（材料加工工程专业论文）管形件塑性成形过程有限元模拟研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文摘要 摘要 管形件已广泛应用于航空航天、管路管道、石油化工、轻工、交通运输及 日常生活用品等工业部门中，管形件塑性加工是对管坯通过各种塑性加工手段 制成管形零件的加工技术。由于管形件塑性加工是指对管坯的二次加工，因此 管形件塑性加工属于管坯深加工技术的范畴。 本文简要介绍了管形件成形的方法及有限元模拟在塑性成形中的应用，针 对2 0 钢管坯胀形的问题，建立有限元模型，采用有限元模拟软件d y n a f o r m ， 对典型的管形件三通管成形过程进行了模拟，分析了不同的应力应变及各种工 艺参数对胀形成形的影响，主要分析了反压力、内压力、两端轴向进给量、厚 向异性系数、摩擦系数、圆角半径等对胀形的高度、壁厚的影响。找出其中的 规律性，并对其原因进行分析。 由于管形件胀形时变形量较大，各个参数的影响相对复杂，仅仅通过三通 管很难说明这些参数变化的规律性，因此又通过对多通管自行车中接头进行模 拟，分析内压力、两端轴向进给量及各个参数的影响规律，通过与三通管中各 个参数进行比较，优化模拟参数，然后用优化后的模拟参数重新对三通管和中 接头进行有限元模拟。 通过分析比较，得到了较为合理的2 0 钢的模拟参数，并用优化的模拟参 数对等径四通管进行模拟，验证各个模拟参数的正确性。 关键词：三通管；多通管；有限元模拟；液压成形；橡胶胀形 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 管形件塑性加工概述 第一章绪论 随着科学技术和工业生产的不断发展，在航空航天、管路管道、工程机械、 石油化工、轻工、交通运输及日常生活用品等工业部门中，已广泛采用管形件 制造零件。因此，管形件的塑性加工在当代工业生产中占有十分重要的地位【l j 。 管形件塑性加工是以管状材料作为毛坯，通过各种塑性加工手段，制造管形件 零件的加工技术。实际上，管形件塑性加工是指对管状材料的二次加工，故属 于管坯深加工技术的范畴。 根据管形零件的技术条件及不同使用要求，应选用相应的塑性加工方法。 实际生产中，尽管管形件的形状、尺寸及使用场合各不相同，但其基本加工工 序是相同的，主要有切断、冲孔、弯曲、胀形、缩口、扩口、翻边、卷边等。 每一加工工序又可通过不同的塑性加工方法来实现。例如管形件的胀形加工， 按使用模具的结构特征，可分为刚性模与软模胀形两类，而软模胀形则根据传 压介质的不同，又可分为橡胶胀形、p v c 塑料胀形、石蜡胀形、液压胀形及 气压胀形等方式1 2 j 。 管形件的塑性加工与板材塑性加工相比，虽然从变形性质、变形特点等方 面看，有许多相似之处，但由于管形件是空心截面，在工艺方法、需要解决的 工艺难点、工装结构设计、工艺参数选择及为防止产品产生质量缺陷而采取的 工艺措施等方面，与板材塑性加工都存在很大的不同。 管形件的塑性加工，往往易产生下述质量缺陷： ( 1 ) 壁厚变薄、破裂 如弯曲变形区外侧壁及胀形变形区管壁，扩口及翻边变形区的管壁，均会 产生壁厚变薄。变薄量最大的部位在最大变形处，变薄过度时导致破裂。从变 形力学的角度看，这是由于拉应力的作用而使变形区丧失了承载能力，因此属 于塑性拉伸失稳问题。该类质量缺陷均发生在伸长类成形工序中。 ( 2 ) 壁厚增厚、起皱 如弯曲变形区内侧及缩口变形区管壁，壁厚均有增加。若变形程度过大， 则管壁丧失稳定，引起皱折。因此，失稳不只是在拉应力作用下才会出现，在 压应力作用下，同样存在塑性失稳问题。此类质量缺陷均发生在压缩类成形工 序中。 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 横断面形状畸变 在管形件的弯曲加工过程中，若不采取必要的措施，弯曲后的横断面或大 或小地都将发生畸变。又如利用模具对管形件进行切断时，由于切刀对管壁的 压力作用，也会使切断面产生压塌现象，变为非圆形【3 6 】。 为防止上述质量缺陷的产生，消除或最大限度地减少质量缺陷，以满足管 形件的使用要求，选用合理的工艺方法及采取必要的工艺措施，是十分重要的。 用于塑性加工的管形件毛坯，按材质的不同可分为钢管和有色金属管两 类，有色金属管包括铜和铜合金管、铝和铝合金管、镍和镍合金管等。生产中 除常用的钢、铜、铝管外，也较广泛地使用各种合金和其它金属管。根据管形 件的断面形状，可分为圆形管和异型管。圆形管的规格一般用外径x 壁厚表示。 异型管有椭圆形、三角形、梯形、矩形、正方、六方等各种复杂性形状，其规 格表示方法也各不相同。根据管形件生产方法，可分为热轧管、冷拔管、挤压 管等。根据壁厚不同可分为厚壁管、薄壁管( 壁厚小于2 m m ) 以及外径不大 于5 m m 的毛细管等。 钢管分无缝钢管与有缝钢管两种。除大量用于气体和液体的输送管路外， 又广泛用于制造机器零件和工程结构件。无缝钢管由整块金属轧制或离心铸造 而成，断面上无接缝。其材质多种多样，几乎涉及到所有钢种。有缝钢管又称 焊接钢管，用钢带卷焊而成。 管形件塑性加工质量，不仅与选用的加工方法及工艺参数等因素有关，而 且受管形件质量的直接影响。管形件的化学成分和力学性能既要满足使用要 求，还应使管形件具有良好的加工工艺性能，管形件的工艺性能由工艺试验判 定。如弯曲试验、扩口试验、卷边试验、压扁试验等，这些工艺试验必须按标 准中规定的方法进行。 管形件塑性加工工艺与板材塑性加工工艺一样，为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，还是在新工艺研制方面，都取得 了较大的进展。如高能成形是金属塑性加工中的特殊成形方法，能完成管形件 的胀形、缩口、扩口、冲孔等加工工序，在某些生产条件下具有独特的优越性 【7 - 8 1 。 1 2 管形件胀形加工 管形件胀形是依靠材料的拉伸，在压力作用下使直径较小的管坯的整体或 者部分沿径向向外扩张的成形工艺。根据管形件的要求，胀形既可对管坯局部 进行扩张，也可对整个管坯进行扩张。管形件胀形可以在机械压力机、液压机 2 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 橡胶胀形法 橡胶胀形是利用橡胶作凸模，用金属制成刚性凹模，在压力作用下，橡胶 变形而使管坯按凹模内腔胀出所需的工件形状。橡胶胀形与钢模胀形、液压胀 形相比，具有下列特点： ( 1 ) 模具结构简单。采用聚氨酯橡胶作凸模时，利用其横向膨胀而卸载 后自行恢复的特点，可以制成整体形状，而不存在凸、凹模在制造上的配合问 题，模具的结构和制造大大简化，与液压胀形相比，不需要复杂的液压控制系 统或专用设备，使生产成本大大降低。 ( 2 ) 提高了零件的表面质量。采用聚氨酯橡胶作凸模时，只要刚性凹模符 合零件图纸的理论要求，则零件成形时，可以完全按照凹模型面成形，贴模性 能好，而且可以完全避免零件内表面的刮伤、压痕等缺陷。 ( 3 ) 橡胶胀形不存在液压胀形时的密封、污染及液体的损失等问题，降 低了对生产条件的要求，改善了工作环境和劳动条件。 ( 4 ) 由于聚氨酯橡胶凸模是整体的，并与压力头连接在一起，工艺操作 简单，容易完成，可使工序数量大大减小，生产效率提高。 ( 5 ) 可以一模多用，适用范围广。在聚氨酯橡胶进行胀形的同时，可以 进行成形、冲孔等工序，这是用其它任何胀形方法都难于作到的。利用聚氨酯 橡胶胀形，不仅适用于中小批量和单件试制生产，也适用于大批量生产。 如前所述，由于聚氨酯橡胶既具有液体或气体那样各向流动的性质，又具 有刚体那样不会流散和具有一定的强度及硬度的特点，克服了天然橡胶的不 足，提高了凸模的寿命和成形件的质量，因此聚氨酯橡胶胀形技术在生产中获 得了迅速的推广应用，尤其是在管形件的胀形生产中更显示出了优越性，成为 管材成形加工的重要生产方法。 1 2 4 液压胀形法 液压胀形是利用高压液体( 水或油等) 代替刚性凸模，在液体压力作用下 使管坯沿径向扩展的成形方法。液压胀形的最大优点是传力均匀，能使材料在 最有利的受力条件下产生变形，所得零件表面光滑，质量好，克服了钢模胀形 时成形件的缺陷。但这种方法的最大缺点是生产效率低，胀形模具或装置需要 严格密封，以防胀形时液体泄漏、造成污染等，因此广泛的推广应用受到了密 封程度的限制。 液压胀形通常采用两种方式：一种是液体直接作用在工件上，另一种是液 4 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 成品的不同影响的结论。19 6 5 年，日本发表一篇关于铜管液压成形成为小型 三通管件的文章。到了7 0 年代，日本己经能够大批量的生产直径达3 0 5 m m 的 钢件。6 0 年代末，美苏等国开展了复杂应力状态下金属变形行为的研究，其 研究成果迅速应用于管件的液压成形中，使得能够应用这项技术进行生产的多 通管件的形状越来越复杂，质量越来越高。8 0 年代初，前苏联挤压成形等径 三通和等径四通的支管的长径比达到了1 2 。到了9 0 年代，俄国已经能够液压 成形钛合金、铝合金及耐腐蚀高强度钢等塑性较低的材料。现在，美、俄、德、 日等技术发达国家采用专用液压机对管件进行塑性加工，成形压力高达 1 5 0 0 m p a ，生产出较为复杂的多通管件、轿车凸轮轴、轿车车架等空心零件， 提出了成形工程的概念。但是液压系统必须采用液压增压系统才能获得成形所 必需的高压或超高压，存在系统复杂、技术难度大、投资大、生产率低等缺点 【l o l l 】 o 根据美国钢铁研究院汽车应用委员会的调查结果，在北美制造的典型轿车 中，空心轻体件在轿车总量的比例已从几年前的1 0 上升到1 6 ，而在中型面 包车、大吉普和皮卡车中的比例还要高，因此美国有关大学、研究机构和公司 十分重视内高压成形技术，已于几年前开始着手研究开发，近年来加大研究开 发的力度。目前美国最大的汽车公司通用汽车公司已用液压成形技术制造了发 动机托架、散热器支架、下梁、棚顶托梁和内支架等空心轻体件。德国于7 0 年代末开始对内高压成形技术进行研究，并率先开始在工业生产中采用内高压 成形技术制造汽车轻体构件。德国奔驰汽车公司于1 9 9 3 年建立了内高压成形 车间，宝马公司已在其几个车型上应用了内高压成形的零件。目前在汽车上应 用有：排气系统异形管件、副车架、底盘构件、车身框架、座椅框架及散热器 支架、及安全构件等。液压成形工艺除了生产汽车、飞机上使用的各种轻体件 外，目前还利用该技术生产管道工业中用到的各种类型的管件及管接头，如三 通管件，多通管件、旋转管接头等等。 国内在多通管成形方面的研究起步较晚，在7 0 年代末主要研究以聚酯橡 胶等为填充材料，通过对这些填充材料施力产生的高内压使管坯发生胀形的成 形工艺，这种工艺主要被应用于自行车车架接头管件的生产中。而在胀形成形 特别是液压成形方面我国现阶段的研究还处于初级阶段，取得成功的实例很 少，仅在三通管和多通管方面进行了初步的研究，用简化的工程算法推导了三 通管接头成形力的计算公式，计算精度远远不能满足生产实际的广泛应用。而 加工生成的三通管、波纹管等管件和自行车零件，成形压力较低，内压与轴向 进给的控制也不严格。用内高压成形制造汽车、飞机等的大型机器零件目前还 是空白。近几年来，国内也出现了相关的研究。哈尔滨工业大学在液压机上采 6 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 的力和能。其优点是简便易行并能得到问题的解析解，但只适宜于简单的成形 问题。另一类是数值方法，其中包括有限差分法、有限元法和边界元法。这类 方法能用于获得金属塑性成形过程中应力、应变、温度分布和成形缺陷等的详 尽数值解，能应用于十分复杂的成形过程。有限元法是目前进行非线性分析的 最强有力的工具，因此也成为金属塑性成形过程模拟的最有效的方法【l 争1 。7 1 。 目前，有限元法已经成为分析和研究金属塑性问题的主要数值分析方法之 一，与其它的一些方法相比，有限元法具有以下的优点： ( 1 ) 由于每一种单元可以有不同的形状，同时各种单元之间可以采取不 同的联结方式，因此有限元法能适用于任何材料、任意边界条件、任意结构形 状的模型。金属材料的各种塑性成形过程，均可利用有限元法进行分析。 ( 2 ) 有限元法能够较好地处理诸如摩擦、接触、边界等问题，这是其他 方法所无法比拟的。 ( 3 ) 有限元法能够提供金属塑性成形过程中的详细信息，包括应力场、 应变场、速度场、等效应变分布等。 ( 4 ) 有限元法能够与计算机辅助设计技术相结合，为优化成形工艺以及 模具结构设计提供可靠的依据。 ( 5 ) 由于有限元分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式，最后导 致求解方程可以统一为标准代数问题，特别适合计算机的编程和执行，可求解 大型复杂制件的成形问题。 但是，有限元法也有它不足之处，主要表现在： ( 1 ) 有限元法不能对工艺条件数值化表达后完全确定的成形问题进行分 析，只能得到离散的数值解，每个工艺因子对工艺的影响及其相互间的作用关 系不易解释清楚，需要进行多次计算进行对比分析才能得到。 ( 2 ) 计算量较大，特别是进行大塑性变形时，需要大容量的计算机和较 长的计算时间。 ( 3 ) 计算准确性问题。由于有限元法是一种数值计算方法，在计算过程 中存在多种会产生误差的因素，如计算模型的理想化处理、边界接触条件的处 理、迭代收敛的处理等【1 8 】。 随着有限元理论的进一步发展完善，特别是计算机技术的飞速发展，使得 原来需要大型计算机才能完成的计算得以在小型计算机上完成，上述不足正在 不断得到改进。适合于管件成形的有限元分析方法的种类很多，可根据材料模 型、数值求解方法、分析模型的建立方法进行分类。 塑性成形过程的有限元模拟技术在金属塑性成形的研究中取得了广泛的 应用。板料成形模拟技术的发展可追溯到2 0 世纪6 0 年代，它是伴随着非线性 8 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 连续介质力学理论、有限元理论和计算机技术的发展而逐步发展起来的。板料 塑性成形是利用金属板料在固体状态下的塑性，通过模具及外力作用而制成零 件的一种加工方法。与切削加工等方法相比，板料塑性成形不仅具有更高的生 产效率，而且能获得更高的材料利用率，因而在国民经济中得到了极为广泛的 应用，特别是在航空航天、汽车、船舶、电器、五金、生活用品等生产部门， 板料塑性成形都是必不可少的加工方法之一【1 9 - 2 2 1 。 板料成形过程也是一个大挠度、大变形的塑性变形过程，涉及金属板在拉 深和弯曲的复杂应力状态下的塑性流动、塑性强化，以及由此引起的起皱、破 裂和回弹等问题。同时，冲压过程也是一个复杂的多体接触的力学分析问题。 因此，对冲压成形过程中板材的成形性而言，单凭经验很难预先估计，致使模 具设计正确性难以评价，往往要等到模具加工完成后试模时问题才能暴露出 来，给模具调试造成极大困难，甚至导致模具报废。利用板料成形过程模拟技 术可以及早发现问题，改进模具设计，从而大大缩短模具调试周期，降低制模 成本。板料成形分析可在多方面对冲压生产提供有力的技术支持：在设计工作 的早期阶段，评价成形件及其模具设计、工艺设计的可行性；在试冲试模阶段， 进行故障分析和解决实际发生的问题；在批量生产阶段，用于零件的缺陷分析、 改善钣金件的生产质量，同时可用来调整材料的选择，降低生产成本。 板料成形过程的物理描述是：在模具各部件( 通常是凸模、凹模和压料板) 的共同作用下，板料发生大变形，板料成形的变形能来自强迫模具部件运动的 外功，而能量的传递完全靠模具与板料的接触和摩擦来实现。由此可见，对于 成形过程中模拟软件的接触算法的理论和精度往往决定着程序的可靠性。除此 之外，由于板料的位移和变形很大，用来模拟板料的单元类型应满足这一要求。 因此需先进行一定的假设：设模具为刚体，模具的运动可直接作为冲压系统的 位移边界条件。将冲压过程的物理模型转化为力学模型，即动量方程、边界条 件、初始条件。可将其描述为：在给定的模具位移条件下，求得板料的位移函 数，并在任意时刻同时满足动量方程、边界条件和初始条件。这已经是一般性 的力学问题，可采用有限元的方法进行求解【2 3 1 。 由于板料成形数值模拟技术涉及到连续介质力学中材料非线性、几何非线 性、状态非线性等的强非线性计算，难度很大。在材料的本构关系中，用于板 料成形分析的非线性有限元法主要采用弹塑性有限元法。 适用于大变形问题的非线性有限元法提出后，在板料成形模拟中得到了广 泛的应用，解决了大批以前用经典方法无法解决的问题。在早期板料成形模拟 尚处于探索阶段时，研究工作就己逐渐展开，例如w a n g 和b u d i a n s k y 采用流 动坐标中的有限变形理论推导出针对一般板料成形问题的薄膜壳有限元模型， 9 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 模拟了许多材料的半球头胀形成形过程，其计算结果与实验吻合得较好，标志 着这一领域应用研究的开始。为了研究厚度、边界条件和材料模型对应变分布 的影响，n a k a m a c h i 等还应用k i r c h h o f f 薄壳模型分析了各种不同厚度圆形板 的自由胀形和凸模拉胀。而i s k a i 等不仅分析了非轴对称问题，而且还用有限 元方法来确定非对称拉深件的合理毛坯形状和尺寸，促进了有限元法应用于板 料成形分析的迸一步发展。 经过一定时期的发展，板料成形模拟研究在世界各地进入了快速发展阶 段。这方面的研究工作的进展涉及到了板料成形分析发展的各个方面，内容涉 及新材料模型研究、成形模拟、缺陷及失稳分析、本构方程建立、程序前后置 处理、有限元( f e m ) 程序开发及与c a d 系统连接等。在本构关系方面，增 量形式的应力合成本构理论由于考虑了大塑性变形而导致厚向简化，因此可以 很好地模拟板料成形，其所需计算时间大大少于厚向积分法。在壳体理论方面， l e e 提出了适于板料成形分析的比较完善的薄壳大变形理论及其增量形式的变 分原理。该理论包含了有限延伸、转动、弯曲和厚度变化，引用了板壳法向各 向异性流动的拉格朗日公式，失效判据也可以方便地应用到这个理论中来。在 计算方法上，动力显式算法逐渐成为主流。该算法无收敛问题，单次求解迅速， 并无须建立总体刚度矩阵，从而大大节省存储空间，可在较小的存储空间中计 算大规模的动态非线性问题，被一致认为是求解接触碰撞等这类强非线性问题 的有效方法。 板料成形数值模拟技术逐渐走向成熟，已形成商品化的板料成形分析c a e 软件，得到许多工业部门的重视和应用。美国的通用、福特、德国的大众、奔 驰，日本的丰田等大型汽车制造公司，都已开始应用板料成形分析c a e 软件 指导板料成形件的开发和生产，产生了很好的经济效益。随着我国的汽车、飞 机等工业的发展，板料成形过程分析的需求日益迫切，板料成形c a e 软件在 我国的应用越来越广泛【2 4 。2 引。 管形件成形利用柔性成形介质直接作用于管坯内部进行成形的方法，属于 软模成形工艺，具有柔性成形的特点。随着计算机控制技术和超高压流体技术 的发展，已经成为加工空心轻体件的先进工艺方法。近年来在汽车、航空航天 等工业中得到广泛的应用。管形件胀形主要依靠材料的拉伸性能，在压力下使 管坯沿径向向外扩张的成形工艺。这种方法从内部施加压力，外部采用模具的 约束来达到成形目的。内部压力可通过液体、橡胶高弹性塑料或软金属来传递， 复合胀形是在轴向压缩胀形的基础上，又另外施加其它变形力或其它胀形工序 进行的胀形工艺。与板材和壳体成形相比，管形件胀形使用的压力更高，一般 在l o o m p a 1 5 0 0 m p a 之间。管形件的形状复杂，影响成形的因素较多，成形 l o l l j 尔埋上灭字职工手性佑义 弟一草捍望任有限兀基本原理 ( m 枷爿磬) ( 爱m ( 2 6 ) 此线段长度的变化，即变形的量度，可有两种表示法，即： ( 协) 2 - ( ) 2 _ ( 瓮磬刮机j - 2 枷， ( 2 - 7 ) ( 协) 2 _ ( o 则娟一鲁鲁m _ - 2 伽_ 。( 2 - 8 ) 这样就定义了两种应变张量，即： 肾吾( 瓮瓮吲 ( 2 - 9 ) 铲三( 岛一凳磬) ( 2 - l o ) 式中岛： 1 时，厚度方向上的变形比宽度方向上的变形困 难，而平面方向的变形相对容易，这可减小板料的厚度变薄量，提高抗拉、压 失稳的能力，有利于提高成形极限。r 值越大，成形极限越高。厚向异性系数 对冲压成形的影响很大，因此在板料冲压成形分析中，必须考虑厚向异性的影 响。厚向异性弹塑性材料模型采用h i h 屈服准则，考虑了厚向异性对材料屈服 的影响，但没有考虑板料平面内的各向异性的影响。而在管形件成形模拟时， 由于管形件是中空的，所以不需要考虑平面内各向异性的影响。也就是说在管 形件成形时，厚向异性系数也就是材料的各向异性系数。并且，由于管形件的 这一特性，使厚度方向上变形困难，因此管形件的厚向异性系数要比普通的板 料冲压的厚向异性系数大，这也是管形件不同于一般冲压成形的原因之一。 材料的厚向异性系数r 与胀形高度的关系如图3 2 4 所示： 23456 r 图3 2 4 厚向异性系数对胀形高度关系图 由图中可以看出，作为材料的内在特性，在相同条件下，较大的各向异性 系数r 可以显著提高管形件的胀形高度。材料的厚向异性系数r 值越大，说明 材料宽度方向上越容易变形，而厚度方向上越难变形，这对胀形成形是有利的。 如进行复杂形状的管形件胀形成形时，如果r 值较大，管形件在内压力作用下， 厚度方向变形比较困难，则变薄量小，而在材料平面与拉应力相垂直的方向上 的胀形变形比较容易，则管形件两端部分起皱的趋势越低，因而有利于胀形的 顺利进行和胀形件质量的提高，可增大胀形的极限变形程度。 材料各向异性系数r 与胀形壁厚的关系如图3 2 5 图3 2 7 所示： 7 6 5 4 3 2 2 2 2 2 2 2 一e e 兰 山东理工大学硕士学位论文第三章三通管胀形的有限元模拟 2 4 0 2 3 5 垂2 3 0 c 三2 2 5 23456 r 图3 2 5 厚向异性系数与最小壁厚关系图 1 0 0 9 0 8 e 邑o 7 司 0 6 0 5 234 56 r 图3 2 6 厚向异性系数与最大壁厚关系图 23456 r 图3 2 7 厚向异性系数与厚度差值关系图 在排除外因的情况下，厚向异性系数r 决定着所选择的材料的成形性能， 也是决定模拟是否取得成功的重要参数。从图中我们可以看出，随着r 值的不 断增大，管坯成形后的最小壁厚先是快速增加，随后趋于稳定。最大壁厚不断 减小，壁厚差值也在不断的减小。这是由于当材料厚向异性系数r 较小时，由 于在各个方向上的拉力比较大，当达到屈服极限时，迅速拉伸变形，而材料又 不能得到及时的补充，使得材料变薄，不均匀性增加。模拟时引入厚向异性系 数，可弥补各向同性材料的不足。r 值越小，厚度分布越不均匀，管坯抗变薄 能力越弱，越易产生大的壁厚减薄。r 值增大，在厚度方向上的抗力增大，越 不容易变形，则在两端压应力作用下，材料能够得到及时的补充，材料的变形 越均匀。当r 达到一定值后，内压力不足以使厚度方向上材料进一步变形，而 材料又能够得到及时的补充，所以最小壁厚值便趋于稳定。对于2 0 钢，由图 3 - 2 5 、图3 2 6 、图3 2 7 可以看出，此r 值约为3 5 左右。要想使得所选取的材 料在模拟中能取得更加接近实际的结果，那么就必须选择适当的厚向异性系 数。如果选择的过小，则容易破裂；过大则在应该破裂时，在模拟过程中仍然 3 7 寻佰竹舌； 3 3 3 3 3 2 2 一eev岔ep 山东理工大学硕士学位论文第三章三通管胀形的有限元模拟 可以成形，达不到模拟的最终目的。 3 3 5 摩擦系数对胀形的影响： 摩擦力是影响管形件成形高度与质量的一个重要参数，摩擦力大小主要用 摩擦系数来衡量。摩擦系数越大，则摩擦力越大。摩擦力阻止金属在变形中的 流变量，使成形所需要的内压力增大，当摩擦力较大时，使制件表面产生许多 划痕，破坏表面光滑程度，对成形件的质量不利，并影响成形模具的使用寿命。 图3 2 8 表示模拟成形三通管支管的高度随摩擦系数的变化情况。 0 0 0 0 0 2 0 0 40 0 60 0 80 1 0 o 1 z u 图3 2 8 摩擦系数与胀形高度关系图 可以看出，摩擦力与内压力作用方向相反，随着摩擦系数的增大，因为成 形过程中的摩擦力阻止主管金属的流动性，在相同内压力下支管的高度在不断 的下降。 摩擦系数与胀形壁厚的关系如图3 2 9 图3 3 1 所示。由图中可以看出： 随着摩擦系数的增大，支管的高度和最小壁厚显著下降，最大壁厚和壁厚差 值在摩擦系数0 1 以前变化不大，但是在摩擦系数达到到0 1 后急剧增加，这 非常不利于胀形成形，因此在模拟与生产过程中，要尽量减小摩擦系数。 9 8 7 6 5 4 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 一e e ) u 山东理工大学硕士学位论文第三章三通管胀形的有限元模拟 0 0 00 0 20 0 4o 0 0 80 1 0 0 1 2 u 图3 2 9 摩擦系数与最小壁厚关系图 e e 萄 3 3 0 3 2 5 3 2 0 莒3 1 5 邑3 1 0 至3 0 5 3 0 0 2 9 5 2 9 0 0 0 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 1 0 0 1 2 u 图3 3 0 摩擦系数与最大壁厚关系图 0 0 00 0 2 0 0 40 0 6 0 。0 8 0 1 00 1 z u 图3 3 l 摩擦系数与厚度差值关系图 需要指出的是，对于一般壳体情形，因几何描述的复杂性和涉及具体壳体 理论的选择，很难直接构造位移和转动各自独立插值的曲壳单元，因此一般将 三维连续体简化为二维壳体单元，这样可以避免涉及具体壳体理论的选择和复 杂的数学推导。目前针对大塑性变形的三维模拟软件都是采用二维壳体单元。 但是二维壳体单元将厚度方向上变为单层网格，在移动过程中厚度方向的每个 单元都是整体移动的。实际的成形过程时只有表层受到摩擦，摩擦力较大时会 出现划痕。只要适当增加内压力及两端压力，则摩擦力对管件的成形高度影响 较小。而在模拟过程中，由于d y n a f o r m 数值模拟是单层的网格划分，使摩擦 系数在模拟过程中的作用增大，摩擦力对管坯的作用贯穿在整个壁厚上，当摩 擦系数达到一定数值时，会使材料在管形件宽度方向上的流变量大大降低，使 胀形过程中材料的减薄不能得到及时补充，而厚度方向上的变形则增大，使得 最大厚度急剧增大。因此，在模拟过程中要采用比实际摩擦系数小的摩擦系数 才能与实际成形的结果相符合，这一点在模拟过程中要注意。 3 9 髭引勰勰刀筋筋 2 2 2 2 2 2 2 2 一e e 一量e _ 惦鲇髓弱刀髓 1 1 o o o 0 0 0 0 山东理工大学硕士学位论文 第三章三通管胀形的有限元模拟 3 3 6 模具的圆角半径对胀形的影响 凹模圆角半径r 与胀形高度关系如图3 3 2 。 2 46 8 1 0 1 z r ( m m ) 图3 3 2 圆角半径与胀形高度关系图 可以看出随着凹模圆角半径的增加，胀形的高度增加。因为圆角半径越大， 阻力越小，材料流动性越好，越有利于成形。 图3 3 3 图3 3 5 所示反映的是采用不同圆角半径的凹模模拟成形三通管 的支管壁厚与凹模圆角半径r 间的关系。 e e 量 e 24 681 01 2 r ( m m ) e e e 24681 0 r ( m m ) 图3 3 3 圆角半径与最小壁厚关系图图3 3 4 圆角半径与最大壁厚关系图 0 5 0 5 0 5 0 5 5 4 4 3 3 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 一e e c 加他侣似他竹眩 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 们弘驼勰筋m挖约 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 山东理工大学硕士学位论文 第三章三通管胀形的有限元模拟 24681 01 z r ( m m ) 图3 3 5 圆角半径与厚度差值关系图 从图3 3 3 、图3 3 4 、图3 3 5 可以看出，随着凹模圆角半径的增大，管形 件最终成形得到的支管壁厚差值是逐渐减小的。这是因为，在三通管成形过程 中，随着变形程度的增加金属材料的强度、硬度提高而塑性下降，这种现象即 为加工硬化。随着凹模圆角半径的减小，变形越大，金属流动困难，产生加工 硬化的趋势也越强烈，更进一步增加了金属从主管流向支管的难度。则位于凹 模圆角处的金属很难沿着圆角变形，圆角半径处的应力增大。但是内压力的作 用使得材料有向支管处胀出的趋势，因此位于支管变形区的金属不得不向支管 方向流动。支管变形区的金属所承受的拉应力越来越大，支管壁厚减薄，进而 管形件壁厚差增大，将导致管坯的快速破裂。而且胀出的支管高度随凹模圆角 半径的减小而减小，管壁减薄量随凹模圆角半径的减小而增大。所以，在三通 管成形工艺中，在满足管形件设计要求的前提下，应尽量增大凹模过渡区的圆 角半径，这样更有利于提高管形件的成形质量。但是需要指出的是，当凹模圆 角半径达到1 2 m m 后，管形件胀形的最小壁厚值有减小的趋势，最大壁厚值和 厚度差值减小趋势减缓，这是因为随着凹模圆角半径的增大，模具内的空间相 应的有所增加，变形区扩大，而材料的补充量有限，使得支管变薄。而由前面 的分析可知，增加两端轴向进给量可以提高材料的补给，因此在增大凹模圆角 半径的同时适当的增大两端的进给量，可以防止最小壁厚的减薄。 3 4 三通管模拟结果与实验结果对比 通过对三通管胀形的模拟分析，调整优化三通管胀形模拟成形的工艺参 数，选择摩擦系数为0 0 3 ，两端轴向进给量1 8 0 0 m m ，材料厚向异性系数3 5 ， 内压力2 0 0 m p a ，反压力3 0 m p a 进行模拟成形，得到三通管模拟成形的极限图 如图3 3 6 所示： 4 l 弱两刀髓弱 1 0 0 o 0 o o 0 o 0 一e e 一萄 山东理工大学硕士学位论文第三章三通管胀形的有限元模拟 s t e p1 2t i m e ：0 0 1 0 0 0 1 f l d ，m i d d i ei a 归r 图3 3 6 三通管胀形模拟成形极限图 由图中可以看出，在胀形过程中没有出现破裂现象。胀形后的壁厚与高度 分别如图3 3 7 、图3 3 8 所示： 三患 2 讶伽鬻 佩弘嗍鬻 1 7 埘2 2 9 霾 住4 7 瑚溪 = 薰 9 肿o 2 7 7 7 3 6 蛇 锄2 0 7 6 兰簟 图3 3 7 三通管胀形模拟成形壁厚图图3 3 8 三通管胀形模拟成形高度图 由图中可以看出，胀形的最大高度约为2 7 1 m m ，最小壁厚约为2 3 m m ， 最大壁厚为2 9 m m 。可以看出变薄量仅有8 左右。 图3 3 9 所示为实际胀形成形的三通管零件及其壁厚分布情况图，其胀形 高度为2 6 m m ，最大壁厚约2 8 m m 。 4 2 黝麓鹣黼鬻墨垂囊譬。鬈 一 粼一 一 一 一 一一一 -_鬻麟缓霾瓣瓣鬻嘛 山东理工大学硕士学位论文第三章三通管胀形的有限元模拟 图3 3 9 实验成形三通管及壁厚分布图 比较图3 3 6 、图3 。3 7 、图3 3 8 、图3 3 9 可以看出：模拟结果与实际成形 结果基本吻合。可见，通过对前面各个参数的分析，可以认为所选取的各参数 在模拟三通管时是正确的。 3 5 本章小结 通过对三通管胀形过程的模拟成形研究，着重分析了反压力、内压力、材 料厚向异性系数、摩擦系数、凹模圆角半径对三通管成形的影响，找出其中的 规律性并对产生的原因进行了分析，最后通过与实验成形得到的三通管进行了 验证对比，结论如下： ( 1 ) 反压力可提高材料变形均匀性，提高胀形高度，同时可以抵消部分 内压力。 ( 2 ) 内压力为胀形的主要应力，对成形高度有决定性影响，但是内压力 的大小与两端进给量有一定的关系，内压力增大时，一般的两端进给量也要相 应的增大，同时其对胀形的作用与反压力大小也有关。 ( 3 ) 材料厚向异性系数为材料的基本参数，对胀形过程中的变形均匀性 影响很大，增大材料的厚向异性系数有利于三通管胀形成形，但当厚向异性系 数增大到一定数值时对壁厚减薄量的影响趋于稳定。 ( 4 ) 摩擦系数对三通管影响较大，随摩擦系数的增大，胀形高度几乎是 呈直线下降，胀形的最小壁厚减小，而最大壁厚先是略微减小，可忽略不计， 4 3 然后急剧升高。厚度差值在先是随摩擦系数的增大而略有起伏，但当摩擦系数 达到一定值后，剧烈增加。可见摩擦系数在模拟过程中对胀形的影响比实际要 大，因此摩擦系数的选取要比实际摩擦系数小。 ( 5 ) 增大凹模圆角半径可提高成形的高度，增大最大壁厚和厚度差值， 但当凹模圆角半径达到一定数值后，可使最小壁厚处的壁厚减薄量增大。消除 的方法是适当增加两端的轴向进给量。 山东理工大学硕士学位论文第四章自行车中接头有限元模拟 第四章自行车中接头胀形有限元模拟研究 4 1 自行车中接头胀形有限元模型建立 自行车中接头( 以下简称中接头) 作为车架上的一个主要零件，连接车架 的轴管、斜管和平叉管，并起着支撑中轴部件的作用，长期以来，我国的自行 车工业生产中，中接头零件几乎一直是沿用板料红热冲压一焊接一校形的生产 工艺，不仅工序多、成本高、劳动条件差、生产效率低，而且零件的质量也难 以保证。现在许多国内的自行车行业都采用液压或橡胶作为成形介质，采用轴 向压缩胀形的方法来成形，获得了良好的生产效果【2 j 。 在成形过程中，由于金属的局部变形量大，不仅有剧烈的轴向流动来补充 变形区材料的不足，而且还有由非变形区向变形区的轴向流动，因此变形较为 复杂。由于轴向压缩胀形主要是通过金属的轴向流动来补充变形区材料的不 足，因而要求材料补充的速度应当与管坯在承受足够内压时的径向变形速度相 适应，否则易引起质量缺陷。若材料补充过慢而内压力过大时，则胀形部位的 壁厚易变薄，甚至导致破裂；若材料补充过快而内压力较大时，则容易在管坯 中部引起凹坑、褶皱等缺陷。 模拟过程中选用材料为2 0 无缝钢管，屈服应力o 。为2 4 5 m p a ，泊松比0 2 8 ， 弹性模量2 0 7 e 1 1 p a ，长度1 1 0 m m ，外径3 9 m m ，壁厚2 8 m m 。自行车中接头 零件示意图与中接头胀形有限元网格模型如图4 1 、图4 2 所示： 图4 1 中接头零件示意图 4 5 山东理工大学硕士学位论文 第四章自行车中接头有限元模拟 图4 2 中接头胀形有限元网格模型 4 2 中接头胀形有限元模拟验证 通过对三通管成形的有限元模拟的研究可知，胀形时由于各个参数对胀形 的高度及壁厚的影响不尽相同，通过调整优化工艺参数可以很容易得到满意的 结果，但能否将其用于其它管形件成形的模拟，可以采用相同的工艺参数模拟 中接头的成形过程进行验证。选用材料为2 0 无缝钢管，管坯长度为1 1 0 m m ， 外径为3 9 m m ，厚度为2 8 m m ，工艺参数选择摩擦系数为0 0 3 ，两端轴向进给 量18 0 0 m m ，材料厚向异性系数3 5 ，屈服应力为o 。为2 4 5 m p a 泊松比为0 2 8 ， 弹性模量2 0 7 e 1 1 m p a ，内压力2 0 0 m p a ，反压力3 0 m p a 进行模拟成形，得到 中接头的模拟成形极限图，如图4 3 所示。 s t e p1 2t i m e ：0 0 1 0 0 0 1 f l d ，m i d d i ei a 归r 图4 3 中接头胀形模拟成形极限图 胀形成形的壁厚图如图4 4 所示。 4 6 篙。|l|添豢一疆 一 眦一 一 一 一一一 加 加 1 0 0 o o o 山东理工大学硕士学位论文第四章自行车中接头有限元模拟 4 3 内压力对中接头胀形壁厚的影响 内压力是决定胀形高度的主要因素，内压力太小不能达到合理的胀形要 求，过高则容易出现减薄破裂。因此必须有一定大小的内压力来保证充分胀形。 通过模拟得出内压力与中接头胀形壁厚的关系，如图4 5 图4 7 所示。 2 4 02 6 02 8 03 0 03 2 03 4 0 p ( m p a ) 图4 5 内压力与最小壁厚关系图 ，、 e e 了 司 2 4 02 6 02 8 03 0 03 2 03 4 0 p ( m p a ) 图4 6 内压力与最大壁厚关系图 2 4 02 6 02 8 03 0 03 2 03 4 0 m p a 图4 7 内压力与厚度差值关系图 由图中可以看出，随着内压力的增大，壁厚减薄量增大，最大壁厚值升高， 最大壁厚与最小壁厚的差值增大。这是因为当内压力增大时，使管坯更加贴紧 凹模壁，有利于充分胀形，但是同时使得相同摩擦系数下的摩擦力升高，阻碍 金属流向减薄处，使胀形时的材料得不到有效的补充，又不利于胀形。同时内 压力增大，摩擦力增加，容易破坏成形件的表面，使表面产生划痕，降低胀形 模具的使用寿命，甚至造成制件提前产生破裂。而提高内压力，则对压力机提 出更高的要求，提高了生产成本。因此，对内压力要进行合理的控制。由于反 压力也可以抵消部分内压力，因此可通过反压力的大小进行制约。 4 8 5 4 3 2 1 0 3 3 3 3 3 3 一ee一mll口 跖 砖 阳 、i 1 1 1 1 1 1 1 一e e u i e _ 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 山东理工大学硕士学位论文第四章自行车中接头有限元模拟 本相同即可。 4 5 摩擦系数对中接头胀形壁厚的影响 通过对三通管模拟与分析可知，摩擦系数对胀形壁厚有着很重要的影响， 因此，对中接头成形也应该有着重要的影响。通过模拟得到中接头成形时摩擦 系数与胀形厚度关系如图4 1 1 图4 1 3 所示： e e 妄 e 图4 一1 1 摩擦系数与最小壁厚关系图 e e y 司 e e 翁 e 0 0 20 0 40 0 60 0 80 1 00 1 2 u 图4 1 2 摩擦系数与最大壁厚关系图 0 0 20 0 4o 0 6 0 0 8o 1 00 1 z u 图4 1 3 摩擦系数与厚度差值关系图 可以看出，摩擦系数对中接头胀形时壁厚的影响与三通管胀形时基本相 同，但是由于中接头的支管更多，变形更加复杂，材料的流量补充也更加困难， 因此摩擦系数对中接头的影响比三通管更大。随着摩擦系数的增大，中接头减 薄量加大，而最大壁厚增加，厚度差值增大，当摩擦系数达到0 0 6 以后最大 壁厚就开始剧烈增大，因而厚度差值也随之增大，最小壁厚处不再是支管顶端 圆角处，而是在两大支管的中间部位。这是因为，在中接头胀形过程中，由于 4 4 4 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 1 0 山东理工大学硕士学位论文第四章自行车中接头有限元模拟 支管数量较多，变形量增大，尤其是在两支管的中间部位，两端的进给量不能 有效的补充材料，而使得此处的变薄明显。在摩擦系数为o 1 2 时，最小壁厚 为2 0 5 m m ，几乎达到了危险区。与三通管一样，中接头的形状决定了材料不 容易增厚，摩擦系数在模拟过程中影响较大，但在实际成形时，对成形壁厚影 响较小，因此进行有限元模拟过程中选取摩擦系数时也要选取较小的数值，一 般在o 0 6 以下。 4 6 厚向异性系数对中接头胀形壁厚的影响 下面讨论材料的厚向异性系数对中接头胀形壁厚的影响。材料厚向异性系 数与自行车胀形壁厚的关系如图4 1 4 图4 1 6 所示： 2 2 2 0 言1 8 e 苫1 6 e 。1 4 1 2 12 3 4 56 r e e 蒿 e 图4 一1 4 厚向异性系数与最小壁厚关系图 图4 1 5 厚向异性系数与最大壁厚关系图 2 4 2 2 2 0 1 8 量1 6 量1 4 司 1 2 1 0 0 8 1 2 3456 r 图4 1 6 厚向异性系数与厚度差值关系图 通过数据可以看出，增大厚向异性系数，胀形件最小壁厚增大，最大壁厚 山东理工大学硕士学位论文第四章自行车中接头有限元模拟 减小，厚度差值减小，与三通管胀形趋势基本一致。当厚向异性系数r 达到4 5 左右时，对材料的最大壁厚、最小壁厚及相对厚度等的影响逐渐变缓。因此， 当厚向异性系数取值很大时，不仅与实际材料的差别增大，而且对模拟过程中 提高材料的均匀性作用并不大，因此厚向异性系数取4 5 左右比较合适。 4 7 本章小结 本章建立了自行车中接头胀形成形时的有限元模型，分析了中接头在模拟 过程中内压力、两端进给量和各个参数的变化情况及对胀形的影响，分析其原 因，并与三通管胀形时的内压力等工艺参数进行了比较，找出其中的相同点与 不同点。通过对比对部分参数进行了适当的选取，以便得到更合理的有限元模 拟结果。 5 2 山东理工大学硕士学位论文结论 第五章有限元模拟参数优化及应用分析 通过对三通管及自行车中接头胀形成形的有限元模拟分析可以看出，内压 力、两端轴向进给量、摩擦系数、材料厚向异性系数等对胀形的影响规律基本 一致，由此可以推断：在管形件成形模拟过程中，可根据以上所得到的规律来 对管形件成形进行分析。要想得到一个合理的模拟结果，必须综合考虑模拟状 态下的各种条件，选择有关的工艺参数：随着材料应变强化指数n 的增大，最 小壁厚值增大，三通管的胀形高度也增大，但是应力应变曲线也更趋近平直， 与真实的应力应变曲线差别加大，因此，在适当增大应变强化指数n 的同时， 也要考虑到尽量与真实的应力应变曲线的接近程度，经过分析，在本文中取n 的值为o 2 7 。根据材料的厚向异性系数对管形件的胀形高度及壁厚的影响规 律，选取厚向异性系数值r 为4 5 。由于d y n a f o r m 模拟为二维壳体单元，摩擦 系数对胀形高度及壁厚影响较大，根据摩擦系数对管形件的胀形高度及壁厚的 影响规律，综合考虑选取摩擦系数为0 0 3 。由于采用虚拟胀形速度可减少分析 运行时间，对于三通管胀形，设定胀形时间为0 0 1 s ，两端进给量取17 5 m m ， 内压力为3 2 0 m p a ，反压力约为1 2 0 m p a 时，则进给量与内压力匹配比较合理。 采用弹塑性曲线模型，得到三通管胀形时的模拟成形极限图如图5 1 所示： s t e p1 2t i m e ：0 0 1 0 0 0 1 f l d ，m i d d i ei a y e r 图5 1三通管胀形优化模拟成形极限图 胀形壁厚与高度分别如图5 2 、图5 3 所示： 们 加 1 0 0