陈君迪，雷君相

（上海理工大学机械工程学院，上海200093）

液压胀形技术是一种以液体作为传力媒介，利用液压力或两端轴向力共同作用下使管坯成型出所需加工零件的塑性加工工艺。在德国、美国等发达国家，此项技术已有一些研究，并且已经应用在航空、汽车、化工、机械等各行各业的领域［1］。

随着时代的发展，人们对于安全性的重视程序越来越高。吸能元件在人体防护和结构安全方面起着关键的作用。车辆行驶安全、重装备空投、航天器软着陆、直升机起落、核电站防护和电子产品或贵重物品的包装等领域对材料和结构的能量吸收皆提出迫切的需求［2］。变径管主要采用铸造和焊接的方法来生产，但这些方法原材料利用太低，生产成本高。因此本文针对现有的成形技术，提出采用液压胀形的方法，并且提出折叠的工艺，实现胀形与折叠在一副模具中实现。但是这一变形系统是一个非稳定的成形过程。要使管材在胀形与折叠当中不发生屈曲、褶皱和破裂等失效形式的话，精确控制液压胀形与折叠成形过程中的加载路径是十分重要的。文中用软件对液压胀形与折叠进行有限元模拟，以变径管吸能元件成形件的最大减薄率和均匀度作为评价标准，分析加载路径对成形质量的影响，通过模拟得出最优的加载路径。

1 液压胀形与折叠原理及工艺分析

1.1 液压胀形与折叠原理

将管坯放入成形模具中，通过左右两端冲头将管材放入下模中，然后通过两端的冲头将其密封，随后上模向下模移动，与下模接触，形成一个封闭模腔。随后液压油从两端冲头进入到管材内部。两端冲头通过设定，给两端进给，使管坯在型腔内完成液压胀形。完成胀形后，内压保持不变冲头继续进给，完成折叠，如图1所示。

1.2 变径管液压胀形与折叠工艺分析

一般的变径管是通过液压胀形成形出零件，本文采用变径管吸能元件的成形在一副模具中一次完成，成形阶段分为两部，首先是液压胀形，完成后继续通入液压油完成液压折叠阶段，并且在液压胀形过程中首先要保证管材的长度；而后液压折叠要保证壁厚和折叠圆角半径，就是要满足吸能元件在成形后的折叠圆角半径与在进行自由翻转产生的翻卷圆角半径的一致性。因此，在设计开发变径管吸能元件时，一次成形两幅吸能元件，这样成形出的零件壁厚均匀，又可以节省不必要的成本和时间。

图1 管材液压成形与折叠工艺过程

管材液压胀形的主要工艺参数包括初始屈服压力、开裂压力、整形折叠压力、轴向进给力、合模力和补料量［3］。图2所示的是所要成形后的变径管零件图。成形区直径D为56 mm，成形区长度为100 mm，零件长度为200 mm，最小圆角半径为2.5 mm，管材外径为40 mm，壁厚为1.4 mm。

图2 变径管成形零件图

2 变径管有限元模拟

2.1 有限元模型的建立

首先本文对成形零件进行分析，依据零件的特点，因为变径管符合轴对称的要求，因此建有限元模型对于Y轴中心对称模型，又为以后方便进行自由碰撞，减少需要切开变径管的仿真工序，将模型又对于Z轴对称。经过与三维实体建模零件模拟结果相比较，在忽略材料各向异性的情况下，三维实体与简化后建模模型结果基本一致。

图3 成形过程有限元模型

模型的几何尺寸如下：管坯长260 mm、外径20 mm、厚1.4 mm；模具总长280 mm、模具大径56 mm、变形区长100 mm，圆角半径3 mm；冲头直径为20 mm。网格划分：厚度方向取网格数为3，长度方向取网格数为300。

2.2 材料的选取

按照材料的本构关系，管坯可选择理想刚塑性，在管材液压成形模拟中，采用满足Misse各向同性屈服准则和Hill厚向异性屈服准则的弹性材料模型。模具和两端冲头的材料模型为解析刚体。

表1 20号钢无缝冷拔钢管

2.3 液压成形模拟

计算采用ABAQUS／Explicit求解器求解，并且定义分析步：为了更好控制屈服、胀形、圆角折叠这三个成形阶段，将分析过程分为了三个分析步。

变径管自由翻卷吸能元件的液压成形过程设计分为液压胀形与折叠两个阶段，第一阶段为液压胀形，完成传统的管材液压成形；第二阶段为液压折叠，在保持液压油通入的情况下，完成吸能元件在自由翻卷变形前的预成形-液压折叠。液压成形与折叠的仿真结果如图4所示。

图4 变径管能量吸收元件的成形过程仿真

3 加载路径对成形的影响

变径管成形质量、减薄和增厚情况、甚至之后的碰撞自由翻转情况主要取决于液压胀形与折叠过程中对于控制液压载荷和轴向进给的加载路径。在成形过程中，如果轴向推力和内压力无法匹配，都会使成形件失败。因此，加载路径的设计首先要保证零件能够成形，避免各种缺陷的产生，然后是设计合理的加载路径提高成形件的精度。下面以壁厚分布以及均匀度为目标函数，通过选择合理的加载路径来优化内高压成形。

3.1 壁厚分布均匀性指数

壁厚的减薄率是判断变径管成形的标准。但同时它无法作为评判的唯一标准。液压胀形与折叠的壁厚是否均匀直接影响零件质量的好坏。因此，本文引入了壁厚均匀性指数：

式中，t0是管坯的初始壁厚（mm），ti是变形后各点的壁厚（mm）；N是测量的点数。index值越小，表示成形件的壁厚越均匀，成形质量越好，更利于今后的自由翻转；反之，表示成形件的壁厚越不均匀，成形质量越差。该评判方法用于管件受模具约束的情况下［4］。

3.2 加载路径的选择

本文主要采用折线加载路径，提高成型件的质量。针对一直以来的减薄问题，提高管材的液压胀形能力，设计管材在初始内压力下和初始轴向进给按直线加载路径完成，使内压力和轴向进给量同时按直线加载路径增大，最后在折叠时直线加载增加轴向进给，而内压按直线加载路径下降的形式，这就是本文采用的多折线线性加载路径，如图5所示。

图5 多重折线加载路径

3.3 加载路径的设计以及模拟结果的分析

因为液压胀形与折叠是一个非稳定的变形过程。变径管液压胀形与折叠的轴材料向进给与液压力的匹配协调是决定变径管成形成败和质量高低的关键技术。本文按多折线加载路径设计了3种内压方式，2种不同的轴向进给量，共6种不同的加载路径，如表2所示。

表2 不同内压加载路径

模拟结果分析：本文中把仿真所得到的相对最小壁厚T-min，相对最大壁厚T-max和index作为衡量成形质量的依据，不同加载路径下，变径管成形质量结果如表3。

表3 不同内压/不同轴向进给量下实验结果

从表中可以看出，轴向进给量为2×（10，16，22）时，相对壁厚的均 值T¯min=-0.264 mm，T¯max=0.071 mm，其中可以明显看出成形最后的是1组；轴向进给量为2×（12，16，22），相对壁厚均值T¯min=-0.25 mmmax=0.078 mm，其中最好的是a组。

对比两种模拟结果，如表3可以看出，从相对减薄程度来看轴向进给量为2×（12，16，22）要好于轴向进给量为2×（10，16，22），但是对于相对厚度来说，轴向进给量为2×（10，16，22）所获的结果好于轴向进给量为2×（12，16，22）。分析模拟现象，得出当采用轴向进给量较大时，中间的减薄区域的补料更加利于进行，这样的话轴向进给会对减薄区在成形过程中有足够大的补料，从而产生的减薄会较少一些；从另一方面来讲，当采用轴向进给大，意味着成形后的最大壁厚会比轴向进给量小的要增厚一点，这可以从模拟所得结果看出。同时从图6可以看出无论管材的成形效果如何，管材在进行完液压胀形与折叠后的厚度变化趋势都是一样的，即都是先从端部向中间逐渐变薄，越接近中间的对称部位，壁厚减薄越严重。最大的厚度发生在成形管件的端部，最小厚度发生在成形后管件的最高的外径中间。

图6 两种最优路径的成形零件壁厚分布

图7 成形零件的均匀指数

从上面分析可知，轴向进给多少都会对成形件有一定的影响，因此本文从均匀指数来看，index值越小，表示成形件的壁厚越均匀，成形质量越好。从图7可知轴向进给量2×（12，16，22）要比2×（10，16，22）更小，更加的均匀，从质量上来讲，更接近理想的状态。

4 结 论

（1）对变径管吸能元件的制造技术采用液压胀形与折叠成形的方法，通过模拟所得壁厚更加的均匀。

（2）对变径管进行液压胀形与折叠有限元模拟以壁厚增厚和减薄程度，以及均匀度作为评价标准，判断加载路径对成形的影响，获得最佳加载路径。

（3）本文采用的多重折线加载路径所成形出的结果较好。

（4）采用初始阶段内压力与轴向推力同时较大的加载路径方式所获得的零件成形性能最好，即零件壁厚分布均匀而且最小减薄率最低，成形零件质量较好。

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［2］余同希，卢国兴，材料与结构的能量吸收［M］.北京：化学工业出版社、材料科学与工程出版中心，2006.

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［4］杨 兵，张卫刚，林忠钦.管件液压成形的加载路径理论与试验研究［D］.上海：上海交通大学，2010.

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