AA5B02铝合金三通管充液成形工艺研究及参数优化 佘威;何成;张稳定;崔礼春政治清明
【摘 要】Based on the finite element numerical simulation software Dynaform, the forming process of the three-way pipe is optimized. This paper analyzes the influence of different initial pressure, forming pressure, axial feed force, back pressure balance force and clamping force on the forming of the three pipe. According to simulate the forming process, distribution of stress diagram, the thick to strain diagram and forming limit diagram results. According to the simulation results of parts form-ing analysis and forecast minus thin rupture, wrinkling and springback defect. The results will prevent side push tube billet pushing under the premise to the initial pressure, the value should be as small as possible. molding pressure and the maximum can guarantee the thinning rate, thickening rate and the degree of forming requirements can be. The axial feed has a great influ-ence on the final forming quality. With the increase of friction coefficient, the thinning rate of the parts is increasing, but the rate of increase is decreased first and then
increased. Aaccording to the results of numerical simulation, the forming process parame-ters of the three way tube can be optimized.%目的：基于有限元数值模拟软件Dynaform对三通管的成形工艺进行优化。方法分析不同的初始压力、成形压力、轴向进给力、背压平衡力和合模力等对三通管成形的影响。根据成形过程进行模拟，得到分布应力图、厚向应变图、成形极限图等结果，根据模拟结果对零件的成形性进行分析，预测减薄破裂、起皱和回弹等缺陷。结果初始压力在防止侧推头将管坯推皱的前提下，取值应越小越好。成形压力和最大压力能保证减薄率、增厚率和成形度的要求即可。轴向进给对最终的成形质量影响较大。随着摩擦因数的增大，零件的减薄率不断增加，但是增厚率是先减小后增大。结论根据数值模拟的结果能够很好地优化三通管的成形工艺方案。 【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2016(008)005
【总页数】10页(P88-97)
【关键词】有限元模拟;成形性;工艺方案优化;充液成形
《中华人民共和国刑法》
【作 者】盐湖城丑闻佘威;何成;张稳定;崔礼春
【作者单位】安徽江淮汽车股份有限公司 技术中心，合肥 230601;安徽江淮汽车股份有限公司 技术中心，合肥 230601;安徽江淮汽车股份有限公司 技术中心，合肥 230601;安徽江淮汽车股份有限公司 技术中心，合肥 230601
【正文语种】中 文
【中图分类】TG394
三通管充液成形过程中受力情况较为复杂，材料的塑性流动规律以及成形模具与管坯的接触条件也都是十分复杂的问题，所以单凭经验很难对成形结果做出合理的预测。借助于有限元技术对零件的充液成形过程进行仿真，则能在零件制造之前预测工艺方案和参数是否合理，能够显著减少零件工艺开发周期，降低开发成本并且提高工艺方案的可靠性。
管材充液成形技术的第一次研究是在20世纪40年代，J.E. Grey第一次利用充液成形技术制成T形三通铜管［2］。F. Dohmann教授［3—8］最早开始全面系统地研究现代管材充液成形技术，针对管件充液成形工艺原理及工艺参数匹配的重要性进行了系统地阐述，并通
过典型零件的充液成形工艺研究，阐明管件几何形状、模具结构、成形工艺方案与充液成形结果间的相互关系。薄壁三通管的传统生产工艺主要是焊接工艺，焊接主要有2种类型：一种是2个直管在三通管相贯线处焊接，称为整管插焊；另一种是板料充液成形对称的2个半管然后进行焊接，称为半管冲压拼焊［9］。管材充液成形技术（Tube Hydroforming，简称THF）是通过对管腔内壁施加液体压力、对轴向施加载荷作用，使管材在模具约束下成形为所需复杂截面形状的一种塑性成形技术［10］。依据零件结构的不同，充液成形管类零件大致可分为变径管、弯曲轴线管和多通管3大类［11—12］。目前管材力学性能的评价标准主要集中于管材的应变硬化指数n值，各向异性指数r值等方面［13］。戴昆等人［14］利用理论分析和对比实验研究得出，在相同应力状态下，随着n值增加，管材的失稳应变强度增大，这是由于塑性变形导致的材料硬化使其变形抗力增大，应变分布更加均匀化。郎利辉等人［1］针对现代技术无法直接成形的相对弯曲半径r/D≤1、相对壁厚t/D≤0.05的弯头零件，提出了一种弯胀成形工艺。该工艺将数控弯管技术与充液成形技术相结合，旨在消除传统半管对焊工艺中的焊缝，实现薄壁小半径弯头的整体成形。采用全过程数值分析方法和正交试验方法，研究了弯胀成形工艺的可行性以及关键参数的选取问题。Jeong Kim等人［15］通过有限元方法对管材充液成形过程的破裂缺陷进行预测，并
建立理论分析模型，研究管坯的r值对材料的成形极限和胀破压力的影响。近几十年来，有限元理论的不断完善使得模拟结果更加准确可靠，计算机技术的不断发展成熟也为有限元技术奠定了应用基础。目前，有限元软件的应用越来越广泛，各大飞机和汽车制造商都充分肯定有限元模拟技术对于成形控制所起到的作用，有相当一部分公司也应用有限数值模拟来指导实际生产。
本次研究所用的有限元软件为Dynaform软件。Dynaform软件由美国ETA公司和LSTC公司所联合开发，基于ETA前处理器、FEMB后处理器和LS-DYNA求解器，主要应用于板料成形的CAE分析，能够真实准确地反映板料的复杂变形过程。Dynaform软件拥有多种高效的单元类型，优秀的交界和接触处理技术，以及丰富的材料模型库，能对各种成形过程进行模拟，从而得到分布应力图、厚向应变图、成形极限图等，并且可以从模拟结果对零件的成形性进行分析，预测减薄破裂、起皱和回弹等缺陷。
三通管的充液成形原理如图1所示。首先将管坯放入模具，左右推头及背压推头运动到指定位置。然后闭合模具通过右推头向管坯内充满液体，补液完成后用左右推头进行密封。在轴向进给及内部压力的共同作用下使管坯成形，同时背压推头给予一定的压力防止支管顶 部因过度减薄而破裂。其成形过程可以分为2个阶段：第1阶段，背压推头保持不动，在管坯内部加以一个较低的初始压力，左右推头进行轴向进给的同时，液体压力以较快的升压速度加到一个较高的内压力；第2阶段，继续增加内压力，左右推头继续进行轴向进给，同时背压推头开始后退，后退中推头要时刻与支管顶部接触，直至成形出零件。
2.1 初步模拟
在Dynaform中建立有限元模型如图2所示，由管坯、模具、左推头、右推头、背压推头组成。其中，模具、左推头、右推头及背压推头均视为刚性体，选择刚性4节点单元进行离散化处理，管坯采用4节点B-T壳单元，接触类型为面-面接触。管坯外径为50 mm，壁厚都为1 mm，材料为铝合金5B02，其力学性能参数如下：屈服强度σs为113.4 MPa，抗拉强度σb为244.1 MPa，各向异性指数r为0.51，应变硬化指数n为0.187，应变硬化因数K为357.7 MPa，弹性模量E为69 GPa。在有限元模拟中，在管坯内部施加内压力，轴向进给通过左右推头的位移控制，背压力的施加可以通过2种方式控制，即力控制和位移控制。为了更好地满足工艺要求以及降低实验难度，在这里选取位移控制。
根据T型三通管充液成形原理，初步设计的加载路径和工艺参数如表1所示。
防攻击空间第1阶段的开始压力即为初始压力，结束压力为成形压力，第2阶段的开始压力即为成形压力，结束压力为最大压力。在这里将模具定义为刚体，其在成形过程中不会发生变化，并且管坯和模具之间的摩擦各处相等，摩擦因数先选定为0.05。初步模拟结果如图3所示，由图3可知，成形后零件减薄率较小，但是增厚率较大，而且支管侧壁并没有完全和模具表面贴合，所以要对工艺参数进行优化，由于支管高度是固定的，所以背压推头后退量对于成形结果的影响在这里不作讨论，主要讨论成形压力、左右推头进给量以及摩擦因数对成形结果的影响。
2.2 工艺参数的优化模拟
在三通管成形过程中，影响其成形性的主要参数包括初始压力，成形压力，最大压力，轴向进给量，摩擦因数。初始压力指的是在成形刚开始时，施加在管材内部的压力，作用是防止侧推头在轴向进给时将管坯推皱。成形压力指的是能够使支管发生塑形变形的同时不断长高的内压力。最大压力指的是在充液成形过程中的最大内压力。轴向进给的作用是向管材胀形区补料，防止胀形区因为过度减薄而破裂。摩擦因数主要是指管坯和模具之间的摩擦，摩擦因数的大小决定了管坯材料的流动效率，所以摩擦因数对充液成形后零件的壁厚分布有很大的影响。
根据初步模拟结果确定数值模拟中的成形工艺参数，如表2所示。进行5组数值模拟，分别针对上述5项关键技术参数，在每次改变其中一项工艺参数时，其他各项参数均与初步模拟中的参数保持一致。
2.2.1 初始压力
不同的初始压力下的数值模拟结果如图4所示。从图4中可以看出，当初始压力为3 MPa时，内部压力不足以支撑管坯，当进行轴向进给时，管端发生了翻边起皱的缺陷，从而影响到轴向进给，到成形后期越来越严重，最终支管因轴向进给补料不足而发生破裂。而当初始压力足以支撑管坯而不使管端起皱时，则初始压力越大，最终的零件减薄率越大，零件增厚率基本没有变化，如图5所示。选择最优的初始压力时，在保证管坯不发生起皱的同时应尽量小，以期在后期成形中获得较小的壁厚减薄率。从这个原则判断，初始压力应选择5 MPa。
根据数值模拟结果可以推断：若初始压力过小，则当侧推头开始进行轴向进给时，管材内部因为没有支撑，受到轴向力就会发生起皱现象；若初始压力过大，使得还未进行轴向进给时管材已经发生塑形变形，则零件的减薄率将会增大，甚至在成形的初始阶段就发生破
裂。
2.2.2 成形压力
不同的成形压力下的数值模拟结果如图6所示，成形压力对壁厚的影响如图7所示，可以看出，随着成形压力的增大，零件的减薄率不断增加，而增厚率不断减小。这是因为当压力较大时，支管在内压力的作用下会获得较小的圆角，同时圆角减小会产生局部减薄，所以零件的减薄率较大；而内压力较大，主管处的材料会因为较大的作用力而更多地流向支管处，所以零件的增厚率较小。在选择最佳的成形压力时，并不是单纯地考虑减薄率的因素，同时也要考虑支管圆角处是否达到要求。成形压力对支管圆角的影响如图8所示，当成形压力为10 MPa时，切除支管顶部并没有将圆角完全切除，最终零件的支管处圆度达不到要求；当成形压力为17.5 MPa，切除支管顶部会将圆角完全切除，最终零件是合格的。所以成形压力应选择17.5 MPa。
根据数值模拟结果可以推断：若成形压力过小，则支管不能发生塑性变形而长高，同时当侧推头开始进行轴向进给时，管材内部因为压力较小，受到轴向力就会发生起皱现象；若成形压力过大，支管顶部因为有背压推头的存在，不会因过度减薄而破裂，但是支管圆角
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处没有模具约束，则会因为成形压力过大而减薄严重甚至破裂。
2.2.3 最大压力
不同最大压力下的数值模拟结果如图9所示。在三通管的充液成形中，最大压力的作用是使支管侧壁和模具表面贴合以及支管的圆角变小。在成形结束后，需要切除支管顶部，保留支管的直壁段而去除所有的圆角部分。若内压力较小，则成形后支管圆角较大，在后期切割时就需要切除较多的部分，可能会导致支管高度不够达不到零件要求；若最大压力较大，则支管圆角处可能会因为过度减薄而破裂，所以需要掌握一个合理的度，使得支管圆角较小同时又不至于破裂。
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