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薄壁金屬管脈動(dòng)液壓脹形模具裝置及試驗(yàn)研究

2023-10-07 03:39胡國(guó)林
模具工業(yè) 2023年9期
關(guān)鍵詞:金屬管軸壓薄壁

胡國(guó)林

(江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江西 南昌 330013)

0 引 言

薄壁金屬管液壓脹形技術(shù)是一種生產(chǎn)復(fù)雜截面形狀、中空薄壁整體結(jié)構(gòu)件的新型塑性成形技術(shù),其原理如圖1所示[1]。與傳統(tǒng)的沖壓焊接工藝相比,液壓脹形具有工序集成度高、零件質(zhì)量輕和強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì),目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、家電等領(lǐng)域[2]。摩擦特性、摩擦系數(shù)及摩擦與潤(rùn)滑的狀態(tài)是作為薄壁金屬管液壓脹形的重要性能指標(biāo),對(duì)脹形件的精度、質(zhì)量、成形極限及模具使用壽命的影響都較大[3]。脈動(dòng)液壓加載能使用較小的成形壓力,獲得較大的塑性變形,且變形更均勻,延遲起皺、破裂等失效形式的產(chǎn)生。如何揭示脈動(dòng)液壓加載條件下薄壁金屬管的成形機(jī)理及變形規(guī)律,提高零件成形極限和零件精度,一直是薄壁金屬管液壓脹形技術(shù)研究領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),薄壁金屬管在特殊的加載方式下可以呈現(xiàn)較好的變形能力,使薄壁金屬管變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、塑性硬化關(guān)系、摩擦特性、微觀結(jié)構(gòu)的演化等都不同,這些問題引起了許多學(xué)者的研究興趣。例如對(duì)薄壁金屬管脈動(dòng)液壓環(huán)境下的摩擦系數(shù)進(jìn)行確定,然后再通過試驗(yàn)法、有限元法和結(jié)合法對(duì)薄壁金屬管的摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)量[4-7]。通過研究發(fā)現(xiàn)在金屬材料的反復(fù)彎曲和反向彎曲的變形中,脈動(dòng)周期性的交替效應(yīng)是提高成形性能的主要原因之一,但是這種效應(yīng)如何影響薄壁金屬管的塑性硬化關(guān)系,動(dòng)態(tài)變形過程中薄壁金屬管起皺現(xiàn)象的變化以及變形過程中金屬材料顯微組織的變化對(duì)提高薄壁金屬管成形極限的作用一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。由此可見,脈動(dòng)加載條件下薄壁金屬管的復(fù)雜變化與簡(jiǎn)單線性加載路徑下的表現(xiàn)都不同[8-12],因?yàn)楸”诮饘俟茉诓煌募虞d條件下所表現(xiàn)的摩擦特性也不盡相同。

圖1 薄壁金屬管液壓脹形原理

綜上所述,脈動(dòng)液壓加載條件下的薄壁金屬管成形,能夠使用較小的成形力獲得足夠的塑性變形,是一種新型的加載方式,自主開發(fā)相關(guān)試驗(yàn)裝置以及后續(xù)研制新型的液壓脹形裝置,具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值,以下針對(duì)脈動(dòng)液壓加載條件下薄壁金屬管的成形性進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究,揭示其成形規(guī)律。

1 薄壁金屬管脈動(dòng)液壓加載條件的試驗(yàn)平臺(tái)及模具裝置

液壓加載曲線一般是指薄壁金屬管液壓脹形過程中,成形的液壓力隨著成形時(shí)間而變化的曲線,或是隨著薄壁金屬管兩端的軸向進(jìn)給量(軸向推力產(chǎn)生的軸向行程,如圖2所示)而變化的曲線。

圖2 薄壁金屬管軸壓成形

脈動(dòng)液壓加載曲線的具體表達(dá)式為:

其中,P0是金屬管內(nèi)的基準(zhǔn)壓力,MPa;ΔP是脈動(dòng)的振幅,MPa;ω是脈動(dòng)周期;t是脈動(dòng)液壓加載時(shí)間,s。由式(1)可以看出,最終薄壁金屬管的內(nèi)壓力大小由P0和ΔPsin(2πωt)兩部分決定。加載曲線如圖3所示。

圖3 脈動(dòng)液壓加載曲線

薄壁金屬管在脈動(dòng)液壓加載條件下的成形試驗(yàn)中,需要采用脈動(dòng)液壓加載系統(tǒng)和薄壁金屬管軸壓成形相結(jié)合的方式進(jìn)行試驗(yàn),觀察成形過程中薄壁金屬管產(chǎn)生起皺的過程以及脈動(dòng)液壓加載參數(shù)對(duì)起皺的影響等。基于此,滿足薄壁金屬管脈動(dòng)液壓加載條件的試驗(yàn)平臺(tái)包括三部分:第一部分為液壓供給系統(tǒng);第二部分為脈動(dòng)液壓發(fā)生裝置;第三部分為高速三維變形數(shù)據(jù)分析和檢測(cè)系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 薄壁金屬管脈動(dòng)液壓加載條件的試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

液壓供給系統(tǒng)提供非脈動(dòng)的、簡(jiǎn)單線性增加的基準(zhǔn)壓力P0,然后通過充液孔進(jìn)入脈動(dòng)液壓發(fā)生裝置,形成脈動(dòng)壓力P,作用到薄壁金屬管內(nèi)部,對(duì)薄壁金屬管進(jìn)行液壓成形。試驗(yàn)平臺(tái)可以分別進(jìn)行脈動(dòng)和非脈動(dòng)液壓成形試驗(yàn),對(duì)于后續(xù)需要采用脈動(dòng)液壓加載系統(tǒng)和軸壓成形相結(jié)合的方式進(jìn)行的試驗(yàn)研究,可以在此試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行擴(kuò)展改裝,將平臺(tái)中的成形模換成所需要的裝置即可。

2 3種典型的薄壁金屬管脈動(dòng)液壓脹形的模具裝置

通常情況下,薄壁金屬管典型的液壓脹形方式主要有薄壁金屬管的自然成形、薄壁金屬管的軸壓成形、薄壁金屬管的徑壓成形,以下分別介紹這3種典型的液壓脹形方式的成形裝置。

2.1 薄壁金屬管的自然成形裝置及模具

薄壁金屬管的自然成形是指薄壁金屬管僅在內(nèi)部液體壓力的作用下自然成形,不施加主動(dòng)的軸向作用力,如圖5所示。

圖5 薄壁金屬管的自然成形試驗(yàn)裝置

薄壁金屬管的自然成形裝置主要由定位圈、密封柱、充液螺栓及鎖緊螺母等組成。薄壁金屬管在2個(gè)定位圈中定位,擰緊充液螺栓上的鎖緊螺母時(shí),通過充液螺栓壓緊薄壁金屬管內(nèi)部的2個(gè)密封柱對(duì)金屬管兩端進(jìn)行預(yù)密封。高壓液體經(jīng)過充液螺栓進(jìn)入薄壁金屬管的內(nèi)部,在內(nèi)壓力作用下,金屬管逐漸脹大成形,密封柱進(jìn)一步受到擠壓力,密封效果進(jìn)一步加強(qiáng)。

在薄壁金屬管自然成形過程中,不施加主動(dòng)的軸向推力,薄壁金屬管僅在內(nèi)壓力作用下脹大成形直至破裂失效。盡管在金屬管兩端的內(nèi)外表面都會(huì)受到摩擦力的作用,但是沒有其他外加約束力,所以金屬管兩端可以沿軸向相對(duì)“自由”地收縮,實(shí)現(xiàn)自然成形,薄壁金屬管中截面的脹形區(qū)中心單元體的受力狀態(tài)通常為拉-拉應(yīng)力狀態(tài),即軸向和周向都受到拉應(yīng)力作用。

2.2 薄壁金屬管的軸壓成形裝置及模具

薄壁金屬管的軸壓成形是指薄壁金屬管在內(nèi)部液體壓力和外加軸向推力的共同作用下脹大成形,如圖6所示。

圖6 薄壁金屬管的軸壓成形試驗(yàn)裝置

薄壁金屬管的軸壓成形裝置主要由上模、下模、左擠壓頭及右擠壓頭等零件組成。薄壁金屬管的軸壓成形裝置安裝在三通水脹壓力機(jī)的工作臺(tái)上,成形模具的上、下模閉合后,通過在薄壁金屬管兩端的左、右擠壓頭同時(shí)施加軸向推力,對(duì)金屬管進(jìn)行密封,并由三通水脹壓力機(jī)上的滑塊及工作臺(tái)來鎖緊上、下模,薄壁金屬管在內(nèi)壓力和左右兩端軸向推力的作用下脹大成形,左、右擠壓頭除了對(duì)管材兩端進(jìn)行密封外,還能起到軸向補(bǔ)料的作用。

在薄壁金屬管軸壓成形過程中,假設(shè)薄壁金屬管中心截面成形區(qū)厚度方向的應(yīng)力為零,即中心截面成形區(qū)中心單元體的應(yīng)力狀態(tài)處于平面應(yīng)力狀態(tài)。在軸向推力的作用下,中截面成形區(qū)中心單元體的應(yīng)力狀態(tài)為拉-壓應(yīng)力狀態(tài),即周向?yàn)槔瓚?yīng)力,軸向?yàn)閴簯?yīng)力。通過控制內(nèi)壓力P與軸向推力Fz(或間接的軸向行程S)的比值,可以產(chǎn)生不同的拉-壓應(yīng)變狀態(tài)。

2.3 薄壁金屬管的徑壓成形裝置及模具

薄壁金屬管的徑壓成形是指在內(nèi)部液體壓力和外部施加徑向壓力的共同作用下的一種復(fù)合成形方式,如圖7所示。

圖7 薄壁金屬管的徑壓成形試驗(yàn)裝置

薄壁金屬管的徑壓成形裝置主要由上模、下模及密封組件(定位圈、密封柱、充液螺栓、鎖緊螺母等)組成。薄壁金屬管徑壓成形的密封步驟與其它成形裝置一樣,在管的兩端放置密封柱后一起放置于左、右定位圈中,然后將鎖緊螺母鎖緊金屬管端進(jìn)行預(yù)密封,在液壓成形過程中,由于內(nèi)壓力作用使密封柱繼續(xù)膨脹,實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁金屬管兩端的牢固密封。

薄壁金屬管徑壓成形的原理如圖8所示。在成形前,上模和下模處于開啟狀態(tài),然后將金屬管件放入上、下模之間(見圖8(a)),薄壁金屬管在內(nèi)壓力的作用下進(jìn)行自由脹大(見圖8(b));然后上下模沿徑向進(jìn)行合模,同時(shí)繼續(xù)向金屬管內(nèi)部輸入高壓液體,薄壁金屬管在內(nèi)壓力和徑向壓力的共同作用下復(fù)合成形(見圖8(c));最后通過圓角整形,得到所需要的成形件,成形結(jié)束(見圖8(d))。

圖8 薄壁金屬管的徑壓成形原理(剖面結(jié)構(gòu))

3 薄壁金屬管脈動(dòng)液壓脹形規(guī)律

由分析結(jié)果可知,薄壁金屬管成形區(qū)中心截面的潛在斷裂節(jié)點(diǎn)一旦到達(dá)了極限斷裂狀態(tài),此時(shí)的等效應(yīng)變速率值與其鄰近節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變速率值相比,會(huì)出現(xiàn)顯著的“突變”現(xiàn)象。根據(jù)應(yīng)變速率變化準(zhǔn)則可知,當(dāng)薄壁金屬管的成形區(qū)中截面結(jié)點(diǎn)與其相鄰結(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)的應(yīng)變速率差值約100左右時(shí),可以判斷薄壁金屬管發(fā)生破裂失效。為檢驗(yàn)有限元模擬的結(jié)論與穩(wěn)定性,采用薄壁金屬管的極限破裂試驗(yàn)方法,對(duì)該有限元模擬的結(jié)論進(jìn)行檢驗(yàn)。

通常使用薄壁管的自由成形設(shè)備完成極限斷裂測(cè)試,可將成形試驗(yàn)分為2個(gè)部分,一部分為管端自由成形試驗(yàn);另一部分為管端約束成形試驗(yàn)。一般在管端自由成形試驗(yàn)中,認(rèn)為在成形區(qū)域的單元體總應(yīng)力為拉-壓應(yīng)力情況,與成形極限曲線上的左側(cè)部分的應(yīng)力情況相對(duì)應(yīng)。在管端約束成形試驗(yàn)中,認(rèn)為成形區(qū)中單元體應(yīng)力為拉-拉應(yīng)力狀況,與成形極限圖中右側(cè)區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。試驗(yàn)的裝置見圖6所示,可以通過改變成形區(qū)長(zhǎng)度的方法來改變薄壁金屬管成形區(qū)單元體的應(yīng)變路徑,使薄壁金屬管成形區(qū)單元體的應(yīng)變路徑保持在[-1,1]變化。

液壓成形極限試驗(yàn)后的薄壁金屬管破裂零件如圖9所示。使用三維數(shù)字散斑在線應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng),即時(shí)在線檢測(cè)薄壁管成形區(qū)內(nèi)潛在斷裂節(jié)點(diǎn)與其鄰近節(jié)點(diǎn)在成形過程中的應(yīng)力狀態(tài)值,測(cè)算整個(gè)成形過程中不同時(shí)期內(nèi)薄壁管成形區(qū)內(nèi)中截面潛在斷裂節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力速率變化值。

圖9 不同成形長(zhǎng)度下的薄壁金屬管液壓脹形零件

通過比較發(fā)現(xiàn),薄壁金屬管在達(dá)到臨界破裂狀態(tài)時(shí),成形區(qū)的截面節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變速率值急劇上升。由于變形強(qiáng)度的提高,加工硬化現(xiàn)象明顯,薄壁金屬管成形區(qū)發(fā)生分散的不穩(wěn)定狀況時(shí),導(dǎo)致應(yīng)變速度緩慢上升,變化不均衡。當(dāng)失穩(wěn)現(xiàn)象集中于薄壁金屬管成形區(qū)域的某一局部范圍時(shí),金屬的變形將會(huì)聚集于一條窄帶內(nèi)。與此同時(shí),加工硬化還不足以轉(zhuǎn)移金屬中相對(duì)脆弱的部分,在薄壁管成形區(qū)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生集中頸縮。集中頸縮現(xiàn)象出現(xiàn)后,薄壁管很快會(huì)出現(xiàn)斷裂失效。通過提取薄壁金屬管成形區(qū)中截面節(jié)點(diǎn)合適的周向主應(yīng)變值和軸向主應(yīng)變值,繪制在坐標(biāo)系中形成完整的液壓成形極限圖,如圖10所示。

圖10 基于應(yīng)變速率變化準(zhǔn)則得到的薄壁金屬管成形區(qū)的液壓成形極限圖

4 結(jié)束語

研究了脈動(dòng)液壓加載條件下薄壁金屬管的成形規(guī)律,重點(diǎn)對(duì)薄壁金屬管韌性破裂行為進(jìn)行分析,構(gòu)建薄壁金屬管的脈動(dòng)液壓成形極限圖,分析脈動(dòng)幅度和脈動(dòng)頻率對(duì)薄壁金屬管成形極限圖的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,基于應(yīng)變的薄壁金屬管成形區(qū)的脈動(dòng)液壓成形極限曲線,可能由于脈動(dòng)振幅和頻率等加載參數(shù)的共同作用,引起了漂移問題,并且隨著脈動(dòng)振幅和頻率的增大,成形極限曲線也將向左右偏移。

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