对管材液压胀形高度影响因素分析与有限元模拟

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1、·现代设计与先进制造技术·侯军明李胜祗管材液压胀形高度影响因素分析与有限⋯⋯35管材液压胀形高度影响因素分析与有限元模拟侯军明一，李胜祗0(1．南京工程学院先进制造技术工程中心，江苏南京211167)(2．先进数控技术江苏省高校重点建设实验室，江苏南京211167)(3．安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243002)摘要：为了评价管材液压胀形的成形性能，通过理论分析并采用有限元模拟的方法对管材液压胀形高度的影响因素进行了研究，发现在一定范围内随着应变硬化指数咒值和各向异性指数r值的增大，材料胀形高

2、度升高；而摩擦系数_厂值越小，则材料的胀形成形性能越好。关键词：液压胀形；胀形高度；有限元模拟中图分类号：TG394文献标识码：A文章编号：1672—1616(2010)17—0035一O3液压胀形(Hydroforming)也称为液压成形或固定板和底座对管端形成摩擦力，防止管端在成形者液力成形，是利用液体压力使工件成形的一种塑过程中脱离。通过向管腔输入液体来达到模拟增性加工工艺。德国和美国已经将该成形技术用于压泵提高管腔内液体压力的目的。装置简化后如机械零件的制造，其成形压力一般大于400MPa，图1所示

3、。图中的坐标系定义为：X轴为管的轴有时超过1O00MPa。国内主要用类似方法加工三向，y轴和Z轴正向为管件的径向，坐标原点取在通管、波纹管等管件，但成形压力较低；用内高压成管件左侧端面圆心处。形制造汽车、飞机等机器零件还是空白[1l。液压胀形的理论研究还不够成熟，在成形机理和成形性能等方面还有许多问题有待进一步研究。所以通过有限元模拟的方法对管材的胀形高度进行分析，在评价管材的成形性能和预防缺陷等方面具有理论和实际意义。1建立模型在对胀形成形本质不失真和计算结果的准确性影响不大且原理不变的前提下对有限元模拟

4、模型进行简化：(1)成形模具假设为刚体，忽略在胀形过程中模具的弹性变形；(2)由于液压成形是冷变形，所以不考虑在胀形过程中由于摩擦和变形等引起的温度变化。通过PAMSTAMP有限元软件对管样液压胀图1有限元模拟装置模型图通过对装置的分析可知，管样端部在胀形过程形过程进行模拟。有限元数值模拟模型中，主要包括固定板、底座和管件3部分，固定板和底座均视中受到模具的径向约束，中间部分不受模具约束，为恒温刚性体，管件设置为变形体。采用外径由液压力作用产生自由变形，即固定板和底座设置32mm，长度109mm，壁厚3mm

5、的20#无缝钢管作为X，y，z方向不发生位移同时也不旋转，管件设为液压胀形模拟的管样，建立模型并且划分网格，置为x，y，z3个方向位移不做约束。收稿日期：2010—04—14基金项目：安徽省教育厅科研计划重点项目(2005kjO39ZD)作者简介：侯军明(1982一)，男，山东文登人，南京工程学院助教，主要从事模具及液压胀形的研究工作。362010年9月中国制造业信息化第39卷第17期2理论分析压胀形时管内液体压力的变化曲线。对图3进行管样在液体压力作用下的胀形过程中，成形主分析可知管内液体压力迅速升高，当

6、达到峰值压力要靠管坯壁厚的变薄和轴向的自然收缩来完成，其后，液体压力逐渐降低。对材料的应力应变曲线分胀形变形区主要承受双向拉应力的平面应力状态析可知，材料在液体压力作用下，产生塑性变形，随(忽略料厚方向的应力)和两向拉伸、一向压缩的应着压力继续增大，达到胀形成形极限，发生破裂。变状态，由于胀形区材料处于双向受拉的不利变形同时，由于破裂缺陷的产生，管内液体压力降低，但条件，零件极易严重变薄甚至破裂_2]。由于管内液体的继续填充，使得液体压力下降趋势胀形高度是指管材胀形后的变形部分突起高平缓。所以取胀形破裂后的

7、管样胀形高度H进行度与未胀形时在周向高度上的差值。胀形变形程比较分析，得到的结果能够反映材料的胀形成形性度用胀形系数志表示能。是=鲁(1)式中：H为管样胀形后的最大高度；H为管样胀形前的高度。由式(1)可知，胀形系数是值越大，则表示胀形变形程度越大。显然，当胀形系数过大时，胀形变形区的变形就会超过材料的变形极限而导致破裂。因此，胀形后的高度H一不可能任意大，其成形极限可用极限胀形系数。表示：=一昔(2)图2有限元模拟结果图式中Hm为零件胀破前允许的的最大胀形高度。由于胀形的主要特点是变形区材料受切向和母线方

8、向的拉伸，因此其极限变形程度受材料允许伸长率的限制。胀形管坯切向的许用伸长率与极限胀形系数尼一的关系为／TIOX==志／YIOX一1(3)一U＼／胀形成形极限通常以零件是否发生破裂进行图3随时间增加内压力变化曲线判别。一般说来，伸长率越大，破裂前允许的变形图4是应变硬化指数值对胀形高度的影响。程度越大，则极限胀形系数越大。应变硬化指数值大，则应变硬化能力强，可促使变形区应变分布趋于均匀化，同时还能提高材料的局部应