三通管內(nèi)高壓成形數(shù)值分析

劉邦雄

三通管內(nèi)高壓成形數(shù)值分析

劉邦雄

（景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

文章以三通管為研究對(duì)象，借助非線性有限元Dynaform開展內(nèi)高壓成形數(shù)值分析，結(jié)果表明采用線性軸向進(jìn)給的情況下，成形質(zhì)量較好，支管處壁厚較薄，減薄率較大，但未超出許用范圍，能夠?yàn)槿ü艿某尚窝芯刻峁┯幸鎱⒖肌?/p>

三通管；數(shù)值分析；壁厚

引言

近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)生，新能源的推廣普及；需要降低汽車重量，減少由此帶來的排放問題[1-3]。人們開始關(guān)注通過降低結(jié)構(gòu)重量來減少能源的消耗，為早日碳達(dá)標(biāo)做出貢獻(xiàn)。內(nèi)高壓成形技術(shù)是一種新型塑性加工工藝，現(xiàn)已成為生產(chǎn)復(fù)雜變截面空心件的一種重要的制造技術(shù)[4-6]。

馮瑩瑩等[7]以T形管為研究對(duì)象，采用遺傳算法對(duì)加載路徑進(jìn)行優(yōu)化，主要研究軸向進(jìn)給、背向進(jìn)給以及內(nèi)壓力的內(nèi)在聯(lián)系，能夠避免起皺、破裂等現(xiàn)象，有效解決優(yōu)化路徑問題。張繼明[8]等對(duì)內(nèi)高壓成形設(shè)備開展研究，研制了適用于板式充液的液壓系統(tǒng)，采用伺服控制系統(tǒng)對(duì)成形過程的進(jìn)給精確控制。葛東東等[9]T形管狀航空部件為研究對(duì)象，采用正交試驗(yàn)方法結(jié)合數(shù)值模擬，將壁厚均勻性和最小壁厚作為目標(biāo)函數(shù)來求解出最優(yōu)工藝參數(shù)。為此，本文以三通管作為研究對(duì)象，開展數(shù)值模擬研究，分析成形壁厚規(guī)律，為三通管成形奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)值分析

1.1 有限元模型

為深入、系統(tǒng)研究三通管件成形規(guī)律，了解成形過程中各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)三通管件壁厚的影響，本文借助Solidworks建立數(shù)模，根據(jù)試驗(yàn)工況，簡化模具，建立其有限元模型。如圖1所示，從圖中可以看出，由上模、下模、直管件以及背壓推頭等組成，直管件的直徑為22 mm，長度為100 mm，壁厚為1.5 mm，上模具和下模具僅需定義內(nèi)表面，將其設(shè)置為剛體材料。三通管為薄壁結(jié)構(gòu)，因此采用殼單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格類型為四邊形。成形過程中管件置于上、下模具中間，液壓油介質(zhì)通過左右兩端軸向進(jìn)給。管件的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，其本構(gòu)關(guān)系通過采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)測得，經(jīng)過計(jì)算，得出真實(shí)結(jié)果。加載路徑如圖3所示，軸向進(jìn)給量和內(nèi)壓力均采用線性加載，進(jìn)給量為17 mm，內(nèi)壓力為92 MPa，設(shè)定加載時(shí)間為1.5 s。

1—上模具；2—直管件；3—背壓推頭；4—下模具。

圖2 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 仿真成形結(jié)果分析

成形壁厚結(jié)果如圖4所示，未出現(xiàn)破裂和起皺的情況，從管件壁厚分布來看，兩端壁厚較厚，尚未有明顯減薄，沿著軸向方向，壁厚在支管附近較薄，在圓角處壁厚有所增加。壁厚最大減薄率位于支管頂端，主要是因?yàn)槿ü茉谠撎幍拿浶温瘦^大且處于支管頂部。另一方面可能是由于此處材料的流動(dòng)性較差，不利于軸向進(jìn)給補(bǔ)料。

圖3 加載路徑

圖4 壁厚分布云圖

為進(jìn)一步研究三通管成形質(zhì)量，分析壁厚分布，沿著三通管測量壁厚，圖5為沿著三通管主管的軸向剖截面，沿軸向截面選取9個(gè)測點(diǎn)，1—3號(hào)點(diǎn)處的壁厚較小，4—9號(hào)點(diǎn)壁厚變化較為明顯，主要是因?yàn)闇y點(diǎn)1—3為零件過渡區(qū)，測點(diǎn)4—9位材料成形區(qū)。圖6為沿著三通管支管的縱向剖截面，沿著截面等距選取10個(gè)測點(diǎn)。

圖5 軸向壁厚分布

分別測量圖5和圖6的測點(diǎn)處的壁厚，測量結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，在過渡區(qū)的變化趨勢基本一致，軸向壁厚和縱向壁厚的過渡區(qū)測點(diǎn)1至過渡區(qū)終點(diǎn)測點(diǎn)3零件的壁厚逐步降低，測點(diǎn)1壁厚相對(duì)較大，主要是由于零件在左右軸向進(jìn)給端頭補(bǔ)料過程會(huì)受到管件與模具的摩擦力，阻礙材料流向成形區(qū)域。在成形區(qū)域測點(diǎn)4-9（軸向壁厚），測點(diǎn)4-10（縱向壁厚），越靠近支管部位，壁厚越小，在縱向壁厚測點(diǎn)8和測點(diǎn)10壁厚最薄，為1.31 mm，此時(shí)減薄率為12.67%，滿足要求。

圖6 縱向壁厚分布

圖7 壁厚分布

2 主要參數(shù)對(duì)三通管成形結(jié)果的影響

2.1 軸向進(jìn)給量對(duì)成形壁厚的影響

為研究軸向進(jìn)給量對(duì)管件壁厚的影響規(guī)律，按如圖8所示的加載路徑加載，以線性加載方式進(jìn)行加載，最終進(jìn)給量為22 mm。

將成形零件分別沿著軸向和縱向等距取截面，軸向獲取28個(gè)測點(diǎn)，縱向獲取18個(gè)測點(diǎn)，不同加載路徑下成形壁厚分布圖如圖9所示，從中可以看出，沿軸向截面和縱向截面，隨著測量點(diǎn)向支管方向移動(dòng)，測量點(diǎn)的壁厚值不斷減小，在支管頂部達(dá)到最小，僅在軸向截面的主管與支管連接區(qū)域壁厚值有小幅度的增加。主要由于材料在此處流向轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向，流向支管難度較大，易發(fā)生增厚現(xiàn)象。沿軸向截面主管區(qū)域壁厚增加明顯，支管區(qū)域壁厚分布情況存在較大差異。在加載路徑1下，管件壁厚減薄量最小，最大減薄率為16.03%，相比于另外兩條加載路徑而言，減薄量明顯較小，在加載路徑3下，管件壁厚快速減薄，最大減薄率為27.85%。

圖8 軸向進(jìn)給量加載路徑

圖9 不同軸向進(jìn)給條件下截面壁厚分布

2.2 內(nèi)壓力對(duì)成形壁厚的影響

為研究內(nèi)壓力對(duì)管件成形壁厚分布情況的影響規(guī)律，按如圖10所示的加載路徑加載，以線性加載方式進(jìn)行加載，最終內(nèi)壓力為100 MPa。

將成形零件分別沿著軸向和縱向等距取截面，軸向獲取28個(gè)測點(diǎn)，縱向獲取18個(gè)測點(diǎn)，不同加載路徑下成形壁厚分布圖如圖11所示，由圖可知，沿軸向截面和縱向截面，隨著測量點(diǎn)靠近支管部分，測量點(diǎn)的壁厚值不斷減小，管件僅在軸向截面的主管與支管連接區(qū)域，壁厚有小幅度的增加，主要是由于此處材料流動(dòng)方向改變，導(dǎo)致材料的流動(dòng)性下降，出現(xiàn)局部增厚現(xiàn)象。管件的主管區(qū)域的壁厚增加明顯，支管區(qū)域處于主要變形區(qū)，壁厚分布情況存在較大差異，在加載路徑1下，成形管件的最大減薄率為15.35%，減薄率較小，在加載路徑3下，管件減薄速率較快，最大減薄率為25.22%。由此可知，內(nèi)壓力對(duì)管件壁厚分布情況影響顯著。

圖10 內(nèi)壓力加載路徑

圖11 不同內(nèi)壓力條件下截面壁厚分布

3 結(jié)論

本文以三通管為研究對(duì)象，借助有限元Dynaform軟件對(duì)零件成形進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析管件沿軸向和縱向截面的壁厚分布情況，在內(nèi)高壓成形過程中，截面在支管處壁厚減薄較為明顯，減薄率為12.67%，在許用范圍內(nèi)。軸向進(jìn)給和內(nèi)壓力進(jìn)給路徑不同，成形的零件壁厚也就有所差異。

[1] 苑世劍,韓聰,王小松.空心變截面構(gòu)件內(nèi)高壓成形工藝與裝備[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(18):21-27.

[2] 陳建軍.內(nèi)高壓成形工藝及其在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2010,45(01):12-18.

[3] 郎利輝,苑世劍,王仲仁,等,Joachim Danckert,Karl Brian Nielsen.管件內(nèi)高壓成形及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國機(jī)械工程,2004(03):82-86.

[4] 李曉冬,徐雪峰,華如雨,等.5052鋁合金T型三通管內(nèi)高壓成形規(guī)律研究[J].塑性工程學(xué)報(bào),2021,28(03):41-49.

[5] 陳名濤,肖小亭,劉易凡,等.內(nèi)壓和加載路徑對(duì)并列雙支管內(nèi)高壓成形性的影響[J].塑性工程學(xué)報(bào),2017,24(05):19-24.

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[7] 馮瑩瑩,駱宗安,張宏閣,等.T形管內(nèi)高壓成形過程加載路徑的優(yōu)化方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2020,41(06):929-936.

[8] 張繼明,張淳,胡金雙.內(nèi)高壓脹形設(shè)備的伺服控制[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2021,38(S1):313-316.

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Numerical Analysis of High Pressure Forming in Three-way Pipe

LIU Bangxiong

( Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, Jingdezhen University, Jiangxi Jingdezhen 333000 )

In this paper, the three-way pipe is taken as the research object, and the numerical analysis of internal high pressure forming is carried out with the help of nonlinear finite element DYNAFORM. The results show that under the condition of linear axial feed, the forming quality is better, the wall thickness at the branch pipe is thinner, and the thinning rate is larger, but it does not exceed the allowable range, which can provide a useful reference for the forming research of three-way pipe.

Three-way Pipe; Numeral Analysis; Thickness

U463

B

1671-7988(2022)02-87-04

U463

A

1671-7988(2022)02-87-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.020

劉邦雄（1990—），男，碩士，就職于景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，研究方向：CAD/CAE/NVH。

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ191179），景德鎮(zhèn)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（20192GYZD009-01）。