形介质的方法在国外得到了广泛的研究和应用 ^[1,2] 。内高压成形技术 (Internal high-pressure forming) 是一种用液体压力使管坯成形为空心构件的塑性加工技术。近年来, 德国、美国及日本已将该成形技术用于结构零件的制造, 其成形压力一般为400 MPa, 有时超过1 000 MPa ^[3,4,5] 。目前, 已用于汽车、宇航等机器制造领域的实际生产。

内高压成形影响因素多, 成形过程复杂, 不易确定最优控制参数, 并且成形过程是在模具内部进行, 工艺实验中不易对零件的成形过程进行实时研究。近年来, 数值模拟技术的发展为解决此类问题提供了一个有效的方法。数值模拟能准确地反映内高压成形过程, 预报成形缺陷, 显示工件贴模与成形情况, 给出壁厚分布。通过数值模拟可以方便地调整各个控制参数的匹配关系, 研究其对成形缺陷和壁厚分布的影响, 以获得最佳的加载曲线 ^[6,7,8,9] , 在此基础上, 再进行实验验证与调整。因此内高压成形的数值模拟受到各国研究者和工业界的重视。

防锈铝变径管接头是航空领域常用的一种关键零件, 用来输送压力油、空调冷却液等, 故对最终成形零件的壁厚分布和几何尺寸要求非常严格, 而用热扩口的方法达不到此项要求。内高压成形技术一个突出的优点是成形件壁厚分布均匀、减薄量少、管径胀形量大, 故可采用内高压成形技术来成形此种零件。本文作者利用数值模拟方法研究了低塑性材料—防锈铝变径管接头内高压成形过程, 论述材料在内高压成形过程中的流动规律。

1 内高压成形工艺原理

内高压成形基本工艺过程是通过内部加压和轴向凸模加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形, 见图1。有时需要把管坯预弯成接近零件形状, 然后加压成形。

图1 内高压成形工艺原理

Fig.1 Internal high-pressure forming process

2 参数设定及物理模型离散化

2.1 零件及模具几何尺寸

零件形状如图2所示, 管径从65 mm变化到88 mm, 直径膨胀量为33.4%。内高压成形采用d65的原始管坯, 壁厚为1.5 mm。

2.2 数值模拟分析模型

利用动态显式有限元分析软件包LS-DYNA3D来模拟内高压成形过程, 该软件为世界著名的模拟板料成形方面的软件 ^[10,11] 。分析模型的网格划分如图3所示, 管坯划分为Belytschko-Tsay壳单元, 模具则划分为刚性壳元。管坯材料模型为Hill各向同性弹塑性模型, 符合Mises屈服准则, 采用双线性硬化特性。摩擦采用Coulomb公式。模型共有4 868个节点和4 680个单元, 计算时间约为12 h, 表1为模拟所采用的材料性能参数和相应的工艺参数。

图2 零件几何尺寸

Fig.2 Dimension of formed part

图3 数值模拟分析模型

Fig.3 Model of numerical simulation

表1 材料和工艺参数表

Table 1 Material and process parameters

Title	Parameter
Material	LF2M
Yield strength σ_s/MPa	80.0
Strength factor C/MPa	160.0
Hardenability value n	2.5
Hardening modulus E_t/MPa	600
Poison ratio ν	0.31
Density/ (g·cm^-2)	2.7
Thickness of initial tube/mm	1.5
Diameter of initial tube/mm	d65
Length of initial tube/mm	250
Friction coefficient	0.125
Velocity of punch/ (mm·s^-1)	0.5

2.3 加载方式

内高压成形零件过程中, 失效形式可以有很多种, 主要有屈曲、死皱、折叠、破裂 ^[2] 和内壁起皱等。所涉及的零件由于长径比较小, 其主要失效形式为死皱和破裂, 以下针对此两项来研究管坯成形过程中的材料流动过程对成形过程影响的控制策略, 以及管坯成形过程中管厚的分布。

在影响零件内高压成形的工艺参数中, 最主要的是内压和凸模的位移进给, 作者主要对此两个参数对零件成形的影响进行分析。如图2所示零件既需要有均匀的壁厚, 并且还有较大的膨胀量。管坯材料的塑性也比较差, 故成形较困难, 需要有最佳的工艺参数如内压和位移之间的匹配。一般, 内压随凸模位移的变化可以分为两种: 第一种是当凸模位移变化时, 内压保持不变, 最后用高内压进行整形, 可以称之为双线性变化控制, 如图4所示; 第二种是当位移变化时, 内压也呈现出一定的升高变化趋势, 可以称为单线性变化控制, 如图5所示。对于第二种情况, 参数变化复杂, 不易找到最佳工艺参数, 并且针对一定形状、材料的管坯, 在其未贴模之前, 其极限成形压力是一定的, 如果过大, 就会造成成形破裂。故仅对第一种情况进行研究, 工艺参数设置为凸模位移10.0到15.0 mm, 内压为0到10.0 MPa, 图6为模拟时内压加载和凸模运动曲线示意图, 根据具体情况进行组合, 从而研究材料在不同工艺状况下的流动情况。

图4 双线性加载路径

Fig.4 Bi-linear loading path

图5 线性加载路径

Fig.5 Linear loading path

图6 内高压成形初始阶段管坯材料的流动变形

Fig.6 Deformed configuration of tube in initial stage during IHF

(a) —Internal pressure 0.0 MPa, punch stroke 7.99 mm; (b) —Internal pressure 1.0 MPa, punch stroke 7.99 mm; (c) —Internal pressure 3.0 MPa, punch stroke 7.99 mm; (d) —Internal pressure 5.0 MPa, punch stroke 7.99 mm; (e) —Internal pressure 5.5 MPa, punch stroke 8.11 mm

3 控制参数的变化对材料流动的影响

对于不同内压下, 在成形初始阶段, 管坯的变形情况如图6所示。可以看出, 在内压为零的情况下, 管坯产生了塑性失稳的现象, 材料的流动变形主要集中在管坯的中部, 其截面形状像一个菱形, 而非一个环皱, 此时即使再施加内压, 材料也可能由于局部变形而破坏。在内压为1.0 MPa时, 并未出现菱形失稳, 而在管坯的两端、靠近模具约束处的板料首先产生失稳, 出现起皱现象, 并且起皱的曲率较小, 如果继续变形, 很有可能出现死皱的现象。在内压为3.0 MPa时, 在管坯自由胀形区出现6个皱。而内压为5.0 MPa时, 在管坯自由胀形区出现4个皱, 内压为5.5 MPa时, 在管坯自由胀形区出现3个皱。可以看出, 随着内压的增大, 在管坯自由胀形区出现的皱数量越少, 每个皱的曲率也越大。在各种情况下, 每个皱的峰处都贴靠模具, 也是管壁减薄量最大处, 此处在以后的胀形过程中, 沿径向不会再发生变形。

在整形阶段作用前, 凸模停止运动, 将要加大内压进行胀形整形前, 管坯形成皱的形态如图7所示。当内压为1.0 MPa、凸模行程达到12.99 mm时, 管坯变形区一侧已经形成了折叠, 即使后续加大内压力, 也不可能将此皱胀开。图7 (b) 的情况与图7 (a) 类似, 由于内压较大, 所以一部分皱已经靠模, 这两种情况的工艺参数设置不合理, 不能够成形合格的零件。图7 (c) 中还进一步保持原来的四个皱, 只是皱的曲率减小。图7 (d) 中, 随着凸模位移的增加, 在大皱中间又形成了一个小皱, 每个皱的曲率变小。是否能够成形合格的零件, 主要看最后的胀形整形过程。

图7 内高压成形整形前管坯材料的流动变形

Fig.7 Deformed configuration of tube before calibration during IHF

(a) —Internal pressure 1.0 MPa, punch stroke 12.99 mm; (b) —Internal pressure 3.0 MPa, punch stroke 14.67 mm; (c) —Internal pressure 5.0 MPa, punch stroke 14.99 mm; (d) —Internal pressure 5.5 MPa, punch stroke 14.99 mm

图8所示为图7 (c) 和 (d) 的最终成形零件, 可以看出, 图8 (b) 的成形状况比较好, 且厚度分布均匀, 故可以得出, 内压应接近管坯破裂压力时轴向进给, 可以获得较为理想的形状。图9所示为图7 (c) 中中间皱顶端一个节点沿轴线方向位移轨迹, 从中可以看出, 其位移并不是总是增长, 当凸模停止后, 其位移有一个较大的下降, 说明当整形成型时, 中间材料流动较容易, 并首先贴模, 同时推动中间皱向两端移动, 故最后在80.0 MPa的压力下也未圆满成形零件。

图8 最终成形零件

Fig.8 Finished parts in simulation

(a) —Finished part for Fig.7 (c) , internal pressure 80 MPa; (b) —Finished part for Fig.7 (d) , internal pressure 80 MPa

图9 节点轴向随时间位移曲线

Fig.9 Displacement curve vs time along axial direction in a node

4 材料流动对管坯厚度变化的影响

由于内高压成形过程中, 内压与凸模位移之间关系并不是简单的线性关系, 局部材料要经过起皱弯曲, 然后高压整形反弯曲, 变形剧烈, 管壁厚度变化无规律。通过研究内高压成形过程中管材壁厚变化的趋势, 可以预测管材最终的成形形状, 较方便地寻找最优化的成形工艺控制参数。

图10为在内压5.5 MPa、最大轴向进给15.0 mm、整形压力为80 MPa情况下, 管壁厚度变化分布图。在管坯材料未贴模时, 板料变形时壁厚将减薄, 此时是管坯容易破裂的阶段, 当管坯壁贴模后, 贴模部分壁厚在后来的变形中就会保持不变, 而在整形阶段, 管壁厚度会有不同程度的增厚。由此可以看出, 内高压成形过程中, 前阶段的主要失效形式是破裂, 而后阶段的主要失效形式为死皱现象。故在成形前一阶段, 应在小轴向进给的情况下, 尽量让管坯靠模, 防止管坯破裂; 在后一阶段应尽量减小凸模轴向进给量。

图10 内高压成形过程中管坯壁厚的变化

Fig.10 Variation of tube wall thickness during IHF

(a) —Punch stroke 3.12 mm; (b) —Punch stroke 8.11 mm; (c) —Punch stroke 15.0 mm

5 工艺实验

在数值模拟结果的基础上, 进行了实验研究。材料的性能参数如表1所示, 润滑采用机械油润滑, 胀形介质为20号机械油, 采用自行研制的内高压成形设备 ^[12] , 其它条件如文献 [ 12] 所示。图11 (a) 所示为模拟所得到的一种零件, 图11 (b) 所示为根据模拟所得到的最佳工艺参数来实际成形的一种零件。图12为成形件壁厚沿母线分布趋势比较图, 两者的趋势是一致的, 并且在同样的部位都有壁厚增厚的趋势, 且模拟的结果更为明显, 如图12中的A和B点。从以上分析可以看出, 模拟结果和实验结果是比较接近的, 也说明了模拟手段可以很好地应用在管材内高压成形中, 可以很好地反映出材料变化、流动的趋势, 为实验研究打下基础, 以减少实验量, 缩短实验周期, 提高实验质量。