劉立君++王宇

摘 要：針對消音管在內高壓成形過程中，焊縫區(qū)附近易出現(xiàn)脹裂的問題，采用數(shù)值模擬與實驗相結合的方法，對消音管的內高壓成形過程進行了研究.實驗采用HF1000內高壓成形機進行消音管的內高壓成形實驗，并利用dynaform軟件進行對該實驗的過程進行了數(shù)值模擬，實驗模擬了消音管在內高壓成形過程中焊縫附近的應力分布情況和壁厚的分布情況，并與實驗結果對比驗證，發(fā)現(xiàn)使用凹形直線加載路徑進行內高壓成形實驗時，能夠使得到的管件在變形過程中產生的應力最小，管件的壁厚分布情況最好.

關鍵詞：焊縫；加載路徑；壁厚；應力分布

DOI：10.15938/j.jhust.2015.02.017

中圖分類號：TG39

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2014）06-0091-06

0 引 言

近些年來，隨著汽車和飛機等運輸工具的快速發(fā)展，人們已經意識到汽車尾氣對環(huán)境的污染和對人類健康的影響.在這種情況下，追求汽車和飛機等運輸工具零部件的結構輕量化，用于減少燃料的消耗、汽車尾氣的排放，顯得格外重要，而且人們對這些運輸工具的零部件的外觀也提出了更高的要求，這時，一種新型的管材材料塑性成型的非傳統(tǒng)方法的出現(xiàn)解決了這一難題，這就是管材的內高壓成形.

管材的內高壓成形是將經過預處理的管坯放入模具中，向兩端注入高壓液體，并通過向管材兩端施加軸向壓力實現(xiàn)密封和補料，將管材壓人到模具的型腔中，使其貼合到模具上，形成所需的零件.在機械制造領域內，與傳統(tǒng)的焊接、鑄造等工藝相比較，管材的內高壓成形可以使制造出的零件具有剛度大、強度高、提高材料的疲勞度、節(jié)約材料、外形美觀、結構緊湊和加工工藝少等優(yōu)點，隨著計算機控制技術的發(fā)展，以及管件內高壓技術已經進入實際階段.該技術將促進汽車、航空、船舶等制造業(yè)的發(fā)展.

本文通過用dynaform對消音管的成形進行模擬，采用不同的3種加載方式，分析這3種加載方式對消音管成形的影響，以及分析了在管件成形過程中，焊縫附近的應力的分布情況，對于管件在內高壓成形過程中產生的影響.

1 實驗準備

1.1 實驗材料

本文所使用的管坯材料為304L不銹鋼，直徑38mm，厚度1mm，長度30mm. 304L不銹鋼又稱為奧氏體不銹鋼OCr18Ni9，在室溫下呈奧氏體單相組織，其塑性、韌性和屈服比高，有較好的冷成形性能和焊接性.OCr18N19的主要化學成份如表1.

1.2幾何模型的建立

本文所用的模型，是通過Solidworks2012進行繪制，然后導人到dynaform軟件，在對dynaform中進行網格劃分和有限元的模擬分析.我們之所以要通過Solidworks2012這款軟件進行繪制，這是因為dyan-form軟件在進行三維空間建模時，他的運算處理不是很方便、操作復雜，而在solidworks完成則比較簡單.

1.3邊界條件

在進行有限元分析之前，為了使計算簡化，我們對有限元模型作了以下假設：

1）模具在分析過程中不發(fā)生變形等變化，將其看作剛性體，管坯材料則符合剛塑性硬化曲線模型；

2）管件模型與模具間的摩擦系數(shù)為0.125，動摩擦系數(shù)為0；

3）管件兩端的軸向力是通過壓頭加到管件上的，忽略了軸向壓頭的動力學影響，在進行管件的有限元模擬時，軸向力施加在兩端的壓頭上；

4）在進行管件的內高壓成形時，我們認為內壓力時均勻的施加在管件的內表面上的.

1.4 網格劃分

對管件的模擬分析時，網格的劃分是模擬效果好壞的關鍵，網格劃分尺寸太大，模擬的精度不夠準確，實驗研究的意義就變得不大；網管劃分的過密，運算操作復雜，模擬的時間很長，效率太低，而且也沒有必要。所以在網格的劃分過程當中要選取適當?shù)某叽邕M行劃分.本次實驗的管坯是在dynaform軟件中進行的網格劃分，使用Blank Generator對管件以及兩端的沖頭進行網格的劃分，圖1為經過clynaform劃分網格后的消音管和兩端沖頭的有限元分析模型.

1.5焊縫的添加

本文選用的管坯是經過TIG焊焊接完成的，所以在實際生產的過程中焊縫對管的內高壓成形會有很重要的影響，在模擬過程中對管坯添加焊縫十分重要.在dynaform軟件中，我們常用的添加焊縫的方法是忽略焊縫的類型，只考慮焊縫的位置，將焊縫和熱影響區(qū)用一排梁單元網格來表示，這種方法的計算效率高，能夠準確的模擬出管件內高壓成型的過程，體現(xiàn)出焊縫對管材在成形過程中產生的影響，如圖3所示.

1.6 管材內高壓成形的實驗設備

本文進行管材內高壓的成形實驗的儀器設備，采用的是自主研發(fā)的1000T內高壓成形壓力機進行內高壓實驗，如圖3（a）、（b）、（c）是管材在內高壓成形成形裝置的實驗過程圖，

2 實驗模擬結果及分析

2.1 管材內高壓成形工藝參數(shù)

在管材進行內高壓成形的過程中，主要的工藝參數(shù)，特別是內壓的確定，一般是通過試錯的方法獲得，試錯法所獲得的數(shù)據(jù)一般都是由一些簡單的公式獲得.在進行管材內高壓成形過程當中，初始屈服壓力，純脹形時的開裂壓力整形壓力其中：t0，為管材的初始厚度；Do為管材的直徑；Da為管材凸起的直徑；rb為模具的最小半徑；σm為材料的流變應力；σa為材料的屈服應力；σu為材料的極限抗拉強度，

在進行管件的內高壓成形過程當中，管件的加載方式和軸向補料量的匹配是零件成形好壞的關鍵，因為這兩個量是變化的量，因此選用適當?shù)募虞d方式和補料量相當重要，一般進行管件的內高壓成形所采用的加載路徑，一般分為3種，分別是：凸形折線的內壓力加載路徑、直線的內壓力加載路徑和凹形折線的加載路徑，本文選用的3種加載路徑和補料量的參數(shù)如圖4.其中在圖4當中l(wèi)號曲線是第一組使用的內壓力加載路徑，2號直線為第二組使用的內壓力加載路徑，3號曲線是第三組使用的內壓力加載路徑，