金屬薄壁管液壓成形應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、管材液壓成形技術(shù)（Tube Hydroforming，THF）是一種生產(chǎn)復(fù)雜整體中空薄壁結(jié)構(gòu)件的先進(jìn)塑性成形技術(shù)，具有成形高精度、制造柔性化、節(jié)省能源、降低材料消耗、節(jié)約成本等特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿?。本文采用理論分析和試?yàn)研究相結(jié)合的研究方法，針對(duì)薄壁管液壓成形技術(shù)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題展開基礎(chǔ)性研究。研究內(nèi)容主要集中在6個(gè)方面： （1）為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)管材成形性能，針對(duì)管液壓成形特點(diǎn)，研發(fā)了新的管材性能測(cè)試裝置，用于獲取評(píng)定管

2、材液壓成形性能所需的基本數(shù)據(jù)：脹形高度－脹形內(nèi)壓曲線（PH曲線）。與現(xiàn)有專用測(cè)試設(shè)備相比，該裝置采用管端固定的自由脹形工作方式，測(cè)試簡單、操作方便，能夠準(zhǔn)確地反映管液壓成形中材料在雙拉狀態(tài)下成形性能。 （2）為獲得較為準(zhǔn)確的管材成形性能參數(shù)，以自主研發(fā)的性能測(cè)試裝置為基礎(chǔ)，建立了新的管材成形性能解析模型。該模型基于塑性理論、平面應(yīng)力假設(shè)和靜力平衡方程，并在求解中引入了管件脹形輪廓函數(shù)－二次輪廓假設(shè)。通過對(duì)鋁合金LF21M和不銹鋼

3、304L的測(cè)試和解析計(jì)算，并結(jié)合有限元模擬分析，表明該模型求解簡單方便，有著較高的求解精度。 （3）為高效準(zhǔn)確地獲得材料性能參數(shù)，提出了新的管材成形性能求解方案-自適應(yīng)有限元逆向求解方法。通過分析材料參數(shù)對(duì)THB測(cè)試中PH曲線形狀的影響，構(gòu)建出材料參數(shù)修正準(zhǔn)則。通過構(gòu)建外圍控制程序，實(shí)時(shí)監(jiān)控模擬過程，以解析結(jié)果為初始值，依據(jù)修正準(zhǔn)則對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，直至獲得準(zhǔn)確結(jié)果。試驗(yàn)和有限元模擬驗(yàn)證表明該方法相對(duì)于單純的解析法和有限元逆算法，有

4、著其明顯的優(yōu)勢(shì)。 （4）為優(yōu)化THB試驗(yàn)，提高材料性能求解精度，構(gòu)建了新的脹形壓力解析模型，并以此為分析基礎(chǔ)，全面分析了液壓脹形過程中管件幾何尺寸和材料性能對(duì)脹形結(jié)果的影響。結(jié)果顯示：成形壓力不僅僅受到材料本身性能的影響，還受到管件厚徑比和脹形寬徑比的影響。管件的脹形高度基本不受厚度、加工硬化系數(shù)以及厚向異性的影響。從相對(duì)脹形高度的角度，也不受管件直徑大小變化的影響，只決定于管件的加工硬化指數(shù)和脹形寬徑比。 （5）為方便

5、獲得管液壓成形過程中的材料與模具間的摩擦系數(shù)，針對(duì)成形中的特點(diǎn)，提出了新的摩擦系數(shù)測(cè)試方法和相應(yīng)測(cè)試裝置，并對(duì)管液壓成形中常用的潤滑劑的摩擦系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。該方法基于Duncan原理，通過構(gòu)建板料與摩擦圓輥之間的接觸力學(xué)模型，獲得摩擦系數(shù)。試驗(yàn)分析表明該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的顯著特點(diǎn)，能夠快捷準(zhǔn)確地測(cè)試材料摩擦系數(shù)。 （6）針對(duì)傳統(tǒng)T型管件設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出新的成形方式－基于管端軸向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的管液壓成形法。該方

6、法僅依靠管端軸向進(jìn)給產(chǎn)生的內(nèi)部成形介質(zhì)體積減小就可輕易實(shí)現(xiàn)管件內(nèi)壓形成。與傳統(tǒng)方法相比，該方法不需要成本昂貴的高壓泵給系統(tǒng)，只需要耐高壓的溢流閥控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)使用該方法成形的管件質(zhì)量進(jìn)行理論分析，結(jié)果表明對(duì)于三通零件存在溢流壓力安全成形區(qū)域，只有壓力在其范圍內(nèi)，才能成形出合格零件。安全范圍主要與材料性質(zhì)有關(guān)，塑性性能較好的材料其溢流壓力的取值范圍較大。除此以外，零件的厚度分布和有效成形高度對(duì)溢流壓力不敏感，其成形質(zhì)量主