三通管內(nèi)高壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化研究

朱書建　常雪　蘇海迪

摘 要：針對(duì)三通管內(nèi)高壓成形過(guò)程中內(nèi)壓力與左右進(jìn)給量匹配不合理而使三通管出現(xiàn)起皺和破裂等問(wèn)題，而脹形高度是衡量三通管的一個(gè)重要指標(biāo)，本文采用均勻試驗(yàn)優(yōu)化方法對(duì)三通管內(nèi)高壓成形過(guò)程中內(nèi)壓力與左右進(jìn)給量進(jìn)行優(yōu)化，快速找到以脹形高度為優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)匹配關(guān)系，使用最優(yōu)匹配關(guān)系分別進(jìn)行試驗(yàn)和預(yù)測(cè)，誤差為0.13%，滿足實(shí)際工程要求。

關(guān)鍵詞：三通管；內(nèi)高壓成形；均勻試驗(yàn)；脹形高度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.206

1 引言

近年來(lái)，隨著內(nèi)高壓成形技術(shù)快速發(fā)展，三通管內(nèi)高壓成形工藝已有取代傳統(tǒng)焊接支管成形工藝的趨勢(shì)?，F(xiàn)階段內(nèi)高壓成形技術(shù)還有不足之處，例如：支管脹形高度不高，壁厚分布不均勻等等，這些問(wèn)題是由于工藝參數(shù)匹配不合適而產(chǎn)生的。因此，需要對(duì)三通管內(nèi)高壓成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化使三通管內(nèi)高壓成形零部件滿足生產(chǎn)要求。

國(guó)外對(duì)三通管內(nèi)高壓成形研究較早，如德國(guó)Volerstern等人計(jì)算了T型三通管內(nèi)高壓成形的工藝參數(shù)，給出了合模力、水平?jīng)_頭力、反推重頭力等估算公式[1]；日本的Okamoto對(duì)鎂合金T型三通管進(jìn)行了熱態(tài)介質(zhì)成形研究，指出了潤(rùn)滑及溫度對(duì)成形的影響[2-3]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)三通管內(nèi)高壓成形也做了很多研究，如林俊峰等人通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法來(lái)調(diào)整加載路徑，確定內(nèi)高壓成形加載區(qū)間[4]。蘇嵐等應(yīng)用有限元分析T型三通管加載路徑對(duì)成形質(zhì)量的影響，探討了最佳加載路徑確定的原則[5]。

三通管內(nèi)高壓成形中內(nèi)壓力、左右進(jìn)給量，對(duì)成形質(zhì)量的影響較大，故本文采用均勻試驗(yàn)優(yōu)化方法對(duì)以內(nèi)壓力和左右進(jìn)給量為優(yōu)化因素，以三通管內(nèi)高壓成形脹形高度為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 有限元模型

原始管坯長(zhǎng)為114mm，外徑為22mm，管坯厚度為1.5mm，支管直徑為22mm，管坯主管與支管相貫處圓角半徑為8mm，如圖1所示。模具、沖頭和管材均采用殼單元，下模四邊形單元有1551個(gè)，上模四邊形單元有1020個(gè)，左沖頭、右沖頭、下沖頭四邊形單元均有140個(gè)，模型中上模、下模、下沖頭、左右沖頭均設(shè)定為剛體。管坯材料為T2紫銅，質(zhì)量密度為8900kg/m2 ，泊松比為0.33，楊氏模量為118GPa。

3 優(yōu)化分析

基于均勻試驗(yàn)優(yōu)化方法具有“均勻分散”特點(diǎn)，能快速找到最優(yōu)組合，為研究T型三通管內(nèi)高壓成形的工藝參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，所以本文采用均勻試驗(yàn)法對(duì)脹形高度進(jìn)行優(yōu)化分析。

3.1 因素水平的選取及試驗(yàn)安排

通過(guò)前期的實(shí)驗(yàn)，確定影響三通管內(nèi)高壓成形件脹形高度的兩個(gè)主要因素，因此將內(nèi)壓力和左右進(jìn)給量作為優(yōu)化因子，內(nèi)壓力4水平分別為：25MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa；左右進(jìn)給量4水平分別為：10mm、13mm、16mm、19mm，試驗(yàn)安排如表1所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照表1的試驗(yàn)方案利用DYNAFORM對(duì)三通管內(nèi)高壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得到脹形高度結(jié)果如表2所示。使用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到三通管脹形高度的多元線性回歸方程為：z=0.3265x+0.453y-1.31 。將表2中各試驗(yàn)方案數(shù)據(jù)代入方程，得到三通管脹形高度的預(yù)測(cè)值，由試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比可以看到最大誤差為0.41%，所以此回歸方程是比較理想的。

回歸方程顯著性常數(shù)P=0.026<0.05，說(shuō)明建立的多元回歸方程具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；假設(shè)檢驗(yàn)F=743.211，說(shuō)明三通管脹形高度與內(nèi)壓力和左右進(jìn)給量之間具有線性關(guān)系；負(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.999，說(shuō)明三通管脹形高度與內(nèi)壓力和左右進(jìn)給量之間的線性關(guān)系很密切；偏回歸系數(shù)b2=0.453>b1=0.265，說(shuō)明在影響三通管脹形高度方面，左右進(jìn)給量比內(nèi)壓力對(duì)脹形高度影響更大一些。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)中，預(yù)測(cè)內(nèi)壓力為40MPa，左右進(jìn)給量為19mm時(shí)三通管脹形高度最高。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

內(nèi)壓力為40MPa，左右進(jìn)給量為19mm，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15利用DYNAFORM對(duì)三通管內(nèi)高壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得到仿真結(jié)果如圖4所示，經(jīng)測(cè)量脹形高度為17.92mm，而回歸方程預(yù)測(cè)高度17.897mm，誤差為0.13%，在合理的范圍之內(nèi)，說(shuō)明建立的回歸方程是合理的，同時(shí)說(shuō)明均勻試驗(yàn)優(yōu)化方法對(duì)內(nèi)高壓成形的三通管件脹形高度的優(yōu)化是合適的。

4 結(jié)果與討論

本文對(duì)T型三通管內(nèi)高壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真分析，采用均勻試驗(yàn)優(yōu)化方法對(duì)內(nèi)壓力、左右進(jìn)給量進(jìn)行優(yōu)化研究，得到如下結(jié)論：

（1）采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以內(nèi)壓力和左右進(jìn)給量為自變量，以三通管脹形高度為因變量的線性回歸方程，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差控制在0.41%之內(nèi)，說(shuō)明建立的回歸方程是合理的。

（2）以內(nèi)壓力和左右進(jìn)給量為優(yōu)化因素通過(guò)均勻試驗(yàn)優(yōu)化方法對(duì)三通管脹形高度進(jìn)行優(yōu)化，得到在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的最優(yōu)條件。在最優(yōu)條件下，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差為0.13%，說(shuō)明均勻試驗(yàn)優(yōu)化方法對(duì)內(nèi)高壓成形的三通管件脹形高度的優(yōu)化是合適的，為工程實(shí)際提供

一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]T.Uchiyama，H.Naoi and Y.kuwahara. Development Resarch of Hot Bulge Forming for Tees Pipe Joint of Magnesium Alloy[C].Proc of the 56th Japanese Joint conference for the Technology of Plasticity，2007：129-130.

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[5]蘇嵐，王先進(jìn)，唐荻，范光堯.T型管液壓成形過(guò)程的有限元分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（05）：537-540.

作者簡(jiǎn)介：朱書建（1990-），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生在讀，研究方向：汽車輕量化。endprint