一种轴向补料量对液压成形加载路径的影响

一种轴向补料量对液压成形加载路径的影响

管道液形成技术也称为内高压形成技术，是一种新型承受措施、低能耗的轻车身结构，也是一种应用于广泛应用的先进制造技术。柳向补材料与内向补材料的结合形成复杂的形成过程。轴向补材料与内压之间的关系称为加载路径。只有指定合理的加载路径，才能获得合格的最终零件。在实际的形成过程中，由于加载路径选择不足，导致弯曲和折叠等缺陷。加载路径影响着零件截面的形状，厚度分布和最终形状尺寸。开槽员的路径是管理系统的重要参数。如何优化和调整加载路径是港口液形成的核心。通过优化的加载路径，可以有效地实现形状区的填充材料，从而实现更小的减小壁的相对均匀分布，提高内高压形成的开口极限。目前,在该研究领域美国学者采用通用优化设计程序配合有限元软件进行了一种变截面件和一种三通管件液压成形的模拟和加载路径的优化,取得了降低成形件壁厚减薄率的明显效果.英国学者以空心变径管为评估模型,通过理论计算和试验,来研究加载路径的设计方法.爱尔兰学者将数学中的模糊控制准则应用到管件液压成形加载路径的优化中,通过模拟软件的二次开发接口编制了优化程序,直接与前处理相连接,即输入的加载路径参数首先经程序优化后再提交到求解器进行运算.对比优化前后两条加载路径的数值模拟结果,壁厚减薄率由16%下降到6%.在国内文献使用共轭梯度法和有限元方法编写了用于检查液压胀管壁厚均匀性和几何精度等成形质量的程序,以T型管为实例进行了加载路径的优化研究,创造并检验了分批模型和连续模型优化加载路径的方法.文献提出用自适应仿真与模糊逻辑控制策略相结合的方法来设计T型管液压成形的加载路径.文献应用遗传算法结合有限元模拟对液压成形轴对称件的加载路径进行优化.文献提出利用均匀设计试验的可靠性与神经网络的非线性映射相结合进行参数优化,再利用遗传算法的全局优化特性得出最优结果.管件液压成形加载路径的确定受零件几何形状,材料性能、壁厚、管径及成形半径等多方面因素的影响.目前,加载路径的优化方法各有特点,每种方法针对某一类特殊结构会有良好的优化效果,在上述研究成果中,还没有专门针对非对称结构管件加载路径的研究,非对称结构管件液压成形的主要特点是变形的不均匀性,成形时既要保持相对均匀的壁厚,局部还要有一点的膨胀量,必须要有合适的加载路径才能够正常成形.1优化后的模拟结果分析针对非对称结构的管件液压成形过程,通过理论计算和数值模拟的结果分析,总结出采用以下3个步骤可以较快地确定非对称结构内高压成形的合理加载路径,从而节约实验时间和研究成本,提高成形件的壁厚相对均匀性.1.1初始压力的确定初始内压是管件液压成形工艺中的重要参数,直接影响成形区间的划分,该值选取的合理性直接决定所加工试件是否能够满足设计要求.对于非对称结构的管件液压成形件,在保证不发生起皱的情况下合理补充成形所需的材料,其初始内压的选择尤为重要.初始压力pi的计算公式为:式中:pi为初始胀形压力(MPa),t为管坯壁厚(mm),d为管坯直径(mm),σs是材料的屈服应力(MPa),β为轴向应力σz和轴向应力σθ的比值,液压成形时施加的轴向力为压力,β的取值范围是-1≤β≤0.可见初始压力的大小与管坯的壁厚和屈服应力成正比,与管坯的直径成反比.经式(1)计算出pi后,加减0.3pi得到p1和p2,用体积不变原则,计算出理论补料量,与pi、p1、p2配合,得到图1所示的3条加载路径,以此进行模拟实验,根据模拟结果进行调整,来确定成形区间的上下限pmax和pmin,并以此得到一个合理的初始压力ph.1.2轴向补料量的计算轴向补料量是管件液压成形工艺的另一个重要参数,直接影响成形过程以及成形零件的壁厚分布.理论补料量S0的计算是根据管材成形前后体积不变条件得出的,S1为理论补料量的90%,S2为理论补料量的80%,以上一步计算出合理的初始压力ph配合不同的补料量S0、S1、S2,得到图2所示的3条加载路径,根据这3条加载路径的模拟结果进行调整,得出合理的轴向补料量Sh.1.3加载路径的确定确定了合理初始内压ph和轴向补料量Sh后,基本上可以成形出合格的零件,但为了找出最佳的加载路径,还需确定加载路径与横坐标轴的交角α(90°>α>0°),即确定加载路径的斜率.加载路径斜率的物理意义是指在同一内压下,轴向补料量的增加速率,不同α角的加载路径计算的结果是有差别的.选取如图3所示不同α角的加载路径进行数值模拟,根据模拟结果进行优化,得出最佳α角,即得到了管件液压成形件的最佳加载路径.根据非对称零件的特点,通常,α角越接近90°越好,即在大规模补料之前,先对管坯施加一定的内压,使管坯材料产生初步胀形,形成轻微的塑性流动,有利于后续金属的流动和补料的顺利进行.2空心轴向内高压成形最佳加载路径和成形分区的确定图4为航空发动机内的空心曲轴零件,它有两个曲拐呈非对称分布,这种结构的内高压成形件如果没有合适的加载路径,势必会产生起皱或开裂的缺陷.本文提出的加载路径的确定方法可以快速地确定出合理的加载路径,图5是应用本方法确定的合理加载路径的模拟结果,零件顺利成形,没有出现开裂或起皱,然后以此为基础再进行试验,就可以获得这个零件的最佳加载路径和成形分区.图6所示为空心曲轴内高压成形最佳的加载路径和成形区间,图中加载路径2是应用本方法得到的合理加载路径,在此基础上再进行调整得到了最佳的加载路径3和这个零件的成形分区,所谓成形分区是指在这个区域里的加载路径都能成形出合格零件,不会产生缺陷.而在这个分区之外的加载路径,图6所示的加载路径1以上区域,由于压力过高,压力上升较快,而轴向进给量相对较少,即轴向进给量不足以补偿周向的变形量,使得在成形过程中曲轴拐部顶端的壁厚发生减薄,后续补料无法继续送入拐部变形区,这样该处壁厚越来越薄直至破裂;在加载路径4以下,由于压力较低,同时相对的轴向补料较多,使得曲拐底部的材料由于模具的限制无处流动,该处壁厚逐渐增加形成起皱;只有在加载路径1与4之间所形成的区间内,才可以正常成形出零件,在成形区间内由于压力的不同,所成形零件的壁厚分布也不同,经模拟计算得知图中所示的加载路径3所成形零件的减薄率是整个成形区间内最小的,所以加载路径3是最佳的加载路径.3优化加载路径1)加载路径是管件液压成形中的关键参数,它的确定受零件几何形状,材料性能、壁厚、管径及成形半径等多方面因素的影响.本文提出了利用理论计算与