（材料加工工程专业论文）三通管液压胀形的数值模拟.pdf

阿北 业人学硕十学位论文 摘要 管材塑性加工是用管材作毛坯，通过塑性加工手段，制造管材零 件的一种先进的加工技术。管材塑性加工由于容易满足幽性成彤产品 轻量化、强韧化和低耗高效、精确制造等方面的要求，已成为先进塑性 加工技术面向2 l 世纪研究与发展的一个重要方向。管材胀形研究电成 为目日u 管材塑性加工领域的研究热点之。 本文针对低碳钢大直径薄壁管的三通管液压胀形难题，结合西安蘑 型机械研究所的实验研究情况，建立了液压胀形有限元数值模拟模型， 结合三通管液压胀形的五种工况，对三通管液压胀形过程进行有限元 数值模拟，研究了胀形方法及工艺参数对应力、应变、变形量、壁厚 减薄的影响为三通管液压胀形工艺参数优化和过程控制提供可靠的 理论依掘。本文的主要研究内容和成果如下： 1 在深入分析三通管液压胀形原理、成形过程及工艺特点的基础 上，建立了三通管胀形的力学模型，并应用主应力法推导出了计算一= 通管液压胀形中成形力的公式，为有限元数值模拟模型的建立打下了 良好基础； 2 在深入研究有限元数值模拟技术的基础上，合理确定摩擦条件、 接触条件、时间步长、收敛准则等相关参数，建立了三通管液压胀形 的三维弹塑性有限元模型； 3 运用三通管液压胀形的三维弹塑性有限元模型，对三通管自然 胀形、轴向压缩胀形过程进行了数值模拟，并分析了摩擦系数、过渡 圆角半径、管坯壁厚等参数对胀形过程应力应变分布、最大变形量、 壁厚减薄的影响。 分析表明：当使用2 0 钢进行三通管胀形时，应该采用轴向压缩胀 形方法：摩擦应在保障最大支管高度的情况下减至最小；过渡圆角、l - 径应在要求的范围内增至最大；并且在满足丁f ， 一要求的情况r 尽精使 h j 较厚的管坯。这些结沦为工程。实际应用提供了c 盯霏的理论依扼：。 关键词：一i 通管：液压胀形：有限元：i 。岂优化 两北1 _ = 业大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h em a c h i n e r yt e c h n o l o g yo ff o r g i n gt e e t u b ei sm a k i n gu s eo fc i f c u l a r t u b eb l a n ka n dg a i nt u b u l a rc o m p o n e n t s i ti sa ni n n o v a t i v et e c h n i q u e t h em a c h i n i n gt e c h n o l o g yo ff o r g i n gt e e t u b er e q u i r e st h ef o r g i n gp a r t sm a s s l i g h t ，i n t e n s i o nh i g h ，c o s ti i t t l ea n dm a c h i n i n ge x a c t n e s s s oi t i st h e i m p o r t a n ta s p e c ti n2 1c e n t u r yi nt h ef o r g i n ga n dm a c h i n i n gf i e l d s a n d s ot h et e c h n o l o g yo ft u b eb u l g i n gf o r m i n gi sb e i n gt h ei m p o r t a n ti s s u e t h i sp a p e r si n t e n t i o ni ss o l v i n gd i f f i o u l tp r o b l e m so ft h e1 0 w c a r b o n s t e e l ，b i gd i a m e t e ra n dt h i nw a l it e e t u b e 7 sb u l g i n gf o r m i n g w i t ht e s t i n g r e s u l t b y x i a n h e a v ym a c h i n e r y r e s e a r c hi n s t i t u d e ，a n de s t a b l is ha t h r e e d i m e n t i o nt e e t u b eh y d r o f o r m i n gm o d e l t h e nu s ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，a p p l i e df i v eg e o m e t r ym o d e la n dl o a dm o d e l ，t h e n s i m u l a t e dt h e p r o c e s s o ft e e t u b eb u l g i n gf o r m i n g s ow eg e tt h e h o w h y d r o f o r m i n g m e a s u r ea n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e re f f e c tt h es t r e s s ， s t r a i n ，d i s t o r t i o na n dt u b ew a l lt h i n n i n g t h e s er e s u l t sa r et h eb a s eo f t h et e e t u b eh y d r o f o r m i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r t h i sp a p e r si m p o r t a n t c o n t e n ta n dp r o d u c t i o na r e ： 1 b ya n a l y z i n g t h eh y d r o f o r m i n gt h e o r y ，h y d r o f o r m i n gp r o c e s sa n d t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i cd e e p l y ，t h em e c h a n i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d t h e nt h ef o r m u l a r yo fs h a p e df o r c e w a sd e d u c t e db yi m p o r t a n t s t r e s sm e a s u r e t h e s ea r et h eg o o db a s ef o rt e e t u b eh y d r o f o r m in gp r o c e s s 2 b ys t u d y i n gf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yd e e p l y ， c h o o s i n g r e a s o n a b l ep a r a m e t e r s s u c ha sf r i c t i o n a l c o n d i t i o n ，c o n t a c t c o n d i t i o n ，t i m es t e p sa n dc o n v e r g e n c ec r i t e r i o n ，t h r e e d i m e n t i o ne l a s t i c p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e d 3 b yu t i l i z i n g t h em o d e la b o v e m e n t i o n e d ，t w od i f f e r e n tt y p e so f l o a d i n gw e r ee m p l o y e d ：i n t e r n a lp r e s s u r e l o a do n t ya n dc o m b i n e di n t e r n a l p r e s s u r ea n dd x i a ll o a d i n g t h e e f f e c t so ff r i c ti o na n dt u b et h i c k n e s s v a r i a t i o na r ee x a m i n e d ， a n d d e f o r m a t i o n s ， s t r e s s e sa n dt u b e t h i n n i n g t h i c k e n i n gb e h a v i o u r i nt h ef o r m e dc o m p o n e n ta r ep r e s e n t e d a n a l y t i c a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tw h e n 2 0s t e e 【w a sb e i n g h y d r o f o r m e d i l 西2 l i 业大学硕十学位论文 w eh a db e t t e ra p p l yc o m b i n e di n t e r n a lp r e s s u r ea n da x i a l l o a d i n g w eh a d b e t t e rm i n i m i z et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tt ot h e1 e a s tv a l u e ，a tt h es a m e t i m ei n s u r et h eb r a n c h t u b ea c h i e v e dt h em o s tv a l m e w eh a db e t t e rm a k e t r a n s i t i o n a l c i r c u l a r a n g l e r a d i u sa c h i e v et h em o s tv a l u ew i t h i n t h e p e r m i s s i o n w eh a db e t t e r m a k e t u b et h i c k n e s sa c h i e v e dt h em o s t v a l u e w i t h i nt h ep e r m i s s i o n ，t o o t h e s er e s u l t ss u p p l yt h ec r e d i b l et h e o r e t f c s b a s e sf o rt h ep r a c t i c e s k e yw o r d st e e t u b e ：h y d r o f o r m i n g ：f i n i t ee l e m e n t ：t e c h n 0 1 0 9 i c a lo p t i m i z i n g i l 西- i l i a 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 管材塑性加工方法与发展 1 1 1 管材塑性加工的意义 管材塑性加工是用管材作毛坯，通过塑性加工手段，制造管材零 件的加工技术。管材塑性加工由于容易满足塑性成形产品轻量化、强 韧化和低耗高效、精确制造等方面的要求，已成为先进塑性加工技术面 向2 1 世纪研究与发展的一个重要方向”1 。在航空航天、汽车、石油化 工、轻工及交通运输等工业部门中，广泛地采用管材制造零件。而管材 胀形是管加工的一个重要方面，它依靠材料的拉伸，在压力作用下使 直径较小的管坯沿径向向外扩张的成形工艺，所获管件已广泛用于国 防、机械、化工、轻工及民用产品等工业部门。并且为了满足产品越 来越高的使用要求，近年来无论在理论及试验研究方面，还是在新工 艺的研制或新技术的开发等方面，都取得了较大进展。 在管材塑性加工零件中以多通管的应用最为广泛。除了大量用于 气体和液体管道工程外，在航空航天、机械化工及轻工交通运输等工 业部门也被广泛应用。近几年来从产品的精度，到生产效率都无时不 对工程技术提出更高的要求，进而使多通管的塑性加工发展很快。例 如，高压无缝多通管接头是各种中、高压管路系统中不可缺少的管件 之一。广泛应用于电力、化工、石油、船舶、机械等行业中。 1 1 2 多通管加工方法的发展 各种多通管接头是近代工业上应用量大、面广的一种基础件。过 去采用焊接、铸造、体积模锻和机加工等方法生产。采用上述这种落 后的工艺进行生产，就存在着金属损耗大、产品质量低、生产成本高、 生产效率低等严重的缺点。根据国防、机械、电力、石化、建筑、轻 工及生活用品( 制冷剂、燃器器具) 等各工业部门的产品技术要求， 选用铝、铜及钢等不同强度的材料，也往往是由棒料毛坯热模锻或铸 造工艺后进行机加工得到的，又或者采用焊接的方法。若能由无缝钢 管一次塑性加工成形，既可以显著提高产品的力学机械性能，又可以 l 颤北i 。业大学硕十学位论文 大幅度降低生产成本并提高生产力。但是，多通管接头如果用简单的 塑性加工成形方法制造成形，则金属变形量大，管坯上所承受的应力 就会大大超过材料的强度，造成破裂”1 。因此如何利用塑性成形方法来 生产性能较好的多通管零件就成为一大研究热点问题。经过人们的不 断摸索，胀形加工法应运而生了。 管材胀形是依靠材料的拉伸，在压力的作用下使直径较小的管坯 沿径向向外扩张的成形工艺。根据管件的要求，胀形既可以对管坯的 局部进行扩张，也可以对整个管坯进行扩张。管材的胀形可以在机械 压力机、液压机或者专用设备及其它专用装置上完成。管材胀形的方 法很多，通常按使用模具的不同分为三种：刚性模胀形、弹性体胀形 和液压胀形。 采用刚性分块式凸模胀形的方法称为刚性模胀形。采用这种方法 成形时，零件直径的回弹量便于用调整凸模扩张量的方法( 即控制压 力机滑块行程) 来补偿，但是由于刚性模胀形时分块凸模与管坯之间 有较大的摩擦力，使得材料的切向应力应变分布不均匀，降低了胀形 系数的极限值。同时，由于分块凸模之间有间隙，故成形之后的零件 表面上有时会残留有明显的直线段和棱角，因此，用这种方法很难保 证得到较高的正确旋转体。另外，模具结构复杂，不便于加工形状复 杂的零件等都是用刚性模胀形的缺点。 弹性体胀形属于软模胀形中的一种。它使用弹性体( 多为橡胶) 作为凸模、以刚模作为凹模，在弹性体压力的作用下，使管坯或空心 筒形坯产生径向扩张的成形方法。它可以克服刚性模胀形中模具结构 复杂、胀形均匀性差、成形精度不高、表面质量不好以及不便于加工 等缺点，但是它也存在着以下缺点： ( 1 ) 弹性模量较大。且硬度愈高，弹性模量值愈大，故对缺陷的 敏感性很强( 应力集中严重) 。因此要求其工作表面光洁，不得有裂纹， 否则裂纹会很快扩张，降低使用寿命。 ( 2 ) 橡胶的加载压缩曲线与回程的卸载曲线并不重合，即通常所 说的滞后现象。滞后现象会导致橡胶自身发热，尤其以大变形( 变形 量超过3 0 ) 和高速变形情况下更为严重。 ( 3 ) 耐高温性能差，一般不宜在8 0 以上的情况下工作。 ( 4 ) 耐水解性能差，长期存放在水中或潮湿的空气中易变质。 液压胀形是利用液体( 水或油) 代替刚性凸模或固体弹性凸模( 如 橡胶、p v c 塑料等) 的作用，使管坯在液体压力下产生径向扩张的成形 2 西北工业人学硕士学位论文 方法。液压胀形与其它胀形方法( 主要是刚性模胀形和弹性体胀形) 相比，由于它是在无摩擦条件下成形的，故其最大优点是传力均匀， 能使材料在最有利的受力条件下变形；并且有工艺过程简便，成本低： 所得的零件表面光滑，质量好等优点，己成为近几年管材加工的一个 重要方向。美国、日本、德国等汽车工业发达的国家都在这一方面投 入了大量的研究力量。液压胀形多用于成品表面质量要求较高的复杂 形状零件，由于液体压力便与控制，所以它特别适用于大、中型零件 的成形，一般胀形件直径可以达到2 0 0 15 0 0 m m 。 由于传统的机加工方法和利用专用压力机械胀形方法的缺陷日趋 明显，使得开发在普通液压机上利用一定的模具和装置来生产多通管 接头的工艺和技术提到研究日程上来。其具体研究内容为： ( 1 ) 胀形过程中管坯的变形分析、成形规律； ( 2 ) 完成胀形所必需的工艺条件一一如管坯内液体压力的变化范 围及规律： ( 3 ) 管坯内液体压力的控制方法： ( 4 ) 工艺参数的获取。 这些待研究的问题可以利用传统的实验方法得以解决，但是由于 传统方法耗时长、费用高，而且通用性较差，因此随着计算机应用的 日益广泛，一种新的方法一一数值模拟技术逐渐兴起了。其中以有限 元数值模拟技术的应用最为广泛。 1 2 有限元数值模拟技术的发展以及应用 数值模拟方法是金属塑性成形过程研究中的几种方法之一，是随 着塑性理论和计算机应用的发展由传统的方法演变出来的，主要包括 上限法、矩阵算子法、有限差分法、加权余量法、边界法和有限元法。 而有限元法因其优点被广泛使用，这些优点主要体现在处理模型表面 快速变换的边界条件以及更精确的求解每一步的变形趋势上。 有限元是随着高速数字计算机的发展而发展起来的一种求解微分 方程的数值方法。它最先广泛应用于结构力学领域。1 9 4 3 年，c o u r a n t 首次尝试将定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结 合，来求解s t v e n a n t 扭转i h - j 题”3 。现代有限元法的第一个成功尝试是 在1 9 5 6 年，t u r n e r 和c l o u g h 等在分析飞机结构时，将刚架位移法推 广1 应用于弹性力学的平面问题“1 。1 9 6 0 年，c l o u g h 进一步处理了平面 3 凸北i 业人学硕士学位论文 弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的概念。“。有限元在塑性加 工问题中的应用始于七十年代前后。1 9 6 7 年，m a r c a l 和k i n g ”1 首先建 立了小变形的弹一一塑性有限元法，并用于分析二维塑性变形问题。 1 9 7 4 年，m c m e e k i n g 和r i c e 提出了修正的l a g r a n g e 有限元法( u l 法) ， 加上完全的l a g r a n g e 有限元法( t l 法) 的进一步发展“1 ，促进了弹塑 性有限元法的进一步完善，并解决了塑性加工领域中的一大批实际问 题。1 9 7 3 年，l e e 和k o b a y s h i 首次提出了刚塑性有限元的l a g r a n g e 算 法盯1 。极大的推进了有限元法在塑性加工领域中的应用。k o b a y a s h i 及 其合作者先后采用刚塑性和刚粘塑性有限元法分析了镦粗、挤压、轧 制等体积成形问题和板料的拉延、弯曲、缩口等成形工艺”“。 z i e n k i e w i c z 提出了刚塑性有限元法的罚函数法“，并对稳态挤压、轧 制和拉拔过程进行了耦合计算1 。r e b e l o 和a l b e r i 等人则进行了非稳 态成形过程的有限元热力耦合分析计算。同时有人尝试了晶粒度的预 测模拟。w u 和o h 等人开发了通用化程序a l p i d ( a n a l y s i so fl a r g e p l a s t i ci n c r e m e n t a ld e f o r m a t i o n ) 1 ，在其基础上又开发了d e f i r m 系 统“。o h 和a l t a n 等人用a l p i d 程序对各类成形问题进行了大量的模 拟分析工作。1 9 8 2 年，m o r i 和o s a k a d a 提出刚粘塑性有限元的体积可 压缩法“。并对挤压、轧制及孔隙材料成形过程进行了数值模拟。上 述工作解决了有限元法在塑性加工中应用方面的基本问题。近年来， 一些学者对三维金属成形问题进行了深入的研究，进一步拓宽了有限 元法在塑性加工领域内的应用范围。在有限元网格重划分算法方面， 1 9 9 0 年，k o p p 和b e c h e r 提出了基于边界投影和迭代过程的二维网格 动态算法“”。y a n g 和y o o n 建立了适用于复杂型腔的三维网格“模式” 重分算法( m o d u l a rr e m e s h i n g ) “。1 9 9 1 年，b l a c k e r 和s t e p h e n s o n 提出了适用于位移边界轮廓的网格堆砌算法“”。1 9 9 3 年，n o b u k i 等提 出了适用于有限元热力耦合分析的自适应网格重分算法”。此外，许 多学者还进行了界砸摩擦和热交换、任意边界条件等方法的研究。 利用有限元数值模拟结果优化工艺和控制产品质量是塑性加工领 域的前沿研究方向。尤其是对于热塑性成形的研究，已经不限于金属 的塑性流动行为或局部热力参数而是着重于内部微观组织的变化过程 和力学性能的预测与控制目前，国内外相关的研究工作尚处于起步和 探索阶段。1 9 6 7 年，p r i g o g i n e 提出了耗散结构理论”。随后，g e g e l 提出了材料动态模型法( d y n a m i c m a t e r i a l m o d e l i n g ， 简称d m m 方 法) ”“。通过该方法确定了保证锻件组织性能稳定一致的锻造热力参数 4 西北r 业人学硕七学位论文 范围。本世纪7 0 年代，s e l l a r s 等人对碳钢、工业纯铝和工业纯铜板材 热轧制过程中的显微组织进行了数值模拟，建立了晶粒尺寸和再结晶 体积百分比的半经验公式“。8 0 年代，y a d a 等人建立了碳锰低碳钢环 轧制过程中的晶粒尺寸与分布的数学模型”“。1 9 9 1 年，k o p p 首先 将显微组织演化模型引入到非稳态锻造过程中，建立了低碳钢二维镦 粗过程中晶粒尺寸和再结晶体积百分比的经验公式“。1 9 9 5 年， s h i v p u r i 等人对高温合金w a s p a l o y 的二维镦粗过程进行了数值模拟， 并预测了锻后饼坯中的晶粒尺寸和再结晶体积百分比“”。这些工作都 极大地加深了人们对材料变形过程物理实质的认识，也极大地丰富了 有限元算法在塑性加工中的应用，并为进一步发展做了大量的工作。 有限元数值模拟技术在国内也得到了较好的发展。尤其是将计算 机数值模拟技术应用于塑性加工方面，已经取得了长足的进步”1 。塑性 加工过程计算机模拟是近二十年来最活跃的研究领域，九十年代以来 塑性加工的数值模拟技术已经基本实现了实用化。随着商业软件的进 一步开发，许多大中型企业已将应用商业软件作为占据市场的有力工 具，这又有力地推动了数值模拟技术在多领域的丌发和应用。作为塑 性加工的一种重要方式，管材胀形也将有限元模拟技术广泛地应用于 其中。同传统的塑性变形理论方法相比，有限元分析可以模拟管挤压胀 形过程金属的流动情况，揭示应力与应变分布状况、壁厚变化情况、 不同工艺因素对成形过程的影响，缺陷产生的预测及其原因等，为工 艺及其模具的优化设计提供详细而科学的信息。 1 3 胀形加工的国内外发展现状 1 3 1 管材液压胀形方面的理论及实验研究 液压胀形技术的发展，从根本上解决了工艺的缺陷，因此，该技 术一出现就受到了广泛的重视”。 国内的主要研究：文献 3 0 中具体介绍了针对目前推出的通过在 普通液压机上利用专用模具和装置，用液压胀形技术生产三通管的方 法。该方法通过对三通管的液压胀形进行应力分析，推导出胀形力的 简单实用、计算精度较高的计算公式。利用陔公式计算实际问题，并 用所得计算结果与实际测试结果相比较，发现两个结果吻合较好，从 而证明所得公式可满足工程计算的要求。文献 3 1 中较详细地论述了在 西e 工业大学硕士学位论文 通用液压机上使用专用模具和装置来生产高压多通管的液压胀形工艺 和技术。对胀形过程中管坯的变形和成形规律、管坯内液体压力的变 化和控制方法，模具设计与参数确定等进行研究，获得了较理想的结 果。文献 3 2 中全面介绍了大型薄壁管液压胀形的基本工艺流程、工艺 特点，并对胀形过程中涉及到的技术问题和措施进行了论述。 国外的主要研究：由于胀形过程是一个极为复杂的过程，故而理 论研究的数据资料相对较少，因此使人们对胀形的理解相对有限。 h a s h m i ”提出了一个胀形三通管的管壁厚度分布的分析模型。在一个 分离的显示中，h a s h m i 。也提出了预测十字形管件厚度分布的理论方 法。a h m e d 和h s s h m i ”从理论上提出了一个在胀形力和轴向压缩同时 作用的变形中，轴向载荷取值的方法。除了理论研究外，许多计算研 究已经得出了管件的胀形中的影响条件。l i m b o ”州报道了三通管的胀 形试验。并讨论了在胀形过程中改变摩擦条件对胀形的影响。 h a s h m i “3 “”1 描述了从管坯变形成三通管和四通形管的试验。 h u t c h i n s o n ”4 “等人用实验的方法确定了从某种坯料( 已知材料和几何 形状) 胀成三通管或四通管后，在其上所得的变形带，并得出了改变 变形过程中的压力、摩擦条件等参数对产成品的不同影响的结论。 1 3 2 将管材胀形与数值模拟技术的结合 液压胀形过程使用实验再修正的方法来设计是昂贵而费时的，但 是对液压胀形过程使用数值模拟的方法将帮助工程师有效地提高效 率。 文献 4 2 中根据t 形管挤压胀形双重非线性的变形特点，建立了 动力分析有限元方程。开发了在h p 7 l5 1 5 0 工作站上运行的程序软件 s f m t 。对t 形管挤压胀形过程及主要因素的影响进行模拟分析，总结 归纳了很有实践价值的分析结果。而文献【4 3 】中针对国内对液压胀形技 术的研究还处于起步阶段，对液压胀形过程的理论分析多采用近似理 论分析法，很难得到准确的结果的状况，通过将相似理论与正交试验 设计引入计算机仿真方案的制定，并使用大型通用非线性有限元软件 m a r c 计算，a u t o f o r g e 对液压胀形进行了仿真，得到了最佳工艺参数。 在文献 4 4 】中指出，挤压力、胀形力和平衡力三者之间的最佳匹配关系 是多通管超高压挤压胀形工艺中的关键问题，提出并采用“应变样条” 法建立了这三个成形力间的数学表达式。同时，根据多通管挤压胀形 双重非线性的变形特点，建立了动力分析有限元模型，采用自行开发 6 西北工业火学硕士学位论文 的程序软件( s m f t ) ，模拟分析和计算了这三个力的大小及相互匹配关 系对挤压胀形的影响。此外，还有少数文献针对采用三维刚塑性有限 元法模拟三通管挤胀成形过程所遇到的些关键问题，如有限元计算 模型的建立、模具型腔表面的几何描述、动态边界条件处理、空间坐 标转换矩阵的推导等，给出了较为通用的处理方法。实际计算过程表 明，这些文献中提出的处理方法是有效的、可行的，有助于提高模拟 软件的通用性和自动化程度”“。 有限元分析将对变形过程提供一种有价值的研究，但是几乎没有 文献报道过对非轴对称管件胀形的有限元模拟的研究。l a n g e “”等人提 出对管件进行轴对称胀形模拟的研究。在这个研究中，作者利用轴对 称采用了一个二维分析模型。b a u e r “”报道了一种用管件制造一个对称 零件胀形的有限元模拟。在这一例中，作者采用了三维分析模型。并 施加了两种不同的载荷条件：一是压力载荷与轴向载荷共同施加；第 二种是仅施加压力载荷即胀形力。a h m e d “”模拟了轴对称胀形的不同 过程。其最主要的研究集中于以直管胀形成轴对称管的分析。a h m e d 和h a s h m i h 盯在随后的工作中，确定了胀形失败的原因以及胀形失败的 位置。同时在对胀形压力的控制方面也有了一些新的研究，文献 5 0 通过有限元模拟及实验方法对铝合金管和铜管进行了研究，在建立在 动态方法上的有限元模拟中，胀形速度由管中的介质数量所控制，指 出使用体积控制的方法较压力控制更容易得到管中的最大压力。文中 明确指出自由胀形中的壁厚偏差的增加依赖于管子的材料及管端部的 边界条件。 1 4 管材胀形新方法的研究 1 4 1 电磁胀形的研究 电磁成形技术是9 0 年代被用于扩管加工中”。”1 的一种高能率成形 技术，它是利用电容器对工作线圈放电产生脉冲磁场力使坯料成形， 具有工装简单、成本低、生产准备周期短、产品精度高的优点，适合 于小批量生产及生产复杂形状的大型零件，尤其对试制产品更为优越， 易于实现机械化、自动化，生产效率高。文献 5 3 中研究了l f 3 铝合会 管无模电磁胀形工艺及不同工艺参数对胀形形状的影响规律。结果表 明，放电能量、不同材料的保护管、放电频率及管坯成形长度对胀形 7 曲北i ：业人学硕士学位论文 形状有着显著的影响。通过调整和选择上述工艺参数，可以控制圆管 的胀形形状。成形管的中部形状为圆筒状，随着变形能量和频率增大， 成形管径向变形也随之增大，而管坯端口处则随着保护管材料电阻的 增大，口部由锥形向喇叭形变化。管坯成形长度对制件形状的影响表 现为成形长度增加，制件中部圆筒状长度也增加，而端口部均里尺寸 大致相同的锥形或喇叭形。当管坯成形长度大于4 0 r a m 时，在成形能量 相同的条件下，制件在管坯端口和固定器附近的变形几乎一致，却与 成形长度无关。而在文献 5 4 】中则是对电磁胀形中的磁压通过数值模拟 的方法进行了详细的分析。作者采用有限元方法对电磁胀形中的磁压 进行了数值模拟分析，将分析模型的边界条件建立在电磁场理论的基 础上，并通过测量线圈和工件之间的电磁感应密度得到磁压的大小。 最终的模拟结果被证明是很精确的。这也是首次使用有限元方法对工 件厚度方向上的磁力分布进行模拟。磁压分析是电磁成形中基础的理 论分析，通常使用等效方法解决问题。但由于计算方法的局限，仅仅 能得到作用在工件上的平均压力，特别是当工件的端部精度要求很高 时，工件的成形分析显得更加困难。 1 4 2 爆炸胀形的研究 爆炸成形是利用爆炸物在爆炸瞬间释放出的巨大化学能，通过介 质的传递作用，对金属毛坯进行加工的高能成形方法。爆炸胀形法是 针对油田生产中大量石油套管发生变形的现状，所提出用来的修复变 形的方法。这种方法的突出特点是所用模具简单、无需冲压设备、能 简易的加工出大型零件。这些特点恰恰克服了传统方法的不足。在文 献f 5 5 提出用爆炸胀形法来修复变形的石油套管，建立了该方法的理论 计算模型，推导了炸药量的计算公式，并用工程实例验证了公式的正 确性。在文献【5 6 】中针对油井中套管变形，严重影响了生产的问题。从 理论的角度运用爆炸动力学对水中爆炸加载金属套管胀形进行了力学 分析，得出了油井上和井下的药量关系，具有一定的实用价值。文献【5 7 】 针对晋4 5 断块油水井套管因受膏岩层非均匀载荷挤压套管变形的实际 情况，在地面进行了标准套管与变形套管的爆炸胀形试验、爆炸整形 对套管材质的影响试验，研制了适用于3 5 0 0 m 以内井深的爆胀器材和 旋工工艺，该技术是利用电缆或油管传输。将炸药下放到变形位置引 爆而达到整形目的。 _ 。8 鬻_ 一篆：j i 西北： 业火学硕士学位论文 1 4 3 电液胀形的研究 电液成形是利用液体中强电流脉冲放电时产生的高能冲击波，对 金属毛坯进行加工的一种成形方法。由于成形时常以水作为介质传递 能量，故又称为电水成形。 与爆炸成形相比，电液成形具有成形过程稳定、能量易于控制、 操作方便、生产效率高、便于实现机械化自动化生产等优点。但是电 液成形生产设备较复杂，其加工能力又受到设备容量的限制，因此， 目前还仅限于中小零件( 毋4 0 0 r a m 以下) 的中小批量生产。 1 5 对管材胀形介质的研究 1 5 1 挤压胀形介质的选择 胀形介质是影响胀形压力场最为重要的因素之一，其选择必须根 据挤压胀形的方法和特定的多通管进行。胀形压力的产生方法有两种： 液压法和挤压法，液压法由液压增压系统产生，挤压法则通过冲头在 密闭型腔中挤压胀形介质而获得。 适合于挤压法的胀形介质很多，主要如下： ( 1 ) 刚性凸模，如分瓣冲头、小钢球等。但是由于力场分布不均 匀，不能得到较长的支管。 ( 2 ) 流体，如油液、油脂、热胀形时使用的玻璃等。由于其产生 的力场最为均匀，可得到最长的支管。但由于胀形压力太大，密封非 常困难。 ( 3 ) 塑性体，如低熔点合金等。它们可认为是粘度极大的流体， 其产生的力场分布较为均匀，可得到超长的支管，密封也较易解决。 但是塑性体充填管坯及从制件中清理掉都比较麻烦。 ( 4 ) 弹性体，如聚氨酯橡胶等。综合了刚体和流体的特点，不存 在密封问题，而且外力撤除后能恢复原状，可方便地从制品内驭出， 生产便利。但是它同样存在着传力不均匀的问题，导致了壁厚分布不 均匀，影响胀形零件的质量。 文献 5 8 中指出若能解决密封问题，最适宜于大变形多通管挤压胀 形的介质是流体，其次就是塑性介质，再次是弹性体。 9 西北l ：业大学硕士学位论文 1 5 2 粘性介质的胀形研究 甚品未 萌 图i i 粘介质胀形 f i g a lh y d r o f o r m i n gb yv i s c i d i t ym e d i u m 液压胀形所采用的介质通常是 液压油或者水、水质乳剂等。这些 介质胀形的共同特点是压力分布均 匀。然而均匀分布的压力并不利于 成形中料厚的控制，成形中一旦材 料出现局部变薄，将极有可能在变 薄区域造成胀裂。为此许多国家已 经投入大量资金开展粘介质胀形技 术的研究。粘性介质呈半透明形状， 具有很强的渗透力，有油感，不粘 附而且不于桔；它的弹性极好，高压时自身体积压缩明显，且对拉伸 应变速率非常敏感。作为传压介质，它可以根据需要制成不同的粘度， 因面可以在零件表面产生不同的压力区域。由于可以在板料两面同时 施加正压和反压( 如图卜l 所示) ，因此，这种方法对成形过程中材料 的流动、储备和变薄甚至摩擦力有明显的控制效果，尤其对复杂零件 的成形十分有利。此外，它不会因零件的破裂而造成工作现场的环境 污染。文献中同时指出，由于粘性介质不像液体介质，它只能用柱塞 或活塞的注射形式来提供所需的压力，因而工作效率低，通常用于飞 行器等小批量、复杂零件的成形。关于粘性介质的成形机理和特性的 研究目前仍在进行中。 1 5 3 新介质的应用 人们在不断的探索中谋求发展，对胀形也是如此。文献【5 9 】中就提 出了使用低熔点合金作为介质的管材胀形新工艺。文中介绍了对c 1 2 2 0 ( 含c u 量为9 9 9 ，含p 量为o 0 1 o 0 4 ) 管胀形加工的工艺过程。 首先，管内腔充满口j 。，助，跏。如。的低熔点合金，之后此合金固化为管 材的可熔型芯体，管材和芯体作为一种复合毛坯进行压力成形，成形 完毕后低熔点合金将被熔化并且从管中去除。这种介质的使用可以大 大提高管材的成形极限。但是正如i i i 面指出的，低熔点合金充填管坯 以及从制件中清理掉都比较麻烦，因此，对于大批量生产这种方法是 不适宜的。 1 0 西北【：业大学硕士学位论文 1 6 本文的研究内容 本文将对三通管液压胀形进行有限元数值模拟，为三通管液压胀 形工艺参数的确定提供可靠的依据。主要内容有： 1 本文分析了三通管在自然胀形和轴向压缩胀形下受力区的应力 和应变情况，以及胀形区壁厚变化和胀形变形程度等的情况，为胀形 加工的数值模拟中各种参数的选择提供了依据。 2 通过对塑性成形原理中的屈服条件、增量理论以及摩擦条件的 研究，采用了幂指数强化模型，用主应力法推导出三通管液压胀形中 的胀形力、轴向压力和摩擦力的值，从而使进行有限元模拟时载荷的 确定有了依据。 3 本文利用工程计算软件a n s y s 中的多物理模块模拟三通管液 压胀形的过程，针对有限元数值模拟模型建立的关键问题，从接触分 析、摩擦条件、时间步长、收敛准则等几个方面探讨了各种参数选择 的原则，确定了本文进行有限元模拟的相关模型及参数，为数值模拟 的顺利进行打好了基础。 4 在a n s y s 下建立几何模型和物理模型。模拟三通管液压胀形 过程金属的流动情况，揭示应力与应变分布状况、壁厚变化情况、不 同工艺因素对成形过程的影响，缺陷产生的预测及其原因等，为胀形 加工工艺的优化设计提供详细而科学的信息。 5 在总结了本文所做的工作后，对需要进步研究的问题进行了 思考，并对以后的研究提出了自己的看法和展望。 本章小结 本章先介绍了管材胀形加工的方法，接着又介绍了数值模拟技术的 的发展，然后将两者结合起来，自然引出了本文的主要研究问题：管 材胀形的数值模拟。在说明了本文的研究工作之前还介绍了一些新的 胀形方法以及在胀形加工中关于新介质的研究，指出了新方法和新介 质的优点与不足，进一步表明了管材的胀形是种很有发展前途的生 产方式。 两北c 业人学硕士学位论文 第二章三通管的胀形加工 三通管在工业上的用途极为广泛。由于其传统的制造工艺只限于 铸造、焊接和机加工等，因此材料损耗大、产品质量低，生产效率也 不高，难以适应现代工业生产发展的需要。 管材胀形是依靠材料的拉伸，在压力作用下使直径较小的管坯沿 径向向外扩张的成形工艺。根据管件的要求，胀形既可对管坯的局部 进行扩张，也可以对整个管坯进行扩张。管材胀形可以在机械压力机、 液压机或专用设备上完成，所获管件已广泛用于国防、机械、化工、 轻工及民用产品等工业部门中。 2 1 胀形加工原理 三通管的胀形加工有三种方法：自然胀形、轴向压缩胀形和复合 胀形。自然胀形和轴向压缩胀形已在生产中获得了广泛应用。下面主 要介绍它们各自的胀形变形特点及胀形区壁厚的变化情况。 2 1 1 胀形变形特点 1 自然胀形变形特点 管坯在内压力p 作用下的自然胀形如图1 - l a 所示。在胀形过程中， 零件的成形主要靠管坯壁厚的变薄和轴向的自然收缩( 缩短) 来完成。 其胀形变形区主要承受 双向拉伸的平面应力状 态( 忽略料厚方向的应 力) 和两向拉伸、一向压 缩的应变状态。由于胀形 区材料处于双向受拉的 不利变形条件，零件极易 严重变薄甚至破裂。所 以。控制胀形变形区材料 的过分变薄和防止破裂， 是自然胀形加工需要解决 图2 1管材胀形示意倒意图 a ) 白然胀形b ) 轴向压缩 f i g 2 - l t h es c h e m eo f h y d r o f o r m i n g j 1 2 馥t 瀵薹参溱萋 茹藏 两北j 二业火学硕士学位论文 的重要问题。 自然胀形的变形情况较为复杂，其极限变形程度的大小与胀形过 程中轴向有无自然收缩及其收缩量的多少有关。同时，随着胀形零件 的形状和胀形部位的不同，胀形的极限变形程度差别也很大。 当胀形部位完全靠管坯壁厚的局部变薄而成形时，由于管坯轴向 无收缩或收缩量极小，其变形性质为局部成形，故胀形极限变形程度 ( 极限胀形系数k 。，) 主要取决于材料的允许伸长率。 当在胀形部位局部变薄的同时，还伴随着管坯轴向的自然收缩时， 由于轴向缩短部分的材料补充到成形部分，因此其极限变形程度要比 轴向无收缩的自然胀形大一些。极限变形程度增加的多少与轴向收缩 量的大小有关。一般来说，当胀形区形状为轴对称时，胀形部位愈靠 近管坯端部，轴向收缩量就愈大。所以，对同一材料形状不同的胀形 件，它们的胀形成形极限显然是不同的，不能一概而论。 2 轴向压缩胀形变形特点 管坯在内压力p 和轴向压力f 共同作用下的胀形，称为轴向压缩 胀形，如图2 1 b 所示。施加轴向压力的结果，不仅使管坯在胀形过程 中产生轴向压缩变形，以补偿胀形区材料的不足，而且使胀形区的应 力应变状态得到了改善。当施加的轴向压力足够大时，胀形区母线方 向的拉应力变为压应力，成为一拉一压的平面应力状态。变形也由一 向拉伸、一向压缩变为一向拉伸、两向压缩的应变状态。这种应力应 变状态的变化，有利于材料的塑性变形，不仅可以减少胀形区材料的 变薄量，使胀形区壁厚较均匀，而且可以显著提高胀形成形极限的大 小。当然，要施加对管坯的轴向压缩。只有在管坯壁厚较大时才易于 实现。 轴向压缩胀形的成败，主要取决于施加的轴向压力f 和内压力p 的大小及其两者的比值。若施加的轴向压力不足，或轴向压力与内压 力的比值过小，则母线方向压应力也可能成为拉应力，压应变也可能 成为拉应变，这在本质上与自然胀形是一样的，因此达不到提高成形 极限的目的。若施加的轴向压力过大或两者的比值过大，胀形过程中 管坯将受压失稳，产生折皱。因此，控制轴向压力的大小及其与内压 力的比值，是轴向压缩胀形工艺必须解决的技术关键。 2 1 2 胀形区壁厚的变化 i 自然胀形区壁厚的变化 撕北j ：业火学硕士学位论文 自然胀形时，由于胀形变形区通常局限于管坯的某一局部，胀形 件主要是靠变形区材料局部拉伸而形成的，难以从外部补充材料，故 胀形区壁厚一般都要变薄。变薄量最大的部位一般在最大胀形尺寸处， 胀形破裂总是发生在材料厚度减薄最大的部位。 自然胀形后胀形区壁厚的变化可按塑性变形体体积不变条件计 算。当胀形区位于管坯中部时，由于最大变形区的材料沿切向( 圆周 方向) 延伸时较难取得母线方向材料的补充，因此根据塑性变形体积 不变条件：x d t = t r d , t ，所以 仁r 詈 ( 2 _ 1 ) 式中f 一一管坯厚度 d 一一管坯直径 d 一一胀形后胀形区任一胀形直径 ，一一胀形后对应与_ d 处的壁厚 同理，在最大胀形直径处，其最小壁厚为 t m a x = f 姜o ( 2 2 ) m x 式中d 。一一胀形后的最大直径 f 一一一最大胀形直径处的最小壁厚 当胀形区靠近管坯端部时，胀形变形区材料的切向延伸较易得到 母线方向材料的补充，故其壁厚减薄量相应小些。 根据文献资料可知，管材自然胀形的最大变薄量约为d 3 f 左右， 因此对