薄壁金屬管脈動液壓脹形模具裝置及試驗研究

胡國林

（江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江西 南昌 330013）

0 引 言

薄壁金屬管液壓脹形技術(shù)是一種生產(chǎn)復(fù)雜截面形狀、中空薄壁整體結(jié)構(gòu)件的新型塑性成形技術(shù)，其原理如圖1所示[1]。與傳統(tǒng)的沖壓焊接工藝相比，液壓脹形具有工序集成度高、零件質(zhì)量輕和強度高等優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、家電等領(lǐng)域[2]。摩擦特性、摩擦系數(shù)及摩擦與潤滑的狀態(tài)是作為薄壁金屬管液壓脹形的重要性能指標(biāo)，對脹形件的精度、質(zhì)量、成形極限及模具使用壽命的影響都較大[3]。脈動液壓加載能使用較小的成形壓力，獲得較大的塑性變形，且變形更均勻，延遲起皺、破裂等失效形式的產(chǎn)生。如何揭示脈動液壓加載條件下薄壁金屬管的成形機理及變形規(guī)律，提高零件成形極限和零件精度，一直是薄壁金屬管液壓脹形技術(shù)研究領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點問題。近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，薄壁金屬管在特殊的加載方式下可以呈現(xiàn)較好的變形能力，使薄壁金屬管變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、塑性硬化關(guān)系、摩擦特性、微觀結(jié)構(gòu)的演化等都不同，這些問題引起了許多學(xué)者的研究興趣。例如對薄壁金屬管脈動液壓環(huán)境下的摩擦系數(shù)進行確定，然后再通過試驗法、有限元法和結(jié)合法對薄壁金屬管的摩擦系數(shù)進行測量[4-7]。通過研究發(fā)現(xiàn)在金屬材料的反復(fù)彎曲和反向彎曲的變形中，脈動周期性的交替效應(yīng)是提高成形性能的主要原因之一，但是這種效應(yīng)如何影響薄壁金屬管的塑性硬化關(guān)系，動態(tài)變形過程中薄壁金屬管起皺現(xiàn)象的變化以及變形過程中金屬材料顯微組織的變化對提高薄壁金屬管成形極限的作用一直是學(xué)者研究的熱點問題。由此可見，脈動加載條件下薄壁金屬管的復(fù)雜變化與簡單線性加載路徑下的表現(xiàn)都不同[8-12]，因為薄壁金屬管在不同的加載條件下所表現(xiàn)的摩擦特性也不盡相同。

圖1 薄壁金屬管液壓脹形原理

綜上所述，脈動液壓加載條件下的薄壁金屬管成形，能夠使用較小的成形力獲得足夠的塑性變形，是一種新型的加載方式，自主開發(fā)相關(guān)試驗裝置以及后續(xù)研制新型的液壓脹形裝置，具有重要的指導(dǎo)意義和實用價值，以下針對脈動液壓加載條件下薄壁金屬管的成形性進行相關(guān)試驗研究，揭示其成形規(guī)律。

1 薄壁金屬管脈動液壓加載條件的試驗平臺及模具裝置

液壓加載曲線一般是指薄壁金屬管液壓脹形過程中，成形的液壓力隨著成形時間而變化的曲線，或是隨著薄壁金屬管兩端的軸向進給量（軸向推力產(chǎn)生的軸向行程，如圖2所示）而變化的曲線。

圖2 薄壁金屬管軸壓成形

脈動液壓加載曲線的具體表達式為：

其中，P0是金屬管內(nèi)的基準(zhǔn)壓力，MPa；ΔP是脈動的振幅，MPa；ω是脈動周期；t是脈動液壓加載時間，s。由式（1）可以看出，最終薄壁金屬管的內(nèi)壓力大小由P0和ΔPsin(2πωt)兩部分決定。加載曲線如圖3所示。

圖3 脈動液壓加載曲線

薄壁金屬管在脈動液壓加載條件下的成形試驗中，需要采用脈動液壓加載系統(tǒng)和薄壁金屬管軸壓成形相結(jié)合的方式進行試驗，觀察成形過程中薄壁金屬管產(chǎn)生起皺的過程以及脈動液壓加載參數(shù)對起皺的影響等。基于此，滿足薄壁金屬管脈動液壓加載條件的試驗平臺包括三部分：第一部分為液壓供給系統(tǒng)；第二部分為脈動液壓發(fā)生裝置；第三部分為高速三維變形數(shù)據(jù)分析和檢測系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 薄壁金屬管脈動液壓加載條件的試驗平臺結(jié)構(gòu)組成

液壓供給系統(tǒng)提供非脈動的、簡單線性增加的基準(zhǔn)壓力P0，然后通過充液孔進入脈動液壓發(fā)生裝置，形成脈動壓力P，作用到薄壁金屬管內(nèi)部，對薄壁金屬管進行液壓成形。試驗平臺可以分別進行脈動和非脈動液壓成形試驗，對于后續(xù)需要采用脈動液壓加載系統(tǒng)和軸壓成形相結(jié)合的方式進行的試驗研究，可以在此試驗平臺上進行擴展改裝，將平臺中的成形模換成所需要的裝置即可。

2 3種典型的薄壁金屬管脈動液壓脹形的模具裝置

通常情況下，薄壁金屬管典型的液壓脹形方式主要有薄壁金屬管的自然成形、薄壁金屬管的軸壓成形、薄壁金屬管的徑壓成形，以下分別介紹這3種典型的液壓脹形方式的成形裝置。

2.1 薄壁金屬管的自然成形裝置及模具

薄壁金屬管的自然成形是指薄壁金屬管僅在內(nèi)部液體壓力的作用下自然成形，不施加主動的軸向作用力，如圖5所示。

圖5 薄壁金屬管的自然成形試驗裝置

薄壁金屬管的自然成形裝置主要由定位圈、密封柱、充液螺栓及鎖緊螺母等組成。薄壁金屬管在2個定位圈中定位，擰緊充液螺栓上的鎖緊螺母時，通過充液螺栓壓緊薄壁金屬管內(nèi)部的2個密封柱對金屬管兩端進行預(yù)密封。高壓液體經(jīng)過充液螺栓進入薄壁金屬管的內(nèi)部，在內(nèi)壓力作用下，金屬管逐漸脹大成形，密封柱進一步受到擠壓力，密封效果進一步加強。

在薄壁金屬管自然成形過程中，不施加主動的軸向推力，薄壁金屬管僅在內(nèi)壓力作用下脹大成形直至破裂失效。盡管在金屬管兩端的內(nèi)外表面都會受到摩擦力的作用，但是沒有其他外加約束力，所以金屬管兩端可以沿軸向相對“自由”地收縮，實現(xiàn)自然成形，薄壁金屬管中截面的脹形區(qū)中心單元體的受力狀態(tài)通常為拉-拉應(yīng)力狀態(tài)，即軸向和周向都受到拉應(yīng)力作用。

2.2 薄壁金屬管的軸壓成形裝置及模具

薄壁金屬管的軸壓成形是指薄壁金屬管在內(nèi)部液體壓力和外加軸向推力的共同作用下脹大成形，如圖6所示。

圖6 薄壁金屬管的軸壓成形試驗裝置

薄壁金屬管的軸壓成形裝置主要由上模、下模、左擠壓頭及右擠壓頭等零件組成。薄壁金屬管的軸壓成形裝置安裝在三通水脹壓力機的工作臺上，成形模具的上、下模閉合后，通過在薄壁金屬管兩端的左、右擠壓頭同時施加軸向推力，對金屬管進行密封，并由三通水脹壓力機上的滑塊及工作臺來鎖緊上、下模，薄壁金屬管在內(nèi)壓力和左右兩端軸向推力的作用下脹大成形，左、右擠壓頭除了對管材兩端進行密封外，還能起到軸向補料的作用。

在薄壁金屬管軸壓成形過程中，假設(shè)薄壁金屬管中心截面成形區(qū)厚度方向的應(yīng)力為零，即中心截面成形區(qū)中心單元體的應(yīng)力狀態(tài)處于平面應(yīng)力狀態(tài)。在軸向推力的作用下，中截面成形區(qū)中心單元體的應(yīng)力狀態(tài)為拉-壓應(yīng)力狀態(tài)，即周向為拉應(yīng)力，軸向為壓應(yīng)力。通過控制內(nèi)壓力P與軸向推力Fz（或間接的軸向行程S）的比值，可以產(chǎn)生不同的拉-壓應(yīng)變狀態(tài)。

2.3 薄壁金屬管的徑壓成形裝置及模具

薄壁金屬管的徑壓成形是指在內(nèi)部液體壓力和外部施加徑向壓力的共同作用下的一種復(fù)合成形方式，如圖7所示。

圖7 薄壁金屬管的徑壓成形試驗裝置

薄壁金屬管的徑壓成形裝置主要由上模、下模及密封組件（定位圈、密封柱、充液螺栓、鎖緊螺母等）組成。薄壁金屬管徑壓成形的密封步驟與其它成形裝置一樣，在管的兩端放置密封柱后一起放置于左、右定位圈中，然后將鎖緊螺母鎖緊金屬管端進行預(yù)密封，在液壓成形過程中，由于內(nèi)壓力作用使密封柱繼續(xù)膨脹，實現(xiàn)對薄壁金屬管兩端的牢固密封。

薄壁金屬管徑壓成形的原理如圖8所示。在成形前，上模和下模處于開啟狀態(tài)，然后將金屬管件放入上、下模之間（見圖8（a）），薄壁金屬管在內(nèi)壓力的作用下進行自由脹大（見圖8（b））；然后上下模沿徑向進行合模，同時繼續(xù)向金屬管內(nèi)部輸入高壓液體，薄壁金屬管在內(nèi)壓力和徑向壓力的共同作用下復(fù)合成形（見圖8（c））；最后通過圓角整形，得到所需要的成形件，成形結(jié)束（見圖8（d））。

圖8 薄壁金屬管的徑壓成形原理（剖面結(jié)構(gòu)）

3 薄壁金屬管脈動液壓脹形規(guī)律

由分析結(jié)果可知，薄壁金屬管成形區(qū)中心截面的潛在斷裂節(jié)點一旦到達了極限斷裂狀態(tài)，此時的等效應(yīng)變速率值與其鄰近節(jié)點的等效應(yīng)變速率值相比，會出現(xiàn)顯著的“突變”現(xiàn)象。根據(jù)應(yīng)變速率變化準(zhǔn)則可知，當(dāng)薄壁金屬管的成形區(qū)中截面結(jié)點與其相鄰結(jié)點在一定時間內(nèi)的應(yīng)變速率差值約100左右時，可以判斷薄壁金屬管發(fā)生破裂失效。為檢驗有限元模擬的結(jié)論與穩(wěn)定性，采用薄壁金屬管的極限破裂試驗方法，對該有限元模擬的結(jié)論進行檢驗。

通常使用薄壁管的自由成形設(shè)備完成極限斷裂測試，可將成形試驗分為2個部分，一部分為管端自由成形試驗；另一部分為管端約束成形試驗。一般在管端自由成形試驗中，認(rèn)為在成形區(qū)域的單元體總應(yīng)力為拉-壓應(yīng)力情況，與成形極限曲線上的左側(cè)部分的應(yīng)力情況相對應(yīng)。在管端約束成形試驗中，認(rèn)為成形區(qū)中單元體應(yīng)力為拉-拉應(yīng)力狀況，與成形極限圖中右側(cè)區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)相對應(yīng)。試驗的裝置見圖6所示，可以通過改變成形區(qū)長度的方法來改變薄壁金屬管成形區(qū)單元體的應(yīng)變路徑，使薄壁金屬管成形區(qū)單元體的應(yīng)變路徑保持在[-1，1]變化。

液壓成形極限試驗后的薄壁金屬管破裂零件如圖9所示。使用三維數(shù)字散斑在線應(yīng)力檢測系統(tǒng)，即時在線檢測薄壁管成形區(qū)內(nèi)潛在斷裂節(jié)點與其鄰近節(jié)點在成形過程中的應(yīng)力狀態(tài)值，測算整個成形過程中不同時期內(nèi)薄壁管成形區(qū)內(nèi)中截面潛在斷裂節(jié)點的應(yīng)力速率變化值。

圖9 不同成形長度下的薄壁金屬管液壓脹形零件

通過比較發(fā)現(xiàn)，薄壁金屬管在達到臨界破裂狀態(tài)時，成形區(qū)的截面節(jié)點的應(yīng)變速率值急劇上升。由于變形強度的提高，加工硬化現(xiàn)象明顯，薄壁金屬管成形區(qū)發(fā)生分散的不穩(wěn)定狀況時，導(dǎo)致應(yīng)變速度緩慢上升，變化不均衡。當(dāng)失穩(wěn)現(xiàn)象集中于薄壁金屬管成形區(qū)域的某一局部范圍時，金屬的變形將會聚集于一條窄帶內(nèi)。與此同時，加工硬化還不足以轉(zhuǎn)移金屬中相對脆弱的部分，在薄壁管成形區(qū)節(jié)點產(chǎn)生集中頸縮。集中頸縮現(xiàn)象出現(xiàn)后，薄壁管很快會出現(xiàn)斷裂失效。通過提取薄壁金屬管成形區(qū)中截面節(jié)點合適的周向主應(yīng)變值和軸向主應(yīng)變值，繪制在坐標(biāo)系中形成完整的液壓成形極限圖，如圖10所示。

圖10 基于應(yīng)變速率變化準(zhǔn)則得到的薄壁金屬管成形區(qū)的液壓成形極限圖

4 結(jié)束語

研究了脈動液壓加載條件下薄壁金屬管的成形規(guī)律，重點對薄壁金屬管韌性破裂行為進行分析，構(gòu)建薄壁金屬管的脈動液壓成形極限圖，分析脈動幅度和脈動頻率對薄壁金屬管成形極限圖的影響。試驗結(jié)果表明，基于應(yīng)變的薄壁金屬管成形區(qū)的脈動液壓成形極限曲線，可能由于脈動振幅和頻率等加載參數(shù)的共同作用，引起了漂移問題，并且隨著脈動振幅和頻率的增大，成形極限曲線也將向左右偏移。