薄壁Y型三通管內(nèi)高壓成形起皺與開裂分析

彭俊陽，羅德高，滕步剛，劉 鋼

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211)

薄壁Y型三通管內(nèi)高壓成形起皺與開裂分析

彭俊陽1,2，羅德高1，滕步剛1，劉 鋼1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211)

本文針對(duì)薄壁 Y 型三通管在內(nèi)高壓成形過程中產(chǎn)生起皺、開裂缺陷的問題進(jìn)行了相關(guān)研究. 首先通過實(shí)驗(yàn)確定了 Y 型三通管在成形過程中產(chǎn)生典型缺陷的位置及類型；其次利用有限元方法分析了補(bǔ)料比對(duì)應(yīng)力狀態(tài)分區(qū)和典型點(diǎn)應(yīng)力軌跡的影響；最后建立了加載路徑的"內(nèi)壓-軸向補(bǔ)料" 成形窗口. 研究表明:補(bǔ)料比對(duì)應(yīng)力狀態(tài)有顯著影響, 通過調(diào)整補(bǔ)料比來改變應(yīng)力狀態(tài), 是避免起皺的有效措施.此外, 本研究給出了不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果在成形窗口中的對(duì)應(yīng)位置, 當(dāng)加載路徑超出成形區(qū)時(shí), 三通管件就會(huì)產(chǎn)生起皺或破裂的缺陷, 甚至兩種缺陷會(huì)依次發(fā)生.關(guān)鍵詞: 內(nèi)高壓成形；Y型三通管；起皺；開裂；補(bǔ)料量

內(nèi)高壓成形是制造薄壁Y型三通管的重要技術(shù).相比較于沖壓、焊接工藝，Y型三通管的內(nèi)高壓成形實(shí)現(xiàn)了整體成形以及結(jié)構(gòu)輕量化，在航空航天和汽車工業(yè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用[1-2].此外，內(nèi)高壓成形的Y型三通管能有效減少零件和模具數(shù)量以及焊接量，降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益[3-5].

內(nèi)高壓成形三通管受摩擦和加載路徑等因素的影響，容易產(chǎn)生起皺、開裂和壁厚不均勻等缺陷[6-7].國內(nèi)外很多學(xué)者關(guān)注這個(gè)問題并開展了研究工作.美國俄亥俄州立大學(xué)的Jirathearanat等[8]研究了Y型三通管內(nèi)高壓成形的重要工藝參數(shù)，包括內(nèi)壓、補(bǔ)料量和初始管長度，并通過FEA模擬和液壓成形實(shí)驗(yàn)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.結(jié)果表明，初始管長度對(duì)支管的可成形性影響較大，在相同的軸向進(jìn)給量下，長度較短的初始管能成形出更長的支管.日本學(xué)者M(jìn)anabe等[9]通過數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)了模糊控制的支管沖頭用于Y型三通管的內(nèi)高壓成形，抑制了支管頂部的壁厚變薄以及鈍角側(cè)的壁厚增厚，獲得壁厚較均勻的Y型管.韓國漢陽大學(xué)的Jang等[10]認(rèn)為,內(nèi)壓和軸向進(jìn)給決定了變形產(chǎn)品的質(zhì)量，并通過等效靜載荷方法來優(yōu)化加載路徑，從而防止缺陷的產(chǎn)生.意大利學(xué)者Fiorentino等[11]通過實(shí)驗(yàn)揭示了在非對(duì)稱補(bǔ)料的內(nèi)高壓成形過程中，三通管與模具之間的摩擦?xí)璧K主管材料向支管流動(dòng)，導(dǎo)致支管頂部因補(bǔ)料不足而減薄、破裂.

國內(nèi)學(xué)者程?hào)|明等[12]通過分析三通管典型點(diǎn)壁厚隨內(nèi)壓的變化規(guī)律及其影響因素發(fā)現(xiàn)，由鈍角側(cè)到銳角側(cè)再到支管頂部，其壁厚依次減小，且隨著終成形壓力的提高，零件的最大增厚率無明顯變化，但最大減薄率顯著增加.陳浩等[13]研制出徑厚比達(dá)183的不銹鋼Y 型三通管和徑厚比為40的鋁合金Y 型三通管.前期工作[14]研究了內(nèi)壓對(duì)壁厚均勻性的影響，設(shè)計(jì)出多段式?jīng)_頭以改變導(dǎo)向區(qū)的內(nèi)壓分布并減小該區(qū)域的摩擦力，與傳統(tǒng)沖頭進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多段式?jīng)_頭成形的薄壁Y型三通管在導(dǎo)向區(qū)的增厚率減少了20%，減薄率降低了6%，壁厚均勻化效果顯著.王忠堂等[15]通過控制軸向進(jìn)給速度以減少三通管的壁厚不均勻性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸向進(jìn)給速度過快會(huì)導(dǎo)致主管中部增厚嚴(yán)重，而進(jìn)給速度過慢時(shí)，支管頂部在較大內(nèi)壓下因補(bǔ)料不足而開裂.

本文通過有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了Y型三通管在內(nèi)高壓成形過程中的典型缺陷，構(gòu)建起指導(dǎo)加載路徑的成形工藝窗口，給出了成形過程中應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律以及合理的補(bǔ)料比，為減少內(nèi)高壓成形三通管的開裂和起皺缺陷提供了有效的控制方法.

1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

圖1為薄壁三通管形狀和尺寸示意圖，其中主管直徑為D，支管直徑為d，主管軸線與支管軸線的夾角為α，鈍角側(cè)過渡圓角半徑為Rl，銳角側(cè)過渡圓角半徑為Rr.管材直徑等于主管直徑D，管材初始壁厚為t，則管材的徑厚比為D/t.

本文選用的管材徑厚比為D/t=108，材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼.由于薄壁大直徑無縫管材，尤其是非標(biāo)準(zhǔn)管材購買和制備困難，采用卷焊工藝將板材焊接成管材，管材沿軋制方向滾卷.選用材料為1Cr18Ni9Ti的不銹鋼板材，板材壁厚為0.8 mm，卷焊后管材外徑為86 mm,其幾何尺寸如表1所示.

表1 三通管幾何參數(shù)

為了細(xì)化晶粒、提高塑性并減小卷焊造成的殘余應(yīng)力，板材卷焊成管材后進(jìn)行了固溶處理.奧氏體不銹鋼的固溶處理溫度在1 050～1 100 ℃.由于后續(xù)數(shù)值模擬的需要，管材熱處理后進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示.

圖2 管材單向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Y型三通管內(nèi)高壓成形采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研制的內(nèi)高壓成形機(jī).該設(shè)備具有3個(gè)可閉環(huán)伺服控制的水平缸，能夠進(jìn)行T型三通管、Y型三通管等枝杈類管件的成形.內(nèi)高壓成形時(shí)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的加載曲線來自動(dòng)控制3個(gè)沖頭的進(jìn)給量和內(nèi)壓值.

實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D3所示，上下模之間通過導(dǎo)柱導(dǎo)套定位，分模面采用沿模腔兩側(cè)的窄條接觸形式，使分模面在合模力作用下嚴(yán)密貼合.高壓液體由左側(cè)沖頭的中心孔引入管材.左沖頭和右沖頭補(bǔ)料量的比值稱為補(bǔ)料比，補(bǔ)料比決定了管材放置的初始位置.沖頭與模具型腔的同心度要嚴(yán)格保證，以便在管材兩端形成可靠的密封，并使管材沿環(huán)向受力均勻.模具型腔表面和管坯表面噴涂MoS2干膜潤滑劑，以降低管坯和模具型腔之間的摩擦力.

圖3 薄壁Y型三通管內(nèi)高壓成形模具

2 薄壁三通管典型缺陷

三通管內(nèi)高壓成形的缺陷主要有破裂和起皺兩種.破裂一般發(fā)生在支管頂部，當(dāng)支管頂部無法承受內(nèi)壓帶來的拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致破裂.補(bǔ)料使管材產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)壓的支撐力不足時(shí)，便會(huì)發(fā)生起皺失穩(wěn).由于管坯外側(cè)被模具約束，皺紋只能是向內(nèi)側(cè)凹陷.

根據(jù)三通管的幾何尺寸及加載路徑的不同，起皺位置也各不相同.通過提高內(nèi)壓可以避免起皺，但支管頂部易因過度減薄而破裂.對(duì)于薄壁三通管，更容易起皺和破裂.相對(duì)于T型三通管，Y 型三通管成形時(shí)所需的補(bǔ)料量更大，且支管頂部的脹形量更大，對(duì)起皺的控制更加困難.因此，Y型薄壁三通管的成形難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他類型的三通管.

Y型三通管內(nèi)高壓成形缺陷如圖4所示.其中，圖4(a)表示支管破裂和主管起皺同時(shí)存在.內(nèi)壓過高導(dǎo)致破裂，但是降低內(nèi)壓，主管起皺更加嚴(yán)重，如圖4(b)和(c)所示；若減小補(bǔ)料量，避免了起皺，但是支管頂部發(fā)生了破裂，如圖4(d)所示.若同時(shí)減小內(nèi)壓和補(bǔ)料量，雖然可以同時(shí)避免破裂和起皺缺陷，但是成形出的支管高度非常有限.此外，補(bǔ)料比不合理時(shí)也會(huì)發(fā)生起皺缺陷.

圖4 薄壁Y型三通管內(nèi)高壓成形缺陷

Fig.4 Defects of hydroforming thin-walled Y-shaped tubes: (a) wrinkle and crack; (b) wrinkle on the middle side of main tube; (c) longitudinal wrinkle on the branch; (d) crack on the branch top

3 薄壁三通管內(nèi)高壓成形有限元分析

本文進(jìn)行有限元模擬所采用的前后處理軟件是美國ETA公司的DYNAFORM，有限元求解器是LS-DYNA.該軟件已經(jīng)在內(nèi)高壓成形領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.有限元模型如圖5所示，考慮到成形件的軸對(duì)稱性，沿軸對(duì)稱面選取零件的1/2作為研究對(duì)象.管坯采用Belytschko-Tsay殼單元，模具、支管沖頭、左右沖頭均為剛體單元.管坯材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，材料模型為Hill各向同性彈塑性模型，符合Mises屈服準(zhǔn)則，材料遵循Ludwik-Hollomon硬化規(guī)律，摩擦系數(shù)設(shè)為0.03.

模擬結(jié)果表明，在三通管成形過程中，管材受到軸向壓力和內(nèi)壓的共同作用，3個(gè)主應(yīng)力由軟件直接給出，如圖6所示.可見，支管頂部應(yīng)力狀態(tài)為雙向拉應(yīng)力，即面內(nèi)2個(gè)主應(yīng)力為σ1>σ2>0，法向壓應(yīng)力為第三主應(yīng)力σ3<0，可將其定義為A區(qū).主管和支管的過渡區(qū)處(定義為B區(qū))，在面內(nèi)為一拉一壓應(yīng)力狀態(tài)，沿著支管軸線方向的第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力(σ1>0)，第二主應(yīng)力沿著壁厚方向，在面內(nèi)垂直于支管軸線方向的第三主應(yīng)力為壓應(yīng)力(σ3<0).主管兩端以及主管底部，即送料區(qū)，在面內(nèi)受雙向壓應(yīng)力(定義為C區(qū))，即σ2<0、σ3<0，其法向應(yīng)力為第一主應(yīng)力，也為壓應(yīng)力.

圖5 三通管有限元模型

圖6(a)中根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)將三通管分為3個(gè)區(qū)域，其中存在面內(nèi)壓應(yīng)力的區(qū)域(B區(qū)和C區(qū))是易于發(fā)生起皺的區(qū)域.通過不同補(bǔ)料比的內(nèi)高壓成形過程數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在不同的加載路徑下，各區(qū)域的形狀和大小不同.補(bǔ)料比不同，將影響起皺的位置、方向和起皺難易程度.一般情況下，起皺多出現(xiàn)于主管側(cè)壁中部，如圖4所示，但是，當(dāng)單側(cè)補(bǔ)料量過大時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致支管及過渡圓角的起皺，如圖7所示，部分起皺還可沿管件縱向發(fā)生.

圖6 三通管內(nèi)高壓成形主應(yīng)力分布(MPa)

Fig.6 Distribution of principal stress of Y-shaped tube: (a) the 1stprincipal stress; (b) the 2ndprincipal stress; (c) the 3rdprincipal stress

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的缺陷，在圖7中管件起皺部位取2個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析.點(diǎn)1位于左側(cè)(鈍角側(cè))過渡圓角中部，點(diǎn)2位于右側(cè)(銳角側(cè))過渡圓角中部.

采用不同的補(bǔ)料比，進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得典型點(diǎn)1和2處的應(yīng)力軌跡，如圖8所示.

Fig.7 Wrinkle caused by unreasonable feeding ratio: (a) L0-R60; (b) L60-R0

圖8 補(bǔ)料比對(duì)典型點(diǎn)應(yīng)力軌跡的影響

Fig.8 Effect of feeding ratio on stress trajectory of typical points: (a) point 1; (b) point 2

圖8(a)為不同補(bǔ)料比時(shí)點(diǎn)1的應(yīng)力軌跡.在不同的補(bǔ)料比下，點(diǎn)1的環(huán)向應(yīng)力差別不大，但是軸向應(yīng)力有很大區(qū)別.左側(cè)單側(cè)補(bǔ)料時(shí)(L60-R0)，點(diǎn)1受到軸向壓應(yīng)力和環(huán)向壓應(yīng)力的共同作用，隨著三通管的成形，軸向應(yīng)力逐漸增大.當(dāng)補(bǔ)料比為1∶1時(shí)(L30-R30)，軸向應(yīng)力比左側(cè)單側(cè)補(bǔ)料時(shí)降低了一半.當(dāng)右側(cè)單側(cè)補(bǔ)料時(shí)，軸向應(yīng)力接近于0，為單向壓縮狀態(tài)，當(dāng)點(diǎn)1流入支管后，軸向應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力.

圖8(b)為不同補(bǔ)料比時(shí)點(diǎn)2的應(yīng)力軌跡.右側(cè)單側(cè)補(bǔ)料時(shí)(L0-R60)，點(diǎn)2位于C區(qū)，為雙向壓應(yīng)力狀態(tài)，軸向和環(huán)向的壓應(yīng)力都很大.當(dāng)補(bǔ)料比為L30-R30時(shí)，軸向壓應(yīng)力變小，環(huán)向壓應(yīng)力不變.當(dāng)左側(cè)單側(cè)補(bǔ)料時(shí)(L60-R0)，環(huán)向應(yīng)力不斷增大，軸向應(yīng)力接近于0，后期變?yōu)槔瓚?yīng)力.當(dāng)軸向壓應(yīng)力和環(huán)向壓應(yīng)力數(shù)值接近時(shí)，金屬只能增厚變形.當(dāng)軸向壓應(yīng)力的絕對(duì)值小于環(huán)向壓應(yīng)力時(shí)，在軸向發(fā)生伸長變形，使支管長高.軸向壓應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致橫向起皺，當(dāng)軸向壓應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力之比小于一定的數(shù)值時(shí)，就容易發(fā)生縱向起皺.由圖8可以看出,點(diǎn)2的應(yīng)力絕對(duì)值大于點(diǎn)1，從三通管幾何特征可知左側(cè)過渡圓角(點(diǎn)1位置)半徑大于右側(cè)(點(diǎn)2位置)，說明右側(cè)過渡圓角區(qū)的變形更加劇烈.通過不同補(bǔ)料比的應(yīng)力軌跡可以看出，通過調(diào)整補(bǔ)料比可以改變左右過渡圓角的應(yīng)力狀態(tài)，從而控制左右兩側(cè)的變形狀態(tài)；軸向壓應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致橫向起皺，軸向壓應(yīng)力過小(或?yàn)槔瓚?yīng)力時(shí))，會(huì)導(dǎo)致縱向皺紋；補(bǔ)料比在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，能夠避免起皺.

4 薄壁三通管內(nèi)高壓成形工藝窗口

根據(jù)補(bǔ)料比的模擬結(jié)果，采用補(bǔ)料比為L40-R20的條件進(jìn)行了三通管內(nèi)高壓成形實(shí)驗(yàn)，獲得沒有起皺缺陷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖9所示.實(shí)驗(yàn)件支管成形穩(wěn)定，表面光滑平整.

圖9 補(bǔ)料比為2(L40-R20)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig.9 Experimental result when feeding ratio is 2 (L40-R20)

在上述模擬和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，可總結(jié)繪出三通管內(nèi)高壓成形工藝窗口，如圖10所示，進(jìn)一步闡明軸向補(bǔ)料和內(nèi)壓的匹配關(guān)系，即加載路徑對(duì)成形的影響規(guī)律.圖10中點(diǎn)劃線為破裂臨界曲線，加載路徑在該曲線上方就會(huì)發(fā)生破裂；虛線為起皺臨界曲線，加載路徑處于起皺臨界曲線的右側(cè)，就會(huì)發(fā)生起皺.

可見，破裂臨界曲線和起皺臨界曲線構(gòu)成了三通管內(nèi)高壓成形的成形窗口，在成形區(qū)內(nèi)成形出的零件不會(huì)有破裂和起皺的缺陷；破裂區(qū)位于成形區(qū)的上方，零件只發(fā)生破裂而不起皺；起皺區(qū)位于成形區(qū)右側(cè)，零件只發(fā)生起皺而不破裂；起皺和破裂區(qū)位于破裂臨界曲線上方和起皺臨界曲線右側(cè)，零件同時(shí)存在起皺和破裂缺陷.此外，一旦發(fā)生破裂，成形將無法繼續(xù)，而當(dāng)起皺發(fā)生時(shí)成形過程并不會(huì)立即結(jié)束，皺紋會(huì)越來越大，直到內(nèi)壓超過破裂臨界曲線時(shí)，成形才結(jié)束.加載路徑1為破裂加載路徑，支管頂部受拉應(yīng)力減薄而破裂；加載路徑3為起皺加載路徑，在內(nèi)壓較低的情況下進(jìn)行補(bǔ)料，主管起皺嚴(yán)重；沿著路徑2進(jìn)行加載，當(dāng)補(bǔ)料量超過起皺臨界線之后就會(huì)發(fā)生起皺，繼續(xù)成形至內(nèi)壓超過破裂臨界線時(shí)，支管頂部破裂，成形出的零件存在破裂和起皺缺陷.

總之，當(dāng)加載路徑超出起皺臨界線時(shí)，就會(huì)發(fā)生起皺，但可以繼續(xù)成形；當(dāng)加載路徑超出破裂臨界線時(shí)，就會(huì)發(fā)生破裂，成形立即結(jié)束.只有同時(shí)在起皺臨界線和破裂臨界線之內(nèi)的加載路徑，才能成形出無缺陷的三通管.

圖10 內(nèi)高壓成形三通管成形窗口

5 結(jié) 論

1)通過實(shí)驗(yàn)給出了Y型薄壁三通管起皺和開裂的部位和類型：主管中部側(cè)壁發(fā)生橫向起皺，支管產(chǎn)生縱向起皺；破裂主要發(fā)生在支管頂部，在一定的條件下，還會(huì)在起皺之后再發(fā)生破裂.

2)三通管內(nèi)高壓成形時(shí)，根據(jù)面內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)可分為3個(gè)區(qū)域：支管頂部為雙向拉應(yīng)力，主管和支管的過渡區(qū)為一拉一壓應(yīng)力，主管兩端以及主管的底部為雙向壓應(yīng)力.補(bǔ)料比對(duì)應(yīng)力狀態(tài)有顯著影響，通過調(diào)整補(bǔ)料比來改變應(yīng)力狀態(tài)，是避免起皺的有效措施.

3)試驗(yàn)和數(shù)值分析表明，三通管內(nèi)高壓成形存在由臨界破裂曲線和臨界起皺曲線圍成的成形工藝窗口.當(dāng)軸向補(bǔ)料量與內(nèi)壓之間的匹配關(guān)系(即加載路徑)超過臨界破裂曲線將導(dǎo)致支管頂部破裂，超過臨界起皺曲線則導(dǎo)致主管起皺，當(dāng)加載路徑同時(shí)超出2個(gè)臨界曲線，則先發(fā)生起皺后發(fā)生開裂，2種缺陷并存.只有在該工藝窗口之內(nèi)才可同時(shí)避免起皺和開裂缺陷.

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(編輯 程利冬)

Analysis on wrinkling and cracking initiation in hydroforming thin-walled Y-shaped tubes

PENG Junyang1,2, LUO Degao1, TENG Bugang1, LIU Gang1

(1.School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2.Beijing Key Laboratory of Civil Aircraft Structures and Composite Materials， Beijing Aeronautical Science & Technology Research Institute of COMAC, Beijing 102211, China)

The wrinkling and bursting during thin-walled Y-shaped tube hydroforming process were studied. The location and type of typical defects were identified through experiments. The effects of feeding ratio on the stress states zone and the stress trajectory of typical points were analyzed by finite element method. The forming window of “internal pressure-axial feeding” was established to guide the loading paths. The results indicate that the feeding ratio can exert a crucial role on stress states. Fine adjusting feeding ratio can effectively avoid wrinkling. Meanwhile, the corresponding position of different experimental results in forming window was identified. Wrinkling or bursting would occur, and even these two defects would happen successively as the loading path exceeds the range of forming zone.Keywords: hydroforming; Y-shaped tube; wrinkle; crack; feeding ratio

2017-03-12. 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間: 2017-06-15.

彭俊陽(1984—), 男, 博士，工程師; 滕步剛(1969—), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師; 劉 鋼(1970—), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師.

劉 鋼，E-mail：gliu@hit.edu.cn.

10.11951/j.issn.1005-0299.20170061

TG306

A

1005-0299(2017)04-0011-06