液压胀形模拟

保冷杯液压胀形 摘要摘要 本文从日常用品入手 探究了不锈钢保冷杯的主要成形工艺 即液压胀形工艺 简单 介绍了液压胀形的原理以及设备 并运用 ansys workbench 对液压胀形工艺进行了有限元 模拟 通过分析有限元模拟的结果 总结了液压胀形工艺的特点 并分析了液压胀形工艺的不足 通过对液压胀形产品的观察 有限元模拟 以及相关论文查阅 我对液压胀形有了较为直 观 具体的认识 Abstract In this paper I start from daily necessities explores the major forming process of stainless steel cup the hydroforming process introduction the principles of hydroforming and equipment and the use the Ansys workbench to analyze the hydroforming process Through the analysis of finite element simulation results I summarized the characteristics of hydroforming process and analyzed the shortcomings of hydroforming process Through the observation of hydroforming products finite element simulation as well as access to relevant papers I have a more intuitive hydraulic bulging concrete understanding 第一章 探究背景 保冷杯是专门用来保持冷水温度的杯子 区别于 保温杯的最大特点是杯口较小 便于直接饮用 其保 温原理和保温杯相同 是利用内层与外层之间形成的 真空阻止热交换 保温杯组织热水的热能向外扩散 而保冷杯阻止外部热能向内层冷水扩散 该保冷杯的外壳分为两部分 主体部分和底部 两部分通过焊接连接 可以在外壳与底过渡部分看到 明显的焊接痕迹 底部成型工艺应该是冲压成型 因 为底部没有接口痕迹 是一个整体 冲压能直接形成 这样的整体 对于外壳主体部分 经过仔细观察 发现外壳均 匀 光滑 没有接缝 是一个整体 并且 这个整体 不是简单的圆筒状 是下粗上细 上部还有缩颈结构 首先能判断的是该部分不能用冲压成型的方式制造 原因之一是主体部分很长 深冲很难做到均匀缺陷少 其二是主体部分形状上小下大 下部没有底 形状不 利于深冲 有一种可能是铸造成型 但是保冷杯外壳 比较薄 比较轻便 铸造难度很大 并且铸件很少直接应用与产品 所以虽然铸造工艺可 能做出这样的壳体 但保冷杯外壳用铸造工艺的可能性很小 最有可能是以无缝的钢管为 原料 以液压胀形的方式成型 第二章 液压胀形工艺 2 1 液压胀形液压胀形 通过模具采用液体作为传力介质使管状坯料由内向外扩张 其最大特点是胀形力传递 均匀 能使材料在最有利的情况下成形 成形精度高 适用于复杂形状的成形 对于长筒 型的水杯成型尤为适合 工艺简单 成本低廉 成型后表面光滑 极少出现变形不均匀的 现相 管材液压胀形的基本原理是轴向力和内压力同时作用下的管坯成形过程 也有直接利用 内压力成形 该成型工艺最大的难点应该是如何控制轴向力和内压力的大小 尤其是轴向 力 液压成型的过程是管壁中部径向扩张 而轴向需要从一边或两边向中间补料 液压成 形过程中如果轴向力和内压力匹配不合理 将会导致在成形过程中出现屈曲和起皱 破裂等 失效现象 其中 起皱是由于内压力过低而轴向进给过大造成的 分为轻微起皱和死皱两种情 况 有人把管材胀形中出现的随压力升高变形继续而最终可以消除的起皱形式称作有益皱 与 之相对应的就是死皱 成形初期产生的轻微褶皱可以起到预先储存坯料的作用 在成形后期随 着压力的升高和变形的继续而消失 这对顺利成形有益 而死皱在整个成形过程中无法消除 应尽量避免其出现 破裂主要是由于轴向进给相对较小而内压力上升过快 或是局部变形量 过大超过了金属的成形极限 即使有足够的补料量也很难保证成形而不破裂 2 2 管材液压胀形设备管材液压胀形设备 管材液压胀形设备包括液压机 模具系统 液压系统及超高压发生装置 数据采集和 计算机控制系统 各系统的主要功能是 模具系统是胀形过程的工作平台 液压机为模具系统 的安装提供空间并在液压胀形过程中提供所需的合模力 超高压发生装置是液压胀形系统的 关键 由增压器产生胀形过程中所需的内压 输出的超高压由高压管路 轴向冲头的内孔导入 管坯内腔中 并由超高压传感器检测工作内压 反馈给计算机控制系统进行闭环控制 2 3 有限元模拟与液压胀形工艺有限元模拟与液压胀形工艺 由于液压胀系工艺的内压与轴向载荷的确定用实验方法费时费力 所以该工艺的设计 一般需要运用有限元模拟进行预设计 有限元软件与液压胀形工艺的结合是现在的一个研 究热点 液压胀形工艺不仅仅是用在像保冷杯这样的小型产品上 还在汽车复杂零件制造 方面非常有用 不同的产品需要不同的加载路径 越复杂的产品需要越复杂的模拟 运用 较多的有 2 42 4 限元模拟软件限元模拟软件 Dynaform 用于模拟钣金成形工艺 Dynaform 软件包含 BSE DFE Formability 三个 大模块 几乎涵盖冲压模模面设计的所有要素 包括 定最佳冲压方向 坯料的设计 工 艺补充面的设计 拉延筋的设计 凸凹模圆角设计 冲压速度的设置 压边力的设计 摩 擦系数 切边线的求解 压力机吨位等 Ansys ANSYS 软件是融结构 流体 电场 磁场 声场分析于一体的大型通用有限元 分析软件 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发 它能与多数 CAD 软件接口 实现数据的共享和交换 如 Creo NASTRAN Alogor I DEAS AutoCAD 等 是现代产品设计中高级 CAE 工具之一 由于 ansys workbench 界面较为友好 不需要编程 模块划分清楚 智能化程度高 因而本文做的有限元模拟就是用 ansys workbench 完成的 MARC 功能齐全的高级非线性有限元软件 具有极强的结构分析能力 可以处理各种 线性和非线性结构分析包括 线性 非线性静力分析 模态分析 简谐响应分析 频谱分析 随机振动分析 动力响应分析 自动的静 动力接触 屈曲 失稳 失效和破坏分析等 为 满足工业界和学术界的各种需求 提供了层次丰富 适应性强 能够在多种硬件平台上运 行的系列产品 第三章 保冷杯外壳水胀成形有限元仿真实验 3 1 绘制 cad 模型 用 cad2011 绘制先绘制模具与管材的 2d 轮廓 然后通过旋转操作使外模成形 再通过按 住并拖动将管材成形 为了便于观察 将成形后的模具剖切后如下图 3 2 ansys workbench 模拟的准备工作 3 2 1 将建立好的 3d 模型以 sat 格式输出 打开 ansys14 0 workbench 新建 static structural 模块 从材料库中导入材料 structural steel 结构钢 和 Aluminum Alloy 铝合金 将 sat 格式的几何模型导入 geometry 几何模型 模块 3 2 2 刷新 model 模块 并编辑 首先设置几何体材料属性 模具设置为 structural steel 为使仿真计算量减小 属性设置为 rigid 刚体 若要便于设置约束 则要设置为 flexible 可变形 管材材料为 Aluminum Alloy 属性为 flexible 3 2 3 定义接触 ansys 会在物体接触部分自动定义接触 管材与模具接触的地方接触已经 被定义 但需要修改接触属性 将 bonded 连接 改为 no separation 不分离的 因为 bonded 接触会组织管材变形 而 no sepration 接触允许接触不脱离的情况下产生滑动 No sepration 和 bonded 接触属性是最简单的 计算量最小的 使用 no separation 管材在变 形时会和模具中间凹进部分接触 这些部分需要自己定义接触 方法是添加接触对 以管 材外表面为 contact 接触面 模具凹进面为 target 目标面 一般以刚体表面作为 target 接触属性为 no sparation 本模型共自行设置了 4 个接触对 3 2 4 网格划分 ansys 能提供自动网格划分 对于一般的问题分析都可以直接自动划分 直接点击 mesh generate mesh 即可 3 2 5 加载 ansys workbench 提供了非常齐全的约束与加载 对于该几何模型 加载非常简 单 首先定义内压 方法是 insert pressure 选择加载面为管材内壁 其他参数为默认 加 载力大小可以任意定义 因为几何模型和材料都是任意选择的 所以第一次加载任选了加 载压力为 200Mpa 加载轴向压力的方法与加载内压相似 步骤是 insert force 选择加 载面 选择加载方向 定义加载大小 由于模型只有一半 所以在管材剖切面上施加位移 约束 防止管材从剖切面挤出模具以外 3 3 6 求解 添加需要求解的问题 例如 insert stress equivalent stress von mises 第四章 实验结果与分析 1 轴向不施加载荷 依靠金属流动自然补料 只改变内压 为使结果更直观 隐藏了模具 1 1 200Mpa 内压 有少量塑性变形 小部分管材外壁开始接触模具 1 2 300Mpa 内压 弧面开始形成 1 3 400Mpa 内压 形状还不够饱满 1 4 500Mpa 内压 形状完好 但在瓶颈的弧面上开始出现褶皱 1 5 600Mpa 内压 内压略大 不同弧面接触的地方出现明显皱褶 1 6 700Mpa 内压 内压太大 模具损坏 为方便对模具进行约束 模具材料属性为 flexible 从以上的求解结果看 该模型成型的最佳内压力在 400Mpa 500Mpa 之间 在不需要轴向 压力的情况下 如果摩擦系数较低 管材变形过程中会从两端向中间缩进以补偿变形 2 选定内压力 400Mpa 在管材轴向施加对称载荷 根据不断尝试的结果 要使管材变形明显区别于不施加轴向载荷的最小内压力为 100KN 所以轴向载荷以 100KN 的间隔施加 对照 400Mpa 内压 无轴向力 2 1 100KN 加轴向力后变形比不加轴向力稍大 证明加轴向力后对塑性变形有利 2 2 200KN 变形与加 100KN 时区别不大但从变形处颜色看 变形处承受的压力在变大 2 3 300KN 变形处承受的压力继续增大 变形与 100KN 时区别也不够明显 2 4 400KN 2 5 500KN 形状开始变差 原本是圆弧的地方 弧度明显减小 形状已经不符合要求 2 6 600KN 成形失败 轴向力过大 出现皱褶 通过以上模拟过程 证明轴向压力的作用不及内压力明显 内压力的作用应该是辅助 内压力 一定程度上可以达到在较小内压力下 促进金属流动 完成塑性变形 还可以在 一定程度上消除摩擦影响 让金属变形顺利进行 但过大的轴向力容易在变形过程中失稳 产生皱褶 影响成形效果 轴向力必须控制在一个安全范围内 第五章 结论 在无轴向力的模拟条件下 可以看出 内压较低时 管材变形不充分 不能很好贴合 模具内壁 随内压力的增加 管材成形形状越来越好 既管材能充分贴合模壁 但超过合 适范围后 成形质量会下降甚至损坏模具 所以控制内压在合适的范围非常关键 无轴向 力情况下的变形可以满足保冷杯外壳的成形 在管材成型过程中 管材两端会随中间金属 的变形而向中间缩进 以补偿中间金属的变形 这种情况应该是由于模拟过程中设置的接 触对没有体现摩擦力 实际生产过程中如果润滑条件很好 理论上可以满足水杯外壳成形 要求 由固定内压变轴向力的模拟结果可以看出 轴向压力一定时 增加轴向力有利于管材 的塑性流动 可以猜测 想要达到一定的变形 增加轴向压力 可以减小内压的大小 但 是轴向力的大小对确定的模型有一个适合的范围 轴向力太大会使管材与模具内壁的接触 情况变差 最终形状达不到要求 如图加 600KN 压力的情况 轴向力的大小影响到补料的 速度 轴向力越大 补料越快 但是容易出现起皱现象 轴向力太小 补料不足 胀形后 成品薄厚不均匀 影响产品性能 所以合理地控制加载路径是保证成功成形的关键 本次模拟并没有全部做出保冷杯外壳的细节 该保冷杯的杯口应该是下大上小 但是 考虑到管材的粗细与外壳的直径不能差别太大 所以没有表达出杯口的缩小 根据很多失 败的模拟结果 如果管材与外壳直径差别很大 在胀形过程中会出现管材很难与模具内壁 接触的现象 如果强行增大内压或轴向力使管材与模具壁