（材料加工工程专业论文）异形瓶液压胀形数值模拟及实验研究.pdf

摘要 摘要 液压胀形工艺由于其所成形的零件具有减轻重量，节约材料等诸多优 点得到了越来越广泛的应用，在汽车制造业和航空航天等领域，此工艺已 经成为制造复杂形状空心类零件的主要工艺方法。工件的成形过程与很多 因素有关，其中内压力与轴向进给量之间的关系最为重要。找出两者之间 的关系对成形规律的影响是液压胀形工艺研究的重要问题。 本文利用塑性力学的方法对成形过程中变形区的应力应变状态进行了 分析，给出了不同应力状态下对应的壁厚变化情况。在此基础上，利用有 限元模拟软件对其成形过程进行了数值模拟，分析了不同工艺参数对成形 过程的影响，得到了不同条件下材料流动的特点、应力应变分布和壁厚交 化等重要结果，确定了内压力和轴向进给量对成形工艺的影响规律。 本文使用原始直径0 6 6m m ，壁厚1 1m m 的铝制瓶形工件进行了液压 胀形的实验研究。分两步成形了双鼓肚形状的异形瓶，得到了与数值模拟 相近的结果。 本文研究了不同加载路径在液压胀形成形中的作用和影响。对工件在 成形过程中常见的破裂、起皱等失效形式进行了分析。重点分析了起皱现 象，实验结果表明内压力和进给量的大小对皱纹的形状有很大影响。 关键字液压胀形；异形瓶：加载路径；失效；数值模拟 燕山大学工学硕上学位论文 a b s t r a c t h y d r o f o r m i n g h a sb e e nw i d e l yu s e di na u t o m o t i v em a n u f a c t u r i n g i n d u s t r ya n da v i a t i o nf i e l d ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fl i g h tw e i g h ta n dm a t e r i a l s a v i n g i t s t h em a i nt e c h n i q u eo fp r o d u c i n gc o m p l i c a t e dh o l l o w s h a p e d a c c e s s o r y t h ef o r m i n gp r o c e s so fw o r kp i e c e si sc o n n e c t e dt om a n yf a c t o r s ， o fw h i c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t e r n a lp r e s s u r ea n da x i sf e e d i n gi st h e m o s ti m p o r t a n t t h es t r a i na n ds t r e s ss t a t ei nt h es h a p e c h a n g i n gd i s t r i c td u r i n gf o r m i n g p r o c e s s i s a n a l y z e da c c o r d i n g t o p l a s t i c i t yt h e o r y a n dt h e c h a n g i n g i n w a l l t h i c k n e s sf o rv a r i o u ss t r e s ss t a t ew a sg i v e n b a s e do ni t ，t h ef o r m i n g p r o c e s s w a ss i m u l a t e d b y f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m m i n g t h ep r o p e r t yo f m a t e r i a lf l o w i n gu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n s ，t h ed i s t r i b u t i o no fs t r a i na n ds t r e s s a n dt h ec h a n g i n gt h i c k n e s so ft u b ea r er e s e a r c h e d t h ea f f e c t i n gr u l eo f i n t e r n a lp r e s s u r ea n da x i a l f e e d i n gq u a n t i t yf o rf o r m i n gi sc o n f o r m e d t h ea l u m i n u mt u b eu s e di no u re x p e r i m e n ti so fd i a m e t e r6 6m ma n d w a l lt h i c k n e s s1 1m ma tt h eb e g i n n i n g t h ec o m p l i c a t e d s h a p e db o t t l ew i t h d o u b l eb e l l y l i k ew a sf o r m e di nt w os t e p s t h er e s u l t so ft r a i l sa r es i m i l a rt o t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n t h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no ft h ef i n i s h e db o t t l ei s a n a l y z e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n tl o a d i n gp a t hd u d n gt h ec o u r s eo fh y d r o f o r m i n gi s r e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o m m o nf a i l u r ei nf o r m i n gp r o c e s s ，s u c h a sc r a c k i n g ，w r i n k l e ，i ss t u d i e d t h ew r i n k l ep h e n o m e n o ni sm a i n l ya n a l y z e d a n dt h ee f f e c to fi n t e r n a lp r e s s u r ea n df e e d i n gq u a n t i t yt ow r i n k l ei sp r o v e d t h r o u g he x p e r i m e n t a lw o r k k e y w o r d sh y d r o f o r m i n g ；c o m p l i c a t e d s h a p eb o t t l e ；l o a d i n gp a t h ；t u b e ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文异形瓶液压胀形数值模 拟及实验研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人 和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签字逞箩碉 日期卿年了月， 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 异形瓶液压胀形数值模拟及实验研究系本人在燕山大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人 完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权 燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密函。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：j 匆国 导师签名： 日期：1 铆，7 日 日期：d 印尹年j 月细 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着科技的进步，对利用塑性加工方法生产的零件的精度、成本以及 塑性加工方法本身的柔性化程度提出了越来越高的要求。而液压胀形工艺 恰恰能够适应这一潮流，利用通用设备制造出高精度低成本的多种复杂零 件“i 。 液压胀形工艺是指通过对管状或瓶状坯料同时施加轴向压力和内部高 压，使其发生沿径向向外扩张的塑性变形，并最终贴模成形的过程，属于 特种塑性加工方法。近些年来，随着航空航天及汽车工业的发展，对复杂 形状薄壁管壳类零件的需求量越来越大，促进了轴压液力成形技术的发展。 国内外学者进行了多方面的研究，主要体现在成形过程的数值模拟及对成 形工艺的优化。液压胀形工艺的使用可追溯到3 0 年前，但由于其变形规律 复杂、对设备要求高以及理论研究方面的欠缺，应用和发展一直受到很大 限制，成形压力一般小于3 0m p a 。近年来，随着现代工业的进步，给零部 件制造业带来了前所未有的机遇，该工艺也得到不断发展，德国、美国和 日本已将该技术应用于机器零件的制造中，其成形压力己达5 0 0m p a ，曾 有报道称，最高可达1 5 0 0 m p a l 2 4 】。目前，该技术已广泛应用于机器制造领 域的实际生产中。 本课题所研究的异形瓶的成形问题，一直以来没有得到很好的解决并 就进行工业化放大。在这里我们采用的液压胀形的方法，不仅可以得到壁 厚均匀的试件，而且产品能够得到比较好的表面质量1 4 l 。但是由于液压胀 形工艺变形机理非常复杂，可调节实验参数较多，相关理论和关键性技术 还都不完善，在实验中还存在很多问题。利用实验、模拟及理论分析相结 合的手段【9 - 1 0 l ，通过对零件的变形机理与成形规律进行深入的研究，进而揭 示液压胀形工艺所具有的普遍规律。 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 液压胀形工艺介绍 1 2 1 液压胀形成形原理 液压胀形是利用液体压力使工件成形的一种塑性加工工艺。按使用坯 料的不同，可以分为三种类型：板料液压成形，壳体液压成形和管坯液压 成形。板料和壳体液压成形使用的成形压力一般比较低，而管类坯料的液 1 上模2 - 坯料3 - 下模4 - 轴向冲头5 墒压液体6 - 成形工件 图1 - 1 成形原理示意图 f i g 1 - 1 s k e t c ho fp r o c e s s i n gp r i n c i p l e 压成形使用的成形压力较高，或称为内高压成形【1 1 - 1 5 。液压胀形工艺原理 2 纛豳黧 第1 章绪论 是通过内部液体加压和轴向加力补料把坯料压入到模具型腔使其成形的一 种工艺方法。 图1 - 1 是液压胀形工艺过程的示意图。其基本工艺过程为：首先将管状 或者瓶状坯放在模具型腔内，然后闭合模具，将管的两端用水平冲头密封， 并使坯料内充满液体。在加压胀形的过程中，两端的冲头同时向内推进补 料，这样在内压和轴力的共同作用下使坯料贴靠模具而成形为所需形状的 工件。对轴线为曲线的零件，成形前有时需要把管坯预弯成接近零件形状， 然后加压最终成形得到所需的形状1 1 6 q $ 。 1 2 2 液压胀形工艺的优缺点 液压胀形特别适合于各种形状复杂的管状零件加工，具有明显的经济 效益，相比于传统的加工方法，管材的液压胀形工艺有以下几方面的特点 1 1 9 - 2 2 1 ： ( 1 ) 减轻重量由于成形的过程是一次成形，从而减少了零件的数量与 焊接产生的重量，这必然就意味着原材料的节约。对于空心轴类管件可以 减重将近5 0 ，甚至更高。相比于冲压焊接的组合件，液压胀形的空心结 构件可减重3 0 左右。 ( 2 ) 降低生产成本除了以上材料费用的节约以外，生产制件的模具的 数量得到减少，节约模具费用。相比于需要多套模具生产的冲压件，胀形 成形的零件仅需要一套模具。而且模具结构简单化，没有冲击载荷，延长 使用寿命。 ( 3 ) 减少加工步骤正是由于进行轴向补料，液压胀形工艺所生产的零 件变形程度大，零件可以一次成形。所生产的零件不需要或减少后继组装 焊接数量，从而消除了焊接对零件精度的影响。 ( 4 ) 提高产品质量制件的壁厚均匀，尺寸精度高，表面光洁度高，整 体质量得以改善。后续机加工量少，生产效率得以提高；而传统的机加工 方法，没有此优点。 ( 5 ) 可用材料范围广可以用来成形的材料种类很多，适合于冷成形的 材料几乎都可用于成形空心零件，如低碳钢、不锈钢、铜合金、铝合金等。 燕山大学工学硕士学位论文 表1 - 1 列出了液压胀形与其他胀形方式的比较1 2 3 】 表1 1 液压胀形与其他胀形的比较 t a b l e1 - 1 c o m p a r i s o nb e t w e e nh y d r o f o r m i n ga n do t h e r b u l g e s 零件的胀形方法普通橡胶胀形聚氯酯橡胶胀形石蜡胀形液压胀形 允许变形量 由由 大较大 成形质量中较好 好 较好 工艺复杂性简单简单复杂较复杂 模具寿命低 由 高 中 生产成本低 由由 高 生产效率高高低中 正是由于这些优点，空心类零件得到了越来越广泛的应用，己能代替 部分锻造、铸造和焊接件l 。美日德等国从六七十年代就对这项技术展开 了的研究，现其产品已成功的应用于航空航天，汽车、多通管接头以及办 公设备等领域，取得了显著的经济效益【2 强6 】。他们采用专用液压机以数百 至上千兆帕的超高压进行胀形，辅之以弯曲、局部成形和少量的机加工等 工艺，形成了批量生产轿车车架、散热管、废气管、发动机机架、自行车 车架接头、飞机发动机偏心轴和桌椅框架等空心零件的能力。 当然，液压胀形工艺也存在它自身的缺点和不足，主要体现在产品及成 形的工艺需要重新设计，生产工程中工件的变形规律难以掌握，工艺参数 选取较难；需要研制新的生产设备，需要较多的资金投入等。 1 2 3 液压胀形工艺的实际应用 液压成形技术近年来在国内外得到了迅速的发展，已经达到了一个较 高的水平，在航空航天工业、汽车工业以及管道工业等领域都得到了广泛 的应用 2 7 - 3 1 1 。 ( 1 ) 航天航空工业用液压胀形成形生产的飞机上的轻体构件有结构空 心框架、发动机上中空轴类件、进排气系统异形管和复杂管接件等( 3 2 - ”1 。 4 第1 章绪论 图1 2 是用胀形成形的飞机发动机空心双拐曲轴，与原零件相比减重4 8 。 图1 - 2 飞机发动机空心双拐曲轴 f i g i - 2 h o l l o w b e n ts h a f t o f e n g i n e o f a i r p l a n e ( 2 ) 汽车工业液压成形技术近十年来在汽车工业得到广泛应用，汽车 减轻质量和降低成本的需求又促进了该技术的不断发展 3 4 - 3 5 1 。汽车工业是 我国国民经济的支柱产业，液压成形技术作为汽车结构件主要的减重方法。 应用必将不断增加，未来的发展前景非常广阔，必将在汽车轻量化领域获 得广泛的应用。 德国于2 0 世纪7 0 年代开始液体高压成形技术的基础研究，并于9 0 年 代初开始在工业生产中采用该技术制造汽车轻体构件。德国戴姆勒一奔驰汽 车公司( d a i m l e rb e n z ) 于1 9 9 3 年建立内高压成形车间，宝马公司( b m w ) 已在其几个车型上应用了液压成形的零件。 在北美汽车制造业中，空心类轻体件在轿车总量的比例已从1 5 年前的 1 0 上升到1 6 ，而在中型面包车、大吉普和皮卡车的比例还要高。因此 美国有关大学，研究机构和公司十分重视液压成形技术，已于几年前开始 着手研究开发。 ( 3 ) 其它应用除了用液压胀形成形工艺生产汽车和飞机上使用的各种 轻体件外，目前还利用该技术生产了空心阶梯轴。与弯曲工艺结合，可加 工轴线为曲线，截面为圆形、矩形或其它形状的空心构件。通过连接和成 形复合，可加工出轻体凸轮轴。用不同材料的管，通过液压成形，可以加 工复合管件，以满足不同的要求，例如具有不同热传导的零件，以及具有 较高防腐性能的零件等。还可以用于生产中间带陶瓷材料层的零件，陶瓷 材料不仅可以作为保温层，还可以阻碍声波和震动的传播。 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 液压胀形技术的研究概况 1 3 1 液压胀形技术的发展 如前所述，液压胀形成形的n t 技术在工业中具有非常大的应用价值， 因此在这方面的研究，国内外的开展都较为普遍1 3 4 - 3 6 。 液压胀形技术的发展及其理论体系的建立可以追溯n - - - - 十世纪4 0 年 代，美国的ge g r e y 首次使用内压和轴向推力共同作用的方法来成形t 型头的铜管。5 0 年代到6 0 年代期间，d a v i s 对含碳量中等的钢管在内压力 和轴向拉伸载荷下的变形情况进行了实验研究，以获得其在胀形变形时的 屈服和破裂特性。f a u p e l 、c r o s c l a n d 和d i e t m a n n 等人通过实验和数值分 析研究厚壁管胀形时的破裂极限压力。到了6 0 年代，一些国家的研究者对 薄壁管胀形中的失稳现象进行了实验和理论研究。这些对厚壁管和薄壁管 的基础性研究在当时极大的促进了液压胀形技术的发展，人们开始研究如 何将该项技术运用到生产实际中去。f u c h s 首次发表了将液压胀形用于金属 管件成形，介绍了进行铜管液压胀形成形的实验研究情况，阐述了将该项 技术用于实际生产的可行性。o g u r a 和u e d a 公布了用低碳钢和中碳钢管材 成形t 型头的实验结果，他们采用内压力和轴向压力共同作用成形出各种 规格的t 型头，并从实验中获得了较准确的成形t 型头的内压力和轴向压 力的工作区域。 到了7 0 年代，许多学者继续通过实验和理论分析对胀形工艺的各个方 面进行研究。在这一时期，新材料、新设备、新工具不断出现，橡胶和人 造橡胶被作为传压介质用于管材的胀形成形。l i m b 及其研究成员对各种 壁厚管材进行了液压胀形研究，他们的研究结果表明，在施加轴向载荷时， 增大内压力能够使管材变形部分更好地与模具的模腔贴合。在研究中，管 材传力区壁厚增加的现象得到研究，并对管材在不同润滑条件下的胀形进 行了实验研究。其后液压胀形过程的理论分析和数值研究也得到了快速的 发展。 从8 0 年代开始，日本学者n i s h i m u r a 对胀形技术的研究集中到了管材材料 6 第1 章绪论 特性及其对胀形过程的影响上，分析研究了硬化系数和各向异性对管材液压 胀形过程的影响，推导出了最大内压力与初始管径、初始壁厚、材料应变硬 化指数等材料参数在无轴向载荷作用下的函数关系。n i s h i m u r a 还对铝管在 内压力和轴向压力共同作用下胀形的成形极限进行了理论分析和实验研究， 在实验中内压力和轴向载荷通过计算机系统进行控制，以获得预先制定的加 载路线。 f u c h i z a w a 运用增量塑性理论对有限长薄壁管的胀形过程进行了分析， 研究了硬化指数对极限胀形高度的影响，运用基本塑性理论和薄膜理论进 行胀形成形的成形极限进行预测，并将内压力和胀形最大管径用管材初始 长度、初始管径、硬化系数和应变硬化指数来表示。在这之后，f u c h i z a w a 基于形变理论和h i l l 各向异性理论研究了薄壁管在只有内压力作用时，各 项异性对胀形变形过程的影响。并将管材液压胀形方法用于测定管材材料 的应力应变特性，分别对铝管、铜管、钛管在仅施加内压力的条件下进行 测定。先进的测试仪器和控制系统的出现，使得胀形过程中管材壁厚、周 向半径、子午向半径及内压力的变化都能够被准确的测得，运用薄膜理论 和形变理论就可得出管件材料的应力应变关系。 t h i m v a r u d c h e l v a n 用液压作为加压介质对轴向压缩液压胀形进行了实 验和理论研究，他利用计算机来控制实验过程和采集数据，并尝试通过优 化轴向载荷的值以获得更大的成形高度。u e d a 经过大量实验成功地用液压 胀形方法加工出了各种规格的齿轮变速箱。h a s h i m i 和他的研究小组通过实 验、数学分析和有限元法对轴对称件和非对称件的胀形过程进行了研究。 t o n g h a i 用上限法来计算和预测胀形过程中最大内压力和轴向载荷的大小。 他通过对铅管的自由胀形研究发现当轴向应力和周向应力的比值处于一1 加 的范围内对管材的内高压成形非常有利。但在当时的实际生产中，要将应 力比控制在这个范围是比较困难的。 近些年来，随着航空航天及汽车工业的发展，对复杂形状薄壁管壳类零 件的需求量越来越大，促进了轴压液力成形技术的发展。国内外学者进行了 多方面的研究，主要体现在成形过程的数值模拟及对成形工艺的优化，而我 国在管壳类零件轴压液压胀形方面的研究是在9 0 年代中后期才逐渐展开的， 7 燕山大学工学硕上学位论文 开展的历史还比较短，正处于起步阶段，主要还是应用于三通管的生产【3 。7 1 。 目前，尚无成熟的国产工艺及设备供生产企业选择使用，专用的生产线、车 间、工厂仍然属于空白。 哈尔滨工业大学是国内最早系统开展液压成形工艺研究的单位，8 0 年代 中期，王仲仁教授首创球形容器无模液压成形工艺，为大型壳体制造提供了 一种成本低周期短的新技术，并且在供水、液化气和建筑等领域取得了许多 实际应用。目前，哈工大液压成形课题组开始内高压成形理论、工艺和设备 关键技术的研究，并研制出国内首台内高压成形机。通过计算机模拟对加载 路径进行研究，得出双线性的加载路径更有助于内高压成形，与此同时还就 成形中的主要失效形式进行了研究。此外，中国科学院金属研究所的张士宏 研究员和许沂副研究员等对内高压成形技术进行了概要性总结，并对板材液 压成形和球壳液压成形的成形机理和加工工艺进行了研究，同时也对液压成 形的计算机模拟提出了新的见解。燕山大学王连东【“2 1 等推导出管坯复合液 压胀形极限成形系数的数学表达式，确定了汽车桥壳液压胀形极限成形系数、 成形力等参数的匹配关系。赵长财【4 3 】采用塑性增量理论研究了有限长薄壁管 胀形过程中的应力、应变关系，提出了薄壁管胀形的应力、应变数值计算理 论，研究了其在内压、轴力作用下的初始屈服问题，阐述了正确制定胀形加 载路径应遵循的原则。 从以上液压胀形工艺的发展历程可以看出，该工艺的研究经历了从单纯 的实验研究到理论分析与实验研究相结合，再到现在理论分析、实验研究和 数值模拟相互验证的过程。伴随着这一过程，成形技术得到了极大的发展， 从最初只能在实验室中进行到现在己成为大批量生产的重要方法。随着液压 胀形技术的进一步发展，其加工范围也在不断扩大，己能成形出各种复杂形 状的管件m j 。 1 3 2 胀形工艺研究的发展方向 现在，随着计算机技术的不断发展，用有限元方法对液压胀形过程进 行数值模拟已成为许多学者研究和验证理论分析的重要手段 4 5 4 8 】。利用大 型有限元软件如m a r c 、d e f o r m 、l s d y n a 、p a m s t a m p 、a b a q u s 8 第1 章绪论 等对胀形过程进行模拟，能够对管材在胀形过程中的变形情况，例如管材 壁厚的过分减薄、是否有屈曲、折皱等失稳现象发生以及管件在特定加载 路径下的成形极限等进行预测，以制定出合理的加载路径，设计出合理的 模具形状。为了缩短胀形工艺的开发时间和减少开发成本，有限元模拟方 法本身也在不断地发展之中，例如，自适应技术在有限元模拟中地应用。 自适应技术通过在合理地内压力和轴向进给量之间迭代以保证工件在成形 过程中不会发生破裂和折皱现象，从而制定出更合理地胀形工艺。 目前，胀形工艺研究的目的是通过降低开发成本、提高生产率、增加材 料利用率、消除成形过程中的缺陷等来增强胀形技术在工业技术中的竞争 力。为了解决以上问题，胀形工艺研究的发展方向主要体现在以下三个方 面： ( 1 ) 计算机模拟技术的发展通过利用计算机模拟，可以较准确的模拟 出管材在胀形成形过程的变形情况，并精确预测出壁厚过度减薄及屈曲、 折皱、破裂等失稳现象的发生： ( 2 ) 特殊工件的生产为了满足某些场合的特殊要求，例如增加管件强 度并减轻其重量等，将胀形工艺应用于各种复合管件的加工； ( 3 ) 管件的组合成形的应用首先经过预成形得到不同形状的管件，之 后利用胀形工艺进行组合成形。 1 4 本论文的选题意义和主要研究内容 本论文所研究的异形瓶的成形，在工业生产中一直以来是一个比较难 以解决的问题。我们通过采用液压胀形的方法基本上得到了壁厚均匀、表 面质量比较好的工件。作为一项基础性研究，由于液压胀形工艺变形机理 非常复杂，可调节实验参数较多，相关理论和关键性技术还都不完善，在 实验中还存在很多问题。今后的实验可以有更进一步的研究与分析。而我 们的实验研究也为后期的进一步深入打下一定的基础。在实验的同时，我 们利用计算机模拟技术对于成形过程进行模拟，确定各种参数之间的关系， 确定实验方案，从而减少实际实验量，达到省时、省料、节约能源的功效。 本论文的主要研究内容为以下三个方面： 9 燕山大学工学硕士学位睑文 ( 1 ) 通过对理论知识和现有的研究成果的结合，对坯料的胀形过程进行 力学分析，研究变化过程中材料的应力应变分布，揭示胀形工艺变形过程 的力学规律。 ( 2 ) 利用有限元软件对成形过程进行模拟，分析金属流动的变形规律， 对内部压力与轴向进给的关系进行研究，确定最佳的加载路径。 ( 3 ) 通过实验研究双鼓形异形瓶的成形，并对实验结果进行分析，从而 得到较好的生产工艺。 1 0 第2 章液压胀形的力学分析 2 1 引言 第2 章液压胀形的力学分析 液压胀形工艺是管状坯料在周向拉应力和轴向压应力共同作用下发生屈 服并直至最终贴模的变形过程。其成形过程大致分为两个阶段，分为低压成 形阶段和高压成形阶段，低压成形阶段可称为自由成形阶段，高压成形阶段 也可称为校正成形阶段。自由成形阶段是指到坯料经内部压力而使得最大胀 形高度与模具瞬间接触的过程。其后坯料与模具接触而开始校正成形阶段， 直至管材与模具的内部轮廓贴合以使工件的最终几何尺寸符合设计要求。对 于液压胀形工艺来说，合理控制内压力和轴向进给值的大小，避免起皱开裂 等失稳形式的发生是顺利成形的关键。要真正弄清这个问题，剖析液压胀形 的成形过程是非常重要的。 2 2 液压胀形的失效形式 管材的塑性变形过程往往受到起皱、屈曲和破裂或这些缺陷的综合的限 制1 4 9 剐。轴向压缩胀形过程中的三种形式的失效一般可以分为：起皱、屈曲、 破裂。如图2 1 所示。 屈曲是由于过大轴向位移造成的，一般发生在成形的开始阶段，危险性 较大，一旦发生屈曲，屈曲后金属的变形无法再进行控制，胀形过程不能进 行。屈曲的出现与管材的自由部分长度，管材直径等因素有比较大关系。 破裂是成形过程中最常出现的失效形式。产生破裂的根本原因是由于坯 料承受过大的拉应力造成的，当零件的胀形量过大或者轴向进给量不足而内 压力升高过快时，比较容易产生。 对成形过程中的失效行为的研究目前已经开展很岁5 1 】，一般分为两部 分。第一部分采用塑性理论，集中在应力应变分析的角度分析破裂和起皱行 为，也有基于数值模拟的方法进行研究。第二部分是采用能量法与稳定性理 燕山大学工学硕士学位论文 论对管材弹性与塑性稳定性进行分析研究。 ( a ) 屈曲( b ) 起皱( c ) 破裂 图2 1 液压胀形中的失稳形式 f i g 2 - l f a i l u r e si nt u b eh y d r o f o r m i n g 轴 向 载 荷 内部压力 图2 2 液压胀形成形载荷工作范围示意图 f i g 2 - 2 s k e t c ho fw o r k i n gr a n g ei nm b eh y d r o f o r m i n g 成形过程中内压力与轴向推力是关键因素，研究工作都集中在这两点之 上，但是在成形过程中坯料与模具存在着摩擦力，实际的轴向力比较难以精 第2 章液压胀形的力学分析 确确定。与实验结果比较计算得到的理论数值存在着一定的偏差，在生产实 际当中通常采用控制轴向进给量的方式进行。图2 - 2 给出了为有效避免失效的 发生，在轴向力和内压力控制范围内，坯料成形时内压力和轴向压力的关系 图。 2 3 液压胀形成形分析 2 3 i 成形过程中的应力应变分析 液压胀形是三向应力状态下的塑性变形，其应力状态如图2 - 3 ( a ) 所示。 根据应力应变对应规律，应变增量的顺序与应力顺序对应一致，因此液压 胀形成形过程中的应变增量可以表示为图2 3 ( b ) 的三种类型。 在成形过程中，对工艺影响最大的是厚向应变增量d e , 。它的大小和符 号决定了成形过程能否顺利进行。当把液压胀形问题简化为平面应力问题 处理时，d e t 可以表示为 d e , = 一爱d e ( + o r ) ( 2 一1 ) z o - 其中d e 和。分别为等效应变增量和等效应力： 一 d e = , d 4 + d e a d e z + d ( 2 2 ) v j 仃= 一呸+ ( 2 3 ) 当+ 吒 o ，如图2 3 一( b ) 一l 所示，d e , 0 而由于轴向压力所产生的轴向压应力恒小于零，即 吒 0 因此，如果和吒的绝对值相等，则旺= 0 ，根据应力应变对应规律， d e t = o 。胀形成形过程中虽然很难保证和以的绝对值相等。但由于和 以符号相反，在成形过程中与厚向对应的应力巧的偏量一仍然比无轴向力 的矗更接近于零，所以成形工艺表现出成形极限高的特点。 2 3 3 成形过程中典型应力状态的分析 屈服准则作为判断金属内某点是否进入塑性变形阶段的工具，同时也 是成形参数控制的重要依据。在液压胀形过程中，坯料在内压和轴向压力 共同作用下经弹性变形阶段逐渐过渡到塑性变形阶段，开始屈服。对于这 一屈服过程，可以通过改变内压和轴向压力的大小，来控制屈服的发生， 并进而达到控制变形的目的。 吒。 ，7 、a p ( o 么b 。 。 梦吼 b 点 每毹 c 点 图2 6 不同受力状态在屈服椭圆上的分布 f i g 2 - 6 d i s t r i b u t i o no f d i f f e r e n ts t r e s ss t a t eo f p r o c e s s i n go ny i e l de l l i p s e 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 如图2 - 6 所示，成形过程中不同加载方式对应屈服曲线上从a 点经b c 至d 的曲线段上的不同点，图中。点对应坯料的自由状态。其中b ，d 两 点分别对应自由胀形和自由镦粗两种极限形式，应变状态分别对应图中单 向拉伸和单向压缩。图中的c 点为对应有轴向补料情况下的成形工艺，由 于轴向压应力与环向拉应力大小相等方向相反，根据塑性变形体积不变， 此时厚向方向的应变为零。由于轴向应力矿对坯料的变形有很大影响，这 里定义应力比= 生。轴向压缩胀形中，由于轴向载荷的作用，坯料在负 应力比的条件下成形，所以 0 。在c 点理想的状态下，材料胀形可达到 的胀形程度是无限的。但是在实际中，屈曲和破裂失效的产生都会中断胀 形的过程。本文是在曲线b 点至c 点之间的应力范围内对胀形过程进行研 究，即 一1 口0 2 3 4 胀形成形参数计算 假设坯料的直径为d ，壁厚为t ，两端封闭，材料屈服应力为q 。坯料 受到内压p 作用，进行自由胀形，如图2 4 所示 图2 - 4 坯料的受力情况 f i g 2 - 4 s t r e s sd i s t r i b u t i o no nt u b e 则求得其初始变形压力为： ：-2t正(2-4)po 。了正 与自由胀形不同，这里研究的成形过程是轴向力与内压共同作用下的 1 6 第2 章液压胀形的力学分析 厩彤，殳彤日丁黑考愿到轴i 司力明作用，所以口j 以便用此公式租略估算液压 胀形时坯料的初始屈服压力。 假设坯料条件与前述相同，当坯料的内表面刚刚开始屈服时，其主应 力为： q = o - o = e _ 。a a ，0 - 2 = q = o ，a 3 = 呸 o q 2 2 f 2 q 2 0 2 呸 o 由屈雷斯加准则 q 一以= o - o 一呸= 吒 ( 2 - 5 ) 将吒= 舰，= 譬代入式( 2 _ 5 ) 得 i p d b 唉：口s ( 2 - 6 ) 2 f 。2 f 3 整理变形后得出成形过程中的坯料初始屈服压力： = 击詈吒 傍， 2 而了吒 纠 当= o ，t i l l t 丕料不受轴向力时，得到p o = 等吒，p o 即为材料自由胀 a 形时初始压力。实际应用中常采用式( 2 4 ) 估算初始屈服压力。 l 当b = - i 时，p o = 吒，此时需要的初始变形压力p o 最小。 “ 将式( 2 7 ) 变形得到p 西d i = i ，可以做出芒万和的关系，即 p 丢和的关系，如图2 - 5 所示。 由图2 - 5 可以看出，随着的减小，坯料初始屈服压力值也减小，说明 当轴向应力以增大时，坯料的起始屈服压力也随之减小。 燕山大学1 = 学硕士学位论文 图2 - 5 卢与1 - 卢的关系 f i g 2 - 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e n8 a n d1 - b 在液压胀形后期，工件大部分已成形，这时需要更高的压力成形局部 圆角，称这一阶段为整形阶段。整形阶段时轴向无进给，整形时所需内压 可用下式进行估算： t p z = 二吒 ( 2 - 8 ) r 式中见整形压力( m p a ) r 工件最小圆角半径( r a m ) 矿整形前的材料屈服应力，需要考虑应变硬化程度 对生产中给定的轴向力f ，内压p 是关于t ，d 的函数，当坯料发生屈 服时，其轴向力大小为： f = 一册( d + f ) 正 ( 2 - 9 ) 由屈雷斯加屈服准则： o e oz 。o i 求得发生屈服时内压的大小： 第2 章液压胀形的力学分析 p = 小一赤i p 舻了卜一而可j q 。1 对于式( 2 一l o ) 来说，式中r ，d ，t ，正都是常量，因此对式( 2 一l o ) 求 导可得 p 2 嘉一丽2 丽 ( 2 - 1 1 )1 d f耳d t d + t 、 、 式( 2 1 1 ) 反应了当轴向力发生变化时内压相应的变化速率。可以发现，对 于特定壁厚和半径的坯料，p 7 是一个小于零的常量，这说明屈服时的内压值 p 与轴向压力值f 是呈单调递减的线性关系变化，随着起始屈服内压的不断升 高所需轴向压力呈线性递减趋势。 2 4 本章小结 ( 1 ) 介绍了液压胀形过程中的三种失效形式：起皱、屈曲、破裂，并分 析其各自产生的原因。 ( 2 ) 分析了成形过程中壁厚的三种不同的变化趋势。 ( 3 ) 对变形区的应力应变状态进行了分析。 ( 4 ) 推导出坯料初始屈服压力的理论公式，随轴向推力值的增大，初始屈 服压力呈减小的趋势。 1 9 燕山大学t 学硕上学位论文 第3 章异形瓶液压胀形数值模拟 3 1 引言 液压胀形工艺相对于常规生产工艺具有成本低的优点，尤其对于轴类 零件，采用传统机加工方法加工量大，而且实际零件浪费很多材料。采雳 液压胀形成形工艺，则可以在很大程度上避免这种现象的发生。 在液压胀形成形中，如果工艺参数控制不当，生产出的工件往往会发生 起皱和破裂等缺陷，严重影响产品的质量。过去解决这一问题多采用实验的 方法，通过给定不同工艺参数，分析各参数对成形的影响，进而优化工艺。 但实验的方法不仅成本高，而且周期长，这在很大程度上制约着液压胀形工 艺的发展。而有限元数值模拟方法可以在低成本的基础上对各种可能的设计 参数和工艺条件进行组合，以获得最佳的成形条件和工艺路线，可以对多种 不同工艺方案进行分析和优化，选择合理的工艺方案。 本章将在理论分析的基础上，利用有限元分析软件m a r c 对异形瓶在不 同加载路径下的胀形过程进行数值模拟，以获褥最佳的加载路径和工艺参 数，使工件在胀形的过程中壁厚分布均匀，无过度的减薄现象发生，并与理 论分析结果进行相互验证m 。叫。 3 2 有限元分析模型的建立 液压胀形成形过程比较复杂，影响因素很多，因此在数值模拟中。为了 能够建立描述其成形过程的有限元模型，需要对胀形过程做出合理的简化。 由于坯料及模具结果的对称性，将坯料的液压胀形过程作为轴对称问题 来研究，为了提高计算速度，只选取瓶子的四分之一作为研究对象。材料 所有几何参数及材料特性与理论计算相同，以y 轴为对称轴，由曲线描述 的模具定义为刚体，以直线描述的与瓶底接触的推块产生轴囱位移，提供 轴向压缩所需的轴向载荷。瓶子坯料作为变形体，对其进行网格划分。共 2 0 第3 章异形瓶液压胀形数值模拟 划分成2 3 0 0 个薄壳单元。建立的有限元模型如图3 1 所示。 图3 1 异形瓶胀形的有限元模型 f i g 3 - 1 f e mm o d e lo f b o t t l eb u l g e 3 3 几种典型加载路径下的胀形模拟 由于异形瓶成形件的外形是双鼓形，成形过程分为两步，即先成形瓶 子上部的型腔，然后成形下部型腔，因此模拟过程也相应分成两步进行。 在每一步胀形模拟中，都选取四种典型的加载路径进行模拟 3 3 1 瓶子上部胀形有限元模拟 在对瓶子上部型腔进行有限元模拟中，我们选择了4 种典型的加载路 径，加载路径如图3 2 所示。 图3 3 所示为工件在加载路径l 下的变形过程。从图中可以看出，工件 在变形初期成形区出现了有益成形的三个皱纹，进给量的不足造成皱纹直 径没有继续增大，为成形积累料的目的没有完全达到，因而在整形加压以 后，工件的壁厚有一定的减薄。 图3 - 4 所示为工件在加载路径2 下的变形过程。在成形初期，内压力过 燕山大学工学硕士学位论文 大造成成形区没有皱纹产生。在成形中期，由于有料不断的补充，内压增 大幅度放缓，变形区出现微小皱纹，在后期的加压整形中，变形区由于没 有明显皱纹的产生，大部分区域减薄情况都比较明显。 图3 5 所示为工件在加载路径3 下的变形过程。成形区在变形初期出现 良好的皱纹，皱纹的直径比较大。但是随着进给的不断进行，内压力没有 得到及时提高，出现皱纹折叠现象，形成死皱。 内 ( a ) 加载路径1 内压( m p a ) 0 1 01 5 轴向位移( m m ) ( b ) 加载路径2 内压( m p a ) 0 位移( r a m l l o 1 5 轴向位移 m ) ( c ) 加载路径3 ( d ) 加载路径4 图3 - 2 四种典型加载路径 f i g 3 - 2 f o u rt y p i c a ll o a d i n gp a t h 刁- 一 一医 翻 。 刁 ； 一 一 一 一 一 ) 一 一 匝 啡5 0 第3 章异形瓶液压胀形数值模拟 图3 3 加载路径l 下胀形的变形 f i g 3 - 3 s i m u l a t i o nw i t hl o a d i n gp a t ho n e 2 3 燕山大学工学硕士学位论文 图3 - 4 加载路径2 下胀形的变形 f i g 3 - 4 s i m u l a t i o nw i t hl o a d i n gp a t ht w o 2 4 第3 章异形瓶液压胀形数值模拟 图3 5 加载路径3 下胀形的变形 f i g 3 - 5 s i m u l a t i o nw i t hl o a d i n gp a t ht h r e e 2 5 茎坐盔兰_ 王兰堡圭兰堡笙苎 图3 - 6 加载路径4 下胀形的变形 f i g 3 - 6 s i m u l a t i o nw i t hl o a d i n gp a t hf o u r 第3 章异形瓶液压胀形数值模拟 图3 6 所示为工件在加载路径4 下的变形过程。由于初始内压力过高， 成形区在变形过程没有皱纹产生，而后成形中期，内压力提高幅度过大， 导致中期仍然没有皱纹产生，在整形加压以后，成形区整体壁厚减薄情况 十分严重，发生破裂失效的可能性很高。 比较四种加载路径下的工件胀形变形过程，工件在加载路径l 下最终 成