一種軸向補料量對液壓成形加載路徑的影響

一種軸向補料量對液壓成形加載路徑的影響

管道液形成技術也稱為內高壓形成技術，是一種新型承受措施、低能耗的輕車身結構，也是一種應用于廣泛應用的先進制造技術。柳向補材料與內向補材料的結合形成復雜的形成過程。軸向補材料與內壓之間的關系稱為加載路徑。只有指定合理的加載路徑，才能獲得合格的最終零件。在實際的形成過程中，由于加載路徑選擇不足，導致彎曲和折疊等缺陷。加載路徑影響著零件截面的形狀，厚度分布和最終形狀尺寸。開槽員的路徑是管理系統(tǒng)的重要參數(shù)。如何優(yōu)化和調整加載路徑是港口液形成的核心。通過優(yōu)化的加載路徑，可以有效地實現(xiàn)形狀區(qū)的填充材料，從而實現(xiàn)更小的減小壁的相對均勻分布，提高內高壓形成的開口極限。目前,在該研究領域美國學者采用通用優(yōu)化設計程序配合有限元軟件進行了一種變截面件和一種三通管件液壓成形的模擬和加載路徑的優(yōu)化,取得了降低成形件壁厚減薄率的明顯效果.英國學者以空心變徑管為評估模型,通過理論計算和試驗,來研究加載路徑的設計方法.愛爾蘭學者將數(shù)學中的模糊控制準則應用到管件液壓成形加載路徑的優(yōu)化中,通過模擬軟件的二次開發(fā)接口編制了優(yōu)化程序,直接與前處理相連接,即輸入的加載路徑參數(shù)首先經程序優(yōu)化后再提交到求解器進行運算.對比優(yōu)化前后兩條加載路徑的數(shù)值模擬結果,壁厚減薄率由16%下降到6%.在國內文獻使用共軛梯度法和有限元方法編寫了用于檢查液壓脹管壁厚均勻性和幾何精度等成形質量的程序,以T型管為實例進行了加載路徑的優(yōu)化研究,創(chuàng)造并檢驗了分批模型和連續(xù)模型優(yōu)化加載路徑的方法.文獻提出用自適應仿真與模糊邏輯控制策略相結合的方法來設計T型管液壓成形的加載路徑.文獻應用遺傳算法結合有限元模擬對液壓成形軸對稱件的加載路徑進行優(yōu)化.文獻提出利用均勻設計試驗的可靠性與神經網絡的非線性映射相結合進行參數(shù)優(yōu)化,再利用遺傳算法的全局優(yōu)化特性得出最優(yōu)結果.管件液壓成形加載路徑的確定受零件幾何形狀,材料性能、壁厚、管徑及成形半徑等多方面因素的影響.目前,加載路徑的優(yōu)化方法各有特點,每種方法針對某一類特殊結構會有良好的優(yōu)化效果,在上述研究成果中,還沒有專門針對非對稱結構管件加載路徑的研究,非對稱結構管件液壓成形的主要特點是變形的不均勻性,成形時既要保持相對均勻的壁厚,局部還要有一點的膨脹量,必須要有合適的加載路徑才能夠正常成形.1優(yōu)化后的模擬結果分析針對非對稱結構的管件液壓成形過程,通過理論計算和數(shù)值模擬的結果分析,總結出采用以下3個步驟可以較快地確定非對稱結構內高壓成形的合理加載路徑,從而節(jié)約實驗時間和研究成本,提高成形件的壁厚相對均勻性.1.1初始壓力的確定初始內壓是管件液壓成形工藝中的重要參數(shù),直接影響成形區(qū)間的劃分,該值選取的合理性直接決定所加工試件是否能夠滿足設計要求.對于非對稱結構的管件液壓成形件,在保證不發(fā)生起皺的情況下合理補充成形所需的材料,其初始內壓的選擇尤為重要.初始壓力pi的計算公式為:式中:pi為初始脹形壓力(MPa),t為管坯壁厚(mm),d為管坯直徑(mm),σs是材料的屈服應力(MPa),β為軸向應力σz和軸向應力σθ的比值,液壓成形時施加的軸向力為壓力,β的取值范圍是-1≤β≤0.可見初始壓力的大小與管坯的壁厚和屈服應力成正比,與管坯的直徑成反比.經式(1)計算出pi后,加減0.3pi得到p1和p2,用體積不變原則,計算出理論補料量,與pi、p1、p2配合,得到圖1所示的3條加載路徑,以此進行模擬實驗,根據(jù)模擬結果進行調整,來確定成形區(qū)間的上下限pmax和pmin,并以此得到一個合理的初始壓力ph.1.2軸向補料量的計算軸向補料量是管件液壓成形工藝的另一個重要參數(shù),直接影響成形過程以及成形零件的壁厚分布.理論補料量S0的計算是根據(jù)管材成形前后體積不變條件得出的,S1為理論補料量的90%,S2為理論補料量的80%,以上一步計算出合理的初始壓力ph配合不同的補料量S0、S1、S2,得到圖2所示的3條加載路徑,根據(jù)這3條加載路徑的模擬結果進行調整,得出合理的軸向補料量Sh.1.3加載路徑的確定確定了合理初始內壓ph和軸向補料量Sh后,基本上可以成形出合格的零件,但為了找出最佳的加載路徑,還需確定加載路徑與橫坐標軸的交角α(90°>α>0°),即確定加載路徑的斜率.加載路徑斜率的物理意義是指在同一內壓下,軸向補料量的增加速率,不同α角的加載路徑計算的結果是有差別的.選取如圖3所示不同α角的加載路徑進行數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結果進行優(yōu)化,得出最佳α角,即得到了管件液壓成形件的最佳加載路徑.根據(jù)非對稱零件的特點,通常,α角越接近90°越好,即在大規(guī)模補料之前,先對管坯施加一定的內壓,使管坯材料產生初步脹形,形成輕微的塑性流動,有利于后續(xù)金屬的流動和補料的順利進行.2空心軸向內高壓成形最佳加載路徑和成形分區(qū)的確定圖4為航空發(fā)動機內的空心曲軸零件,它有兩個曲拐呈非對稱分布,這種結構的內高壓成形件如果沒有合適的加載路徑,勢必會產生起皺或開裂的缺陷.本文提出的加載路徑的確定方法可以快速地確定出合理的加載路徑,圖5是應用本方法確定的合理加載路徑的模擬結果,零件順利成形,沒有出現(xiàn)開裂或起皺,然后以此為基礎再進行試驗,就可以獲得這個零件的最佳加載路徑和成形分區(qū).圖6所示為空心曲軸內高壓成形最佳的加載路徑和成形區(qū)間,圖中加載路徑2是應用本方法得到的合理加載路徑,在此基礎上再進行調整得到了最佳的加載路徑3和這個零件的成形分區(qū),所謂成形分區(qū)是指在這個區(qū)域里的加載路徑都能成形出合格零件,不會產生缺陷.而在這個分區(qū)之外的加載路徑,圖6所示的加載路徑1以上區(qū)域,由于壓力過高,壓力上升較快,而軸向進給量相對較少,即軸向進給量不足以補償周向的變形量,使得在成形過程中曲軸拐部頂端的壁厚發(fā)生減薄,后續(xù)補料無法繼續(xù)送入拐部變形區(qū),這樣該處壁厚越來越薄直至破裂;在加載路徑4以下,由于壓力較低,同時相對的軸向補料較多,使得曲拐底部的材料由于模具的限制無處流動,該處壁厚逐漸增加形成起皺;只有在加載路徑1與4之間所形成的區(qū)間內,才可以正常成形出零件,在成形區(qū)間內由于壓力的不同,所成形零件的壁厚分布也不同,經模擬計算得知圖中所示的加載路徑3所成形零件的減薄率是整個成形區(qū)間內最小的,所以加載路徑3是最佳的加載路徑.3優(yōu)化加載路徑1)加載路徑是管件液壓成形中的關鍵參數(shù),它的確定受零件幾何形狀,材料性能、壁厚、管徑及成形半徑等多方面因素的影響.本文提出了利用理論計算與