（材料加工工程专业论文）内高压成形过程起皱行为研究.pdf

摘要 2 = ! = 自= 日= = = = = = = ! = = = ! ! ! ! ! = ! = ! = = = = = 一 ! ! 摘要 内高压成形是制造复杂形状空- 0 , 2 1 2 件的主要工艺方法之一，由于它是 种结构轻量化的成形方法，在汽车制造业中得到了广泛应用，在宇航领域也 有广阔的应用前景。如何在较大的膨胀量下保证工件壁厚相对均匀和控制屉 小壁厚在一定范围内是内高压成形的难点，其解决方法之就是在变形量较 大的部位制造合理的皱纹来聚集材料。 本文没有按传统的观点将起皱看成是种缺陷，而是从全新的视角将其 视为一种积极的可用于“聚料”的预成形手段。成形过程中获得合理的皱纹 是避免胀形时工件严重减薄，甚至开裂的种重要方法。 从几何学角度论证了皱纹数量对获得壁厚减薄零件的必要性。在皱纹波 形为正弦波的假设下，通过计算起皱后管坯表面积变化，分析了单阶梯对称 与非对称空心件形成一定数量皱纹时管坯壁厚变化，然后改变了皱纹的分布 位置，研究了这两个因素对平均壁厚减薄率的影响。可以看出，皱纹数量越 多，越易得到壁厚减薄较小的工件而使材料不发生破裂。 采用数值模拟与工艺实验的方法重点对单阶梯对称空心件内高压成形的 起皱过程进行了深入系统的研究，主要分析了成形过程中管坯形状的变化， 壁厚变化与应变分布，指出补料内压是获得合格试件的关键因素。研究了管 坯起皱时皱纹形状的变化，发现皱纹首先产生于管材的两侧，随后在中部产 生皱纹，中侧皱纹随补料量的增大迅速增大，不同补料内压皱形不同。分析 了管坯整形前后管坯壁厚分布与轴向应变的分布，不同补料内压壁厚与轴向 应变分布不相同。通过起皱成形试件，沿轴向壁厚分靠不均匀，原皱峰相邻 区域壁厚减薄较大，原皱谷相邻区域壁厚减薄较小。 模拟结果与大量实验表明：在补料阶段，偏低的内压将会导致后续整形 管材发生破裂，偏高的补料内压使中间皱峰处直径迅速增大，整形时将在 “过聚料”区产生局部内凹，形成内高压成形特有的一种缺陷。如果补料内 压过高，中间皱峰处过渡减薄，会发生开裂。本文首次提出以补料内压为基 本参数的成形区间的概念。 本文还对非对称单阶梯空心件的内高压成形过程进行了实验研究，获得 了膨胀率较大的合格零件。指出由于工件形状的非对称，相应的在补料阶段 的两侧进给量也不应对称，必须保证小半锥角一侧有较多的进给量才能获得 合格的零件。由于成形过程中皱纹的出现，变形区的壁厚分布不均匀。 本文还对双阶梯空心件内高压成形过程进行了实验研究，由于所研究零 件阶梯长度较短，可以采用无皱直接成形，也可以采用有益皱成形，但后者 的壁厚均匀性好于前者，最小壁厚减薄率也较小。 关键词：内高压成形；液压成形：皱纹；空心构件 a b s t r a c t t u b eh y d r o f o r m i n go ri n t e r n a l h i g hp r e s s u r ef o r m i n g ( i h p f ) i sam a i n m e t h o dt om a n u f a c t u r e c o m p l e x h o l l o w p a r t s i t h a sb e e n w i d e l y u s e di n a u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dh a sg r e a tp o t e n t i a lu s e si nt h ef i e l do f a e r o s p a c ew i t h t h ea d v a n t a g e so fl i g h tw e i g h ts t r u c t u r ea n dh i g hs t i f f n e s s t h em o s t d i f f i c u l t yi s h o wt oo b t a i np a r tw i t hr e l a t i v e l ye v e nt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n dk e e pm i n i m u m t h i c k n e s si nd e s i g n e dv a l u ea st h ee x p a n s i o nr a t i oi st o ob i g o n eo ft h es o l u t i o n s i sa c c u m u l a t i o nm a t e r i a li ne x p a n d i n ga r e ab yf o r m a t i o no fr e a s o n a b l ew r i n k l e s ， w r i n k l i n gw a st r a d i t i o n a l l yr e g a r d e da so n eo f f a i l u r em o d e sa n ds h o u l db e a v o i d e di ti su s e da sam e t h o dt oa c c u m u l a t em a t e r i a lt oa v o i ds e v e r et h i c k n e s s r e d u c t i o ne v e nb u r s t ， n u m b e ro fw r i n k l e st om a k et h et u b u l a rp a r t sw i t he v e nt h i c k n e s sw a s d e m o n s t r a t e du s i n gg e o m e t r ya n a l y s i s w i t ht h ea s s u m p t i o nt h a ts h a p eo ft h e w r i n k l ei sas i n u s o i dc u r v e ，t h ea v e r a g et h i n n i n gr a t eo fas y m m e t r i c a la n da n u n s y m m e t r i c a lh o l l o wp a r tw a sa n a l y z e dt h r o u g hc a l c u l a t i n ga r e ac h a n g eo f t h e s u r f a c ew i t hd i f f e r e n tn u m b e ro fw r i n k l e s t h ei n f l u e n c eo fn u m b e ra n dl o c a t i o n o fw r i n k l e so nt h ea v e r a g et h i n n i n gr a t ew a sd i s c u s s e df o ru n s y m m e t r i c a l p a r t i t i ss h o w nt h a tt h ea v e r a g e t h i n n i n gr a t ed e c r e a s e sw i t hw r i n k l en u m b e r i n c r e a s e s w r i n k l i n g b e h a v i o ro f s y m m e t r i c a l h o l l o w p a r t w a s n u m e r i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d s h a p ec h a n g e o fw r i n k l e s ，t h i c k n e s sa n ds t r a i n d i s t r i b u t i o no ft h ep a r tw e r em a i n l yd i s c u s s e d w r i n k l e sf i r s to c c u ra tt h et w o e n d so ft u b ei nt h ed i ec a v i t y ，t h e nt h et h i r dw r i n k l ei nt h ec e n t r a le x p a n d i n gz o n e o c c u r sa n dg r o w sb i g g e ra n db i g g e rw i t ht h ei n c r e a s eo fa x i a lf e e d i n g f o r d i f f e r e n tf e e d i n gp r e s s u r e ，s h a p eo fw r i n k l e si sd i f f e r e n t ，t h i c k n e s sa n da x i a l s t r a i nd i s t r i b u t i o no fp a r tw a sa n a l y z e df o rt h es t a g eb e f o r ea n da f t e rc a l i b r a t i o n f o rd i f f e r e n tf e e d i n gp r e s s u r e ，a x i a ls t r a i na n dt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no ft h ep a r ti s d i f f e r e n tt o o a x i a it h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni sn o te v e nf o rs u c c e s s f u lp a r tf o r m i n g t h r o u g h u s e f u lw r i n k l e s t h et h i n n i n gr a t ei sb i g g e rf o rt h et o pz o n eo ft h e w r i n k l et h a nt h a tf o rt h eb o t t o mz o n eo ft h ew r i n k l e i ti si n d i c a t e db ys i m u l a t i o na n de x p e r i n a e n tt h a tt h et u b ew i l lb u r s ti nt h e c a l i b r a t i o ns t a g ei ft h ef e e d i n gp r e s s u r ei sl o w i ft h ef e e d i n gp r e s s u r ei sh i g h ， ：= ： ：= ：= ：一堕堑堡：三些圣兰i ! i 塑尘兰堡篁兰 = ：=： d i a m e t e ro ft h ec e n t r a lw r i n k l ei n c r e a s e sf a s t t h et h i n n i n gr a t ef o rt h et o po f t h e w r i n k l ei s b i g l o c a li n w a r dd e p r e s s e da r e aw i l lo c c u ri nt h ea r e aw i t ho v e r f u l l m a t e r i a ja c c u m u l a t e da f t e rc a l i b r a t i o n i ti s a s p e c i a l f a i l u r em o d eo ft u b e h y d r o f o r m i n gc a l l e dd e a dw r i n k l e i ft h ef e e d i n gp r e s s u r ei st o oh i g h ，t h i c k n e s s r e d u c t i o ni nt h et o po fc e n t r a lw r i n k l ei ss e v e r ea n db u r s t i n gw i l lo c c u rd u r i n g f e e d i n gs t a g e t h ec o n c e p to ff o r m i n gw i n d o ww a sf i r s t l yp r o p o s e dw i t ht h e f e e d i n gp r e s s u r ea sab a s i cp a r a m e t e r h y d r o f o r m i n g o f u n s y m m e t r i c a l h o l l o w p a r t w a s e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d s o u n dp a r t sw i t hb i ge x p a n s i o nr a t i ou pt o7 0 w e r es u c c e s s f u l l y f o r m e d a st h eg e o m e t r yo f p a r ti su n s y m m e t r i c a l ，l e f ta n dr i g h tf e e d i n gl e n g t h s h o u l dn o tb ee q u a l o n l yw h e nt h el e f ts i d ew i t hs m a l lc o n i c a ld e g r e eh a sb i g g e r a x i a lf e e d i n g ，ag o o dq u a l i t yp a r tc a nb ef o r m e d f o rt h ep a r tf o r m e dt h r o u g h u s e f u lw r i n k l e s ，t h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ef o r m i n ga r e ai sn o te v e n h y d r o f o r m i n g o fd o u b l ed i a m e t e rh o l l o w p a r t w a s e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d f o rt h et w od i a m e t e ro ft h ep a r ti ss h o r t ，t h ep a r tc a nb ef o r m e d w i t hu s e f u lw r i n k l e so rw i t h o u tw r i n k l e s b u tf o rt h ep a r tf o r m e dt h r o u g hu s e f u l w r i n k l e s ，t h i c k n e s s d i s t r i b u t i o ni sm o r ee v e nt h a n t h e p a r t f o r m e dw i t h o u t w r i n k l e s t h i c k n e s sr e d u c t i o nr a t i oi ss m a l lt o of o rp a r tf o r m e dt h r o u g hu s e f u l w r j n k 】e s k e y w o r d s ：i n t e r n a lh i g hp r e s s u r ef o r r n i n g ；h y d r o f o r m i n g ；w r i n k l e s ；h o l l o wp a r t 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 管材液压成形工艺最早如现于1 9 世纪4 0 年代，美国人g r e y 等在内压 与轴向位移共同作用下，成形了无缝的黄铜“t ”型三通管，但是使用的内 压较低，低于3 0 m p a ，内压与轴向位移之f 刚也没有严格的匹配关系。 严格的内高压成形研究起始于1 9 世纪7 0 年代，德国p a d e r b o r n 大学的 d o h m a n n 教授开展了内高压成形工艺的系统研究，进行了理论分析，开展 了数值模拟和应用研究，奠定了内高压成形工艺转入生产应用的基础【2 1 。 在航空航天与汽车工业等领域中，减轻质量以节约材料和运行中的能量 是人们长期追求的目标，也是现代先进制造技术的发展趋势。进入1 9 世纪 9 0 年代，由于燃料和原材料成本原因以及环保法规对废气排放的严格限 制，使汽车结构的轻量化显得日益重要。达到这一目标有两个途径：一种方 法是选用轻质材料或新材料，如铝合金，镁合金与各种复合材料，来代替传 统的钢铁材料；另一种方法就是对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采 用空心结构代替实心结构，这样即可以达到减轻重量节约材料的目的，又可 以充分利用材料的强度与刚度。 内高压成形工艺正是在这种背景下发展起来的一种制造空心轻体构件的 先进制造技术。进入1 9 世纪9 0 年代，随着超高压技术与液压伺服技术的发 展，内高压成形工艺开始在美国和欧洲应用于生产，用于生产汽车轻体结构 件。 1 2 内高压成形工艺原理 液压成形( h y d r o f o r m i n g ) 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( s h e e t h y d r o f o r m i n g ) t 3 1 ，壳体液压成形( s h e l lh y d r o f o r m i n g ) ”，5 j 和管坯液压成形 ( t u b eh y d r o f o r m i n g ) 【6 】。板料和壳体液压成形使用的成形压力一般比较低， 而管坯液压成形使用的成形压力较高，又称为内高压成形( i n t e r n a lh i g h p r e s s u r ef o r m i n g i h p f ) 。内高压成形工艺原理是通过内部加压和轴向加力 = = = = = = = = = 一冀尘堡三些查兰三茎堡圭茎篁婆塞： ：= ： 补料把管坯压入到模具型腔使其成形，如图1 - 1 所示 6 1 。 l。，7 、仁，二 ，+ + 。+ r 一一：；p _ i _ 一l 一o ( a ) 台模充液 ( b ) 加压成形 图1 i内高压成形原理 1 管坯，2 下模，3 上模，4 ，5 冲头 f i g 1 1p r i n c i p l eo fi h p f 1 t u b e ，2l o w e rd i e ，3u p p e rd i e ，4 , 5p u n c h 其基本工艺过程为：首先将管坯放在下模内，然后闭合上模，将管的两 端用水平冲头密封，并使管坯内充满液体，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联合作用下使管坯贴靠模具两成 形为所需的工件。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，然后加压成形。 1 3 内高压成形工艺的优点 与传统的冲压焊接工艺相比，内高压成形主要优点有 7 - 1 0 】： ( 1 ) 减轻重量节约材料。由于采用空心钢管代替实心结构，节约了原实 心零件中心的材料，同时显著降低零件重量。对于图1 2 阶梯轴类可以减轻 4 0 5 0 ，个别零件可达7 5 。汽车上部分采用冲压工艺与内高压成形的产 品结构重量对比如表1 1 ； 表1 i 汽车上部分冲压件与内高压成形件的重量对比 t a b1 - 1w e i g h tc o n t r a s to fs t a m p i n gp a r ta n di h p fp a r t 【8 名称 冲压件( k g )内高压成形件( k g ) 减重( ) 散热器支架 1 6 51 1 52 4 副车架 1 27 9 3 4 仪表盘支梁 2 7 213 65 0 v - 言1 委 ( b ) 内高压成形件 图1 2 阶梯轴 f i g 1 - 2m u l t i d i a m e t e rs h a f t ( 2 ) 减少零件和模具数量，降低模具费用。冲压工艺生产轴线为曲线的 零件，通常将零件分为数段成形，然后进行焊接。内高压成形工艺可以采用 1 根钢管弯曲后成形，成形过程不需要焊接。典型内高压零件副车架即由冲 压焊接的6 个零件减少到1 个零件。内高压成形件通常仅需要一套模具，而 冲压件大多需要多套模具，模具费用平均降低2 0 3 0 ； f 3 ) 可减少后续机械加工和组装焊接量。对于图1 2 所示阶梯轴，不仅 免去了中心孔的加工，外表面各阶梯也仅需要进行精加工，对于冲压焊接零 件，则完全省去了焊接工艺。以散热器支架为例，焊点由1 7 4 个减少到2 0 个，装备工序由1 3 道减少到6 道，生产率提高6 6 ： ( 4 ) 提高强度与刚度，尤其疲劳强度。由于省去了焊接工艺，零件的强 度、刚度与疲劳强度均得到明显提高。仍以散热器支架为例，垂真方向提高 3 9 ；水平方向提高5 0 ； ( 5 ) 降低生产成本。由于前述1 ，2 ，3 点，零件生产成本得到大幅降 低，根据德国某公司对已应用零件统计分析，内高压件比冲压件平均降低 1 4 内高压成形工艺进展与现状 内高压成形零件可以分为三种工艺类型】：直线零件成形( 图1 1 ) 、带 凸台或支叉零件成形( 图1 3 ) 和曲线零件成形( 图1 - 4 ) 。 带凸台或支叉零件成形时，管端二个冲头按给定加载路径向内送料，凸 台或支叉上的冲头按与内压一定的匹配关系向后退出，以保证支叉不胀破或 起皱。图1 3 为直三通管成形示意图。 轴线为曲线的零件，先在数控弯管机上弯曲到要求的形状( 图1 4 a ) ，再 放到模具内加压成形( 图1 - 4 b ) 。 内高压成形适用于制造汽车、航空、航天和管道等行业的沿构件轴线变 化的圆形、矩形或异型截面空心构件，如汽车的排气系统异型管件、非圆截 面空心框架如副车架、仪表盘支架、车身框架( 约占汽车总重量的 图1 ，3 直二通管成形 f i g 1 _ 3s t r a i g h tts h a p et u b e ( a ) 弯曲( b ) 高压整形 酗1 4 曲线的零件成形 f i g j 4p a r tw i t hc u r v i n ga x i s 在汽车上应用结构件还有顶棚支梁、边梁、车窗框、纵臂和车身框架 等。目前最大内高压结构件是美国通用公司制造的长度为1 2 m 的卡车纵 粱。v o l v o 大吉普铝合金纵梁长度达到5 m ，铝管直径达到1 0 0 m m 。 德国于上世纪9 0 年代初率先开始在工业生产中采用内高压成形技术制 造汽车轻体构件。德国奔驰汽车公司( d a i m l e rb e n z ) 于1 9 9 3 年建立其内 高压成形车间，宝马公司( b m w ) 、奥迪( a u d i ) 、大众( v w ) 和美国三大汽车 公司己在多个车型上应用了内高压成形的零件【l 。1 6 】。韩国于2 0 0 3 年建立了 其第一条内高压成形生产线”“。 图1 5 是用内高压成形的复杂管件。图1 5 a 所示零件材料为6 c r t i ， 第1 章绪论 = = = ，= = ! ! ! ! ! ! ! # ! ! = ! ! ! ! = = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 一 壁厚2 m m ，长度为1 6 0 r a m ，原始管径5 0 m m ，成形零件最大直径9 0 m m 。 图1 5 b 所示零件材料5 c r n i l 8 ，壁厚15 m m ，长度为1 8 0 m m ，原始管径 5 0 m m ，成形零件最大直径9 0 m m 。 ( a ) 6 c r t i 接头 ( b ) 5 c r n i l 8 接头 图1 5 复杂管件 f i g 1 5c o m p l e xt u b u l a rp a r t s 根据美国钢铁研究院汽车应用委员会的调查结果，在北美制造的典型轿 车中，空一t l , 轻体件在轿车总量的比例已从15 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1 1 。 在美国2 0 0 1 年液压成形零件的市场价值为1 9 亿美元，并且估计在 2 0 0 1 2 0 0 4 年将以每年2 0 的比率增长【l 。据一项调查表明，估计到2 0 0 5 年北美生产的典型车型中将有5 0 结构件采用内高压成形技术制造，在汽 车行业的应用将不断扩大。 用内高压成形生产的飞机上的轻体构件有空心框梁结构、发动机上中空 轴类件、异型管和复杂管接件等。通过成形和连接的复合，可加工出轻体凸 轮轴。用不同材料的二种管材，通过内高压成形，可以加工双层复合管件以 满足不同的要求，例如具有高或低的热传导的零件，以及具有较高防腐性能 的零件。还可以用于中间带陶瓷材料层的零件的制造，陶瓷材料可以作为保 温层，还可以阻碍声波和震动的传播 2 l - 2 ”。 内高压成形适用材料主要包括碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金及镍合金 等，原则上适用于冷成形的材料均适用于内高压成形工艺。在内高压成形中 理想的成形材料应具有高延伸率，高硬化指数，低方向性系数 2 6 , 2 7 】。对于焊 管，焊缝与母材力学性能不能相差太大。管材应具有良好的表面质量，成形 后易于清洗。管端无毛刺，并与管坯轴线垂直，以利于密封。 铝合金内高压成形得到初步应用 2 8 - 3 ”，因为铝合金成形性较差，与钢 相比延伸率低，回弹大，并且焊接变形大【3 。采用重量轻，强度高的钛合 金是航空工业中的热点之一。钛合金塑性差，常温下变形抗力大，回弹大都 是阻碍钛合金成形的因素。如果能够采用热态介质进行钛合金成形，将使钛 合金的应用更加广泛p “。 1 5 内高压成形研究现状 1 5 1 管材成形性能 管材的内高压成形性能对成形结果的影响非常大，主要的影响因素有管 材的生产状态，表面质量，材料的方向性系数与硬化指数等。其中管材的厚 向异性系数与硬化指数对成形具有很大的影响。 传统获得厚向异性系数与硬化指数的方法是进行单向拉伸实验，得到应 力应变曲线，再计算厚向异向系数和硬化指数。这种方法的一个明显缺点是 采用常规拉伸实验获得的颈缩之前的最大应变值，要明显低于在液压成形中 能够达到的应变值。并且当使用板材拉伸实验获得的材料性能数值时，要考 虑到生产管材时板材的弯曲变形带来的应变，这时要对数值进行修正口。 在这种情况下，众多的研究机构，液压成形机生产商和管材供应商开发 了很多种方法来进行管材性能测试，比较常见的是管材胀形实验p 。“j 。 图1 6 为美国俄亥俄州立大学开发的管材胀形装置示意图，胀形时管端 固定，通过对管坯不同变形阶段的轮廓，胀形高度和壁厚的测量，由记录的 内压值和由计算得出的环向应变、轴向应变和厚向应变值，得到强度系数 ( k ) 和硬化指数( n ) 。 第1 章绻论 图1 - 6 管材胀形装置 应用管材胀形实验来进行性能测试的方法，存在的主要问题是根据应力 平衡等式计算应力，需要测量变形过程中管材轴向曲线形状，这样需要配备 曲线形状测试装置，并且精度不是很高。 m s t r a n o 与t a l t a n 提出了一种可以获得适用于数值模拟的材料参数的方 法，这种方法的优点是只需要测量压力的变化值和实时测量胀形的高度，其 获得数值的精度可以通过反向模拟的方法进行提高，经过实验验证该方法有 效 3 4 】。但这种方法获得的材料参数，无法考虑材料的厚向异性，而且由于 进行数学模型假设的需要，流动应力曲线的精度被人为降低，所以获得材料 应力应变曲线精度较差，但是这个参数非常适用于管材内高压成形数值模 拟。 f u c h i z a w a 等通过胀形试验对管材成形性能进行了测试，绘制了胀形过 程中的应力应变曲线1 3 8 1 。试验装置由两组模具组成，管坯端部由模具限 制。一组模具在试验中固定不定，另一组可以在轴向移动，以减小轴向摩擦 对结果的影响。对内压、壁厚、直径与经向的曲率进行了测量。通过这套方 法，对铝合金，紫铜、黄铜与钛台金进行了测试，结果表明，铝合金，紫 铜，黄铜的胀形性能与拉伸实验获得结果相近，而钛合金相差较大。 f u c h i z a w a 等的研究还表明：当硬化指数n 值增大时，施加较低的内压 就可以达到同等的胀形高度，壁厚分布更均匀，并且能够获得更大的膨胀 = ：= =：= ： ：坠垒鎏三些奎兰三兰堡圭耋堡篁兰 ： 量。环向的厚向异性系数主要影响成形需要的内压大小，而经向的厚向异性 系数主要影响管坯的膨胀量 3 9 , 4 0 】。 k m a n a b e 与m a m i n o 分析了成形参数和材料性能对管件内高压成形 过程的影响【4 ”。指出应力比越大，越容易起皱。厚向异性系数越大，材料 越易流动，减薄越小。硬化指数值越大，成形极限越高。 对于变形量较大的零件，常通过多步成形来进行，中间多进行退火。也 有一些特定需要的零件，对原始管坯进行局部热处理，使管坯不同部位具有 不同的屈服应力，从而在变形过程中具有不同的变形特性，从而在变形后获 得壁厚分如不同的零件 4 2 , 4 3 1 。 1 5 2 失效形式分析 图1 7 为内高压成形中常见的失效形式，分别为屈曲、起皱和破裂嵋j 。 屈曲是由于过大的轴向位移造成的，在成形一开始的危险性最大，在理论上 可以估算避免屈曲管端可施加的最大轴向力【2 】。屈曲的出现与管材的规格有 很大的关系，自由长度长，截面模量小的管材更容易发生屈曲。 起皱是由于过大的轴向力造成的，在进口处起皱是不可避免的，皱纹可 以通过整形阶段内压的升高而胀平。当轴向力过大时，也有可能在成形区中 部起皱。传统的观点认为成形过程中应该避免起皱现象的出现，即进行适当 的过程控制。 破裂的出现本质上是由于管坯承受过大的拉应力造成的，当零件胀形量 过大时，或轴向进给较小而内压升高过快时容易发生此现象，管坯贴模之后 就不会发生破裂现象了。 在常见的失效形式中，还有一种折叠现象。折叠的出现是由于变形区的 直径相差太大而造成的，进入到自由型腔的管坯金属，进入到已变形管坯的 内部，形成折叠。 对内高压成形失效行为的研究开展的很多，主要可以分为两部分。第一 部分是采用塑性理论，集中在应力应变分析角度分析破裂与起皱，也有采用 基于数值模拟方法进行研究。第二部分是采用能量法与稳定性理论对管材弹 性与塑性稳定性进行分析。 这些研究主要集中在管坯受内压与轴向力的角度上进行分析，但由于管 坯与模具存在摩擦力，实际的轴向力很难精确确定。这样计算出的理论值就 存在一定的局限性。对实际生产的指导不是很大。对于起皱研究的重点在起 第1 章绪论 ! ! # ! ；= = ! ! = = = = ! ! = = = = ! ! ! ! ! ! ! ! = = = 一一 皱发生的判据上，目的是避免起皱的发生。 ( a ) 屈曲( b ) 起皱( c ) 破裂 图1 7 内高压成形失效形式【2 1 f i g1 - 7f a i l u r em o d eo fi h p f z c x i a 分析了管材液压成形中常见的失效形式一破裂与起皱，通过塑 性理论对两种失效形式进行了分析，基于轴向进给与内压的关系给出了管材 破裂压力和破裂时管坯半径的计算公式，还给出了起皱应力的表达式【4 4 l 。 文中分析了不同材料的成形区间，铝合金的成形区间最小，而高强钢成 形区间最大。对厚向异性系数影响也进行了研究，对于给定轴向进给量，小 厚向异性系数材料破裂压力低，同时小厚向异性系数材料更容易起皱。 t a l t a n 等人通过对管材材料性能的测试，采用数值模拟方法对成形中 可能出现的缺陷进行预测，调整加载路径，从而顺利成形。在选择加载路径 时，以最大的补料量和最小的内压值为基准，使管料处于起皱的临界状态， 在皱即将出现的时候，提高内压，将其胀平。此方法是基于避免起皱的方法 进行成形，实时控制难度较大【4 “。 戴昆，何祝斌等用薄膜理论分析了管坯在轴向力单独作用下的压缩失 稳，通过多尼尔( d o n n e l l ) 方程得出临界轴向压力的计算公式。从失稳应变强 度入手，分析了圆柱管在内压和轴向压力共同作用下的分散性失稳，根据失 稳应变强度的计算公式，分析了应力状态系数a 、厚向异性指数应变强 化指数n 等因素对管的失稳应变强度的影响规律1 4 “。 李洪洋等对内高压成形的应力应变状态进行了研究，分析了成形中间主 应力的作用，给出了内高压成形各典型应力状态在屈服椭圆上的位置与相应 的应变状态，说明了在成形不同阶段上应力摩尔圆的移动过程【4 “。 哈尔滨工业大学的吴洪飞，苑世剑等通过能量法和弹塑性稳定理论对柱 壳在轴压作用下的稳定性与屈曲行为进行了很多分析，丰富了内高压成形 工艺的理论基础【4 “”j 。 g n e f u s s i 与a c o r n b e s c u r e 对各向同性管料在内压与轴向力共同作用下 的成形极限进行了研究【5 。通过分散性失稳准则对板料与管料的成形极限 进行了理论推导，并对塑性屈曲进行了分析。 h lx i n g 等基于h i l l 理论对管料的轴压稳定性进行了分析，对加载路 径、管材性能和成形区长度等因素对成形的影响进行了研究【5 “。基于h i l l 塑性理论，对薄壁管在内压与轴向力作用下的稳定性进行了分析。在应力应 变状态图上，对内高压成形的应力应变状态进行了分析，提出可以在轴向压 应力较大区进行加载。在成形的早期允许出现轻微并可恢复的皱，以避免壁 厚过度减薄，并在后续的成形中消除这些皱，但文中只提到了初步的设想， 并没有进行实际的验证。 随着内高压成形工艺的推广应用，对内高压成形极限图的研究逐渐丌 展。图1 8 为美国国家钢铁公司的刘胜栋( s d l i u ) 和福特汽车公司的 k t h o m p s o i l 在板材成形极限图上确定的液压成形各区间分布1 5 “。刘胜栋进 行了将圆形的管料成形为方形截面零件的研究，得到合理内压与轴向位移关 系，失稳、破裂和圆角成形机制的规律，在成形极限图上确定了成形区，起 皱区与破裂区的位置，液压成形区要小于板材成形区。 刘胜栋选用的实验材料为热轧的铝管，原始直径中5 0 8 m m ，壁厚 1 8 9 m m ，成形的型腔为正方形，有不同的圆角。在有限元模拟中，选用一 步法和l s d y n a 来进行模拟有补料、无补料，以及管料在低压、中压、 高压三种情况下的成形状态。 d e g r e e n 采用实验的方法进行了液压成形成形极限的研究，采用壁厚 2 r a m 的钢管进行了典型的加载，管坯受轴向力与内压，轴向力可以为拉， 也可以为压，同时测量轴向的位移与环向的位移 5 ”。得出的成形极限线与 传统低碳钢成形极限线基本相同。 第1 章绪论 i 惑影 黜 。m , i 呲o 晦h b u c 。k 蒜l i n g ：心i n n 图1 8 管材液压成形极限图 b a 双向拉伸，p i 平面应变，u t _ 单向拉伸，d r - 纯剪，u c 单向压缩 f i g 1 8t u b u l a rh y d r o f o r m i n g z o n e so nf o r m i n gl i m i td i a g r a m b a e q u - b i a x i a ls t r e t c h ，p i - p l a n es t r a i n ，u t - u n i a x i a lt e n s i o n ，d r - d r a w ，u c 。u n i a x i a l c o m p r e s s i o n 1 5 3 成形区间 内高压成形过程是轴向推力与内压对管坯联合作用的复杂过程，当两者 匹配不合理的时候，将会出现破裂，起皱，折叠，屈曲等失效形式，图1 - 9 为内高压成形的加载区间。在实际j j n s l 2 中，由于管坯与模具之间存在摩擦力 作用，实际的轴向推力难以精确确定，通常采用控制轴向进给量的方式进 行。在该成形区问上，一般均存在着起皱区与破裂区。 合理的加载路径需要避免以上失效形式的出现，保证管坯成功成形。目 前还无法采用解析的方法来获得合理的加载路径，而数值模拟方法由于开发 周期短，投入成本低，准确性不断提高，已经成为确定合理加载路径的有效 工具，很多学者对此作了很多的工作。 a l t a n 与d o e g e 等提出了采用“自适应”的有限元模拟方法，针对确定的 零件类型，形状，材料和润滑，进行了合理加载路径的确定p ”1 。但是这 些模拟方法正在发展中，并且只对简单形状的液压成形零件比较成功。研究 的目标是不经过试错法就可以获得合理的加载路径，可以节省开发的周期和 经费。研究中以通用的软件为基础，女i l s d y n a 或p a m - s t a m p ，在软件 上进行开发，过程如图1 - 1 0 所示。 ：= ：= = 些垒堡三些查茎i 些堡! 兰丝堡兰 ：= ： ： a x i a lf e e d i n g 一 幽1 9 内高压成形区间 f i g 1 - 9f o r m i n g w i n d o wo fi h p f m 翟麓邀。 1 蕊f 一一“ 曲j ：啜黧蟛 o 1 譬 一曜黧” “隧辫圃搭 2 m 幽颦鬻霉琴搿h 幽1 1 0 自适应法确定加载路径过程p 划 f i g10i l l u s t r a t l o no fa d a p t i v es i m u l a t i o nt e c h n i q u et od e t e r m i n ea p p r o p r i a t el o a d i n gp a t h f o rh y d r o f o r m i n gp r o c e s s 首先要在每个时间增量上采用特定的准则对变形结果进行检测，如起皱 和减薄。如果管坯有起皱倾向，则停止轴向进给，并提高内压，当管坯皱纹 被打开，则保持内压不变，重新开始进行轴向进给。文中特别指出采用基于 形状变化的准则，如速度和位移，是一种非常简单有效的皱纹检测方法。 k m a n a b e 等采用模糊控制方法进行了铝合金“t ”型三通管成形过程 的优化，材料为铝合金6 0 6 3 ，三通管枝权高度与原始管径相同【6 。提出了 一种基于数据库的模糊过程控制法则，用于寻找最佳的加载路径，首先采用 gg 第1 章绪论 动态显式有限元程序进行模拟，通过该法则获得了合理路径，应用于实验获 得了合格的零件，表明该法则是有效的，该方法比原有的试错法大幅降低了 计算的时间。 1 5 4 润滑与摩擦 由于摩擦因素对成形失效形式，如起皱，屈曲，以及成形零件壁厚分布 不均匀，表面不完整，尺寸超差等现象均有非常大的影响，提高对摩擦情况 的认识在管材液压成形中非常重要【6 “”】。 德国d a m s t a d t 大学的p g r o c h e 对内高压成形中的润滑现象进行了系统的 研究，开发了测试内高压成形中不同区域摩擦系数的装置，得出了固体润滑 剂与油润滑剂的对比，两者在导向区相差较小，雨在膨胀区相差较大【6 4 ，6 “。 p a d e r b o n 大学的f d o h m a n n 设计了一套摩擦测试装置，可以对各个区 的摩擦状况进行测量 6 “。对于具有多种变化截面并且较长，需要轴向进给 的零件，摩擦条件在成形中的影响就比较大，对材料流动和小圆角成形的影 响都比较大。选择合适的润滑荆和适当的模具处理方法是非常重要的，可以 减小滑动摩擦力，降低模具的表面磨损，从而减小轴向力，避免壁厚过渡减 薄。 通过c v d 与p v d 方法进行表面t i c t i n 硬化处理，能够降低模具表面 的摩擦系数【6 7 】。影响摩擦条件的主要因素有润滑剂，模具表面处理情况， 接触表面压力，滑动速度，零件材料与模具材料等【6 ”。 1 5 5 发展趋势 内高压成形中除了前述提到的典型零件成形方法，也有一些较新的研究 方向，例如外压成形，拼焊管成形等。 管件的外压成形是一种刚刚萌起的轻体件制造技术，利用管坯外部的液 体压力，将管坯向内压靠到芯模上，这样芯模的外部轮廓形状就成了成形件 的轮廓。外压成形零件内表面尺寸和形状精确，成形压力较内压成形降低， 并避免了管材胀形引起的过度减薄开裂，以及轴向补料的控制，但芯模安装 与拆卸较复杂。 目前尚无有关外压成形成熟的理论和试验研究结果发表，德国s t u t t g a r t 大学的k s i e g e r t 等学者于近年开展了初步的数值模拟和试验研究，哈尔 滨工业大学进行了初步的探索，成形了碳钢与铝合金的四瓣与六瓣的芯轴零 ： 堕玺鎏些查耋三兰堡圭兰堡堡塞： 件硎。 目前内高压成形技术还仅限于单一材料管材( 少量型材) 的成形，对于 截面尺寸变化很大，壁厚均匀性要求高的零件，需精确控制内压和轴压的匹 配，其制造难度仍然很大；并且，对于不同部位性能要求不同，主要通过结 构设计来满足，如采用变化的截面形状和尺寸等，而未进行材料的改变，材 料总成本增加；同时，未根据局部成形难度改变材料，使整体成形压力提 高。 如果采用不同材质和厚度的管坯进行拼焊，形成具有不同厚度与力学性 能的拼焊管，进行内高压成形，可以进一步减轻重量，提高性能，拼焊管成 形