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济南大学硕t 学位论文 基于内高压成形的液压冲孔数值模拟 摘要 由于燃料和原材料成本原因以及环保法规对废气排放的严格限制，使得汽车结构 的轻量化显得日益重要，内高压成形工艺就是在这样的背景下发展起来的一种管类零 件液压成形新技术。采用内高压成形工艺制造的空心截面结构件具有质量轻、刚度好、 零件数量少、可减少后续加工，以及成本低等优点。近年来，德国、美国、日本等国 已将内高压成形技术应用于汽车、航空等制造领域，产生了良好的社会及经济效益。 液压冲孔则是在内高压成形技术日趋成熟的基础上发展起来的一项管类零件冲孔新 工艺，它是利用高压液体介质为管件提供背压，用以代替金属材质的凹模或冲头，完 成冲裁工艺。目前，随着内高压成形工艺的日益普及，液压冲孔工艺也已引起了国内 外学者的密切关注，并对其开展了实验和应用研究。但是，在理论研究领域，有关液 压冲孔变形机理及工艺参数影响规律的研究尚未见报道。 液压冲孔是一个复杂的塑性加工过程，具有明显的物理非线性和几何非线性的大 变形特征。本文采用非线性有限元分析软件m a r c ，通过建立典型管类零件液压冲 孔的三维分析模型，对液压冲孔工艺进行了数值模拟和分析，获得了液压冲孔时主变 形区内的应力、应变分布及变形的变化规律。研究发现，在液压冲孔时，不论是采用 液体凸模还是液体凹模模式，裂纹都是从板材表面单侧发生并向另一侧扩展。与传统 冲孔工艺相比，塑性变形区的面积较大，存在着应力中性层，具有显著的塑性弯曲变 形的特征。 基于以上对典型管类零件液压冲孔变形机理的研究，本文提出了管类零件液压冲 孔成形质量的评价标准。利用正交试验设计原理，采用数值分析的方法，对影响液压 冲孔工艺成形质量的四个主要因素进行了分析：液体压力、冲头刃口圆角、管坯壁厚、 材料力学性能。在对每一个方案均进行有限元分析的基础上，获得了塌陷宽度和光亮 带深度在不同工艺参数下的变化趋势。结果表明，随着液体压力的增大，塌陷宽度变 小，光亮带深度变大；随着管坯壁厚和冲头直径的增加，塌陷宽度明显增大；冲头刃 口圆角对成形质量的影响程度较小。根据液压冲孔成形质量的评价标准，得到了各因 素对液压冲孔质量的影响规律，并获得了优选方案。 摹f 内廓件成彤的液件冲f l 致值模拟 本文通过分析金属管材液压冲孔工艺的变形机理，并对其工艺参数影响规律进行 研究，深化了对该项技术的认识，可缩短液压冲孔过程的工艺实验周期，提高生产效 率和产品质量，对于今后该项技术在我国的推广应用具有一定的指导意义和参考价 值，促进了我国汽车结构轻量化的进一步发展。 关键词：液压冲孔；内高压成形；数值模拟；有限元：正交试验 济南大学硕t 学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nh y d r o p i e r c i n gp r o c e s s b a s e do ni n t e r n a lh i g hp r e s s u r ef o r m i n g a b s t r a c t o w i n gt o t h ec o s ti n c r e a s i n go ff u e la n dr a wm a t e r i a l ，a sw e l la ss t r i c tl i m i to f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nl a w sa n dr e g u l a t i o n st ot h ee x h a u s tg a sd i s c h a r g i n g , t h e l i g h t w e i g h ts t r u c t u r eo ft h ea u t o m o b i l ei sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t i n t e r n a lh i g h p r e s s u r ef o r m i n g , a s an e wt u b u l a rc o m p o n e n t sh y d r o f o r m i n gt e c h n o l o g y , h a sb e e n d e v e l o p i n gu n d e rs u c hab a c k g r o u n d t h eh o l l o wc t o s s s e c t i o nc o m p o n e n t sm a n u f a c t u r e d b yt h i sn e wt e c h n o l o g yh a v em a n ya d v a n t a g e s , s u c ha sl i g h t w e i g h t ，h i g hs t i f f n e s s , f e w e r p a r t s ，r e d u c t i o no fs u b s e q u e n th a n d l i n gp r o c e s sa n dl o w e rc o s t ，e t c i nr e c e n ty e a r s ，t h i s n e wt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dt oa u t o m o t i v ea n da v i a t i o ni n d u s t r i e sa sw e l la so t h e r m a n u f a c t u r i n gf i e l d si nm a n yc o u n t r i e si n c l u d i n gg e r m a n y , t h e u n i t e ds t a t e sa n dj a p a n i t a l s o y i c l d sg o o d s o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s h y d r o p i e r c i n g , a san e wh o l e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo ft u b u l a rc o m p o n e n t sh a sd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h e m a t u r i t yo ft h ei n t e r n a lh i g hp r e s s u r ef o r m i n g h y d r o p i e r c i n gp r o c e s sw i t hl l i g hp r e s s u r e l i q u i dp r o v i d e sb a c k - p r e s s u r ea n dt a k e st h ep l a c eo ft h em e t a ld i eo rp u n c h c u r r e n t l y ， a l o n gw i t ht h eh y d r o f o r m i n gc r a f td a i l yp o p u l a r i z a t i o n ，h y d r o p i e r c i n gt e c h n o l o g yh a s a t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o no ft h es c h o l a r sa n de n g i n e e r si nd o m e s t i ca n df o r e i g n c o u n t r i e s a tt h es a m et i m e ，e x p e r i m e n t a la n da p p l i c a t i o ns t u d i e sh a v eb e e nm a d e h o w e v e r , t h eu e wr e p o r t so ft h e o r e t i c a l s t u d i e so ni t sd e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n d i n f l u e n c er e g u l a r i t yo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sh a v en o tb e e nr e p o r t e d h y d r o p i e r c i n gi sac o m p l i c a t e dp l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt h a th a s c h a r a c t e r i s t i c so fo b v i o u sp h y s i c a la n dg e o m e t r i c a ln o n l i n e a r i t ya n dl a r g ed e f o r m a t i o n i n t h i s t h e s i s ，t h en o n l i n e a r f e ms o f t w a r em a r ci s e m p l o y e d b ye s t a b l i s h i n g t h r e e d i m e n s i o n a l a n a l y t i c m o d e l so ft y p i c a lt u b u l a rc o m p o n e n t sm a n u f a c t u r e db y h y d r o p i e r c i n gp r o c e s s ，t h ed i s t r i b u t i o n sa n dv a r i a t i o nr e g u l a r i t y o fs t r e s s ，s t r a i na n d d e f o r m a t i o ni nt h ep r i n c i p a ld e f o r m a t i o na r e aa r eo b t a i n e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n n l 摹f 内高件成形的液件仲孔数值模拟 a n da n a l y s e s d u r i n gh y d r o p i e r c i n g , t h ec r a c k sh a p p e na n de x p a n df r o mo n e - s i d e ds u r f a c e o ft h es h e e tw h e t h e ra d o p t i n gl i q u i dm a l ed i eo rl i q u i df e m a l ed i e c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lh o l ep u n c h i n gt e c h n o l o g y ，p l a s t i c a l l yd e f o r m i n ga r e ai sm u c hl a r g e r a n dt h e r e i sas t r e s sn e u t r a ll a y e ra n do b v i o u sb e n d i n gd e f o r m a t i o nb e h a v i o f a c c o r d i n gt o t h ea b o v es t u d i e so nt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft y p i c a lt u b u l a r c o m p o n e n t sh y d r o p i e r c i n g , t h i st h e s i sp r o p o s e sq u a l i t ye v a l u a t i o nc r i t e r i a 、m t ht h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lp r o g r a m m ea n dn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ，t h ea u t h o ra n a l y s e s t h ef o l l o w i n gf o u rp r i m a r yf a c t o r sa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fh y d r o p i e r c i n g ：t h eh y d r a u l i c p r e s s u r e ，t h ef i l l e to fp u n c h ，t h et h i c k n e s so ft u b e a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l s o nt h eb a s i so ff e mt oe a c hp r o g r a m m e ，t h ea u t h o ro b t a i n e dt h ev a r i a t i o n t e n d e n c yo ft h ew i d t ho fc o l l a p s ea r e aa n dt h ed e p t ho fl i g h t - z o n e t h cr e s u r ss h o w 也a t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eh y d r a u l i cp r e s s u r e ，t h ew i d t ho fc o h a p s ea r e an a r r o w sa n dt h e d e p t ho fl i g h t z o n ee x p a n d s t h ew i d t ho fc o l l a p s ea r e ae n l a r g e so b v i o u s l yw i t ht h e i n c r e a s i n go ft h et h i c k n e s so ft u b ea n dp u n c hd i a m e t e r 1 飞em l c to fp u n c he x e r t sw e e k i n f l u e n c eo nf o r m i n gq u a l i t y o nt h eg r o u n do ft h eh y d r o p i e r c i n gq u a l i t ye v a l u a t i o n c r i t e r i a , i n f l u e n c er e g u l a r i t i e so ft h ef o u rf a c t o r sw o r k i n go nt h ef o r m i n gq u a l i t ya r e o b t a i n e da n dt h eo p t i m i z e dp r o g r a m m e ri sd e t e r m i n e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h ev a r i a t i o nm e c h a n i s mo fm e t a lt u b u l a rh y d r o p i e r c i n g t e c h n o l o g ya n dt h es t u d i e so nt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t h ea u t h o ra c q u i r e sam 0 c o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go nt h en e wt e c h n o l o g y b ym e a n so fw h i c h ，t h e t e s t p e r i o d i c i t yo fh y d r o p i e r c i n gp r o c e d u r e sc o u l db es h o r t e n e d ，o p e r a t i n ge f f i c i e n c ya n d p r o d u c tq u a l i t yc o u l db eo b v i o u s l yi m p r o v e da sw e l l t h cp r e s e n ts t u d yi ss i g n i f i c a n ti n g u i d i n gt h ef u r t h e rr e s e a r c h e sa n dp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h el i g h t w e i g h to f a u t o m o b i l es t r u c t u r e s k e yw o r d s ：h y d r o p i e r c i n g ；i n t e r n a lh i g hp r e s s u r ef o r m i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f e m ； o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：虚莨上犁 e t期：j 墅1 2 二业 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：隧翊f 导师签名：丝日期： 第一章绪论 管类零件内高压成形工艺的出现可追溯到2 0 世纪9 0 年代，由于燃料和原材料成 本原因及环保法规对废气排放的严格限制，使得汽车结构的轻量化显得e t 益重要。除 了采用轻体材料外，减重的另一个主要途径就是在零件结构上采用“以空代实”，即 对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构既可以减轻重量节约材料，又 可以充分利用材料的强度和刚度。管类零件内高压成形工艺正是在这样的背景下开发 出来的一种空心轻体零件的先进制造技术f l q l 采用内高压成形技术制造的空心截面 结构零件具有质量轻、刚度好、零件数量少、可减少后续加工，以及成本低等优点。 近年来，德国、美国及日本等国已将内高压成形技术应用于汽车、航空等制造领域。 特别是进入2 1 世纪以后，随着工业制造技术的不断创新发展，管类零件的内高压成 形技术已经成为先进塑性成形技术中的一个研究热点，引起了各国学者的广泛关注。 尤其是在汽车制造业中，许多组合件、焊接件和车身框架都可以被更轻、更强、更精 确和更便宜的液压成形零部件所代替 4 1 。 根据产品的设计要求，管类零件上经常分布有许多孔，随着管类零件内高压成形 技术的飞速发展，管件上孔的加工技术显得日益重要。按照传统的加工孔的方法，管 件上的孔通常采用专用的金属冲孔模具在独立的设备上进行，生产效率低，孔的周围 存在着较为严重的塌陷，产品质量较差。若采用激光切割，虽能够保证良好的加工质 量，但生产设备昂贵，不适合大批量生产。液压冲孔工艺是在内高压成形技术日趋成 熟的基础上发展起来的一项管类零件冲孔新技术。在液压冲孔时，冲孔油缸与内高压 成形模具设计成一体，非常适合复杂形状的管类零件冲孔，并可实现单一压力机工作 循环内对多个孔的同时冲裁，生产效率显著提高，降低了生产成本。因此，对管类零 件液压冲孔工艺变形机理及工艺参数开展的研究，不仅可以丰富塑性成形理论，而且 对于推动我国管类零件加工技术的进步，提高我国汽车工业的竞争力，为汽车行业提 供技术支持都具有重要的理论意义和工程应用价值。 1 1 管材内高压成形工艺 内高压成形是一种冷成形工艺，主要用来加工形状复杂的空心管件。该工艺是以 基于内高压成形的液压冲孔数值模拟 管材作为坯料，以液体为传压介质，通过管材内部施加超高压液体和轴向进给补料， 把管坯压入到模具型腔内使其成形为所需形状的工件【卯。在实际生产中，液体压力一 般控制在4 0 0 m p a 以内，对于较特殊的零件或难变形材料，其成形压力可达到 1 0 0 0 m p a 。具体的液体压力应根据所加工材料的屈服强度、塑性指标、壁厚、胀形量， 以及零件的最终形状要求而定1 6 , 7 1 。 1 1 1 内高压成形的工艺过程 内高压成形工艺通常分为自由内高压成形和借助模具的内高压成形两类，后者又 可分为纵向分模和横向分模两种工艺( 如图1 1 所示) 。 霍 ( a ) 自由内高压成形借助模具的内高压成形，( c ) 借助模具的内高压成形， 模具为横向分模模具为纵向分模 图1 1 内高压成形类型 以t 形管接头为例，内高压成形的基本工艺过程如图1 2 所示：管坯放入下模内， 上模 隆堕婺盈 藿嚣 蛊一 一 瑟镭 ( c ) 内高雎+ 轴向缸推进 ( d ) 开启模具，取出工件 图1 2 内高压成形工艺过程 2 挤南大学硕 学位论文 然后模具闭合；管坯两端借助密封压头密封，接着对管坯内腔注满液体压力介质；在 成形过程中，压头挤压管坯，同时在压力介质的高压作用下管子胀形，直到管坯外表 面与模具轮廓贴合，另外，通过对向压头的运动控制材料的流动。最后打开模具，取 出工件。对于一些几何形状复杂而直接使用内高压成形工艺又不能加工出令人满意的 制件，则需采用预成形的方法，即管坯首先预弯成接近零件形状，然后再加载成形。 这时的工艺过程为：下料一预弯一液压胀形成形一后继工序【8 叫。 管坯的变形力由轴向进给的活塞和管内高压液体介质共同提供。管类零件的形状 取决于模具的内腔轮廓。 1 1 2 内高压成形工艺的优点 由子管件的内高压成形工艺可以一次成形沿构件轴线变化的圆形、矩形截面或异 型截面空心构件，因此，与传统的冲压焊接工艺相比具有以下优点： ( 1 ) 节省材料，减轻零件重量。由于内高压成形工艺使用的原料是空心管坯， 因此，单从坯料的角度讲，就比其他加工方法节省了很多材料。汽车上部分采用冲压 工艺与内高压成形的产品重量对比见表1 1 。 表1 1 部分汽车冲压件与内高压成形件的重量对比i 埘 名称 冲压件重量( k g )内高压成形件重量( k g ) 减重百分比( ) 散热器支架 1 6 5 1 1 5 2 4 副车架 1 27 9 3 4 仪表盘支梁 2 7 21 3 6 5 0 ( 2 ) 减少零件和模具数量，降低模具费用。内高压成形件通常仅需要一套模具， 而冲压件大多需要多套模具。采用内高压成形，可减少零件数量，如副车架的组成零 件由6 个减少到1 个；散热器支架的组成零件由1 7 个减少到1 0 个。 ( 3 ) 减少后续机械加工和组装焊接工作量。内高压成形可以一次完成原来需要 几道工序才能完成的工件，减少了后续焊接、装备工序，提高了生产效率。 ( 4 ) 降低生产成本。根据德国某公司对已应用零件统计分析，内高压成形件比 冲压件平均降低成本1 5 加，模具费用降低2 0 3 0 。 ( 5 ) 提高零件的强度与刚度，尤其是疲劳强度。 ( 6 ) 提高成形零件的精度。成形零件的尺寸精度从原来的i t l 4 提高到i t l 0 。 3 基于内高压成形的液压冲孔数值模拟 1 2 管材液压冲孔工艺 1 2 1 液压冲孔的工艺过程 根据所采用的工艺方法，可以将管材冲孔工艺分为钢质模冲孔和软模冲孔两大 类，软模冲孔又分为橡胶模冲孔和液压冲孔两种。 钢质模冲孔工艺是利用工具钢制造的凸、凹模对管材进行冲孔加工，是一种比较 常见的传统冲孔工艺，由于受管类零件结构的限制，多数情况只能够在管件外部设置 冲孔凸模，而管件内部无凹模。 橡胶模冲孔工艺是利用橡胶的易变形性和不易流散的聚合性，将其置于管材内 部，作为弹性凸模代替钢质凸模工作，从而对管壁实施冲孔加工。用作弹性凸模的橡 胶包括天然橡胶和聚氨酯橡胶两类【l i 】。该冲孔工艺存在着压边不易控制、橡胶经常损 坏、成形质量不稳定、加工效率低等弊端。 液压冲孔( h y d r o p l e r c i n g ) 工艺是在内高压成形技术日趋成熟的基础上发展起来 的一项冲孔新技术，是内高压成形工艺过程的延续和补充。液压冲孔乖j 用高压液体充 当凹模或凸模，属于软模冲裁的范畴。 液压冲孔利用高压液体为管类零件冲孔提供背压，以代替金属凹模或冲头，其基 本类型可分为液体凹模、液压折弯和液体凸模三种( 如图1 1 3 所示) 。其中，应用最 多的是液体凹模。其工艺过程是，当管坯完成胀形并与模具贴模以后，安装在模具内 部的冲孔油缸推动金属冲头向下运动，在冲头力的作用下，材料发生断裂、分离，实 现冲孔，此时，高压液体起到了液体凹模的作用。冲孔油缸与内高压成形模具设计成 一体，非常适合复杂形状的管类零件冲孔，并可实现一个工作循环内同时完成多个孔 的冲裁加工。 12 3 滚、； 鞫 卜1 二二_ i + 私一分 心沁沁沁蕊沁心沁浏 1 液体凹模2 液压折弯3 液体凸模 图1 3 液压冲孔工艺类型 4 济南丈学硕士学位论文 液压冲孔在管类零件完成内高压成形之后进行，此时，液体压力通常已达到最大 值，安装在模具内部的冲孔油缸推动金属冲头运动。当材料断裂以后，由于液体少量 泄露压力会稍有下降。典型的内部液体压力p 、轴向进给j 与时间t 的关系曲线如图 1 4 所示。在液压冲孔过程中，成形用的两个轴向油缸活塞位置保持不变，即s 恒定。 与其他软模冲裁工艺( 如橡胶冲裁) 相比，液压冲孔最大的特点就是液体压力可根据 需要进行无级调节。 q 繇 翅 星 霹 图1 4 液体压力、轴向进给与时间的关系曲线 评价管类零件液压冲孔质量的指标包括断面质量、尺寸精度及形状误差等。冲孔 后的剪切断面应垂直光滑，尺寸及制件外形应满足图纸要求，管件表面平整，毛刺的 高度应限制到最小值。管材液压冲孔与普通冲裁工艺相比，关键是影响断面质量的工 艺因素发生了很大的变化。 可以用于液压冲孔的管坯材料种类很多，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类零件内高压成形及冲孔工艺。 1 2 2 液压冲孔工艺的优点 与传统的管材冲孔技术相比，液压冲孔具有许多优点： ( 1 ) 节省工艺、模具和设备数量。零件在内高压成形完成之后，直接由嵌在模 具内的油缸进行冲孔，节省了曲面冲孔时需要重新装夹固定，冲头定位等工艺过程， 减少了模具数量，并且可同时冲裁多个孔。 ( 2 ) 适合加工复杂形状的管类零件。对于一些形状复杂的管类零件，由于几何 形状和尺寸的限制，钢质凹模不好定位，液压冲孔是以液体介质做凹模或凸模，降低 了工艺的技术难度。 5 幕f - 内舟j t 成形的渡j k 冲孔数值模拟 i曼詈皇曼皇曼曼舅曼曼曼曼!曼皇皇曼鼻 ( 3 ) 提高生产效率。仅仅需要一套模具中的一半( 凹模或凸模) ，流体介质取代 凹模或凸模来传递载荷以实现板材成形。这样不仅降低了模具成本，而且缩短了生产 准备周期【1 2 1 。 1 2 3 模具结构和润滑 管材液压成形模具的主要组成部分包括上模、下模、左密封压头、右密封压头及 嵌在模具里的冲孔油缸。左、右密封压头是内高压成形模具的特殊部分，其作用是密 封管端并进行轴向进给补料。冲头端的密封结构是非常重要的，关系到整个内高压成 过程能否顺利进行，以及生产效率。上、下模与冲头接触滑动部分可以采用镶块结构， 镶块可以使用耐磨材料，损坏后便于及时更换。同样，对于大批量生产用的模具，模 膛采用镶块结构可以降低模具制造成本( 3 】。 与其他金属冷加工成形工艺一样，摩擦条件直接影响到液压成形时管坯材料的变 形。在模具与零件有相对运动的部位喷涂润滑剂，可以有效地减少摩擦，防止缺陷的 产生，并保持零件壁厚的均匀性。在实际生产中，大多是将润滑剂喷到管坯上或将管 坯浸入润滑荆中，并进行必要的烘干和硬化，涂层应保持均匀1 1 3 1 。管材液压成形中使 用的润滑剂有以下四种：( 1 ) 固体润滑剂，m o s 2 和石墨；( 2 ) 石蜡和油；( 3 ) 高分 子基润滑剂；( 4 ) 乳化剂。 1 3 管材液压冲孔的研究现状及应用 1 3 1 管材液压冲孔的国外研究现状 管材内高压成形工艺的出现及其理论体系的建立可以追溯到二十世纪4 0 年代。 g r e y 首次利用内压力和轴向压力成形了t 型铜管接头【1 4 1 。5 0 到7 0 年代期间，一些 国家的研究者对薄壁管胀形中的失稳现象进行了实验和理论研裂1 5 1 。到了8 0 年代， m a n a b e 、n i s h i m u r a 及f u c h i z a w a 等人对内高压成形的自由胀形进行了研究，并推导 出了各影响因素在无轴向载荷作用下的函数关系。t h i m v a m d c h e l v a n 利用液体作为加 压介质对轴向压缩液压胀形进行了实验和理论研究。 r o t i g h a i 、h a s h i m i 及他的研究小 组通过实验、理论分析和有限元法对轴对称件和非对称件的胀形过程进行了研究，并 计算和预测胀形过程中最大内压力和轴向载荷的大小1 1 6 j 。进入到2 0 世纪9 0 年代，液 压和控制系统的发展逐渐趋于成熟，高压及超高压系统的建立已成为可能和现实，位 济南大学硕l 一学位论文 移的控制精度也己达到微米级，这就为内高压成形工艺的发展奠定了技术基础。计算 机控制技术的高速发展极大地推动了相关学科研究和产业的进步。日本宇都宫大学和 丰桥工业大学对管材内高压成形加载路径及波动内压在管材胀形中的应用进行研究， 提出了“内流控制”的模拟方法f 1 7 1 8 l 。由于其现实和潜在的巨大技术及成本优势， 内高压成形工艺一经发展就迅速跨越了实验阶段，进入了生产领域。 近十几年来，随着生产实际需要及计算机技术、实验技术的技术进步，特别是有 限元计算及相关技术的逐渐完善及其广泛应用，一些学者借助于有限元法，或结合实 验方法对板料冲裁工艺进行了分析。臼本学者在剪切加工方面开展了相对较多的研究 工作，1 9 9 8 年，汤川伸树等学者，利用f e m 对板料剪切时断裂前的变形过程进行了 模拟，采用了刚塑性材料模型和三角形单元，得出了相对间隙和刃口圆角尺寸对应力、 应变分布的影响规律，提出了采用f e m 得到的静水应力分布规律来预测板坯中初始 裂纹的发生点的方法i 1 9 1 。香港理工大学的zhc h e r t 等人采用f e m 模拟了精密冲裁过 程，需抑制裂纹的产生，以获得最大光亮带的要求，为此对冲裁过程进行了细致的分 析，给出了应力、应变的分布规律，在计算过程中采用了不同的算法，解决了计算过 程中的大转动和卸载问剐冽。埃及的ms a m u e l 基于m a r c 软件研究了包括刃口圆 角半径、模具表面粗糙度和相对间隙等几种工艺参数对冲裁过程的影响规律1 2 1 j 。荷兰 的yws t e g e m a n 等采用弹塑性v o n m i s e s 模型对冲裁加工程进行了模拟，得到了剪 切速度对剪切力的影响，还采用了精确的网格试验法，在变形区画上网格，用显微镜 对网格的变形进行观测，得出冲裁过程中模具切入量和材料应变分布的关烈2 2 1 。 普通冲裁工艺具有生产效率高、质量稳定、适于批量生产等优点，在生产中得到 广泛的应用。但是长期以来，人们对冲裁加工所作的理论研究还相当有限，这主要是 因为这种看似简单的变形方式，包含着复杂的材料变形过程，材料经历了弹性变形、 塑性变形和断裂等阶段。由于很难建立与实际情况相符的断裂判据。所以断裂或破坏 是研究剪切和冲裁加工较难解决的问题。总的来说，研究剪切与冲裁加工工艺涉及许 多基础理论及技术问题，主要包括1 1 9 1 ： ( 1 ) 实验过程中的几何量测量； ( 2 ) 有限元模拟的网格重划分技术； ( 3 ) 断裂判据。 由于断裂或破坏问题的复杂性，迄今为止，用物理方法还不能够定性地描述断裂 过程的许多特点，断裂过程涉及的弹塑性断裂力学理论还不完善，所以，对冲裁问题 7 摹f 内扁件成形的液件冲孔数值筏拟 的研究还有许多困难。利用连续介质力学的理论，借助于数值计算技术，目前可以求 出在某外力作用下物体内的应力场和位移场等【2 3 】，但精确确定位移场和应力场的方法 与下一步关于断裂或破坏问题的粗糙估算之间存在明显的差异i “。 虽然在对断裂和破坏问题的研究过程中遇到了一些困难，但是近几年来，对板料 剪切加工过程中断裂问题的研究仍然取得了一定的进展。bpp a g o u v e i a 等人考虑了 多种破坏准则下的裂纹扩展模型，但这种模型并不适用于板材剪切时的裂纹扩展1 2 5 1 。 sh j c o n g 等根据损伤理论，将断裂机理用于板材剪切加工的分析中，在f e m 分析时， 将过度损伤的单元消除1 2 6 l 。s e a 讯等人，为了考察金属成形过程中的断裂问题，用 数值模拟的方法采用几种断裂准则，分析了裂纹的扩展，并和实验结果做了对照，但 采用的模型只适于特定的工艺和几何形状【2 7 1 。在分析板料的断裂行为时，许多学者采 用了alg u r s o n 给出的板材加工时的断裂模型汹1 。此外，在板材剪切加工中采用的 破坏准则包括：最大塑性应变准则；静水压应力准则；硬化梯度最大准则。把这些破 坏准则应用到板材剪切加工分析中，还需要一些特殊的方法【”。 管类零件液压冲孔与板材冲孔工艺有较大的区别，液压冲孔时采用液体作为凸 ( 凹) 模，属于软模冲裁，与钢质模冲孔在变形机理、应力、应变分布规律，工艺参 数对成形质量的影响规律等方面都有很大的差别。但是，液压冲孔工艺也属于断裂问 题，对其成形过程的理论研究仍存在着一定的困难。随着越来越多的国内外学者对液 压冲孔工艺的关注，有关的研究已经取得了一些进展。 随着内高压成形技术日趋成熟，国外的一些学者开始关注液压成形的后序工艺一 液压冲孔。u c h i d a 、k o j i m a 进行了液压冲孔的研究，给出了液压冲孔中材料的变形 过程，材料经过弹性变形、塑性变形最终发生断裂分离 3 0 l 。h o f f m a n n 等人进行了液 压冲孔的研究，给出了液压冲孔的分类形式及各自的特点，推导出了两种冲孔形式下 管内液体压力的计算公式1 3 l 】。s t e i b i n g 等人采用由内向外的液压冲孔技术研制汽车挡 风玻璃支架上的孔【翊。现在，欧洲的一些公司( 例如，德国舒勒公司s c h u l c r a g ) 和 研究机构已经对液压冲孔工艺进行了比较深入的研究，研究成果也投入了实际应用。 1 3 2 管材液压冲孔的国内研究现状 哈尔滨工业大学是国内最早对内高压成形技术进行研究的单位，从1 9 9 8 年开始 系统地进行了内高压成形机理、工艺和设备关键技术的研究以及样件的研制。吉林大 学和燕山大学对汽车桥壳内高压成形进行了研究。清华大学和北京科技大学开展了内 8 济南大学硕f + 学位论文 高压成形过程数值模拟研究。2 0 0 6 年，上海的宝钢集团已投资从德国引进了一条内 高压成形生产线，但至今尚未投入实际生产。所以，内高压成形技术在国内仍处于起 步阶段，还没有得到实际的工业应用。 在国内，也有不少学者对普通冲裁工艺进行了理论和实验研究。彭成允、李兴成、 周全福等人对中厚板冲裁过程进行了力学分析，确定了影响冲裁力的几个主要因素 【3 3 q 引。秦泗吉、张纪梁等人提出了冲裁力与板厚的关系，并且在有限元模拟和实验 分析的基础上，提出了计算冲裁力的新方法，分析了材料厚度对冲裁力大小的影响原 因 3 6 3 7 1 。华南理工大学的周照耀等人分析了工艺参数对厚板精冲过程及工件成形的影 响及其变形机理，分析了厚板精冲的变形机理1 3 8 1 。 哈尔滨工业大学的韩聪、宛世剑等人采用有限元软件d e f o r m 2 d 对液压冲孔 过程进行了二维数值模拟，分别研究了管内液体压力p 、冲头直径d 、及材料厚度t 对成形过程的影响。研究发现，随着管内液体压力的增大，塌陷深度尺寸和塌陷宽度 面积都呈减小的趋势，而冲头直径增大时，塌陷深度尺寸和塌陷宽度面积增大，而管 坯的壁厚对塌陷深度尺寸和塌陷宽度面积影响不大。在数值模拟的基础上，对不同压 力条件下液压冲孔过程进行了实验验i 正 3 9 1 。 1 3 3 液压冲孔工艺在生产中的应用 采用内高压成形技术制造的空心截面结构零件具有质量轻、刚度好、零件数量少、 后续加工少以及成本低等特点，工业应用的领域较广，近年来，德国、美国及日本等 国已将内高压成形技术应用于汽车，航空等零件制造领域。主要适用于制造沿构件轴 线变化的圆形、矩形截面或异形截面空心构件，例如，汽车的排气系统异型管件、非 圆截面空心框架如副车架、仪表盘支架、车身框架( 约占汽车总重量的1 l 1 5 ) 和空心轴类件、复杂管件等1 4 0 j 。 国外主要的汽车公司已经在多个车型上应用了内高压成形的零件。德国奔驰汽车 公司于1 9 9 3 年建立了内高压成形车间，宝马公司、奥迪、大众和美国三大汽车公司 已在多个车型上应用了内高压成形的零件。内高压成形在汽车工业已得到越来越广泛 的应用，已经用于制造轿车副车架、排气管道、轿车的a 、b 、c 柱、仪表盘支梁、 散热气支架、座椅框、发动机支架、上边梁和顶梁等( 如图1 5 所示) 。 作为内高压成形的后序工艺，液压冲孔工艺可以直接应用在需要进行冲孔的管材 零件上，图1 6 所示的汽车纵梁是德国舒勒公司( s c h u l e ra g ) 利用内高压成形和液 9 筚于内高件成形的液件冲孔敬值模拟 压冲孔工艺生产的。图1 7 所示的发动机托架上的多个孔也是德国舒勒公司( s c h u l e r a g ) 利用液压冲孔技术一次成形的。 图1 5 内高压成形技术在汽车上的应用 图l 6 汽车纵粱上的孔 1 4 选题意义 图l 。7 发动机托架上的孔 随着内高压成形技术的迅速发展及其应用范围的不断扩大，越来越多的汽车零部 件以内高压成形技术生产的管类零件来替代，而液压冲孔工艺也得到了广泛的应用。 根据产品设计方面的需要，管类零件上通常分布有许多孔，但对于一些形状复杂的管 类零件，由于几何形状和尺寸的限制，工件及模具都不好定位，若采用普通冲裁方法 生产，孔的形状和尺寸精度相对较低，不能满足高质量的加工要求。采用液压冲孔是 1 0 济南大学硕十学位论文 以液体介质做凹模或凸模，仅仅需要一套模具中的一半( 凹模或凸模) ，不仅减少模 具数量，降低了技术难度，而且缩短了生产准备周期，降低了生产成本。这不仅保证 了零件具有足够的强度和刚度，而且降低了汽车结构重量，从而提高了市场竞争力。 因此，液压冲孔工艺对现代汽车工业发展的技术支持作用也越来越引人注目。 管材液压冲孔工艺是一个复杂的冲裁加工过程，冲孔时冲裁变形区的应力、应变 十分复杂，除剪切应力外，还有拉伸、弯曲和挤压等。由于冲裁加工工艺变形区狭小， 变形剧烈，局部变形程度大，且以断裂方式告终，对其变形区应力、应变、裂纹扩展 及断裂的内在规律性的研究较为困难。所以，采用普通的分析手段和方法，很难掌握 液压冲孔过程的变形机理和断裂分离机制。近十几年来，各国学者在这方面作了许多 探索性的工作，取得了一些进展，有些还应用于生产实践。但是，对于液压冲孔，相 关研究开展不多，已有的分析方法和研究内容限于简单，到目前为止，有关液压冲孔 变形机理的研究成果尚未见报道。 本论文拟采用有限元软件m a r c 对液压冲孔工艺过程开展三维数值模拟，分析 应力、应变的发生、发展对液压冲孔工艺变形机理及工艺参数进行研究，提出液压冲 孔的质量评价标准，弥补液压冲孔理论研究方面的不足，丰富塑性加工理论，促进管 类零件在航天、汽车工业中的应用，对提高管类零件的产品质量具有重要意义。 1 5 主要研究内容 本论文研究的主要内容分为以下几个方面： ( 1 ) 根据塑性成形原理的理论知识，建立典型零件液压冲孔的三维分析模型， 对其进行力学分析，提出模型的简化方法。 ( 2 ) 针对管坯液压冲孔的弹塑性大变形特征，利用有限元分析软件m a r c ，对 两种液压冲孔工艺( 液体凹模、液体凸模) 进行三维数值模拟，研究液压冲孔工艺过 程中的应力、应变分布及其变化规律。 ( 3 ) 对液体凸、凹模冲孔的变形机理进行对比。对普通冲裁工艺过程进行三维 数值模拟，对普通冲裁和液压冲孔的变形机理进行分析比较。在上述研究结果的基础 上，阐明液压冲孔的变形机理。 ( 4 ) 利用正交试验的原理，分析液体压力、冲头刃口圆角、管坯壁厚、材料力 学性能对液压冲孔工艺成形质量的影响，根据冲孔成形机理的主要质量评价标准，分 析各因素对液压冲孔质量的影响规律，并获取优选工艺方案。利用数值模拟的方法， 1 1 苹卜内高斥成形的液斥冲孔数值模拟 研究液体压力、冲头刃口圆角、管坯壁厚及冲头直径的变化对液压冲孔过程的影响规 律。 1 6 小结 通过大量查阅国内外资料及实际调研，全面了解了管材内高压成形及液压冲孔工 艺。本章重点介绍了内高压成形和液压冲孔工艺的过程及优点，阐述了其工艺过程及 其国内外研究和应用情况。重点介绍了液压