（材料加工工程专业论文）异形瓶液压胀形数值模拟及工艺参数优化.pdf

摘要 摘要 液压胀形技术是目前加工空心零件的主要工艺之一，由于其在节材减 重方面的突出优点，得到了越来越广泛的应用。采用液压胀形技术成形空 心零件，其工艺受到多种因素的影响，加载路径也因零件形状而异，目前 还没有现成的规律可循。因此对液压胀形技术及其加载路径优化展开研究， 具有理论和实际意义。 本文研究了液压胀形的成形机理，应力应变情况和零件的失效形式。 应用这些理论，推导了胀形成形主要工艺参数的计算公式，估算了胀形过 程主要工艺参数的取值。 本文建立了异形瓶液压胀形过程的有限元仿真模型。运用m a r c 软件 对异形瓶液压胀形过程进行了数值模拟，分析了异形瓶胀形的成形过程。 分析结果表明，异形瓶双鼓形应分两步成形，在胀形中有益的皱形可以促 进补料，使胀形更容易进行。通过模拟结果的对比研究，总结了加载曲线 和摩擦系数对液压胀形过程的影响规律。 运用p y t h o n 语言设计了用于液压胀形工艺参数优化的遗传算法程序， 并实现了与软件m a r c 的结合，以制品的壁厚差为目标函数，以最大内压 力、第一阶段轴向位移量和第二阶段轴向位移量为设计变量，得到了异形 瓶液压胀形的最佳加载曲线。在这条曲线上，可以得出任意时刻内压力和 底部轴向位移的对应关系。这部分工作对于大部分瓶状件、管件等空心零 件的液压胀形工艺参数选择提供了参考依据。 关键词异形瓶；液压胀形；数值模拟；优化；遗传算法；加载路径 燕山大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e s s u r eh y d r o f o r m i n gi sad e v e l o p i n gt e c h n o l o g yw i t ha d v a n c e df e a t u r e s o fl i g h t n e s sa n du n i f i e dp a r t i th a sb e e nu s e di nal o to fa s p e c t si no u rl i f e s o s t u d yo nt h ef o r m i n go fh i g hp r e s s u r ea n d t h eo p t i m i z a t i o no ft h el o a dp a t hh a s al o to fp r a c t i c a ls e n s e s t h e p a p e ra n a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft h ep r o c e s s i n g ，s t r e s sa n d s t r a i na n dt h e i n v a l i d a t i o ni nh y d r o f o r m i n g u s e dt h ep r i n c i p l et h ef o r m u l af o re s t i m a t i n gt h e n u m e r i c a lv a l u eo ft h ek e yp a r a m e t e r si sb u i l t a n dt h em u t a t i o n a lm o d e li sb u i l tt or e s e a r c ht h ef o r m i n gp r o c e s sb yt h e f e ma n dm a r cs o f t w a r e i nt h er e s e a r c h i ti sd i v i d e2s t e p sf o rt h ee c c e n t r i c b o t t l em a c h i n i n ga n dt h eu s e f u lw r i n k l ei sg o o da tt h ep r o c e s s t h ee f f e c t so f t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h el o a dp a t ho nt h ed e f o r m a t i o nc o u r s ea r e a n a l y z e di nd e t a i lb yal a r g en u m b e r o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h eb a s i cg e n e t i ca l g o r i t h mp r o c e d u r ep r o g r a m m e di np y t h o nl a n g u a g ei s a d o p t e dt oo p t i m i z et h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fh y d r o f o r m i n g ，a n d t h e p r o c e d u r ei sc o m b i n e dw i t hm a r c s o f t w a r e t h eo b j e c t i v ew a st op r o d u c ea p a r tw i t hm i n i m u m t h i c k n e s sv a r i a t i o n t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e st h eb e s t p o s s i b l er e g u l a t i o nf o rl o a d i n gc o n d i t i o n sb e t w e e nt h eh i g h e s tp r e s s u r e ，t h e f i r s ts t e pa x i a lf e e d i n ga n dt h es e c o n ds t e pa x i a lf e e d i n gb yh y d r o f o r m i n g t h e p r e s e n to u t c o m ep r o v i d e sat h e o r yb a s i sf o rp a r a m e t e r ss e l e c t i o nd u r i n gt h e p r a c t i c a lc o u r s eo fh y d r o f o r m i n g ，w h i c h i sp r o v i d e dw i t hi m p o r t a n tt h e o r y s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e s k e y w o r d st h ec u c u r b i tb o t t l e ；p r e s s u r eh y d r o f o r m i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；t h el o a dp a t h 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文异形瓶液压胀形数值模 拟及工艺参数优化，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签字硬 日期：2 胡年5 月7 i t 燕山大学硕士学位论文使用授权书 异形瓶液压胀形数值模拟及工艺参数优化系本人在燕山大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕 山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密函 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：寸u 硷 导师签名 日期：锄1 年多月7 日 日期：彻产t - , 9 ，尹 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 2 1 世纪，先进制造技术已被列入国家重点科技发展领域。整个社会对 节约材料，节约能源，卫生环保的制品需求越来越强烈，这也为制造业未 来的发展指明了方向，即更加精密，更加高效，更加轻量，更加卫生。而 达到精密和轻量的一个重要而有效的途径就是“以空代实”。基于这一点， 越来越多的空心零件替代了传统的锻件、铸件和焊接零件，在现代工业设 施及产品和生活用品等方面得到了广泛的应用。 空心零件的种类繁多，可按其几何形状特点分类 1 l 。图1 1 为空心零件 按照几何特点不同分类的示意图。也可以按照空心零件的用途，将其分为 工业类空心零件，如图l 一2 ( a ) 所示的t 型管嘲和图1 - 2 ( b ) 所示的波纹管等和 生活类空心零件，如图1 - 2 ( c ) 异形瓶和图1 - 2 ( d ) 医药铝瓶等。 - 是 否 具 有 d 3 心 线 - 图1 - 1空心零件分类示意图 f i g1 - 1c l a s s i f yo fh o l l o wp a r t s 燕山大学t 学硕士学位论文 图1 - 2 空心零件 f i g 1 - 2 t h eh o l l o wp r o d u c t 通过综合运用弯曲、局部成形、胀形或挤压与胀形复合等工序以管料 或圆筒( 由拉深等工艺制备) 进行塑性加工，可以获得复杂的空心零件。图 1 3 所示的汽车排放系统就是综合运用多种塑性加工方法得到的形状复杂 的空心零件。 图i - 3 汽车排放系统” f i g 1 3 a u t oe x h a u s ts y s t e m ( f r o ms c h a e f e rh y d r o f o r m i n gc o g e r m a n y ) 2 第1 章绪论 异形瓶作为空心零件的一类，主要作为人们日常生活的各式各样的容 器使用。对于这一类产品，由于其形状的不规则性，相对传统的直筒瓶件 在加工方法和加工条件方面往往具有更特殊的要求。 1 2 异形瓶简介 随着生活水平的提高，人们对生活用品的要求除了实用性外，开始越 来越注重其美观程度。与人们日常生活中密不可分的各式各样的瓶子，也 不再是统一的单调呆板的模样，变得形状各异，呈现出异常丰富的姿彩。 近些年，各式各样的异形瓶走进了人们生活的方方面面。 所谓异形瓶，是相对于传统意义上形状规则的直筒形瓶状件而言，断 面不是圆形的瓶体或者虽然是圆形但是沿着长度方向直径或壁厚发生变化 的瓶体，如人们日常生活中见到的形状各异的饮料瓶、香水瓶、酒瓶、水 瓶等。 异形瓶的品种繁多，规格甚广，分类形式也五花i l l 。按照断面特征， 可以分为等壁异形瓶、异壁异形瓶和变截面异形瓶三大类；按照材料，可 以分为金属异形瓶和非金属异形瓶两大类。金属异形瓶主要用作工业容器 或者气雾容器，而非金属异形瓶多用作生活用品。 异形瓶具有如下特点【4 】： ( 1 ) 断面形状多样，品种繁多，目前至少已有上万种之多，最大直径达 到几米，最小直径仅3 毫米，应用范围也很广泛。随着科学技术的发展， 科研和生产部门采用最先进、最合理的设计，生产出各种断面、规格、材 料、力学性能和使用性能的异形瓶，以满足用户需要。 ( 2 ) 金属异形瓶中有很大一部分为轻型薄壁瓶，属于经济断面钢材的一 部分，可使金属得到合理的应用，不仅简化了加工过程，而且提高了经济 效益和生产效率。 ( 3 ) 大多数异形瓶造型美观，用于结构和日用器皿时大方雅致，美化了 生活。瓶子表面光洁度高( 粗糙度兄可达到1 2 5 微米) ，尺寸精确。 ( 4 ) 多品种、小批量、机动灵活是异形瓶生产的特点。 鉴于上述特点，在生产异形瓶时，就必须根据产品的特征选用适当的 3 燕山大学t 学硕士学位论文 加工方法或不断创造新的成型方法。 1 3 本课题的研究对象及其成形工艺 1 3 1 研究对象 以直筒瓶状件为坯料，通过液压胀形方法，将其加工成指定形状的 异形瓶，就是本文的研究目标。坯料的材质是工业纯铝，成形前后的尺 寸如图1 - 4 所示。成品造型别致，上部稍小，下部稍大，近似葫芦状，主 要是用作气雾容器或者杯子，属于民用范畴。 图1 4 异形瓶坯料与成品图 f i g 1 - 4 t h er a wa n dt h ef i n i s h e dp r o d u c t s 该异形瓶的坯料长径比为f ，以= 4 ，桶身相对于直径比较长。厚径比 r 以= 0 0 1 5 1 ，厚度相对于直径很小，属于薄壁瓶。胀形区集中在直筒瓶 身部位，瓶口和底面基本保持不变，因此可以把瓶身部分看作是薄壁管来 处理，即该异形瓶胀形的核心问题就转化成研究异形管胀形的问题。在整 个问题解决过程中，借鉴异形管胀形的一些理论和方法，对本文有重要的 指导作用。同样，本文的研究成果亦可以应用到大量异形管胀形问题的研 究中去，为工业上大量应用的异形管的成形提供重要的参考价值。 4 第1 章绪论 1 3 2 成形工艺 比对成形前后的形状，需要在保证瓶口和瓶底基本不变的情况下对瓶 子的直管部分进行胀形加工。 胀形加工是在压力作用下使管材沿径向扩张的成形工艺，是一种无切 削加工，属于先进制造技术范畴，本文研究的是二次加工领域内的胀形加 工属于深加工范畴。 胀形加工的方法有很多。若按照使用的模具分类，可分为刚性模胀形 和软模胀形两类。根据传压介质的不同，软模胀形又包括橡胶胀形、p v c 塑料胀形、石蜡胀形、液压胀形和气压胀形等。若按照胀形时的变形条件 分类，可分为自然胀形、轴向压缩胀形和复合胀形三类。胀形方法的分类 和特点见表1 一l 。 表1 - 1 胀形的分类 t a b l e1 - 1t h ec l a s s i f yo f h y d r o f o r m i n g 刚性模胀形采用刚性分块式凸模胀形 橡胶胀形 按传压p v c 塑料胀形 按使用模具分类采用弹性体或液体、气体的压 软模胀形介质不石蜡胀形 力代替凸模的作用进行胀形 同分类液压胀形 气压胀形 自然胀形成形主要靠管坯壁厚的变薄和轴向的自然收缩来完成的 按变形条件分类轴向压缩胀形自然胀形的同时对管坯轴向进行压缩补偿胀形区材料的不足 复合胀形在自然胀形和轴向压缩胀形的基础卜结合其他的加工方法 不同的胀形方式有其不同的优缺点和适用范围，生产中采用哪种胀形 方法，要根据实际情况，综合考虑坯料和成品的要求，生产条件和生产批 量，成本和效率要求等多方面因素。刚性模和软模胀形的比较列于表1 2 中，可以作为一个选择的依据口j 。 通过分析和比较表1 2 中各种胀形方式，综合考虑试验的具体条件，本 文中采用轴向压缩液压胀形的方法对坯料进行胀形加工。考虑到瓶口容易 燕山大学工学硕士学位论文 变形，如果双向补料的话，在补料过程中，瓶口处容易发生先发生失稳， 造成补料失败。所以瓶状件不适合采用双向补料的方式，而是采取底部单 向进给补料的轴向压缩液压胀形。 1 - 2 刚性模、软模胀形的比较 t a b l e1 - 2t h ec o m p a r i n g o f r i g i dd i ea n ds o f t d i e 胀形方法刚性模胀形橡胶胀形石蜡胀形液压胀形 允许变形量 小 由 大较大 胀 形状复杂程度中 由 复杂 由 形 尺寸中中、小小大 零 成彤质量差 由 好较好 件 生产批量大 中 小中 可提供的成形力大 出 小中 工艺复杂性中简单复杂较复杂 模具寿命高低高中 生产成本高低 中低 生产效率 高 高 低 出 这种成形工艺的原理如图1 。5 所示。上模3 、4 和下模7 、8 构成一个胀 形模具的内腔，毛坯2 横放于模具空腔内。合模力由压机提供，压机压住 上模施加约束压力f ，保证整个过程处于合模状态。胀形进行过程中，通过 轴向挤压螺栓5 推动瓶底推板4 对瓶子的底端施加轴向力f i ，同时通过瓶 口处的密封装置1 利用手压泵向管坯内腔充入高压液压力p 。在机械推挤 力与液体内压力的联合作用下，毛坯2 中部的金属开始屈服，发生塑性变 形向模具型腔作径向流动，于是发生胀形。瓶底端传力区的金属向胀形区 流动，达到补料的目的。其力学原理是通过轴向补料使变形区金属处于拉 一压应力状态，不通过壁厚的减薄或在壁厚轻微减薄的情况下通过轴向补 料达到增加表面积的目的。 整套轴向液压胀形系统主要包括模具、液压系统与增压机构、密封构 件、锁紧装置、数据采集系统和加载控制系统等几个部分。 6 第1 章绪论 图1 5 异形瓶液压成形原理图 f i g 1 5 t h ep n n c i p l eo f t u b eh y d r o f o r m i n g 整个成形工艺流程分为如下工步1 6 - 7 1 ： ( 1 ) 将坯料置于模具内，并合模。 ( 2 ) 密封瓶口并从瓶口处注入成形介质( 油) 。 ( 3 ) 在内压和轴压的联合作用下成型。 ( 4 ) 开模并取出成型后工件。 整个异形瓶液压胀形的流程可以用图1 - 6 表示。 1 3 3 可行性分析 异形管件液压成形技术在国外已经进行了较为深入的研究，并取得了 很多成果，近些年，该技术在我国也得到了很大的发展，许多异形管件的 液压成形工艺已成功应用于实际生产，前景看好。近两年采用d y n a f o r m 、 d e f o r m 等软件分析异形管件的成功实例和国内外实验台的成功建立，都 表明：借助国外成熟的有限元模拟软件对异形管件液压成形技术进行研究， 在技术上是可行的。目前锻压研究所拥有适于异形管件液压成形模拟仿真 的有限元分析软件( m a r c 、d e f o r m 等) 及相应硬件条件。这些条件可以 确保理论研究的顺利实施和完成。 燕山大学t 学硕士学位论文 图1 - 6 异形瓶液压胀形工艺流程图 f i g 1 - 6f l o wc h a r t o f h y d r o f o r m i n g 8 第1 章绪论 1 4 液压胀形工艺的国内外发展概况 国际上管材液压胀形方法的名称较多【8 1 ，如管材胀形成形( b f t ：b u l g e f o r m i n go ft u b e ) 、液体胀形成形( l b f ：l i q u i db u l g ef o r m i n g ) 、液压成形 ( h p f ：h y d r a u l i c p r e s s u r e f o r m i n g ) 和内部高压成形( i h p f ：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 ) 。虽然管材液压胀形工艺用于实际工业生产只有短短十几 年的时间，但该项技术的发展及其理论体系的建立却可以追溯到二十世纪4 0 年代，美国的c t e g r e y 等人首次使用内压和轴向推力共同作用的方法来成形 铜质无缝三通管，并申请了专利。同期，还有学者对内压与轴向共同作用下 钢管的屈服及破坏形式进行了理论和试验研究【9 j 。 5 0 年代到6 0 年代期间，f a u p e l 、c r o s c l a n d 和d i e t m a n n 等人通过实验和数 值分析研究厚壁管胀形时的破裂极限压力。到了6 0 年代，一些研究者对薄壁 管胀形中的失稳现象进行了实验和理论研究。这些对厚壁管和薄壁管的基础 性研究在当时极大地促进了液压胀形技术的发展，人们开始研究如何将该项 技术运用到生产实际中去。f u c h s 首次发表了将液压胀形用于金属成形【1 2 】， 确切的说是金属管件成形的研究成果，介绍了进行铜管液压胀形成形的实验 研究情况，阐述了将该项技术用于实际生产的可行性。o g u r a 和u e d a 公布了 用低碳钢和中碳钢管材成形t 型头的实验结果，他们采用内压力和轴向压力 共同作用成形出各种规格的t 型头，并从实验中获得了较准确的成形t 型头 的内压力和轴向压力的工作区域。 到了7 0 年代，许多学者继续通过实验和理论分析对胀形工艺的各个方 面进行研究。在这一时期，新材料、新设备、新工具不断出现，橡胶和人 造橡胶也都被作为传压介质用于管材的胀形成形。l i m b 和他的同伴对各种 壁厚管材进行了液压胀形研究，他们的研究结果表明【9 】，在施加轴向载荷时， 增大内压力能够使管材变形部分更好地与模具的模腔贴合。在研究中，他 们也注意到了管材传力区壁厚增加的现象，并对管材在不同润滑条件下的 胀形进行了实验研烈m 。 德国的p a d e r b o r n 大学最早对液压胀形技术进行了系统的研究，得到了 许多研究成果，并率先提出了柔性模具系统。由t a l t a n 领导的美国俄亥俄 州立大学的工程研究中心专门成立了液压胀形技术研究小组，并举办了第 9 燕山大学t 学硕士学位论文 二届液压成形技术会议”，成立了液压胀形管材协会，向会员提供液压成 形方面的技术资料及最新发展动态，为液压胀形工艺的普及做出了贡献。 日本千叶工业大学的k m a n a b e 、m a m i n o 和s n a k a m u r a x 寸具有方形截面 零件的液压胀形过程中局部减薄和破裂进行了有限元分析，并探讨了n 、r 值对成形的影响【l ”。 从8 0 年代开始，日本学者对胀形技术的研究集中到了管材材料特性及其 对胀形过程的影响上。m a n a b e 和n i s h i m u r a 研究了硬化系数和各向异性对管 材液压胀形过程的影响，推导出了最大内压力与初始管径、初始壁厚、材料 应变硬化指数等材料参数在无轴向载荷作用下的函数关系。m a n a b e 对铝管 在内压力和轴向压力共同作用下胀形的成形极限进行了理论分析和实验研 究，在他的实验中，内压力和轴向载荷均是通过计算机系统进行控制，以获 得预先制定的加载路线【l ”。 d o h m a n n 和他的学生们从8 0 年代早期开始，也对液压胀形技术的各个方 面都进行了研究，他们的研究基于以前的理论研究成果和该技术当时在实际 生产中的应用情况，在实验和理论分析中采用了不断发展的有限元分析方法 和计算机控制技术，获得了各种特定条件下的变形能力曲线，加快了该项技 术在实际生产中的应用。s c k m o e c k e 对胀形工艺参数的控制和胀形工艺所能 获得的可能的工件形状进行了研究，在实验室中用厚壁管成形出了阶梯轴状 的管件，用基本理论对工艺参数进行预测，并将其运用到实际生产中。 近十年来，液压胀形技术开始广泛用于汽车工业上。德国奔驰汽车公司 于1 9 9 3 年建立了内高压成形车间。福特汽车公司的k t h o m p s o n 和国家钢铁 公司的s d l i u 等人通过数值模拟和试验对矩阵截面零件的液压胀形进行了 分析，利用塑性变形理论分析了管坯液压胀形的成形极限、屈曲和开裂的机 理，得到内压和圆角半径的关系。 九十年代末，液压成形技术用于汽车轻量化研究与应用上，其代表是德 国本特勒公司用钢管胀成副车架、排气岐管等。1 9 9 9 年，在9 9 国际板成形 数值模拟大会上，液压成形技术成为当今研究的热点，会上发表大量的论文， 进一步促进了该领域的研究与开发。 文献【1 8 】预测，在2 0 0 1 年2 0 0 8 年这段期间里，全球汽车制造业对液压 1 0 第1 章绪论 胀形件的需求将以每年1 6 的速度递增。截至2 0 0 1 年，全世界范围内建成并 投入使用的液压胀形设备有8 0 应用于汽车制造业。就这些设备的国家分布 来看，德国占4 2 ，北美自由贸易区n a f i a ( n o n ha m e r i c af r e et r a d e a g r e e m e n t ) 4 0 ，其它欧洲国家占1 0 ，亚洲国家占6 ，南美洲国家占2 。 总的来说，德国在胀形工艺的技术研究与工业应用等方面处于世界领先地 位。 国内对液压胀形工艺的研究起步较晚，加之受到实验条件所限，开展 的研究不够全面和深入，大都停留在试验与理论分析阶段，数值模拟进行 的也比较少。国内基于石蜡、橡胶和橡皮囊等介质的胀形工艺，已经应用 于三通管、波纹管以及自行车车架接头等零部件的塑性成形加工，而在进 行汽车和飞机的薄壁结构件的规模化生产制造方面，尚处于空白状态。国 内曾有使用管件液压成形技术生产变压器用波纹管及t 型管接头的实例， 但成形压力较低、内压与轴向进给的控制也不严格。 目前哈工大在液压胀形方面的研究处于国内领先地位，以王仲仁教授 为首的课题组承担了国家自然科学基金项目，在该领域进行了较系统的研 究。2 0 世纪8 0 年代中期，以王仲仁为首的课题组首创了成本低周期短的球 形容器无模液压胀形工艺，在壳体液压胀形理论、试验和数值模拟等方面， 展开了富有成效的研究工作。在国家自然科学基金的资助下，该课题组研 制出了我国第一台c n c 内高压胀形机( 最大内压1 5 0 m p a ，内压控制精度 0 5 m p a ；最大轴向压力1 5 0 0 k n ，最大轴压位移3 0 0 m m ，位移控制精度 0 0 5 r a m ；可成形管坯最大尺寸9 l o o m m 1 0 0 0 m m ；最大合模力l o o o o l d , s ) ， 能够准确实现指定的内压与轴向迸给的匹配关系”。 1 9 9 8 年末，原吉林工业大学与辽源重型机器厂合作液压胀形胀成1 吨 轻型车的后桥壳。一汽集团工艺研究所也对该工艺开展了研究并拟解决轿 车副车架的国产化等。 西安重型机械研究所已研制了1 2 5 0 ，8 5 0 ，8 5 0 型液压胀形机，但该机在 实际应用效果并不理想，生产厚壁钢管件时成品率仅为6 2 ，在生产薄壁 件铜合金t 型管件时根本无法成形。这其中一个重要原因就在于液压控制 系统不完善，不能对管材内液压力和轴向压力进行适时有效的控制。 燕山大学 学硕士学位论文 以中国科学院金属研究所张士宏为首的课题组提出了“活动凹模结构” 概念，进一步提高了薄板对胀形工艺的柔性与适用领域。对于不同的薄壳 零件，可以在一定的范围内对凹模的尺寸和形状进行调整和改变。通过综 合考虑成形板料的材质、表面质量要求和批量规模等因素，可以有针对性 地选用金属、树脂、石膏、木材甚至水泥作为凹模材料。 燕山大学的王连东老师应用复合液压胀形工艺成形汽车桥壳，设计了 推压缩径模具和滑动式复合胀形模具，完善了壳体的推压缩径机理，填补 了壳体复合胀形理论研究上的空白，并用于生产实践忙o l 。另外燕山大学的 赵长财老师2 “、北京航空航天大学的李新军老师等也对液压胀形工艺进行 了相关的研究。 1 5 本文的任务 通过对异形瓶液压成形过程进行塑性有限元模拟仿真和优化分析，达 到如下目标： ( 1 ) 获得该异形瓶的成形性能和变形规律，并得到必需的工艺条件范围； ( 2 ) 分析总结出胀形过程中主要影响因素对成形的影响规律； ( 3 ) 优化异径管液压成形工艺参数，确定最佳工艺方案； ( 4 ) 胀出合格的异形瓶。 1 2 第2 章胀形成形的理论分析与材料准备 第2 章胀形成形的理论分析与材料准备 2 1理论基础 2 1 1 轴向压缩液压胀形的变形特点 在上一章中已经粗略介绍了轴向压缩的概念，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 一l 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。 f l 勿涔 籀 图2 1 管材轴向压缩液压胀形不意图 f i g 2 1 t h es c h e m eo fh y d r o f o r m i n g 轴向压缩液压胀形是三向应力状态下的塑性变形，其应力状态如图 2 - 2 ( a ) 所示。其中正，q 分别是由于轴向压力和内压产生的轴向压应 力、环向拉应力和厚向压应力。在液压胀形过程中，假设主应力顺序是不 发生变化的。 根据应力应变对应规律，应变增量的顺序与应力顺序对应一致，因此 轴向压缩液压胀形的应变增量可以表示为图2 2 ( b ) 、( c ) 、( d ) 三种类型。其 中对工艺影响最大的是厚向应变增量d 。它的大小和符号决定了成形过 程能否顺利进行。 燕山大学t 学硕士学位论文 本文中的研究对象属于承受内压的薄壁容器，壁厚方向的应力相对很 小，可以忽略，所以可以把轴向压缩液压胀形问题简化为平面应力问题处 理时，可以表示为： d e , = 一丝2 a ( 乃+ 吱) ( 2 一1 ) 、f， 其中d ；和孑分别为等效应变增量和等效应力2 2 1 ： d - = i 2 、口石2 瓦砸( 2 - 2 ) 盯= 刃一呸+ ( 2 3 ) 当+ 吒 0 时，如图2 2 ( b ) 所示，d o ，壁厚减薄。随着壁厚减 薄程度的增加，拉伸失稳的可能性增加。 当+ 吒= 0 时，如图2 2 ( c ) 所示，d = o ，壁厚不发生任何变化， 此时为轴向压缩液压胀形的理想状态，从理论上讲可以实现任意变形程度 的变形。 当+ 吒 o ，壁厚增加。伴随着壁厚 的增加，压缩失稳的可能性增加。 由此可见，对内高压成形工艺参数控制的最终目的就是通过控制变形 过程中合理的应力状态使厚向应变增量d e , 等于或尽量接近于零，也就是 壁厚变化最小。 ( a )( b )( c )( d ) 图2 2 轴向压缩液压胀形应力应变状态 f i g 2 - 2 t h es t r e s sc o n d i t i o na n ds t r a i n e dc o n d i t i o no fh y d r o f o r m i n g 1 4 第2 章胀形成形的理论分析与材料准备 2 1 2 液压胀形的失效形式 在液压胀形过程中，常常伴随着很多缺陷的发生。其中主要有屈曲、 皱折和破裂： 2 1 2 1 屈曲如图2 3 所示，管材在胀形过程中自由长度的部分发生侧 弯的现象就叫做屈曲。一般，在胀形过程的初始阶段，如果作用于直管上 的轴向力较大，而此时内压又较低，就容易发生屈曲失稳。屈曲发生在压 缩载荷条件下，通常是较小的应变状况，除非采取特殊手段防止屈曲发生 或者使其限制在允许范围内，否则成形工序就会中断。一旦发生，胀形就 不能继续，因为屈曲后无法再控制金属的变形。 图2 - 3 屈曲 f i g 2 3b u c k l i n g 胀形中屈曲的产生与否主要取决于管材胀形时自由部分的长度0 、管 材直径d o 及壁厚f 0 ，胀形的自由长度相对管子直径越长，壁厚相对管子直 径越薄，越容易在胀形初期发生屈曲2 3 1 。三者的关系见图2 4 。 端巡心粼- - 髓 l 1 i 图2 4 管长、管径、壁厚三者关系示意图 f i g 2 4 t h er e l a t i o no ft h el e n g t h ，t h ed i a m e t e ra n dt h et h i c k n e s s 所以为了避免屈曲的发生，在加工过程中需要对这三个参数的相对关 系进行一定的限制。通常的经验是，当 2 0 4 5 时，要求l i 远小于2 d o l s 燕山大学工学硕士学位论文 d o i t o 2 d o 另外内压力与轴向压力的比例关系也是可以导致屈曲的一个重要因 素。设载荷加载路径为线性关系，即液体内压力和轴向力的关系为： p = d e ( 2 4 ) 其中d 为线性参数。 选择合理的管坯几何参数，在比例加载的条件下发生屈曲失稳的条件 为： d 4 0 r a m ，可 见单纯的胀形不能达到尺寸要求，必须通过轴向补料的方法提高坯料的胀 形极限。 2 4 本章小结 ( 1 ) 本章详细阐述了轴向压缩液压胀形的受力特点和失效形势； ( 2 ) 坯料的准备工作； ( 3 ) 估算该异形瓶的主要工艺参数的取值。 第3 章异形瓶胀形过程及其重要影响冈素分析 第3 章异形瓶胀形过程及其重要影响因素分析 随着计算机科学的高速发展和有限元模拟技术的日益成熟，采用数值 模拟技术来分析金属在塑性成形过程中的变形规律的方法在现实生产中得 到了越来越广泛的应用。数值模拟不仅能准确地模拟内高压成形过程，预 测成形缺陷，显示工件的贴模行为，近似地给出壁厚分布情况，而且也可 以方便地调整内压与轴向位移的匹配关系，通过研究其对成形缺陷和壁厚 分布的影响，以获得最佳的加载曲线。在此基础上进行实验，可以有效地 缩短周期，节约成本3 扣3 , 1 1 。 本章对异形瓶液压胀形的成形过程进行了数值模拟，并通过分析比较， 得出了加载曲线和摩擦系数这两个主要的因素对液压胀形过程的影响规 律。 3 1 有限元数值模拟 3 1 1 有限元模型 异形瓶的液压胀形过程是一个复杂的塑性变形过程，在计算机模拟过 程中对模型采用了如下假设m 蚓： ( 1 ) 在冷塑性加工问题的模拟中，材料模型简化成理想刚塑性线性强 化模型。 ( 2 ) 采用v o n m i s e s 屈服准则、各向同性硬化法则和p r a n d t l e r e u s s 关 联流动法则描述塑性。 ( 3 ) 摩擦采用库仑摩擦模型，假设整个过程中坯料与模具之间各处摩 擦系数相同，且摩擦系数保持不变。 3 1 1 1 几何模型异形瓶的基本尺寸见图3 1 所示，坯料的壁厚为l m m 。 制品上鼓肚最大直径为8 4 m m ，下鼓肚最大直径为9 0 m m 。成形前后保持 瓶口处、瓶肩处和瓶底处形状基本不变。两鼓肚中间的波谷区最小直径为 6 6 m m ，没有发生胀形。 燕山大学1 = 学硕士学位论文 ( a )( ” 图3 - 1 几何模型图 f i g 3 1g e o m e t r i c a lm o d e l 3 1 1 2 材料模型纯铝退火。异形瓶主要的材料性能见表3 - 1 。 表3 - 1 异形瓶的材料属性 t a b l e3 - im a t e r i a lp r o p e r t yo f t h ec u c u r b i tb o t t l e 材料退火纯铝 密度( k g i m ) 2 7 1 0 摩擦系数u o 0 6 弹性模量e ( m r a ) 7 0 0 0 0 泊松比砧0 2 6 屈服极限以( m p a ) 2 3 强度极限吒f m p a ) 9 2 硬化指数i i 0 2 4 第3 章异形瓶胀形过程及其重要影响冈素分析 3 1 1 3 网格划分本文中的异形瓶是一个轴对称的旋转体，模拟过程采 用1 4 模型进行计算。变形体由2 3 4 0 个薄壳1 3 9 单元组成。图3 2 为有 限元模型示意图。 图3 - 2 有限元模型 f i g 3 - 2t h ef e mm o d e lo f b o t t l e 3 1 2 接触条件与加载 以线的形式代替模具型腔，模具作为刚体，定义模具与坯料在变形中 接触。为了方便加载，把模拟中的模具人为虚拟的分为三个部分，即靠近 瓶底鼓肚直筒部i 、胀形区形腔部i i 和瓶底部i i i ，图3 3 为模具示意图。 在整个胀形过程中，变形体内表面加载统一的面载荷内压p 。在第一 阶段，定义模具i 、模具i i 和模具i 接触。模具i 限制靠近瓶底的鼓肚在 第一阶段不发生胀形，模具限制胀形后形状，模具i i i 推动底部移动，通 过控制模具i i i 的位移达到补料的目的。第一阶段胀形出靠近瓶口的鼓肚。 第二阶段，定义模具和模具i i l 接触，通过内部压力、底部模具i i l 的位移 和模具i i 的形状限制完成靠近瓶底端鼓肚的胀形。 h i i i 图3 - 3 模具示意图 f i g 3 - 3t h es h o wo fd i e 模拟过程中，约束瓶口和瓶子肩部的位移，确保瓶口处不变形，以模 燕山大学t 学硕士学位论文 仿成形中密封和固定良好的效果3 7 删。 3 1 3 确定胀形工艺 由于本文异形瓶造型的特殊性，如果单纯的从底端补料而使上下两个 鼓肚同时成形是不可行的。如图3 - 4 所示，底部进给，由于两个鼓肚中间 的波谷区模具形状的限制，材料流动到瓶口附近鼓肚比较困难，一旦下部 发生微鼓，波谷区就已经贴膜，将阻碍材料继续流动，而是在下半部分胀 形区产生堆积，这样就造成下半部分出现皱折，上半部分壁厚减薄严重的 现象。实验过程也验证了这一点。图3 5 为一步成形方案的实物胀形照片。 通过分析，把整个胀形过程分为两步，每一步单独成形一个鼓肚，这 样就可以解决上述问题。由于是瓶底处进给，先成形瓶底附近的鼓肚显然 是不可取的，这个鼓肚一旦成形，下端无法再给瓶口附近的鼓肚补料，下 一步的胀形就不能进行了。所以应该采取先成形靠近瓶口的鼓肚，再成形 靠近瓶底的鼓肚的分步加工工艺。利用筒形模具替换下鼓肚的鼓形模具， 只保留上鼓肚的鼓形模具，这样就使坯料在第一步胀形中下鼓肚的形状受 到了限制，而只成形出上鼓肚。上鼓肚胀出后，再将下鼓肚的型腔模具还 原，继续第二阶段的胀形。 图3 - 4 上下同时胀形的模拟示意图 f i g 3 - 4 t h es h o wo fh y d r o f o r m i n gs i m u l t a n e i t y 2 8 第3 章异形瓶胀形过程及其蕈要影响冈素分析 图3 - 5 一次成形实物图 f i g 3 - 5 t h es a m p l eo f o n e s t e ph y d r o f o r m i n g 3 1 4 胀形成形过程 以摩擦系数o 0 6 ，加载路径采用图3 1 1 ( a ) 所示的线性加载，对本文 中的异形瓶进行数值模拟，以揭示异形瓶轴向压缩液压胀形的成形过程。 图3 - 6 所示的是异形瓶的胀形全过程。图中瓶子处于站立的位置，为了方 便表述，下面的阐述中，将靠近瓶口的鼓肚区称为上半部分，靠近瓶底的 鼓肚区称为下半部分。 从图中可以看出，无论是第一阶段成形的上半部分的还是第二阶段 成形的下半部分，有着相似的成形规律：成形刚开始的时候，首先在上下 两段靠近模具型腔的进入区处产生两个皱纹，通常称为双鼓形。这两个皱 纹比较，都是下面的皱纹波峰的直径大于上面皱纹波峰的直径。这主要是 因为补料端在下部的原因。下端单向补料，上面皱纹的传力区长，材料的 流动受摩擦影响较大，皱纹的大小受到限制。随着补料的增加，两个皱纹 长大，并且在中间的波谷处又生成一个新的皱纹，叫做三鼓形，以往成功 的胀形经验证实，皱纹最大直径处没有贴膜的三鼓形是最有利于胀形进行 的皱纹形态。到胀形的后期，压力继续增大到足够大，皱纹都被胀开，制 品完全贴膜，得到光滑的表面。图3 7 和图3 - 8 分别为双鼓形和三鼓形的 模拟与实物对比图。 燕山大学t 学硕士学位论文 图3 - 6 异形瓶的胀形过程 f i g 3 6 t h ep r o c e s so fh y d r o f o r m i n g ( a ) ( b ) 图3 7 双鼓形 f i g 3 - 7 d o u b l ed r u m 第3 章异形瓶胀形过程及其重要影响冈素分析 ( b ) 图3 - 8 三鼓形 f i g 3 - 8 t r e b l ed r u m 图3 - 9 表示胀形后制品壁厚的分布情况。从图中可以看出，壁厚的 最大处出现在瓶子的底部，这种现象符合底部补料所以底部材料的补给量 最多的事实。壁厚减薄处集中在胀形区，胀形最大处壁厚减薄最多，与理 论分析一致。 选择上下胀形最高点的节点3 0 5 、节点2 0 6 和两个肚子中间最低处 节点2 6 0 ，分析整个胀形过程中壁厚的瞬时变化情况，用图3 1 0 表示。 分析结果显示：在第一阶段，只成形上面的鼓肚，所以节点2 0 6 和节点 2 6 0 的厚度没有变化，而节点3 0 5 的厚度先增后减。这是因为胀形初期， 内压力比较低，胀形主要是补料的阶段，有益皱出现，故厚度有所增加， 随着胀形程度越来越大，补料量逐渐不足，壁厚减薄。在第二阶段，上鼓 肚已经贴膜成形，壁厚不会再发生变化。而同处于胀形区的节点2 0 6 有着 和节点3 0 5 相同的现象，原因也基本相同。但是节点2 6 0 作为传力区，厚 度变化幅度明显比较小。 3 1 燕山大学t 学硕士学位论文 图3 - 9 壁厚分布图 f i g 3 - 9 t h ed i s t r i b u t i o no f t h i c k n e s s o 1 。：? ：上 f 3 0 图3 1 0 典型节点壁厚变化图 f i g 3 1 0 t h et h i c k n e s sc h a n g eo ft h ek e yn o d e 3 2 第3 章异形瓶胀形过程及其莺要影响因素分析 3 2 液压胀形的关键影响因素 液压胀形过程受很多因素的影响，包括材料、毛坯尺寸、模具形状、 胀形比、摩擦，加载曲线掣4 1 - 4 2 。对于本文中给定的异形瓶，影响胀形 成形的最主要的因素就是加载曲线，其次就是摩擦的影响。 3 2 1 加载曲线的影响 异形管件液压胀形工艺发展迅速，但作为一种新工艺，目前该技术仍 然存大着一些关键性技术问题有待于进一步研究。其中加载方式对成形的 影响问题尤为突出。在上一章中估算了内压和轴向位移的大致取值范围， 但是并不是在这个合理范围内随意的内压和轴向位移就能够理想的完成 胀形过程。胀形成形的成败主要取决于两者的匹配关系，也就是所说的加 载曲线。本节分三种情况研究内压与轴向位移之间的匹配对成形性能的影 响，见表3 2 。 表3 - 2 加载设计方案 t a b l e3 - 2t h ed i f f e r e n tp r o j e c t s 轴向位移最丈内压 加载曲线形式 情况1相周相同不同 情况2相同不同相同 情况3不同相同相同 3 2 1 1