朱若嶺，宋丹丹，崔源

(河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)學(xué)院，河南鄭州 450000)

0 引言

三通管通常作為連接結(jié)構(gòu)零件或者流體(氣、液體)的輸送管路構(gòu)件，廣泛應(yīng)用在汽車(chē)工業(yè)、航空航天、家電、化工等行業(yè)。采用焊接、鑄造等工藝生產(chǎn)此類(lèi)零件，材料利用率、生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量低，生產(chǎn)成本高，很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。而利用固體或液體作為介質(zhì)的脹形成形，具有內(nèi)、外表面光滑美觀，加工工序少，管件的力學(xué)性能、質(zhì)量可靠，是目前最常見(jiàn)的現(xiàn)代生產(chǎn)工藝之一。

三通管的曲面結(jié)構(gòu)、復(fù)雜形狀，決定了在脹形過(guò)程中的變形復(fù)雜，變形規(guī)律難以掌握，易產(chǎn)生缺陷，如起皺和破裂等，如圖1所示。近年來(lái)，日、德、美及中國(guó)等都對(duì)管材脹形做了大量研究。20世紀(jì)40年代，Grey等首次利用液壓成形技術(shù)制造出了三通管。Dohmann等最早開(kāi)始全面系統(tǒng)地研究現(xiàn)代管材充液成形技術(shù);Kim等通過(guò)有限元方法對(duì)管材充液成形過(guò)程的破裂缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè);王同海等用聚氨酯橡膠作為脹形介質(zhì)進(jìn)行了三通管脹形實(shí)驗(yàn),孫愛(ài)學(xué)等對(duì)紫銅三通管進(jìn)行了脹形試驗(yàn)，這些研究的開(kāi)展有利于三通管脹形理論的發(fā)展和生產(chǎn)應(yīng)用。

圖1 三通管成形缺陷

1 三通管脹形原理

1.1 三通管的脹形原理簡(jiǎn)介

將管坯放入模具，閉合模具通過(guò)右凸模向管坯內(nèi)充滿介質(zhì)，并用左右凸模進(jìn)行密封。然后左、右凸模對(duì)介質(zhì)施加一定的壓力，使管坯在內(nèi)壓力作用下發(fā)生塑性變形。此時(shí)，平衡凸模在初始階段未與支管接觸，保持不動(dòng);隨著管材塑性變形的進(jìn)行，支管與平衡凸模開(kāi)始接觸，平衡凸模對(duì)脹形部分施加一定的反力，平衡凸模隨著支管的增高而后退，直至零件成形。三通管脹形基本原理如圖2所示。

圖2 三通管脹形基本原理

1.2 異徑三通管簡(jiǎn)介

文中研究的對(duì)象是異徑三通管，材質(zhì)為黃銅合金，其基本尺寸如圖3所示。相比等徑三通管，異徑三通管成形更是一個(gè)復(fù)雜的彈性變形過(guò)程，涉及幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性等一系列問(wèn)題，并且成形的影響因素多，不易確定最優(yōu)工藝參數(shù)。

圖3 異徑三通管基本尺寸

文中采用數(shù)值模擬軟件ABAQUS對(duì)該異徑三通管的成形進(jìn)行了工藝分析，直觀地分析了其成形過(guò)程，有效預(yù)防了成形缺陷的產(chǎn)生。同時(shí)研究了關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)成形的影響，得到了合理的工藝參數(shù)范圍，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。相比試錯(cuò)法，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證的有機(jī)結(jié)合，可大量縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)費(fèi)用，能夠以低成本得到高品質(zhì)的產(chǎn)品。

2 異徑三通管脹形過(guò)程仿真與分析

2.1 異徑三通管脹形仿真模型建立

考慮到異徑三通管結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選取1/2模型作為研究對(duì)象。管坯材料選用H62黃銅合金為彈塑性體，模具設(shè)置為剛性體(忽略模具變形);脹形介質(zhì)選用聚氨酯橡膠類(lèi)為超彈性材料;模型中各部件的接觸類(lèi)型均為面與面接觸，并假設(shè)管坯端面與軸向沖頭接觸表面、管材外表面與模腔接觸表面均滿足庫(kù)侖摩擦條件，摩擦因數(shù)設(shè)為0.15，聚氨酯橡膠與管材內(nèi)表面之間的摩擦因數(shù)為0.25。異徑三通管的有限元分析簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

圖4 異徑三通管的有限元分析簡(jiǎn)化模型

2.2 模擬結(jié)果與分析

通過(guò)數(shù)值模擬，可以直觀異徑三通管脹形的基本成形過(guò)程，主要分為4個(gè)階段：初始階段、自由脹形階段、軸向壓縮階段和復(fù)合脹形階段，如圖5所示。隨著左右凸模對(duì)橡膠介質(zhì)施壓，管坯金屬在內(nèi)壓力作用下開(kāi)始發(fā)生塑性變形，流向阻力小的凹模型腔，此為自由脹形階段，如圖5(b)所示;當(dāng)左右凸模臺(tái)肩與管坯端面接觸，而支管頂部尚未與平衡沖頭接觸，此時(shí)，管坯開(kāi)始受到軸向壓力的作用，如圖5(c)所示，為軸向壓縮變形階段;當(dāng)支管與平衡凸模開(kāi)始接觸時(shí)，左右凸模繼續(xù)進(jìn)給，平衡凸模開(kāi)始后退，后退中平衡沖頭與支管頂部始終接觸，此階段是三通管復(fù)合脹形階段，如圖 5(d)所示。此時(shí)，管坯受到3個(gè)作用力，即內(nèi)壓力、軸向擠壓力和平衡壓力，在這3種壓力作用下，支管頂端漸漸形成平面，其高度也隨著凸模的推進(jìn)而不斷增長(zhǎng)，直至成形過(guò)程結(jié)束。

圖5 異徑三通管成形結(jié)果

2.3 影響成形因素分析優(yōu)化

異徑三通管的脹形是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響因素多，為進(jìn)一步掌握異徑三通管的脹形規(guī)律，分別對(duì)影響其成形的主要因素：過(guò)渡圓角半徑、摩擦因數(shù)、軸向進(jìn)給加載路徑等進(jìn)行研究分析。

2.3.1 上模具過(guò)渡圓角半徑對(duì)成形的影響

上模具過(guò)渡圓角半徑的大小影響著支管的形成和過(guò)渡區(qū)金屬的流動(dòng)。圖6為設(shè)計(jì)圓角半徑為5 mm的模擬分析結(jié)果。為掌握?qǐng)A角對(duì)脹形的影響規(guī)律，分別選取為5、5.5、6、6.5、7、8 mm(其中為5 mm是設(shè)計(jì)初始圓角半徑)。

我一副痛心疾首的樣子，希望讓白麗筠看了心里難過(guò)。可是白麗筠一副超然物外的表情，連一個(gè)顧睨也不給我，全不把我的痛哭放在眼里，更不會(huì)放在心上。白麗筠越是這樣，越是讓我對(duì)她重生愛(ài)慕之心。我痛感到，她正在離我遠(yuǎn)去，目前的形勢(shì)并不是我要不要她，而是我還能不能抓得住她。

圖6 初始圓角的模擬結(jié)果

為分析圓角半徑大小對(duì)支管過(guò)渡區(qū)的厚度影響，沿縱向測(cè)量脹形管壁上的點(diǎn)～的厚度。通過(guò)計(jì)算得到不同半徑下的三通管最大減薄量;同時(shí)，可以測(cè)量出不同半徑下支管的高度。所得的上模具過(guò)渡圓角半徑對(duì)減薄率和支管高度的影響規(guī)律如圖7所示。

圖7 圓角半徑R對(duì)ε和h的影響

由圖7可知，增大過(guò)渡區(qū)圓角半徑，可使摩擦阻力和彎曲變形抗力減小，管坯金屬更容易流向凹模支管型腔，抑制了壁厚變薄的趨勢(shì);支管的高度也不斷增高，提高了脹形成形極限，但當(dāng)半徑增加到7 mm，減薄率趨于平衡，支管高度隨著圓角半徑而降低。因此，建議圓角半徑的取值范圍為6～6.5 mm。

2.3.2 摩擦因數(shù)對(duì)成形的影響

管坯和模具之間的摩擦因數(shù)對(duì)成形載荷和支管高度有很大的影響。為研究摩擦因數(shù)對(duì)三通管成形的影響，其他工藝參數(shù)保持不變，摩擦因數(shù)分別取0.05、0.10、0.15、0.20、0.25，得到結(jié)果如圖8所示。

圖8 摩擦因數(shù)μ對(duì)F和h的影響

由圖8可知，隨著管坯與模具間的摩擦因數(shù)增大，兩者之間的摩擦阻力也增大，所需成形載荷就越大，但支管成形高度逐漸減少。當(dāng)摩擦因數(shù)005時(shí)，成形載荷最小為116 kN，支管高度最高為256 mm，當(dāng)摩擦因數(shù)大于01時(shí)，成形載荷和支管高度的趨勢(shì)變化加快。所以，模具型腔表面越光滑，潤(rùn)滑越好，可有效降低成形載荷，有利于異徑三通管的脹形，但同時(shí)也增加了模具加工和生產(chǎn)的難度。結(jié)合生產(chǎn)條件和產(chǎn)品要求，建議摩擦因數(shù)的取值范圍為01～02，既能降低生產(chǎn)難度，又能獲得滿足產(chǎn)品需求。

2.3.3 軸向進(jìn)給加載路徑對(duì)成形的影響

軸向進(jìn)給量也是三通管脹形的重要參數(shù)，進(jìn)給量太小，支管高度很小;在支管高度已達(dá)到了產(chǎn)品要求的前提下，進(jìn)給量太大，在變形中會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象(起皺和形式多樣的飛邊)。在此設(shè)計(jì)了3種不同的線性加載路徑，如圖9所示。

圖9 3種不同的線性加載路徑

路徑1、2、3的進(jìn)給量分別為9、12、16 mm，脹形后得到三通管的支管高度分別為20.3、24.5、21.1 mm。圖10為3種不同路徑的模擬結(jié)果，由圖可以得出，隨著軸向進(jìn)給量的增加，三通管支管高度增高。但在圖10(c)的進(jìn)給量為16 mm時(shí)，支管高度增高趨勢(shì)降低，且管端出現(xiàn)飛邊毛刺，這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量的增加，內(nèi)壓逐漸增加，管坯與模具間的摩擦阻力也增加，材料流動(dòng)困難，支管高度增高趨勢(shì)下降，同時(shí)一部分金屬溢出而形成飛邊毛刺。因此，路徑2是比較理想的加載路徑。

圖10 3種不同路徑的模擬結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上分析可知，通過(guò)優(yōu)化異徑三通管脹形成形參數(shù)，得到了影響異徑三通管成形的合理工藝參數(shù)范圍。為了驗(yàn)證所得結(jié)論的合理性，文中采用退火軟化的H62黃銅合金作為管坯，脹形介質(zhì)采用固體純石蠟，摩擦因數(shù)采用0.15，軸向進(jìn)給量12 mm等工藝參數(shù)，在30 t的壓機(jī)上對(duì)該工藝方案進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證研究，如圖11所示。

圖11 生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證

由圖11可知，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)得到的脹形具有良好的三通管。由此可見(jiàn)，有限元數(shù)值模擬可有效的指導(dǎo)生產(chǎn)，避免缺陷的產(chǎn)生，得到合格的產(chǎn)品。

4 結(jié)語(yǔ)

文中采用有限元軟件ABAQUS對(duì)異徑三通管的脹形過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，分析了其成形的基本過(guò)程;討論了異徑三通管脹形的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其的影響規(guī)律,得到了合理的參數(shù)范圍;采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果吻合良好。通過(guò)此研究，得到如下結(jié)論：

(1)利用有限元數(shù)值模擬方法，可以直觀地分析異徑三通管的脹形成形過(guò)程，可有效預(yù)防成形缺陷的產(chǎn)生;

(2)研究了影響異徑三通管脹形成形的關(guān)鍵工藝參數(shù)，分析了各工藝參數(shù)對(duì)脹形的影響規(guī)律，并針對(duì)該異徑三通管，得到了合理的工藝參數(shù)范圍：當(dāng)管內(nèi)壓力一定的情況下，采用加載進(jìn)給量為12 mm，上模具過(guò)渡圓角半徑在[6，6.5]mm和管坯與模具間的摩擦因數(shù)在[0.1，0.2]之間的任意組合，均可滿足產(chǎn)品需求;

(3)通過(guò)采用有限元數(shù)值模擬得到的異徑三通管的成形工藝參數(shù)，在試驗(yàn)中能有效避免成形缺陷的產(chǎn)生，得到合格的產(chǎn)品，大量縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，為新產(chǎn)品的研發(fā)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。