439不銹鋼排氣系統(tǒng)前管內(nèi)高壓成形工藝參數(shù)研究

陳茹添，許寧，張秋實，方超富

（1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 發(fā)展規(guī)劃與政策法規(guī)處，長春 130022）

內(nèi)高壓成形技術(shù)是近年來快速發(fā)展起來的一種加工空心構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)，適用于制造汽車、航空、航天等行業(yè)中使用的各類輕體構(gòu)件和復(fù)雜管件［1-2］。內(nèi)高壓成形是利用液體作為成形介質(zhì)，通過控制內(nèi)壓力和材料流動來達(dá)到成形中空零件的一種材料成形工藝［3］。中空變截面輕量化結(jié)構(gòu)如采用傳統(tǒng)方法費時費力且難以成形，而采用內(nèi)高壓成形技術(shù)卻可以大大縮短加工時間和節(jié)省材料［4］。相對于傳統(tǒng)的沖壓、焊接工藝，內(nèi)高壓成形技術(shù)減少了焊接搭邊及焊縫，減輕了質(zhì)量，提高了材料利用率，整體成形增加了零件的強(qiáng)度，提升了成形零件的精度［5］。

內(nèi)高壓成形是在內(nèi)壓和軸向進(jìn)給聯(lián)合作用的復(fù)雜成形過程，主要失效形式有失穩(wěn)起皺和開裂。 如果內(nèi)壓過高，減薄過度會引起開裂；如果軸向進(jìn)給過大，會引起管子屈曲或起皺。需要對軸向和內(nèi)壓的加載路徑進(jìn)行大量的數(shù)值模擬和計算，得出合理加工參數(shù)區(qū)間［6］。

排氣前管是汽車排氣系統(tǒng)的重要組成部分，因汽車內(nèi)空間限制，其具有較為復(fù)雜的空間曲線形態(tài)，并要求較高的加工精度。采用內(nèi)高壓成形取代傳統(tǒng)焊接加工，可以更好的滿足生產(chǎn)需要，并且滿足輕量化需求［7］。內(nèi)高壓成形過程中，影響因素比較多，如材料性能、摩擦、軸向進(jìn)給、內(nèi)壓等，在實驗中，軸向進(jìn)給與內(nèi)壓力的合理匹配，是決定成形成功與失敗的關(guān)鍵因素［8］。而用傳統(tǒng)試驗方式去驗證這些數(shù)據(jù)費時費力，所以建立有限元分析模型，對成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，為實際生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持，就變得很有必要。

1 建立有限元模型

本文使用CAD軟件SolidWorks來建立幾何模型，再轉(zhuǎn)換成*.step格式導(dǎo)入有限元分析軟件abaqus的前處理器中。對模型使用薄殼單元對成形過程進(jìn)行模擬，劃分網(wǎng)格時選擇S4R四節(jié)點曲殼單元，材料為439不銹鋼，材料參數(shù)通過拉伸實驗獲得，模型如圖1、圖2所示。

圖1 管坯

圖2 模具

本文以分析軸向進(jìn)給量與內(nèi)壓力加載曲線的匹配關(guān)系為主，對生產(chǎn)流程進(jìn)行了簡化，只保留了合模后內(nèi)高壓成形的主要部分，其內(nèi)高壓成形時的受力如圖3所示。

圖3 受力情況

對模具取固定約束，管坯兩端施加位移邊界條件，管壁內(nèi)側(cè)加載均勻分布壓力載荷。

2 模擬結(jié)果分析

排氣前管的內(nèi)高壓成形過程十分復(fù)雜，成形結(jié)果與很多因素相關(guān)，其中主要因素有軸向進(jìn)給量、內(nèi)壓、管壁摩擦系數(shù)、整形壓力等，需要在實際生產(chǎn)前進(jìn)行大量的數(shù)值模擬來確定最佳的工藝參數(shù)［9］。

2.1 加載軌跡分析

由國內(nèi)外研究可知，軸向進(jìn)給與內(nèi)壓力之間的匹配關(guān)系與褶皺和裂紋的產(chǎn)生有非常大的聯(lián)系，是影響內(nèi)高壓成形質(zhì)量的重要因素［10-13］。

在管材內(nèi)高壓成形過程中，隨著軸向進(jìn)給量和內(nèi)壓力逐漸增大，管坯開始變形，其變形過程一般分為三個階段，即屈服階段、成形階段、整形階段，每個階段管坯受力情況都有區(qū)別，所以需要確定最佳的軸向進(jìn)給-內(nèi)壓力匹配關(guān)系，方能得到最佳的成形結(jié)果［14-15］。

目前內(nèi)高壓成形主要的加載方式為軸向勻速進(jìn)給下，內(nèi)壓力線性加載，雙線性加載，三段式加載［16］，要對其分別進(jìn)行模擬以確定最佳的加載方式，三種加載方式如圖4所示。

圖4 加載路徑

2.1.1 線性加載

（1）不同內(nèi)壓力下的線性加載

在軸向進(jìn)給等參數(shù)不變的情況下，分別模擬40 MPa，50 MPa，60 MPa，70 MPa線性加載下的內(nèi)高壓成形過程。材料減薄率及壁厚差變化如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 內(nèi)壓力與減薄率的關(guān)系

圖6 內(nèi)壓力與壁厚差的關(guān)系

圖7 內(nèi)壓力40 MPa、70 MPa云圖對比

可以看到，隨壓力升高，減薄率也逐漸升高，壁厚差也呈上升趨勢。這是由于內(nèi)壓增大使得材料更容易發(fā)生變形，同時也增大了管壁與模具之間的摩擦力，使得材料流動更為困難，無法向中心部位補(bǔ)料導(dǎo)致的。

（2）不同軸向進(jìn)給量下的線性加載

內(nèi)壓力線性加載，分別取進(jìn)給量為6 mm，8 mm，10 mm，12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，成形結(jié)果如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 軸向進(jìn)給與減薄率的關(guān)系

圖9 軸向進(jìn)給與壁厚差的關(guān)系

圖10 進(jìn)給量6 mm、12 mm云圖對比

從圖上可以看出，無論是減薄率，還是表示均勻性的壁厚差都隨著軸向進(jìn)給量的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。這是由于成形后期內(nèi)壓力逐漸增大，管壁變形下，管壁與模具摩擦力增加，材料流動性變差，材料都堆積在兩端圓弧外，無法輸送至管件中段，使其出現(xiàn)了軸向進(jìn)給量增加下，減薄率、壁厚差先降后升等現(xiàn)象。如圖11所示，在軸向進(jìn)給量增加至18 mm時，兩端圓弧處出現(xiàn)了褶皺現(xiàn)象。

圖11 進(jìn)給量18 mm兩端圓弧處出現(xiàn)褶皺

2.1.2 分段加載

（1）雙線性加載

分別取軸向進(jìn)給12 mm，14 mm，內(nèi)壓力40 MPa，50 MPa，60 MPa進(jìn)行雙線性加載。其結(jié)果如表1所示。

表1 雙線性加載

（2）三段式加載

分別取軸向進(jìn)給12 mm，14 mm，內(nèi)壓力40 MPa，50 MPa，60 MPa進(jìn)行三段式加載，其結(jié)果如表2所示。

表2 三段式加載

2.1.3 各加載軌跡成形對比

線性加載，雙線性加載，三段式加載模擬后各自的最佳參數(shù)如表3所示。

表3 各加載軌跡對比

從表中可以看出，軌跡3在減薄率、壁厚差上都優(yōu)于其他兩種加載方式，這種加載方式更符合管材內(nèi)高壓成形過程中的屈服階段、成形階段、整形階段的變化規(guī)律，而且在生產(chǎn)時也更加靈活，方便調(diào)整工藝參數(shù)。

2.2 摩擦系數(shù)對成形的影響分析

在實際生產(chǎn)中，管壁與模具之間的摩擦系數(shù)是影響內(nèi)高壓成形質(zhì)量的重要因素［17-18］，所以對其進(jìn)行數(shù)值模擬很有必要，選取μ=0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，加載軌跡選擇軌跡 3，結(jié)果如圖12-14及表4所示。

表4 摩擦系數(shù)對成形的影響

圖12 減薄率

圖13 最小壁厚

圖14 壁厚差

從圖中和表4數(shù)據(jù)可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增加，管件的壁厚差和減薄率均呈上升趨勢。在內(nèi)高壓成形前期內(nèi)壓力不大時，摩擦力對成形影響還不明顯，但隨著內(nèi)壓力逐漸增大，管壁與模具直接摩擦力增大，過大的摩擦力降低了材料的流動能力，使得軸向進(jìn)給補(bǔ)料難以流動至管材中段成形區(qū)，造成局部減薄甚至破裂。

2.3 整形壓力對成形的影響分析

在管件成形后期，管件大部分已成形，無軸向進(jìn)給，隨著圓角過渡處半徑減小，產(chǎn)生變形所需要的壓力增加，這時就需要提高壓力并增加保壓整形時間來使圓角過渡處與模具完全貼合成 形［19-20］。 選 取 60 MPA，70 MPa，80 Mpa，90 MPa，100 Mpa，110 MPa，120 MPa，130 MPa，140 MPa進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖15所示

圖15 整形壓力與減薄率的關(guān)系

從圖中可以看出，隨著整形壓力的提高，管材減薄率呈現(xiàn)先升高后逐漸平緩的趨勢。這是由于壓力提高，材料產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)入之前難以變形貼模的邊緣死角，盡管提高了減薄率，卻得到了更好的成形質(zhì)量，且減薄率提升幅度不大，所以對于生產(chǎn)是有利的。

3 結(jié)論

（1）建立了439不銹鋼排氣前管的abaqus有限元分析模型。

（2）確定了最佳的工藝參數(shù)，內(nèi)壓力40 MPa，軸向進(jìn)給量14 mm，加載方式采用三段式加載，摩擦系數(shù)要盡可能保持在0.1以下，整形壓力110 Mpa以上。

（3）對軸向進(jìn)給量、內(nèi)壓力、軸向進(jìn)給-內(nèi)壓力匹配關(guān)系、摩擦系數(shù)、整形壓力等參數(shù)對成形的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。其中隨著內(nèi)壓力、摩擦系數(shù)的提高，減薄率也提高，軸向進(jìn)給量增加下，減薄率先降低后升高，而整形壓力提高也會增加減薄率，但有利于成形精度和質(zhì)量。