隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)汽車廢氣排放的要求越來越嚴(yán)格，汽車輕量化已成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然要求，而內(nèi)高壓成形技術(shù)在汽車輕量化領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用。內(nèi)高壓成形技術(shù)具有一次成形的特點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件而言，可以減少許多的焊接工序，同時(shí)也減少了一些不必要的質(zhì)量問題，降低了生產(chǎn)的成本。內(nèi)高壓成形的零件具有很好的剛度，在各行各業(yè)均有很好的應(yīng)用。本文通過有限元分析軟件Dynaform 對(duì)某T 形管件的內(nèi)高壓成形過程進(jìn)行有限元分析，研究其成形過程中的問題，并得到最優(yōu)的成形方案，為實(shí)際的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。
零件結(jié)構(gòu)分析
圖1 為T 形管件的三維模型。該管材結(jié)構(gòu)對(duì)稱，厚度均勻、較薄，整體成形工藝較為簡(jiǎn)單。其長(zhǎng)度為60mm，厚度均勻?yàn)?.6mm，圓管截面A-A 部分與C-C 左右對(duì)稱， 為外徑23.7mm，內(nèi)徑20.5mm 的環(huán)形， 長(zhǎng)度約為14mm，截面B-B 周長(zhǎng)為97.80mm，長(zhǎng)度約為32mm，T 形管件截面示意圖，如圖2 所示。
圖1 T 形管件的三維模型
三段截面位置
A-A 截面 B-B 截面
圖2 T 形管件截面示意圖
按照要求材料選用屈服鋼Q235，屈服強(qiáng)度為235MPa，膨脹率為105%，其含碳適中，綜合性能較好，強(qiáng)度、塑性和焊接等性能得到較好配合，適用于類T 形管零件的成形。整體成形存在成形困難區(qū)（圖1），該區(qū)域的外倒圓角和內(nèi)倒圓角較小，加之受摩擦力的影響，脹形過程中金屬流動(dòng)困難，需在軸向增加進(jìn)給量，以補(bǔ)充該部分料的缺失，使管材整體成形厚度分布均勻。
可以選用內(nèi)高壓脹形成形，實(shí)際生產(chǎn)中考慮加工余量，管材長(zhǎng)度應(yīng)給予加長(zhǎng)，整個(gè)工序可為：下料→內(nèi)高壓脹形→切割整形。
有限元模型建立
利用CATIA 提取零件曲面并建模，根據(jù)零件特點(diǎn)先采取上下合模，同時(shí)施以一定的液壓，然后左右沖頭沿位移曲線軸向進(jìn)給，液壓也按加壓曲線增加到某一值，從而使管坯與模具貼合，模具有限元模型如圖3 所示。
圖3 模具有限元模型
管坯的材料模型直接選擇Dynaform材料庫(kù)中對(duì)應(yīng)Q235 的材料模型為CQ（36），其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4 所示。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)可知，最小截面外徑為23.7mm，考慮到管材的膨脹率，將有限元管材的直徑設(shè)為23mm，厚度設(shè)為1.8mm；零件的長(zhǎng)度為60mm，考慮到后續(xù)的切割加工，管坯長(zhǎng)度選取80mm。
圖4 材料應(yīng)力- 應(yīng)變曲
液壓成形參數(shù)設(shè)置如下：⑴合模距離，即上下模的初始間距，設(shè)置下模為參考，位置固定，上?；诠芘髌靡欢ň嚯x，可以根據(jù)實(shí)際模擬情況自行調(diào)整；⑵軸向進(jìn)給量，即沖頭合模之后繼續(xù)進(jìn)給距離，根據(jù)體積不變?cè)恚虚g部分完全成形所需的體積由兩端金屬的流動(dòng)補(bǔ)充，據(jù)此可以算出進(jìn)給量；⑶液壓加載路徑，即液壓隨時(shí)間變化曲線，加載曲線要滿足材料的屈服準(zhǔn)則及最后成形的效果要求。主要參數(shù)：屈服壓力、極限壓力、校形壓力，加載路徑如圖5 所示。
圖5 液壓加載路徑
在上下模具合模時(shí)給管坯內(nèi)部施加恒定的液壓，對(duì)管坯起到一定支撐作用，以保證合模時(shí)管坯的形狀不會(huì)發(fā)生畸變。根據(jù)實(shí)際要求合模距離設(shè)為12mm，單側(cè)沖頭軸向進(jìn)給量2～2.5mm，屈服壓力(PO 設(shè)為50MPa，極限壓力（Pa）設(shè)為120MPa，校形壓力（Pb）設(shè)為150MPa 左右。
模擬結(jié)果及分析
管形件成形質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)：⑴管坯的成形厚度分布情況及均勻情況；⑵管坯與模具的貼合程度，若管坯的貼模度不足，沒達(dá)到零件要求的標(biāo)準(zhǔn)，可以改變整形壓力，增加貼合度。
將理論計(jì)算值作為初始模擬數(shù)值，即合模距離12mm，單側(cè)沖頭進(jìn)給量2.2mm，PO=50MPa，Pa=120MPa，Pb=150MPa，其模擬結(jié)果如圖6 所示。
圖6 所示為成形極限圖，中間部分呈現(xiàn)綠色表示成形安全，藍(lán)色區(qū)域表示表示有折疊趨勢(shì)，粉色區(qū)域表示有折疊現(xiàn)象，紫色區(qū)域表示有嚴(yán)重折疊，所以由圖可知管坯未發(fā)生破裂現(xiàn)象，但是折疊現(xiàn)象嚴(yán)重，中間區(qū)域?yàn)橹饕尚尾糠?，成形良好，但兩?cè)圓管區(qū)域折疊嚴(yán)重。
圖6 成形極限圖
由厚度分布圖（圖7）可知，成形管坯的厚度分布為1.558 ～ 3.026mm，最大減薄率為13.4%，最大增厚率為68.1%，中間部分四周圓角區(qū)的厚度為1.63 ～ 1.70mm。按照江淮管材內(nèi)高壓成形質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，減薄率與增厚率均要小于15%，考慮到要對(duì)成形管件作整形處理，切割掉兩側(cè)多余的金屬，可以看出成形后管坯最大增厚處為2.512mm，且管材徑向脹形不均勻，導(dǎo)致截面大小不一致。
圖7 厚度分布圖
管材徑向脹形是否充分要看材料與模具之間的間隙，若間隙較小且均勻，則可認(rèn)為管材脹形效果良好。圖8 為管材與上模的距離分布，排除兩側(cè)切割區(qū)域，整體間距介于0.642 ～ 1.316mm，脹形效果不好。
圖8 成形管材與模具距離分布
從成形結(jié)果來看，成形厚度分布較為合理，但管材與模具貼合度較低，分析可能是由整形壓力較小，加之軸向進(jìn)給過大造成的。對(duì)其進(jìn)行第二次模擬，本次合模距離的模擬數(shù)值為12mm，單側(cè)沖頭進(jìn)給量2mm，PO=50MPa，Pa=120MPa，Pb=180MPa， 其模擬結(jié)果如圖9 所示。
圖9 成形極限圖
從圖9 中可知本次的成形效果不如初次模擬的效果，從成形極限圖中可以看出成形安全區(qū)減少，且折疊區(qū)也增加了；從圖10 可知厚度分布為1.513 ～ 3.355mm，最大減薄率15.94%，中間難成形的四個(gè)圓倒角區(qū)的厚度在1.79mm 左右，接近原管坯厚度，但從成形表面來看效果不好。綜合分析是由于整形壓力過大，而且軸向進(jìn)給較大造成的。
圖10 厚度分布圖
圖11 為切割后管材與模具距離分布。由圖可知管材與模具的距離主要介于0.514 ～ 0.985mm，脹形效果有所改善，但中間部分四周倒圓角區(qū)域的間距較大，該部分金屬流動(dòng)性較差，未能充分脹形。
圖11 切割后管材與模具距離分布
在第三次模擬中， 其模擬數(shù)值為合模距離12mm，單側(cè)沖頭進(jìn)給量1.5mm，PO=50MPa，Pa=120MPa，Pb=160MPa，同時(shí)在160MPa 下保壓0.01s，模擬結(jié)果如圖12 所示。
圖12 成形極限圖
如圖12 所示，管材的整體成形效果比之前兩次的好，折疊現(xiàn)象仍然存在但減少很多，厚度分布為1.572 ～ 2.740mm，最大減薄率為12.67%，滿足最低減薄率要求。兩端切割過后的管坯如圖13 所示，體厚度分布較均勻，厚度最大處約為2.043mm，主要集中在中間部分圓倒角區(qū)域，這部分可能由于未能及時(shí)向圓倒角處補(bǔ)料造成的。而從管坯與模具的間距來看，間距介于0.645 ～ 1.104mm，效果不佳，分析是由于折皺較多造成的。而從管坯與模具的間距來看（圖14），間距介于0.645 ～ 1.104mm，效果一般，分析可能是由折皺較多造成的。
圖13 厚度分布圖
圖14 管材與模具距離分布
結(jié)論
從以上模擬結(jié)果可以得出，該管件使用內(nèi)高壓成形工藝是可行，其主要問題及相應(yīng)的措施如下：
⑴管件兩端圓截面的部分在成形過程中出現(xiàn)折皺現(xiàn)象，這是由軸向進(jìn)給與整形階段的壓強(qiáng)匹配不夠好，使得金屬?gòu)较蛄鲃?dòng)不充分造成，需要找到一個(gè)合理匹配的范圍，以實(shí)現(xiàn)管材的表面光滑整齊；
⑵中間部分四周的圓倒角區(qū)域是難成形的，在多次模擬之后該區(qū)域的厚度達(dá)到使用要求，但未達(dá)到原管件均厚1.6mm 的要求，若以原管件1.6mm 的厚度為要求，最薄平均為1.550mm 左右，最厚平均為2.077mm，整體分布不太均勻，較厚處主要集中在管坯的兩端；
⑶該管件較優(yōu)的成形參數(shù)還需進(jìn)一步的優(yōu)化，才能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的要求。
—— 來源：《鍛造與沖壓》2019年第12期
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