祝慶勛，張貴杰，徐 勇

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山 063009;2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽(yáng) 110016)

采用管件制備的零件具有重量輕吸震力強(qiáng)、介質(zhì)流動(dòng)量大等一系列優(yōu)良性能，因此被廣泛的應(yīng)用于航空航天和汽車行業(yè)，在將管材加工成形為所需零部件前往往要對(duì)管材進(jìn)行必要的預(yù)成形處理，從而達(dá)到后續(xù)加工所要求的尺寸形狀。其中管材彎曲是預(yù)成形里必不可少的環(huán)節(jié)之一。為獲得精確的預(yù)成形管件，在彎管過(guò)程中必須控制好管材的截面畸變以及壁厚均勻性等關(guān)鍵參數(shù)，避免彎管過(guò)程中缺陷的發(fā)生。因此準(zhǔn)確對(duì)彎管工藝進(jìn)行有限元模擬，預(yù)測(cè)并優(yōu)化彎管工藝參數(shù)對(duì)管材預(yù)成形至關(guān)重要。

以往管材彎曲成形模擬的材料本構(gòu)關(guān)系多采用各向同性屈服準(zhǔn)則，而考慮管材變形中的各向異性的影響較少，而基于各向異性的研究大多集中在板成形領(lǐng)域。但管材實(shí)際成形過(guò)程中例如經(jīng)過(guò)拉拔、擠壓、軋制等工序后［1］，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的擇優(yōu)取向，從而在變形過(guò)程中普遍表現(xiàn)出宏觀各向異性。溫彤［2］等人采用各向異性材料的Barlat-Lian三參數(shù)模型應(yīng)用有限元法分析繞彎工藝參數(shù)對(duì)成形后管材壁厚變化及截面橢圓度的影響。K.Hasanpour［3］采用有限元法研究各向異性對(duì)管材橢圓度、壁厚和起皺的影響。

本文針對(duì)某型號(hào)轎車副車架液壓成形中的管材預(yù)彎成形進(jìn)行研究。首先對(duì)304奧氏體不銹鋼管材進(jìn)行不同方向拉伸實(shí)驗(yàn)，證明管材存在各向異性。其次采用Hill1948［4］各向異性屈服準(zhǔn)則對(duì)彎管過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，分析不同摩擦系數(shù)以及內(nèi)壓對(duì)彎管的影響，從而找到合適的工藝參數(shù)，為填料彎曲工藝實(shí)驗(yàn)研究提供有力的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)

對(duì)管材0°、45°和90°三方向進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，首先將管材展開(kāi)成平板，從板材上截取拉伸試樣，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)在MTS－5105拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為15 mm/min，相當(dāng)于初始應(yīng)變速率為0.01 s－1，每個(gè)方向取兩個(gè)試樣，表1為三方向試樣所得力學(xué)性能的平均值。

表1 拉伸試樣力學(xué)性能

從表1可以看出，管材在三個(gè)方向上初始屈服強(qiáng)度存在差異，0°與90°方向的初始屈服強(qiáng)度差別較大，差值約為35 MPa，而與45°方向差值較小，并且三個(gè)方向塑性應(yīng)變比R值均小于1，因此試樣存在明顯的各向異性。

2 有限元模型建立

本文采用MSC.Marc有限元軟件對(duì)彎管過(guò)程進(jìn)行模擬，其幾何模型與實(shí)際彎管模具見(jiàn)圖2所示，圖2(a)中固定壓力模和彎曲模均定義為剛體，固定壓力模半徑為50 mm，內(nèi)槽半徑為10.1 mm，彎曲模半徑為25 mm，內(nèi)槽半徑為10.1 mm，管材的直徑為19.5 mm，壁厚為1 mm，網(wǎng)格選用75號(hào)薄殼單元，單元數(shù)為5472個(gè)。屈服準(zhǔn)則分別采用Hill1948各向異性屈服準(zhǔn)則，結(jié)合上節(jié)中不同方向拉伸實(shí)驗(yàn)所得力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)各模型中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，材料的楊氏模量E=174470 MPa，泊松比ν=0.36，摩擦選擇庫(kù)倫摩擦，硬化模型采用90°方向拉伸實(shí)驗(yàn)所得真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖2(b)為實(shí)際彎管器材。

3 結(jié)果分析與討論

采用Hill1948各向異性屈服準(zhǔn)則對(duì)304不銹鋼管彎曲過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析當(dāng)彎曲模旋轉(zhuǎn)4秒時(shí)，摩擦系數(shù)和內(nèi)壓對(duì)彎管質(zhì)量的影響，其結(jié)果從下文中彎管后截面畸變以及內(nèi)外側(cè)壁厚情況加以分析。

3.1 摩擦系數(shù)對(duì)彎管的影響

3.1.1 摩擦對(duì)橢圓度的影響

管材彎曲時(shí)，由于中性層外側(cè)材料受切向拉應(yīng)力，中性層內(nèi)側(cè)材料受切向壓應(yīng)力，且其合力近似指向管橫截面中心，使彎管橫截面圓周方向產(chǎn)生變形和位移，其結(jié)果導(dǎo)致彎曲平面內(nèi)的管徑減小，垂直于彎曲平面的管徑增大，即產(chǎn)生橫截面的畸變，又稱作失圓，實(shí)際生產(chǎn)中常用橢圓度來(lái)衡量截面畸變程度，橢圓度公式見(jiàn)(1)［2］。

式中:Dmax、Dmin分別為彎曲后管材同一截面不同方向測(cè)得的最大、最小外徑尺寸。

圖3(a)所示為實(shí)際選取的管材橫截面上的測(cè)量位置，測(cè)量位置在整個(gè)彎角的變形區(qū)，每隔10°進(jìn)行一次測(cè)量。圖3(b)為內(nèi)壓為15 MPa時(shí)，庫(kù)倫摩擦系數(shù)分別為0.05、0.10、和0.15時(shí)橫截面橢圓度模擬結(jié)果對(duì)比，從圖中可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增大橢圓度逐漸減小，但是減小的幅度并不大。三種摩擦系數(shù)得到的橢圓度趨勢(shì)一致，橢圓度數(shù)值先增大后減小，在測(cè)量位置9處由于撤掉管材內(nèi)部壓力，導(dǎo)致截面發(fā)生較大畸變。

3.1.2 摩擦對(duì)內(nèi)外側(cè)壁厚的影響

圖4給出管材彎曲后內(nèi)外側(cè)壁厚變化情況比較，管材上每隔8 mm進(jìn)行一次測(cè)量，圖4(a)為管材內(nèi)側(cè)壁厚分布情況，從模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)管材內(nèi)側(cè)壁厚普遍增大，原因由于內(nèi)側(cè)受到切向壓應(yīng)力，并且隨著摩擦系數(shù)的增大內(nèi)側(cè)壁厚減薄，變形區(qū)內(nèi)側(cè)壁厚波動(dòng)較大。圖4(b)管材外側(cè)受到切向拉應(yīng)力引起壁厚減小，但小輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)管材外側(cè)材料擠壓，而出現(xiàn)材料堆積，因此外側(cè)壁厚出現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象，從圖中可以看出摩擦系數(shù)對(duì)外側(cè)壁厚影響較小，三種摩擦系數(shù)得到的外側(cè)壁厚近似，僅是在測(cè)量位置75 mm處存在差別。

3.2 內(nèi)壓對(duì)彎管的影響

3.2.1 內(nèi)壓對(duì)橢圓度的影響

在實(shí)際彎管過(guò)程中，管內(nèi)加入適當(dāng)?shù)奶畛湮锊拍苡行б种乒懿膹澢冃沃械慕孛婊円约捌鸢櫖F(xiàn)象。為了使模擬與實(shí)際情況接近，模擬過(guò)程中在管材型腔內(nèi)部添加壓力以減少截面畸變。圖5(a)為三種不同內(nèi)壓的加載曲線，分別為5 MPa、10 MPa和15 MPa，內(nèi)部添加為均布?jí)毫?。圖5(b)為摩擦系數(shù)選擇0.1，不同內(nèi)壓測(cè)得截面橢圓度變化情況，從圖中可以看出隨著內(nèi)壓的增大橢圓度大幅減小，當(dāng)內(nèi)壓增加到15 MPa時(shí)管材的截面變化橢圓率最大為6.26%，完全能夠滿足汽車副車架后續(xù)液壓成形的需要。

3.2.2 內(nèi)壓對(duì)內(nèi)外側(cè)壁厚的影響

圖6給出在庫(kù)倫摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，不同內(nèi)壓對(duì)管材內(nèi)外側(cè)壁厚的影響，圖6(a)為管材內(nèi)側(cè)壁厚分布情況，從圖中可以看出隨著內(nèi)壓的增大，管材內(nèi)側(cè)壁厚逐漸的減薄，并且減小幅度較大，內(nèi)壓為5 MPa時(shí)內(nèi)側(cè)最厚為1.08528，增厚率為8.528%，當(dāng)內(nèi)壓為15 MPa時(shí)內(nèi)側(cè)最厚為1.04912，增厚率為4.912%。圖6(b)為管材外側(cè)壁厚分布情況，從圖中可以看出隨著內(nèi)壓的增大，管材內(nèi)側(cè)壁厚逐漸的減薄，內(nèi)壓為5 MPa時(shí)外側(cè)最薄為0.94815，減薄率為當(dāng)內(nèi)壓為5.185%，15 MPa時(shí)內(nèi)側(cè)最厚為0.94051，減薄率為當(dāng)內(nèi)壓為5.949%，因此內(nèi)壓對(duì)管材內(nèi)側(cè)壁厚存在一定影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

按照上述模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)際的彎管實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程選擇強(qiáng)度較高的滾珠作為填充介質(zhì)，這樣能夠保證截面橢圓率滿足使用要求，摩擦系數(shù)較小的二硫化鉬作為潤(rùn)滑劑。圖7給出實(shí)驗(yàn)得到實(shí)際彎管件，可以看出管材能夠滿足后續(xù)加工要求。

4 結(jié)論

通過(guò)不同方向的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)用拉拔304不銹鋼管材存在明顯的各向異性現(xiàn)象，考慮到各向異性可能對(duì)管材形變過(guò)程造成影響，利用非線性有限元軟件MSC.Marc中Hill1948各項(xiàng)異性屈服準(zhǔn)則，對(duì)304奧氏體不銹鋼彎管變形過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬，分析不同摩擦系數(shù)，內(nèi)壓對(duì)彎管成形質(zhì)量影響。通過(guò)對(duì)比成形后管材截面橢圓度以及內(nèi)外側(cè)壁厚分布可得以下結(jié)論:

(1)摩擦系數(shù)對(duì)彎曲后管材橢圓度影響較小，隨著摩擦系數(shù)的增大橢圓度逐漸減小，但變化幅度較小。

(2)摩擦系數(shù)對(duì)彎曲后管材內(nèi)側(cè)壁厚影響較大，隨著摩擦系數(shù)的增大內(nèi)側(cè)壁厚逐漸減薄，但對(duì)外側(cè)壁厚影響較小。

(3)內(nèi)壓對(duì)彎曲后管材截面橢圓度影響較大，隨著內(nèi)壓的增加，管材橢圓度逐漸減小。

(4)內(nèi)壓對(duì)彎曲后管材內(nèi)側(cè)壁厚影響較大，隨著內(nèi)壓的增大內(nèi)側(cè)壁厚逐漸減薄，對(duì)外側(cè)壁厚也存在一定的影響。

［1］唐炳濤，王忠.Balat’91與Hill’48兩種屈服準(zhǔn)則對(duì)制耳計(jì)算的比較［J］.山東建筑大學(xué)報(bào)，2008，23(2):99-104.

［2］溫彤，豐慧珍，艾百勝.管材繞彎變形的理論與實(shí)驗(yàn)分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(12):8-11.

［3］K.Hasanpour.Numisheet Departement of mechanical engineering，F(xiàn)aculty of engineering［J］，University of Isfahan 2011，0817-0193.

［4］Hill R，A theory of the yielding flow of anisotropic metal，P.Roy.Soc.A-Math Phy［J］，1948，193(1033):281-297.