大变形阶梯管件内高压成形轴向进给方式的研究

朱书建　林贤坤　常雪

摘 要：針对以大变形比、轴向尺寸长的阶梯管件的内高压成形为研究对象，根据成形工艺的要求，借助有限元软件DYNAFORM对管件的成形过程进行仿真分析，研究了模具轴向进给路径对管件成形壁厚分布、外形效果的影响。

关键词：阶梯管件；内高压成形；模具轴向

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.020

1 引言

随着汽车行业的不断发展，能源短缺及环境污染已经成为制约全球汽车产业可持续发展的突出问题，而内高压成形工艺的高质量、轻量化的优点使其得到汽车零部件制造业的重视[1]。尤其是大变形管件，使用传统的冲压-焊接或铸造成形工艺难以完成，且能源消耗巨大，而使用内高压成形工艺则可以从根本上解决此类问题，因此本文对如图1所示的大变形阶梯管件内高压成形过程进行仿真分析，并重点研究对管件成形具有决定作用的轴向进给方式进行研究。

2 有限元模型的建立

大胀形阶梯管件内高压成形有限元模型如图2所示，将模型设为7个刚体和1个变形体。其中，外壳、左、右轴向推头、左、右模具及背压推头分别用1个刚体曲面来表示，管坯定义为变形体并用尺寸为18×18的平面四边形单元进行划分，管坯材料选用SPH440钢，屈服强度σs=397.5MPa，摩擦系数设为标准钢μ=0.125，初始屈服力为35MPa，最大胀形力为75MPa，轴向进给量为440mm进给量。在成形过程中，左、右推头推动左、右模具轴向进给完成管件的轴向补料，当管件内部压力大于或等于背压推头所受外部恒压时，背压推头纵向后退，管件进行胀形。

3 结果与讨论

由于轴向进给路径对管件成形效果具有决定性作用，因此选用不同进给路径进行成形，如图3所示，Line2为直线进给，Line1及Line3均为折线进给，Line1前期进给速度大于后期进给速度，Line3前期进给速度小于后期进给速度[2]。三种进给路径下成形的管件分别为α，β，γ，根据不同轴向进给路径进行管件成形的结果如图4所示，具体特征值如表1所示。从表中可以看出，管件α壁厚增加率和减薄率均最小，管壁分布最均匀；而管件γ壁厚增加率和减薄率均最大，且出现褶皱缺陷；管件β壁厚变化程度处于两者之间。由此可以看出，对于给定的总进给量，不同的轴向进给方式会产生不同的结果。在使用滑动模具进行内高压成形的过程中，前期内压力较小，进给速度较快有助于材料快速向所需的方向流动，实现补料；后期内压力增大，导致管件外表面与模具内腔的摩擦力增大，金属流动阻力变大，左、右模具较慢的进给速度可有效减轻壁厚分布不均匀的缺陷程度[3]。

4 结论

本文研究不同轴向进给方式对管件成形影响可得采用前期较后期滑动速度快的路径下预成形的管件成形效果最好，其次是匀速滑动路径下成形的管件，前期较后期滑动速度慢的路径下获得的管件成形效果最差。

参考文献：

[1]Sun X，Liu J，Lu B，et al.Life cycle assessment-based selection of a sustainable lightweight automotive engine hood design[J].International Journal of Life Cycle Assessment，2017，22（09）：1373-1383.

[2]王鸿基，徐迎强，周结魁.加载路径对变径管内高压成形影响的模拟研究[J].精密成形工程，2012（03）：47-50.

[3]M.Wada，K.Iguchi，M.Mizumura，H. Kaneda.Weight Reduction of Axle-housing by Large Expanded Hydroforming Technologies[J]. Automatic Vehicle Technology，2013（67）：90-95.