摩擦對T 型管內(nèi)高壓成形影響有限元分析

李瑞玲，賴明波，陳清根，錢未騻

(航空工業(yè)洪都，江西 南昌， 330024）

0 引言

最早在20 世紀40 年代，管材脹形技術(shù)由國外學者首先提出，之后20 年間，美、日等國開始研發(fā)管材脹形相關(guān)產(chǎn)品，直到20 世紀70 年代末80 年代初，德國率先進行管材脹形基礎(chǔ)研究。 此后，管材脹形技術(shù)就進入了突飛猛進的時代，并成為現(xiàn)代制造業(yè)的主要發(fā)展技術(shù)之一。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化科技水平的飛躍， 塑性成形技術(shù)越來越成為一種關(guān)鍵技術(shù)，尤其是在汽車領(lǐng)域。早在20 世紀70 年代，德國就已經(jīng)在汽車領(lǐng)域率先采用了管材脹形工藝。 進入21 世紀以來， 汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展給汽車零部件的生產(chǎn)提出了更高要求，汽車制造業(yè)不得不尋求新的道路、新的發(fā)展和新的技術(shù)。 在考慮到安全問題的前提下，越來越多的汽車產(chǎn)業(yè)追求減重、燃耗和成本的降低。 因此，作為實現(xiàn)該目標非常好的方法之一，管材脹形工藝得到廣泛的研究，并且取得了一定的成績。

本文利用DYNAFORM 軟件對LF2M 薄壁鋁合金管進行內(nèi)高壓成形的數(shù)值模擬，探討液壓成形三通管在不同摩擦系數(shù)下支管高度、壁厚差、最小壁厚及關(guān)鍵部位壁厚變化，觀察整體成形質(zhì)量，為之后的成形試驗奠定基礎(chǔ)。

1 三通管內(nèi)高壓成形原理

三通管內(nèi)高壓成形工藝以直管或者預變形的管坯作為預成形件，管件內(nèi)部壓力和兩端軸向進給的共同作用使管坯沿模具型腔發(fā)生塑性變形， 如圖1 所示。 其成形過程可分為3 個階段：

圖1 T 型三通管內(nèi)高壓成形原理

1） 成形初期，左右沖頭同時向中間進給，密封管坯兩端，進油孔快速往管坯里注水，進行增壓，同時左右沖頭推動管材，往中間進給補料；

2） 成形中期， 內(nèi)壓力和軸向進給量以一定的匹配關(guān)系使支管逐漸突出成形；

3） 成形后期，左右進給量逐漸減少，內(nèi)壓持續(xù)增加，直至支管達到一定高度，左右沖頭停止，穩(wěn)壓，試驗結(jié)束。

由于三通管是中間對稱零件，變形形狀復雜，并且成形支管高度必須能夠保證后期機械加工及焊接需求。而對于內(nèi)高壓成形三通管，影響因素較多，其中最重要的是管材與模具間的摩擦。若摩擦系數(shù)過大，則在成形時管坯材料流動性差，易起皺；若摩擦系數(shù)過小，則成形時管坯材料流動性好，易堆積。所以，在良好的匹配關(guān)系下，合理的摩擦系數(shù)更是成形出符合要求的三通管的關(guān)鍵。

2 有限元模型及模擬方案

本文采用三維軟件CATIA 進行三維模型圖繪制，其中，管坯直徑為32mm，厚度為1mm，長度為180mm，支管直徑為32mm，過渡圓角為4mm，模具與管坯之間間隙為0.1mm。如圖2（a）所示。三維模型包括5 個部分：型腔、頂缸、管坯、左沖頭、右沖頭。 導入到專業(yè)數(shù)值模擬分析軟件Dynaform 中構(gòu)建1/4 模型，如圖2（b）所示，模型由1355 個殼單元組成，其中包含1294 個四邊形單元，61 個三角形單元。 型腔、左右沖頭及頂缸設定為剛體。 管坯材料為防銹鋁合金（LF2M），材料參數(shù)見表1。

表1 材料和模型參數(shù)

圖2 三維模型及有限元模型

模擬中左、右沖頭進給總量為60mm，最大內(nèi)壓為20MPa，進給總時間為0.3s。在成形過程中，隨著補料的進行，內(nèi)壓持續(xù)增加。 圖3 為模擬過程匯總的內(nèi)壓隨時間變化曲線。 T 型三通管內(nèi)高壓成形時，在相同加載路徑下，對摩擦系數(shù)分別為0.2、0.15、0.125、0.1、0.06、0.01 進行模擬分析。

圖3 內(nèi)壓隨時間變化圖

3 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明：當其他量設為定量，只考慮摩擦系數(shù)的影響時，摩擦系數(shù)減小，支管高度逐漸增加，由于摩擦系數(shù)的降低，材料往支管型腔的補償量增加，支管高度隨之增加。 最大壁厚隨著摩擦系數(shù)的降低也逐漸降低， 由于摩擦系數(shù)的降低，材料的流動能力增強， 減少了直管處材料的堆積能力。然而從表中觀察到，摩擦系數(shù)過大或者過小，最小壁厚都相對較低，在摩擦系數(shù)為0.01 時，最小壁厚值最小。 從表2 結(jié)果分析各項參數(shù)，即摩擦系數(shù)為0.06時，支管高度較高，減薄率在20%以內(nèi)，且壁厚差值最小，為最理想狀態(tài)。

表2 不同摩擦系數(shù)模擬結(jié)果

不同摩擦系數(shù)模擬結(jié)果如圖4 所示。 由圖可知，管件最大壁厚隨著摩擦系數(shù)的降低逐漸降低；在直管區(qū)域，隨著摩擦系數(shù)的降低，壁厚分布越均勻。摩擦系數(shù)較大時， 壁厚呈現(xiàn)從直管中間開始向管端逐漸增加，層次分明；摩擦系數(shù)較小時，直管區(qū)域的壁厚云圖逐漸均勻，尤其在摩擦系數(shù)為0.06 時，可直管區(qū)域的云圖分布最為均勻。 當摩擦系數(shù)為0.2 時，管端部位的壁厚局部增厚明顯，而隨著摩擦系數(shù)的降低，逐漸趨于均勻。 這幾種不同摩擦系數(shù)的模擬差別非常大，說明摩擦是三通管內(nèi)高壓成形的重要影響因素之一。

圖4 不同摩擦系數(shù)模擬結(jié)果

分析在6 種不同摩擦系數(shù)下，三通管最小壁厚變化，如圖5 所示。從圖中可觀察到，摩擦系數(shù)為0.06~0.125 時， 最小壁厚在安全范圍內(nèi)。 分析模擬結(jié)果可知，摩擦系數(shù)過大或者過小都會導致最小壁厚超過安全區(qū)域。 當摩擦系數(shù)過大時，摩擦力阻礙了材料的補償量，導致支管頂部壁厚減薄并破裂；當摩擦系數(shù)過小時，發(fā)生過潤滑現(xiàn)象，材料沒有阻力，在兩端軸向加載下，直管區(qū)域很容易發(fā)生起皺、折疊，導致材料補償?shù)街Ч苓^少，使支管頂部壁厚減薄，從而破裂。 所以，摩擦系數(shù)是決定最小壁厚的關(guān)鍵因素。

圖5 不同摩擦系數(shù)下最小壁厚變化

圖6為整體液壓成形數(shù)值模擬過程中，支管頂部觀測點A、過渡圓角觀測點B 和直管底部觀測點C的壁厚隨時間的變化規(guī)律。從圖中可知，在液壓成形的初期和中期，觀測點A 處壁厚減薄，過渡圓角B 及直管底部C 點的壁厚增加。在成形后期，支管頂部A點壁厚趨于一個平均值；過渡圓角觀測點B 壁厚下降； 直管底部觀測點C 的壁厚增加較快。 在成形階段，支管頂部觀測點A 的壁厚逐漸減少，過渡圓角觀測點B 的壁厚減少但變化緩慢， 直管底部觀測點C處壁厚逐漸增加。

圖6 關(guān)鍵點壁厚隨時間變化規(guī)律

4 結(jié)論

摩擦系數(shù)決定支管高度、最大壁厚及最小壁厚。模擬結(jié)果顯示，過大或過小的摩擦都會影響三通管的成形。隨著摩擦系數(shù)的降低，支管高度增加，壁厚減小，但摩擦系數(shù)過小導致支管頂端減薄嚴重，易發(fā)生破裂。所以，摩擦是決定三通管內(nèi)高壓成形的關(guān)鍵因素之一，采用合適的摩擦環(huán)境、選取合適的摩擦系數(shù)能夠成形出合格的T 型三通管零件。