管材液压胀形高度影响因素分析与有限元模拟.pdf

现代设计与先进制造技术 侯军明李胜祗管材液压胀形高度影响因素分析与有限⋯⋯3 5 管材液压胀形 高度 影响 因素分析 与有 限元模 拟 侯军明 一， 李胜祗0 1 ． 南京工程学院 先进制造技术工程 中心 ， 江苏 南京2 1 1 1 6 7 2 ． 先进数控技术江苏省高校重点建设实验室， 江苏 南京2 1 1 1 6 7 3 ． 安徽工业大学 材料科学与工程学院 ， 安徽 马鞍山2 4 3 0 0 2 摘要 为了评价管材液压胀形的成形性能 ， 通过理论分析并采用有限元模拟 的方法对管材液压胀 形高度的影响因素进行 了研 究， 发现在一定范围内随着应变硬化指数 咒值和各 向异性指数r 值的 增大， 材料胀形高度升 高； 而摩擦 系数 _厂值越 小， 则材料的胀形成形性能越好。 关键词 液压胀形 ； 胀形高度； 有 限元模拟 中图分类号 T G 3 9 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 21 6 1 6 2 0 1 0 1 7 0 0 3 5一O 3 液压胀形 Hy d r o f o r mi n g 也称为液压成形或 者液力成形 ， 是利用液体压力使工件成形的一种塑 性加工工艺。德 国和美 国已经将该成形技术用于 机械零件 的制造 ， 其成 形压力一般 大于 4 0 0 MP a ， 有时超过 1 O 0 0 MP a 。国内主要用类似方法加工三 通管、 波纹管等管件 ， 但成形压力较低 ； 用 内高压成 形制造汽车 、 飞机等机器零 件还是 空 白[ 1 l 。液 压 胀形的理论研究还不够成熟 ， 在成形机理和成形性 能等方面还有许多问题有待进一步研究。所 以通 过有限元模拟的方法对管材的胀形高度进行分析 ， 在评价管材的成形性能和预防缺陷等方 面具有理 论和实际意义。 1 建立模型 在对胀形成形本 质不失真和计算结果 的准确 性影响不大且原理不变 的前提下对有限元模 拟模 型进行简化 1 成形模具假设为刚体 ， 忽略在胀形 过程中模具 的弹性变形 ； 2 由于液压成形是冷变 形 ， 所以不考虑在胀形过程中由于摩擦和变形等引 起的温度变化。 通过 P AMS T AMP有限元软件对管样 液压胀 形过程进行模拟。有限元数值模拟模型中， 主要包 括固定板 、 底座和管件 3部分 ， 固定板和底 座均视 为恒温刚性体， 管件设置为变形体。采用外径 3 2 mm， 长度 1 0 9 mm， 壁厚 3 mm 的 2 0 无缝钢管作 为液压胀形模拟 的管样 ， 建立模型并且划分 网格 ， 固定板和底座对管端形成摩擦力 ， 防止管端在成形 过程中脱离 。通过 向管腔输入液体来达到模 拟增 压泵提高管腔 内液体压力 的 目的。装置简化后如 图 1 所示 。图 中的坐标系定义为 X 轴 为管 的轴 向， y轴和Z轴正向为管件 的径 向， 坐标原点取在 管件左侧端面圆心处 。 图 1 有 限元模拟装 置模 型图 通过对装置的分析可知 ， 管样端部在胀形过程 中受到模具的径 向约束 ， 中间部分不受模具约束 ， 由液压力作用产生 自由变形 ， 即固定板和底座设置 为 X， y， z方向不发生位移同时也不旋转 ， 管件设 置为 x， y， z 3个方向位移不做约束 。 收稿 日期 2 0 1 00 41 4 基金项 目 安徽省教 育厅科研计划 重点项 目 2 0 0 5 k j O 3 9 Z D 作者简 介 侯 军明 1 9 8 2一 ， 男 ， 山东文登人 ， 南京工程学 院助教 ， 主要从事模具及 液压胀形 的研究 工作 。 3 6 2 0 1 0年 9月 中国制造业信息化第 3 9卷第 1 7期 2 理论分析 管样在液体压力作用下的胀形过程中， 成形主 要靠管坯壁厚的变薄和轴向的自然收缩来完成， 其 胀形变形区主要承受双 向拉 应力 的平面应力状态 忽略料厚方 向的应力 和两向拉伸 、 一向压缩的应 变状态 ， 由于胀形区材料处于双 向受拉的不利变形 条件 ， 零件极易严重变薄甚至破裂_ 2 ] 。 胀形高度是指管材胀形后的变形部分突起高 度与未胀形时在周 向高度上的差值 。胀 形变形程 度用胀形系数 志表示 是 鲁 1 式中H 为管样胀形后 的最大高度 ； H 为管样 胀形前的高度 。 由式 1 可知 ， 胀形系数 是值越大 ， 则表示胀形 变形程度越大。 显然 ， 当胀形系数过大时 ， 胀形变形 区的变形就会超过材料 的变形极限而导致破裂。 因 此 ， 胀形后的高度 H一 不可能任意大 ， 其成形极限 可用极限胀形系数 。 表示 一 昔 2 式中H m 为零件胀破前允许的的最大胀形高度。 由于胀形 的主要特点是变形 区材料受切 向和 母线方向的拉伸， 因此其极限变形程度受材料允许 伸长率 的限制 。 胀形管坯切向的许用伸长率 与极 限胀形系数 尼 一 的关系为 志一1／ T I O X ／ Y IO X 3 一U ＼ ／ 胀形成形极限通常以零件是否发生破裂进行 判别。一般说来 ， 伸长率越大， 破裂前允许的变形 程度越大， 则极限胀形系数越大。应变硬化指数 值大 ， 则应变硬化能力强 ， 可促使变形区应变分布 趋于均匀化 ， 同时还 能提高材料的局部应变能力 ， 故极限胀形系数也大l 。 由上述理论分析可知 ， 液压胀形 中管材的胀形 高度是衡量管材成形性能的一项重要指标。 3 有限元模拟结果分析 在其他变形条件不变 的条件下 ， 分别改变材料 的应变硬化指数 n 值、 各向异性指数 r 值以及材料 与模具的摩擦系数 厂 值， 对液压胀形过程进行模 拟 ， 对所得结果 的胀形高度值进行 比较 ， 以观察参 数的改变对胀形成形性能 的影响。 图 2和图 3分别为有限元模拟的结果 图和液 压胀形时管 内液体压力的变化 曲线。对 图 3进行 分析可知管内液体压力迅速升高， 当达到峰值压力 后 ， 液体压力逐渐降低。对材料的应力应变 曲线分 析可知， 材料在液体压力作用下 ， 产生塑性变形 ， 随 着压力继续增大 ， 达到胀形成形极限 ， 发生破裂。 同时 ， 由于破裂缺陷的产生 ， 管内液体压力降低 ， 但 由于管 内液体的继续填充 ， 使得液体压力下降趋势 平缓。所以取胀形破裂后的管样胀形高度 H 进行 比较分析 ， 得到的结果能够反映材料的胀形成形性 能。 图 2 有 限元模拟 结果 图 图 3 随时间增加 内压 力变化 曲线 图4是应变硬化指数 值对胀形高度的影响。 图 4 n值 对胀 形高度 的影响 由图可见 ， 在其他条件不变的前提下 ， 分别取应变 硬化指数n值为 0 ． 0 2 5 ， 0 ． 0 5 0 ， 0 ． 0 7 9 0 ， 0 ． 1 0 0 ， 通过 比较发现 值越大 ， 材料 的胀形高度越高， 但胀形 高度 4 条曲线胀形高度差值不大， 即应变硬化指数 对胀形高度的影响较各向异性指数和摩擦系数等 现代设计与先进制造技术 侯军明李胜祗管材液压胀形高度影响因素分析与有限⋯⋯3 7 导致的影响小。 图 5所示是管样的各 向异性指数 r值对胀形 高度的影响。 其他条件不变 ， 各向异性指数 r值分 别取 0 ． 5 ， 0 ． 9 ， 1 ． 3 ， 2 ． 0 ， 对液压胀形的结果进行 比 较发现 随着 r值的增大 ， 胀形 高度也逐渐增加 。 图中左侧胀形高度 与右侧不对称的主要原 因是施 加液体载荷 的方向性 ， 即液体压力是 由左侧施加。 通过图中比较发现各 向异性指数 ， 一 值对胀形高度 有着明显的影响 ， r值越大 ， 则胀形 高度越高， 材料 的成形性能越好 。以上分析与文献 [ 3 ] ～[ 5 ] 中结 论相同。 图 5 r值对胀形 高度 的影 响 图 6中分别取摩擦系数 厂为 0 ． 0 2 5 ， 0 ． 0 6 0和 0 ． 0 8 0进行模拟 。对模 拟结 果 的胀形高度 比较分 析可知 ， 摩擦系数越大 ， 胀形高度越低 ， 则管材的成 形性能越差。所以在实际胀形过程 中， 管材与模具 图6 摩擦 系数对胀形高度的影响 的接触摩擦条件对管材胀形 的成形性能有直接影 响。 4 结 论 在其他参数不变的前提下 ， 通过分别改变应变 硬化指数 1 “／ 值 、 各向异性指数 r 值和摩擦系数_厂值 对管材液压胀形过程进行有限元模拟 ， 对模拟结果 比较分析， 得 出结论如下_ 6 J a ． 材料 的应 变硬化指数 值越大 ， 材料 的胀 形高度越高 ， 但对材料 的胀形高度影响相对于各向 异性指数 r 值 和摩擦系数 厂 值较小。 b ． 材料 的各向异性指数 ， 一 值越大 ， 则胀形高度 越高 ， 即材料 的胀形成形性能越好 。 摩擦 系数 ．厂值 越大 ， 材料能够达到 的极限胀形 高度越低 ， 材料 的 成形性能越差。实际胀形成形过程中， 为 了避免破 裂缺陷的生成 ， 应尽可能增大材料 的各 向异性并 同 时减小材料 同模具之间的摩擦 。 参考文献 [ 1 ] 苑世剑 ， 王 仲 仁．内高压 成形 的应 用进 展 [ J ] ．中国机 械工 程 ， 2 0 0 2 ， 1 3 9 7 8 3 7 8 6 ． 王 同海 ．管 材塑性 加工技 术 [ M] ．北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 8 9 1 1 0 0． Ke ni c hi Ma n a b e， Ma s a a k i Amin o．Ef f e c t s o f p r o c e s s p a r a me t e r s a nd ma t e r i a l p r o p e r t i e s o n d e f o r ma t io n p r o c e s s i n t u b e h y d r o f o r mi n g [ J ] ．J o u rnal o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n g Tech n o lo g y ， 2 0 0 2 2 2 8 52 9 1 ． Kr id l i G T， B a o L， Ma l l i c k P K ，e t a 1．I n v e s t ig a t i o n o f t h i c k n e s 8 v a r i a t io n a n d c o me r f i l l i n g i n t u b e h y d mf o r mi n g [ J ] ．J o u r n al o f Ma t e ri a ls P r o c e s s ing T e c hno lo g y ， 2 0 0 3 3 2 8 72 9 6 ． Ca r l e e r B， v a n d e r Ke v i e G， d e W in t e r L，e t a 1 ．An a ly s i s o f t h e e f f e c t o f ma t e r i a l p r o p e r t ie s o n t h e h y d r o f o r mi ng p r o c e s s o f t u b e s [ J ] ．J o u r n al o f Ma t e ri al s P r o c e s s i ng Techno l o g y ， 2 0 0 0 1 2 1 5 8 1 6 6． 侯 军明．管材液压胀形成形性能研究 [ D] ．马鞍山 安徽工业 大学 ， 2 0 0 7 6 3 6 9 ． Ana l y s i s o f Fa c t o r s o n Bu l g e He i g h t i n Tu b e Hy d r o f o r mi n g a n d FE S i mu l a t i o n HoU J u nrui n g 1 ， 一 ． LI S h e n gz h i 0 1 ． N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， J i a n g s u Na n j i n g ， 2 1 1 1 6 7 ， C h i n a 2 ． J i a n g s u Ke y L a b o r h t o r y o f Ad v a n c e d Nu me r i c a l C o n t r o l T e c h n o l o g y ， J i a n g s u Na n j i n g ， 2 1 1 1 6 7 ， C h i n a 3 ． A n h u i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， An h u i Ma a n s h a n ， 2 4 3 0 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t 硒 e b u l g e h e i g h t i n mb e h y d r o f o r mi n g i s a c ruc i al p a r a me t e r wh i c h i s u s u a l l y u s e d t o e v a l u a t e t h e h y d r o f o r r n a b i l i t y ．I t a n a l y z e s t h e o n b ulg e h e i g h t usi n g t h e a t r i c a l me t h o d a n d fi n i t e e l e me n t me thod ．i n v e s t i g a t e s the b ulg e h e i g h t wi t h v a r y i ng t h e f ri c t i o n c o e ffi d e n t ，t h e s t r a i n h a r d e nin g e x p o n e n t ，v a l u e a n d the a n i s o t r o p y f a c t o r v a l u e wi t h i n a c e r t a i n r a n ge ． e c o n c l u s i o n c a n b e d r a wn a S f o l l o ws wi 出 i n c r e a s e o f f r i c ti o n ．t h e b u lg i ng h e i g h t wi l l b e h i g h e r ．W i th f ri c t i o n d e c r e a s i n g ，t h e ma t e ri a ls f o r r n a b i l i t y wi l l b e bet t e r ． Ke y wo r d s Hy d r o f o r mi n g；Bu l g i n g He i g h t ；F E S i mu l a t i o n ]1 J ]] J ]