304不锈钢小半径弯管充液成形工艺参数优化研究

304不锈钢小半径弯管充液成形工艺参数优化研究

结构量化是航空航天部门寻求的重要目标之一。薄壁小半径弯管(R≤1.5D)作为管路系统的关键原件，由于其质量轻、空间小等优点被广泛应用于飞机发动机、火箭动力系统管路接头等管材的充液成形质量主要取决于成形零件几何形状、材料性能、管径、壁厚以及模具几何形状等因素，且各因素之间存在耦合关系国内外学者对管材的充液成形技术进行了大量研究，并且取得了较好的成果。ImminejadM等本文采用Dynaform有限元分析程序对薄壁小半径弯管的充液成形过程进行数值模拟，探讨了加载路径对弯管成形质量的影响，为实现小半径弯管充液成形工艺提供理论依据。1弯管零件加工技术的分析1.1充液成形弯管工艺采用充液成形技术制备管径为Φ30mm、两端直管段长为40mm、弯曲半径为27mm的小半径弯管(R/D=0.9)，成形过程如图1所示。用于充液成形的弯管由数控弯曲工艺制备，原始直管壁厚为1mm，管径为Φ24mm，长为200mm，根据弯曲成形变形特点，管件在弯曲后的壁厚变化为弯曲外侧壁厚减薄及弯曲内侧壁厚增厚，最大壁厚和最小壁厚值分别为0.84和1.12mm，弯曲半径为38mm(R/D=1.58)。管材材料为304不锈钢，常温下其力学性能如表1所示。1.2加工技术分析小半径弯管的充液成形过程主要存在以下难点:(1)管径与壁厚比大于20，成形过程易发生屈曲2建立有限模型和工艺参数2.1材料模型的建立采用基于LS-DYNA求解器的ETA/Dynaform有限元软件进行模拟仿真，图3为小半径弯管充液成形的有限元分析模型。为提高运算效率，管坯单元类型选用Betlytschko-Tsay壳单元，管坯网格尺寸为0.8mm，上、下模具及冲头默认为刚体。Dynaform中的36号材料模型是Barlat材料模型，适用于任何薄壁的金属成形分析，既考虑了材料的厚向异性对屈服面的影响，也考虑了板料平面内的各向异性对屈服面的影响，能全面反映各向异性对充液成形的影响，同时能获得可靠的分析结果。因此，管材选用材料库中的36号材料模型，模具和管材之间的摩擦类型为Coulomb，摩擦系数为0.1。2.2成形压力和整形压力在管材充液成形的数值模拟中，为提高运算效率，通常以1ms来模拟1s的实际情况初始屈服压力P成形压力P整形压力P式中:R由上述公式计算得到充液成形过程的初始屈服压力为18MPa，成形压力为60MPa，整形压力为110MPa，左右冲头的总轴向进给量为16mm。对小半径弯管的充液成形，由于前期经过数控弯曲以及充液过程中的摩擦力影响，弯管材料发生加工硬化使材料塑性减弱，实际材料的流动应力比屈服强度大，直接用力学参数计算充液成形时的初始屈服压力、成形压力及整形压力值比实际值小，因此，本文选择初始屈服压力的模拟区间为20～50MPa，成形压力的模拟区间为60～90MPa，整形压力的模拟区间为110～140MPa，左右冲头总轴向进给量的模拟区间为16～19mm。3充液形成过程的数值模拟3.1初始屈服压力初始屈服压力是管材开始发生塑性变形所需要的内压，防止管端由于轴向进给而起皱。采用梯形压力加载路径对弯管充液成形过程进行模拟，图4为初始屈服压力20～50MPa时弯管的壁厚分布情况。结果表明，弯管的最小壁厚值随初始屈服压力增加而减小，这是由于初始屈服压力增加，管材与模具的摩擦力增大，使管材两端材料向胀形区的流动受阻，对减薄区的补料作用减小，因此壁厚减薄增加。3.2不同成形压力下的弯管厚分布成形压力是使管材大部分胀形且与模具贴合所需的压力。由图5可知，成形压力为60MPa时，由于管材内部还未建立足够大的内压，而轴向力过大，导致管材弯曲内侧形成褶皱。在弯管的充液成形过程中，一旦形成褶皱，轴向进给的补料将主要作用于褶皱附近区域，导致弯管弯曲内侧形成死皱图6为通过数值模拟得到成形压力60～90MPa时的弯管壁厚分布情况。结果表明，成形压力为80MPa时的最小壁厚值为0.76mm，为在此成形压力区间的壁厚最大值。这是由于在80MPa的压力下成形时，压力的上升速度相对较快，管材在此内压作用下快速贴模，阻止了壁厚的进一步减薄，从而获得了相对较大的壁厚值。因此，当管材屈服后，适当增加压力的变化速率有利于抑制壁厚的减薄。当成形压力为90MPa时，由于成形压力的上升速度过快，管材迅速贴模，而过渡区材料流动相对较慢，来不及向胀形区补料，从而导致壁厚值的减小。当压力相对较低时，轴向进给在辅助材料流入成形区方面起主导作用3.3整形压力的确定在前期成形阶段的内压作用下大部分管材已胀形为模具形状，整形阶段的目的是使少量未贴模区域，尤其是管材的圆角部位全部与模具贴合。整形压力是使管材完全贴合模具最小圆角所需要的压力。整形压力为110MPa时，管材已完全贴模，且贴模程度不再随整形压力增加而变化。图7为整形压力110～140MPa下的壁厚分布，整形压力的增加对管材壁厚变化影响不大。但整形压力值越高，合模压力机的吨位越大，管材密封所需要的轴向力越大，对冲头的密封作用要求越高，因此，在保证管材与模具完全贴合的前提下，尽量选择较小的整形压力。3.4弯管壁厚分布充液成形的一个主要特点是通过轴向进给来减少胀形区的壁厚减薄和提高管材的膨胀率图9为充液成形过程中轴向进给量16～19mm时的弯管壁厚分布情况。随轴向进给量增加，弯管最小壁厚值明显增加，但当轴向进给量大于18mm时，管材端部及弯曲内侧壁厚值明显增加，并且有未贴模现象。如图10所示，弯管成形过程中，由于其形状特征，在内压作用下弯曲外侧较弯曲内侧先贴模，虽在成形期间施加较多轴向进给可有效抑制弯曲外侧的壁厚减薄，但此时弯曲内侧材料堆积过多形成褶皱，使管材无法获得预期的几何形状。4模拟结果与试验结果的比较采用试验方法验证数值计算获得加载路径的有效性，试验选用加载路径的工艺参数为:初始屈服压力为20MPa，成形压力为80MPa，整形压力为110MPa，左右冲头总轴向进给量为17mm。表2为此加载路径下的数值模拟与试验结果的壁厚值对比，结果表明试验与数值计算具有良好的一致性。图11为数值模拟与试验几何形状结果的对比，模拟与试验结果都表明成形零件没有开裂和起皱现象，且在此加载路径下能够实现小半径管件的高质量成形。5弯管成形特点(1)对于小半径薄壁弯管充液成形过程，初始屈服压力过大时，管材两端材料向胀形区域的流动会由于摩擦力作用而减弱，使壁厚减薄增加。成形压力较低时，管材弯曲内侧易形成褶皱，而成形压力较高时，易导致管材外侧出现过度减薄。(2)弯管的充液成形过程是弯曲外侧首先贴模，施加较多的轴向进给易导致弯曲内侧形成褶皱，无法获得预期的几何形状。(3)初始