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金属薄壁管液压胀形技术的成形方式研究现状
2019-09-25
摘要:起源于20世纪40年代末的管材液压胀形技术经过几十年的发展,在理论、试验、数值模拟等方面的研究都取得了较大突破,为该技术的推广应用奠定了良好的理论基础和试验依据。本文兴迪源机械带来金属薄壁管液压胀形技术的成形方式研究现状。

  起源于20世纪40年代末的管材液压胀形技术经过几十年的发展,在理论、试验、数值模拟等方面的研究都取得了较大突破,为该技术的推广应用奠定了良好的理论基础和试验依据。本文兴迪源机械带来金属薄壁管液压胀形技术的成形方式研究现状。

  根据液压胀形过程中合模时间节点、内压、轴向压力等加载方式的不同,将其分为典型液压胀形、径向胀形和脉动液压胀形。

  一、典型液压胀形的方式原理及研究现状:

  典型液压胀形包括自然胀形、轴压胀形和挤胀成形。其成形方法示意图如图1-3所示:

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图1-3典型液压胀形方法

  (a)自然胀形:(b)轴压胀形;(c)挤胀成形

  (a)自然胀形:仅依靠其内部液压力P的作用使管材发生塑性变形,该方法主要适用于简单变径管的胀形;

  (b)轴压胀形:在自然胀形的基础上,同时对管坯施加轴向压力,使管材在内压P和轴向压力Fa的共同作用下成形,其主要适用于较复杂变径管、小长径比(长度与直径之比)的胀形;

  (c)挤胀成形:在轴压胀形基础上对管坯胀形区施加径向反压力F'以实现管材的复杂成形,主要适用于多通管(如T、Y、X型)的成形。

  典型液压胀形都是在模具完全闭合之后,往管坯内腔注入高压液体(或施加轴压Fa和径向反压F')来完成塑形,管坯的变形主要取决于内压P的大小,因此对内压提出了极高的要求,如稳定高效的外部供压源、防止高内压下管坯破裂失效等;再者,对于长径比较大或管端导向区较长的胀形件,轴向补料不仅不能有效解决管坯破裂失效问题,反而容易引起管端导向区起皱失效现象。

  为了降低成形所需内压、提高大长径比胀形件的成形性能和成形质量,研究者们开始了对THF新技术的探索。

  二、径压胀形的方式原理及研究现状:

  径压胀形(tube hydroforming with radial crushing)是利用管坯内部液压力与模具径向合模力共同作用使管材成形的一种复合液压胀形方法。其原理如图1-4所示:首先,往安装定位好的管坯内部注入高压液体,使之在内压P作用下发生自由胀形,径向尺寸达到某设定值Da;保持当前内压,启动运行按钮使模具实现径向合模运动,管坯在径向合模力和内部液压力的共同作用下发生塑性变形,填充模具型腔。径压胀形具有成形压力小和无需轴向补料等优点,适用于大长径比液压胀形件的成形场合。

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  图1-4径压胀形原理

  (a)成形前;(b)自由胀形;(c)复合胀形;(d)成形

  Hwang等分别采用自然胀形与径压胀形方法对圆形管材胀形进行了数值模拟分析,结果表明:径压胀形所需的最大成形压力和最大锁模力仅为自然胀形的5%和7%,而且零件壁厚分布更加均匀,材料填充性更好。

  Kang等对圆形管材径压胀形成复杂截面零件的成形过程进行了数值模拟,分析了管材尺寸对径压胀形成形性的影响。杨连发等基于径压胀形原理及其变形规律,构建了管材液压胀形区摩擦因素的新模型。Li等借助 LS-DYNA探索了模具分型面、管材直径及加载路径对径压胀形过程及成形零件的影响规律。

  Xu等运用有限元分析对自然胀形和径压胀形成形梯形截面管成形性能、破裂、起皱等进行了研究,进一步验证了径压胀形的成形优势。Liu等针对三角形截面径压胀形过程中的凹陷失效进行了研究,总结出了加载条件对凹陷失效的影响规律。Tao等n运用数值模拟方法分析了径压胀形成形裕度图的构建方法,为管材成形划定了安全区域。Yang等采用遗传算法和二分法对径压胀形的加载路径进行了研究,提出了一种径压胀形最优加载路径。

  三、脉动液压胀形的方式原理及研究现状:

  为了进一步提高管材液压胀形壁厚均匀性,增加最大胀形高度,延缓管材破裂的产生,国内外学者在加载路径方面进行了深入研究, 先后提出了诸如恒压加载、线性加载、折线加载等多种加载方式。

  2001年日本学者 Rikimaru发现:在管材液压胀形中,采用较小的 脉动循环方式加载内压可获得较大的胀形量,并且壁厚分布更加均 匀,极大程度延缓了破裂的产生。这种通过脉动液压加载使金属薄壁管成形的液压胀形技术称为管材脉动液压胀形。

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  图1-5脉动液压胀形加载路径

  该新技术一经出现,立即引起了学者们的高度关注。Hama 等通过试验与有限元分析,证实了脉动载荷作用能显著提高管材的成形性能。Mori等m采用摄像机全程记录管材脉动液压胀形过程,详细分析了微小起皱随脉动载荷的作用不断交替出现和抚平的现象,并通过直线与脉动加载方式的对比试验和仿真发现:脉动加 载可以有效抑制管材破裂、起皱等失效形式。

  Mousavi等通过 对脉动载荷作用下的T型管成形件的壁厚和圆角填充规律的分析, 证明了脉动液压胀形可以有效防止壁厚分布不均,并且能提高填充性。袁安营等和 Zhang等通过对不同液压加载方式的仿真试 验表明:脉动液压加载提高了管材变形均匀性,抑制了壁厚局部减

  薄。 Mousavi等研究了单层管、双层管在脉动液压载荷作用下的 成形性能及优化方法,并分析了脉动液压振幅和频率对管材成形性能的影响。

  Xu等以汽车支架为研究对象,对金属管材在脉动液 压成形过程中的壁厚分布、表面成形质量和横截面形状等进行了分 析,结果表明:较大的脉动振幅条件下成形的管材壁厚分布更加均匀,贴模性更好。

  杨连发等3对线性和脉动加载下的管材液压胀 形进行了大量的试验研究与数值模拟分析,结果表明:脉动液压加载得到的成形件的壁厚更加均匀,成形精度更高。

  目前,管材液压胀形的成形均依赖高性能的外部供液源提供合适的胀形内压,从而导致成形难度大、效率低、成本高,一定程度上影 响了管材液压胀形技术的推广,因此,研究新型的管材液压成形技术具有重要的意义。

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