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博士学位论文汽车用异型截面臂件液压成形设备及工艺参数研究 摘要 管件液压成形工艺因具有减轻重量、节约材料、降低能耗、简化生产流程、降低 生产成本、表面质量高、机械性能好等优点，近年来已在欧洲，北美、日本、韩国等 国家的汽车、航天、航空、国防、化工、医疗等领域中得到了广泛的应用。但过高的 初期设备投资和苛刻的工艺条件使得这项被称为“贵族工艺”的技术在我国的发展步 履维艰。因此，加强低成本的液压成形设备特别是大吨位大工作台面液压成形设备的 研究，完善与之配套的材料制备、工艺设计准则制订等相关工作，对促进该项技术在 资源相对贫乏的我国实现产业化具有重要的意义。本文的主要内容如下： 结合国内的制造水平和加工能力，简要分析了柱梁式和板框式机架的优缺点，并 对大吨位管件液压成形设备所采用的预应力钢丝缠绕机架进行了可行性论证，继而给 出了克服预应力钢丝缠绕机架抗侧推能力较差的解决方案。在此基础上，先后完成了 设备合模机构的优化设计、超高压动密封结构和液压系统的设计、以及控制系统的设 计、建模与仿真等工作 利用金属塑性成形理论，通过解析的方式揭示了管坯外径、管坯初始厚度、管坯 与模具之间的初始接触长度、以及摩擦条件等参数对成形结果的影响规律。在此基础 上，建立了汽车仪表板粱液压成形的有限元模型，通过仿真分析，研究了直接成形和 分步成形、内压加载路径与轴向补料位移的匹配关系、摩擦条件、补料量等不同工艺 方案和主要工艺参数对成形结果的影响规律，提出了该类零件液压成形工艺方案设计 和工艺参数制订的准则。针对副车架等大型结构件成形工序多、成形困难、以及上道 工序对下道工序的影响较大等问题，文中建立了副车架预弯曲、预冲压和液压成形全 过程的有限元模型，通过数值方法研究了预弯曲、预冲压对液压成形的影响规律，给 出了该类零件的数值仿真精确建模、工艺方案设计和工艺参数制订的原则。 针对传统寻优方法的不足，文中提出了一种新的优化方法，即将基于精英保留非 劣排序遗传算法( n s g - i i ) 的多目标优化求解器与基于动态显式算法的有限元软件 l s _ d y n a 集成起来进行工艺参数的寻优方法在简要介绍n s g a - i i 算法原理及流程之 后，建立了加载路径和补料量的多目标优化模型，并进行了优化运算与传统寻优方 法所获得的结果相比，多目标优化所获得的结果更为理想，取得了较好的效果 在数值模拟及优化的基础上，以仪表板梁为例，通过试验对液压成形过程中的金 属变形机理展开研究，分析加载路径、补料量、摩擦条件等工艺参数对成形结果的影 响规律，并将试验结果与数值模拟结果进行对比分析，不仅证明通过仿真方法进行工 艺方案设计和工艺参数制订是可行的，还给出了仪表板梁工艺方案设计和工艺参数制 订的准则 博士学位论文汽车用异型截面管件液压成形设各及工艺参数研究 关键词：机被制造，汽车，异型截面管件，液压成形，工艺参数，数值模拟，多 目标优化 博士学位论文汽车用异型截面管件液压成形设备及工艺参数研究 a b s t r a c t a san e a r - n e ts h a p em e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g y , t u b eh y d r o f o r m i n g , c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lm a n u f a c t u r i n gv i as t a m p i n ga n dw e l d i n g , h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s l i g h t e n i n gw e i g h t , i m p r o v i n gm a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i o ，s t i n t i n ga 地r ：g y r e d u c i n go p e r a t i o n , p o t e n t i a l l ye c o n o m i z i n gt o o l i n gc o s t s , h n p r o v m gs u r f a c eq u a l i t y , e n h a n c i n gm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，a n ds oo i l i ne u r o p e ，n o r t ha m e r i c a , j a p a n , a n ds o u t hk o r e a , i th a sb e e n w i d e l yu s e di nt h e 丘e l d so fa u t o m o b i l e ，a e r o n a u t i c s ，a s t r o n a u t i c s ，n a t i o n a ld e f e n c e , c h e m i c a le n g i n c c r i n g m e d i c a la p p a r a u 塔d 【c t u b eh y d r o f o r m i n gi sl a b e l e da sa b l u e - b l o o d e dp r o c e s s ，b e c a u s ei tr e q u i r e sh i g hc o s to f e q u i p m e n ti n v e s t m e n ta n dr i g o r o u s p i d c 髓s ，w h i c hl e a di tt om o v ef o r w a r dd i f f i c u l t l yi no l l rc o u n t r y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h o nl o w - c o s t h y d r o f o r m i n ge q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l y l a r g e - t o n n a g e a n d l a r g e - o p e r a t i n g - p l a t f o r mh y d r o f o r m i n ge q u i p m e n t ss h o u l db es t r e n g t h e n e d c o r r e l a t i v e m a t e r i a l p r e p a r a t i o n a n dp r o c e s s d e s i g ng u i d e l i n e s s h o u l da l s ob ec o m p l e t e d s i m u l t a n e o u s l y a l l t h e s e w o r k s 鼬s t r a t e g i c a l l ym e a n i n g f u l f o r a c h i e v i n g i n d u s l z i a l i z a t l o n so ft u b eh y d r o f o r m i n gi n 吡c o u n t r y , w h e r en a t u r a lr e s o 嘲眦p o o r t h em a i nw o r ka n dc r e a t i v eh a r v e s t si nt h i sp a p e ri sl i s t e db l o w b a s e do nt h em a n u f a c t u r i n gl e v e la n dw o r k i n ga b i l i t yo fe q u i p m e n ta th o m e ，t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f f i a m e w o r k sw i t hb e a mc o l u m na n da l s ow i t hs h e e tf r a m e a r ei n u o d u c e db r i e f l y , a n dt h ef e a s i b i l i t yf o rt u b eh y d r o f o r m i n ge q u i p m e n tt oa d o p t p r e s 仃c s sw i r e - w i n d e df r a m e w o r ki sc o n f n m a c d t h es o l u t i o nt oi m p r o v et h er e s i s t a n c eo f p r e s t r e s sw i r e - w i n d e 戈lf i a m e w o r kt os i d et h r u s ti sa l s ob r o u g h tf o r w a r d s u b s e q u e n t l y , t h e c l a m p i n gs t r u c t u r eo fh y d r o f o r m i n gm a c h i n ei so l 蚯m 嘲a n du l t r ah i g hp r e s s u r es e a l s t r u c t u r ea n dh y d r a u l i cs y s t e mi sc a r e f u l l yd e s i g n e d i na d d i t i o n , d e s i g n , m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no f t h ec o n t r o ls y s t e m 辨c a r r i e do u t h y d r o f o r m i n gp r o c e s si sh e a v i l yi n f l u e n c e db yp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha s i n i t i a l o u t s i d ed i a m e t e ra n dt h i c k n e s so ft u b e ，i n i t i a lc o n t a c tl e n g t hb e t w e e nt u b ea n dd i e s ，a n d f r i c t i o nc o n d i t i o n s h e n c e ，i ti se s s e n t i a lt oa n a l y z et h ee f f e c tl a w s b a s e do nm e t a lp l a s t i c d e f o r m a t i o nt h e o r i e s ，锄l 徊c a le q u a t i o n s 瓣b u i l ta n dt h el a w s 黜o b t a i n e d t h ee q u a t i o n o nr e l a t i o n s h i pb d 呻嗍s t r e s sa n dm a i nu n d e rp l a s t i cs t a t ei sb u i l tu s i n gl e v y - m i s e s s y i e l dc r i t e r i o n b yt a 虹n ge x p a n s i o nr e g i o na si n s t a n c e ，v a r i a t i o n so fs 缸e s s , s t r a i na n dt u b e d i m e n s i o nu n d e rd i f f e r e n ti n m m a lh y d r a u l i cp r e s s u r e sa n da x i a ll o a d sa 托d i s c u s s e d a m a i n ga tt h ep r o b l e m sc o m i n gf r o mg e o m e t r i c a ln o n l i n e a r t y , m a t e r i a ln o n l i n e a r i t ya n d m 博士学位论文汽车用异型截面管件液压成形设备及工艺参数研究 b o u n d a r yc o n d i t i o nn o n l i n e a r i t yi nm b eh y d r o f o r m i n gp r o c e s s ，n o n l i n e a rg e o m e 仃i c a l e q u a t i o na n dc o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fe l a s t o p l a s t i c m a t e r i a la r ed e r i v e d , a n dc o n t a c t a l g o r i t h ma n df r i c t i o nm o d e lu s e di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ca l s oi n t r o d u c e db r i e f l y , a n d s u b s e q u e n t l yt h ed y n a m i ce x p l i c i ta p 印o hu s e df o rh y d r o f o r m i n gp r o c e s sa n a l y s i sa n d t h es t a t i ci m p l i c i tf e au s e df o rs p r i n gb a c ka n a l y s i sa r ca n a l y z e d i n s m z m e n tp a n e lb e a m a n ds u bj a m ca t a k e na st h ec 啦t op e r f o r mt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so f h y d r o f o r m i n gp r o c e s s e f f e c tl a w so fp r o c e s sp l a n n i n ga n dp a r a m e t e r s ，s u c ha so d o s t e p f o r m i n ga n dm u l t i - s t e pf o r m i n g ，l o a d i n gp a l h s ( i n t e r n a lh y d r a u l i cp r e s s u r ev i at i m ea n d a x i a lf e e d i n gd i s p l a c e m e n tv i at i m e ) ，f r i c t i o nc o n d i t i o n s ，f e e d i n ga m o u n t , a n dm a t e r i a l p r o p e r t i e se t c ，o nf o r m i n gr e s u l t sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d i no r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fc o n v e n t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，t h i s p a p e rp r e s e n t s an c wo p t i m i z a t i o nm e t h o dt os e e ko p t i m a lh y d r o f o r m i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s ，w h i c hi n t e g r a t e sd y n a m i ce x p l i c i tf e m i n t om n l t i p l e - o b j e e t i v eo p t i m i z a t i o n s o l v e rb a s e d0 1 1e l i t i s tn o n d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m 科s o a - i d u s i n gt h e m e t h o d , t h ef e e d i n ga m o u n ta n dl o a d i n gp a t h so fi n s t r u m e n tp a n e lb e a mh y d r o f o r m i n g p r o c e s si so p t i m i z e d t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t so b t a i n e db yt h i sm e t h o da r eb e t t e rt h a nt h e r e s u l t so b t a i n e db yt h et r i a l - a n d - o r r o ra p p r o a c hf z o mc x p c i i e n o eo re x p e r i m e n t a ls t u d i e s i n a d d i t i o n s o m cp a r c t or e s u l t smo b t a i n ( 缸b y 邝枷1 i i 培s i m u l a t i o np r o g r a m 砒at i m e ，a n d w h i c ho f f e raw i d e rc h o i c ef o r p r o c e s sp a r a m e t e rd e s i g na n dd e s i g n e r sd e c i s i o n - m a k i n g t ov a l i d a t et h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nr o s n l t s 。as e r i e so f e x p e r i m e n t sa b o u ti n s t r u m e n tp a n e lb e a ma p e r f o r m e d f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 。 8 0 m cl a w sa r eo b t a i n e d , t h a th y d r o f o r m i n gp r o c e s si si n f l u e n c e db yp r o c e s sp a r a m e t e r s s u c ha sl o a d i n gp a t h s , a x i a lf e e d i n gm o u n t , a n df r i c t i o nc o n d i t i o n s t h er e s u l t sf r o m e x p e r i m e n t sa c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t s 丘o mt h ef e as i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n f i n a l l y ，d e s i g ng u i d e l i n e so f p r o c e s sp a r a m e t e ra r eg i v e n k c y w o r d s ：m a c h i n em a n u f a c t m i n g , a u t o m o b i l e ，p r o f i l e d c r o s s - s e c t i o nt u b o ， h y d r o f o r m i n g ，p r o c e s sp a r a m e t e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 伽缉珀加 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 驴 细 举 博士学位论文 汽车用异型截面管件液压成形设备及工艺参数研究 ，1 引言 l 绪论 随着汽车、航空，航天等工业的不断发展，轻量化结构以节省材料、降低能耗和 减轻污染等显得日益重要，并成为现代制造技术的发展方向之一而实现结构轻量化 有两条主要途径“埘：一是采用轻体材料，如铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料、复 合材料等；二是采用全新的设计理念和方法并开发与之相适应的的生产工艺，如以空 心变截面构件代替实心构件，既可减轻重量又可充分利用材料的强度和刚度。两者比 较而言，后者显然具有更好的发展前景在工业需求的驱动下，作为加工空心变截面 构件的管件液压成形工艺应运而生并日益受到关注同时，两个方面关键技术的突破 又促进了该技术的快速发展啪：一是超高压动密封技术，通过精心选择、合理设计密 封结构形式，完全能实现生产条件下4 0 0 6 0 0 9 p a ，特殊场合1 5 0 0 m p a 超高压的稳定 密封；二是超高压计算机控制技术，随着控制理论和计算机技术的不断发展和完善， 完全能实现对给定加载曲线高精度的跟踪。当前，管件液压成形技术已成为金属塑性 成形加工领域研究的前沿和热点，并在欧溯，北美、日本、韩国等国家的大型企业中 得到了广泛的应用州嘲 1 2 管件液压成形工艺特点及应用 i 2 1 管件液压成形工艺原理( 如图i 2 1 所示) 管件液压成形又称内高压成形( i n m 卫a lh i g hp r e s s u r ef o n m n g ) m ，是在传统液 图1 2 1 管件液压成形原理示意图 f i b1 2 。ls c h e m a t i cd i a g r 衄o ft u b eh y d r o f o r m i n gp r i n c i p l e 1 绪论 博士学位论文 压胀形工艺的基础上发展起来的一种先进的现代塑性加工技术，它以金属管材为毛 坯，借助专用设备向密封的管坯内注入液体介质，使其产生高压，同时还在管坯的两 端施加轴向推力，进行补料，在两种外力的作用下，管坯材料发生塑性变形，并最终 与模具型腔内壁贴合，得到形状与精度均符合技术要求的中空零件。 1 2 2 管件液压成形工艺的优缺点 以排气系统为例( 如图1 2 2 ) ，与传统的冲压焊接工艺相比，管件液压成形工艺具 有以下优点啪岫1 ：减轻零件重量，节约材料；提高零件的强度和两度，特别是疲 劳强度；减少零件数量，节约模具成本；零件整体成形，可减少后续机械加工和 组装焊接量，简化生产流程，提高生产效率；提高加工精度，减少装配误差积累， 可提高产品质量；降低生产成本；能改善管件内的气体流动特性；结构形状设 计更趋灵活、优化。当然，它的缺点也非常明显：初期投资较大。液压成形过程复 杂，需要有专用设备，因此，无论是购进新的专用设备还是在原来设备上进行改造， 均需要较大的初期资金投入。生产效率较低。成形过程中存在合模、充液、加压、 保压以及成形后的卸压、分模等动作，所需时阔远较冲压成形过程长，单位时间内加 工的零件数量相对较少。加工工艺条件苛刻，模具和工艺参数的设计准则几乎是空 白尽管液压成形工艺在汽车等行业上的大规模应用已有十多年历史，但由于成形过 程复杂，影响因素众多，加之相关公司将已取得的经验作为技术秘密而未公布，市场 上缺乏较为系统、详细，可行的模具和工艺参数的设计准则。 2 c a ) 冲压焊接工艺 c a ) s t a m p i n g 觚dw e l d i n gp 鹞 ( b ) 液压成形工艺 图1 2 2 捧气系统 ( b ) t u b eh y d r o f o r m i n gp r o c e s s f i g1 2 2e x h a u s ts y s t e m 1 2 3 管件液压成形工艺的适用范围n 町m 1 管件液压成形工艺非常适用于制造沿构件轴线变化的具有圆形、矩形或异型截面 的空心构件( 如图1 2 3 所示) ，可广泛应用于航空航天、汽车、国防、化工、医疗、 厨房卫生用具等行业。当前，该工艺在汽车行业中的应用范围最广，程度最深，表 1 2 1 给出了管件液压成形工艺在汽车各个总成上的具体的应用实例。图1 2 4 是利用 该工艺加工的部分零部件。 表1 2 1 液压成形工艺在汽车行业的应用实例 t a b l el2 1a p p l i e de x a m p l e so ft u b eb y d r o f o r m i n gp r o c e s si nm o t o rd o m 系统名称 应用实例 发动机 凸轮轴、曲轴、排气歧管、催化转化器等 副车架、发动机托架、梯形架，保险杠、车架纵粱、横粱、散热器壳、 厩噩 后桥壳、转向管柱、操纵杆、控制臂、管接头等 仪表板粱、座椅框架、车顶纵梁、横粱、a 立柱、b 立柱、c 立柱、空 间骨架、挡风玻璃支架等 图1 2 3 构件及截面形状 f i g1 2 3p r o d u c t i o n p m l t o t y p cs h a p e s 图1 2 4 液压成形工艺在工业上的应用实例 图1 2 4a p p l i e de x a m p l e so ft u b eh y d r o f o r m i n gp r o c e s si ni n d u s t r y 3 1 绪论博士学位论文 1 2 4 适用于管件液压成形工艺的材料 管件液压成形工艺的适用材料包括碳钢、不锈钢、铝合金，铜合金及镍合金等， 原则上适用于冷成形的材料均适用于管件液压成形工艺“。 1 3 管件液压成形工艺的发展历程、研究现状以及发展趋势 1 3 1 国外的发展历程和研究现状 1 3 1 1 管件液压成形机理分析及试验研究 管件液压成形工艺的理论研究可以追濒烈2 0 世纪4 0 年代。d v a i s 率先对内压和 轴向拉伸加载共同作用下的中碳钢的屈服和开裂特征展开了研究“”进入5 0 年代， 学者们的研究对象主要是厚壁圆筒，例如f a u p e l 对厚壁圆筒的屈服行为和开裂现象 进行了理论分析和实验研究“q ，c r o s s l a n d 等讨论了内压和轴向载荷作用下厚壁圆筒 的强度问题“” 转到6 0 年代，关于薄壁圆筒的理论分析和试验研究越来越多。例如m e l l o r 分析 了在液静压作用下薄壁壳和环形模板的极限强度问题“”，w i 1 对有限长度的薄壁圆 筒的拉伸失稳问题展开了研究删。k e e l e r 和b a c k o f e n 初步绘制出了t 形管件成形极 限圉，f 1 砧h s 则对液静压作用下铜管的胀形和翻边进行了实验研究“町，此后，利用 内压和轴向进给加工t 形管件和多分支管件( 如自行车车架连接头等) 的实验成果陆 续发表。 步入7 0 年代，对管件液压成形工艺的研究从多个方面展开，既有理论分析又有 试验研究。研究的对象涉及到管件形状、材料、成形介质等，分析手段更加丰富，复 杂的解析方法和数值方法陆续被采纳。；例如a i - q u l e s h i 通过实验对比分析聚亚安酪、 橡胶、人造橡胶等成形介质对薄壁圆筒成形过程的影响o ”；w o o 采用有限差分法 对内压和轴向力共同作用下的管件成形进行了研究嘲：l i m b 等以铜、铝、低碳钢、 黄铜等材料进行实验，探讨不同材料对液压成形过程的影响嘲：w o o 和l u a 采用h i l l 的塑性各向异性理论，研究材料的各向异性特性对成形过程的影响，并与实验结果进 行了对比分析。 迈向8 0 年代，对管件液压成形的理论研究达到了高潮，塑性增量理论、薄膜理 论和新的数值方法相继出现并被运用到理论研究中。例如m a n a b e 等利用计算机控制 内压和轴向迸给，分析按线性和非线性两种加载方式对铝管的变形行为和成形极限的 4 博士学位论文汽车甩异型截面管件渡压成形设各及工艺参数研究 影响嘲嘲1 ；f u e h i z a w a 等对管件自由胀形进行了大量的试验研究，详细讨论了有模和 无模约束下的材料成形特征，并以形变理论和h i l l 的塑性各向异性理论为基础，运用 塑性增量理论和薄膜理论分析了材科应交硬化指数r t 和各向异性值，对变形行为的影 响脚姗。得益于基础理论研究的大幅度进展，部分非轴对称零件成了研究对象跚埘， 甚至还用液压成形工艺制造出了差速器箱体咖 跨进9 0 年代，管件液压成形的实验研究和理论分析日趋成熟，在各种国际期刊 上发表的论文数量也越来越多。f u c h i z a w a 等通过液压胀形实验获取了薄壁管材的应 力一应变关系曲线，并讨论了有模情况下的液力胀形过程中的金属管件的交形行为以 及铝合金管件在内压和轴向进给作用下的变形行为。鲫；o r a l 和h o s f o r d 则给出了 铝合金的成形曲线嘲；t h i m v a r u d c h e l v a u 等研究了在与内压成线性比例的轴向进给和 内压共同作用下的管件液压成形，并以聚氨酯作为成形介质，对管件成形过程中的初 始屈服条件以及铝管成形工艺展开了理论研究啪卜1 ；s h a g 和1 b n 曲a i 首次在成形 过程中采用反作用力，以聚亚安酯作为成形介质，在轴向压力作用下加工t 形件，并 运用上边界法预测总的成形载荷嘲；t 曲o s h 等分析了内压和轴向载荷对管件扩张的影 响，认为在试验中采用较短的管件可避免开裂、屈曲等成形缺陷删；l i u 等在研究成 形极限准则过程中证实当管壁减薄率超过应变硬化指数以后，颈缩和开裂现象将会发 生 回到当前。管件液压成形工艺的研究工作逐渐向广度和深度方向发展。t t r o s h 等 通过实验和解析方法研究了成形过程中的起皱和开裂现象，揭示了成形缺陷的形成机 理阍；s o k o l o w s k i 等采用新的测试方法用来判定管材的流动应力：p r a s o o d y 等对挤 压铝管进行实验研究，以测定铝材的成形极限图和工艺范畴“4 ；m a n a b e 等对不同加 载路径对成形能力和胀形极限的影响进行了研究，提出了新的评价指标一应变率因子 m ( 轴向应力周向应力) ，当m 值趋近于0 时，成形极限可以达到最大洲；n e f u s s i 等基 于两种不同的s w i f t 准则，对液压成形过程中的塑性失稳进行了研究，分析了各向同 性材料的液压成形极限和独立的轴向进给问题，指出在仅考虑轴向进给的情况下，届 益明显先于塑性失稳发生删；s h i r a y o r i 等为了研究初始管坯缺陷对最后成形结果的影 响，对周向厚度不均匀的管坯进行自由胀形实验，发现随着偏离角度的增大，管坯膨 胀和开裂的位置离管轴线中心上最薄的点越近嗍；k i m 等基于颈缩扩散塑性失稳理论 对管件液压成形过程中的开裂现象进行了预测，指出塑性失稳能力随着应变硬化指数 一的减少、塑性各向异性指数，和强度因子置的增加而降低哪! ；j a n s s o n 等针对铝合金 材料的各向异性特性以及成形过程中的双向应力状态，改进了铝合金材料的本构模 型，并通过试验得到验证嘲；m i c h a e l 等则针对铝合金材料成形能力较差的特点，在 试验中通过加热来提高成形过程中的温度，分析在较高温度下铝合金材料的成形特 性，并制出样件卿。 ， 1 绪论博士学位论文 另外，为了加工更加复杂的中空管件( 如汽车副车架等) 所进行的预弯曲、预冲 压以及预成形对液压成形的影响也是当前研究的热点。a h m e d 等对圆形截面成形为方 形截面的管件预弯与液压成形过程进行了研究“1 ；l i u 对十字形构件梁整个加工工艺 过程展开了分析，探讨前后工序间的相互影响“”；y a n g 等以汽车转向拉杆为对象， 对预弯曲和液压成形的全过程进行了分析，指出弯曲半径、芯棒等对管件弯曲质量影 响明显，并对不同的预弯加工方法进行了比较分析嗍；l e e 等则对汽车发动机散热器 支架的预弯曲、预冲压和液压成形进行了实验研究嘟1 ；h w a n g 等对直接成形和先冲压 后成形两种工艺方法进行了比较分析嘲嘲；l r i s t o f f e r 则模拟轿车a 柱的预弯曲、 预冲压和液压成形全过程，仿真结果与实验比较表明要获得更为精确的成形结果必须 考虑预成形的影响删：a s n a f i 等以挤压铝为材料，完成了汽车边梁构件的预弯、预冲 压和液压成形的实验工作，并将实验结果与数值仿真结果进行了比较分析m 1 由于管件液压成形工艺是当前塑性加工研究的前沿和热点之一，关于液压成形机 理( 如加热成形、高强度合金钢成形、铝合金成形等) 、试验方案设计、失败模式预 测、预弯和预冲压对成形结果的影响等方面的研究成果非常多，在此不再赘述洲。 1 3 1 2 管件液压成形设备与工艺 管件液压成形设备最早出现是在2 0 世纪初，1 9 0 3 年。美国人p a r k 设计了用来加 工蒸汽锅炉冷凝管的成形设备并申请了专利册，如图1 3 1 ( a ) 所示不过，该设 备所采用的成形介质不是水和油等，而是熔化的铅之后，f o s t e r 和d a v i e s 相继提出 了制造乐器中改进铜管弯曲的工艺和加工假肢的工艺踟。 1 9 4 0 年，g r a y 开发了加工t 形铜管的设备和工艺，并申请了专利。如图1 3 1 ( b ) 所示。该设备基于体积不变理论，通过低压下的轴向进绘抬高管坯内压使其成 形，工艺相对简单，因此，该技术很快用来加工具有支管之类的零件，如排气歧管等。 6 图1 3 1 早期的成形设备 f i g1 3 ，1 硼m i e v ef o r m i n ge q u i p r m - n t s 博士学位论文汽车用异型截面管件液压成形设备及工艺参数研究 在5 0 7 0 年代期间，管件液压成形新的加工工艺和方法不断涌现k e a m s 认为 借助液体高压成形中空的变截面的飞机螺旋桨叶片有助于减轻叶片的重量和提高叶 片的刚度，并申请了专利咖；g a r v i n 发明了采用中空钢管通过管坯端部沿轴向补料加 工凸轮轴的方法嘲；o g u r a 开发了多种工艺，用来加工无缝t 形管件、多分支管接头 ( 如自行车架接头) 等。”；随后，f u c h s 设计了新的设备和工艺，用来加工日常用品 m 】 o 进入8 0 年代后，管件液压成形技术的发展日新月异，各种新的工艺层出不穷。 v a i l - f o r m 公司先后发明了加工大型框架类零件、提高加工精度、压力顺序液压成形 等的工艺和方法嘲嘲；h y d r o d y n a m i c 技术公司申请了利用轴向补料提高成形能力、 液力穿孔、压模弯曲等工艺的专利。；通用汽车公司开发了在单个模具内采用多 个不同直径、不同厚度的管坯使其成形为整体框架的工艺，并申请了专利岫1 。 目前，国际上能够提供管件液压成形成套技术与设备的制造商多数集中在欧洲和 北美，其中，以德国舒勒公司和s p s 公司、瑞典a p & t 公司、美国i t ci i t e r l a k e n 技 术公司和h y d r o d y n a m i c s 技术公司为主要代表。市场上现有设备的结构、布置形式、 规格、锁模方式、功能、自动化程度等相关技术资料详见表1 3 1 图1 3 2 展示的是 两款极具特色的管件液压成形设备，图( a ) 所示液压机的两个活塞既可单独工作， 又可协同工作，在提高效率的同时，又具有极大的灵活性；图( b ) 所示液压机采用 模块式设计，既可分拆成两个液压机，还可根据需要继续组合交成更大吨位的液压机， 可满足不同条件下的生产加工嘲。 表1 3 1 成形设备的技术资料 t a b l e1 3 1t e c h n i c a ld a t ao f e q u i p m e n t 类别内容 合模力最高可达5 0 0 0 0 t ，系统压力最高可达1 5 0 0 m p a ，生 规格 产的零件长度可达1 3 m 功能生产型、科研试验型以及混合型 柱粱式( 如二粱二柱、三粱三柱、三粱四柱等) 和框架式( 如 钢丝缠绕型、钢板焊接型等) 布置形式立式和卧式 锁模方式液力锁模和机械锁摸 自动化程度手动、自动和半自动 7 l 绪论博士学位论文 ( a ) 双活塞液压机 ( b ) 模块式液压机 图1 3 2 管件液压成形设备 ( a ) d o u b l e * r a mp r e 3 s ( b ) m o d u l a rp r e s s f i g1 3 2t u b eh y d r o f o r m i n ge q u i p m e n t 1 3 1 3 管件液压成形中的摩擦与润滑 与其它金属冷加工成形工艺一样，摩擦条件直接影响到液压成形管坯材料的流动 特性，因此，无论是最初的产品设计，工艺参数确定，还是解析计算亦或成形仿真， 都必须充分考虑摩擦的影响。根据接触部位应力、滑动速度以及应力一应变状态等因 素的不同，通常将管坯与模具间的摩擦分为3 个区：即导向区、过渡区和胀形区嘲， 如图1 3 3 所示。成形过程中各工艺参数在不同摩擦区内的变化如表1 3 2 所示 图1 3 3 不同接触区域的摩擦状况嘲 f i g1 3 3f r i c t i o nc o n d i t i o n s8 td i f f e r e n tc o n t a c tl o c a t i o n s 表1 3 2 各工艺参数在不同摩擦区内的变化 t a b l e1 3 2p r o c e s sv a r i 曲l e sa tt h r e ef r i c t i o nz o n e s 博士学位论文汽车用异型截面管件液压成形设备及工艺参数研究 显然，不同摩擦区的摩擦条件是不一样的，因此，为了准确地测定各个摩擦区域 的摩擦系数。需要制定不同的试验方案。德国的p a d e r b o r h 大学和d a r m s t a d t 大学以及 美国的e r c n s m 中心己经设计了专用设备用于典型工况下摩擦力及摩擦系数的测 定。图1 3 4 所示的是e r c n s m 中心设计的专用测试设备，图( a ) 、图( b ) 和图( c ) 可分别用来测试导向区、过渡区和胀形区的摩擦系数。 图1 3 4 专用摩擦测试设备嘲 f i g | 3 4 a p p a r a l u s f o r l u b r i c a t i o n t e s t i n d i f f e m n t f r i c t i o n z o r i e s 摩擦对管坯成形的影响可以分为3 个方面嘲：影响管端的顺利补料；影响胀 形区板料的自由移动；对表面质量的影响为使管件能顺利成形，必须减小管坯与 模具之间摩擦的影响，其途径有- - 提高管坯外表面和模具型腔内表面的光洁度： 在模具与管坯有相对运动的部位喷涂润滑剂试验表明，相同的润滑剂在不同摩擦 区的表现迥异，如在导向区表现很好的润滑剂在扩张区表现很差，反之，亦然嘲总 的来说，含油润滑可明显减小导向区的摩擦系数，而干膜润滑对过渡区和胀形区摩擦 条件的改善作用明显嗍咖 1 3 1 4 管件液压成形过程数值仿真 管件液压成形过程复杂，影响因素众多( 如管坯尺寸参数和材料力学性能参数、 模具尺寸参数、管坯预模具之间的摩擦与润滑、加载路径等) ，不易确定最优控制参 数。并且成形过程是在模具内部进行，试验获取的只是成形结果，无法对零件的成形 过程进行实时研究。而数值模拟技术能准确地反映液压成形过程，预报成形缺陷，显 示工件贴模与成形情况，给出壁厚、应力应变分布，适当调整还可获得最佳的加载曲 线，以及优化模具与管件的尺寸和形状参数等。因此，自9 0 年代以来，在冲压、焊接 等工艺方面日趋成熟的数值模拟技术被迅速应用到了液压成形工艺的研究上，成效显 著，并演变成为液压成形工艺的标准分析工具。当前，国内外应用较为普遍的商业软 件有l s 嗍 ，m a r c ，p a m - s t a m p 。a b a q u s ，a u t o f o r m , 洲a f o 融d e f o 踊等等，已从 9 i 绪论 博士学位论文 早期的一维、二维扩展到现在的三维，由求解线性问题进展到分析非线性问题，可供 选择的材料模型丰富、单元类型众