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金属薄壁管液压成形应用基础研究

李泷杲  
【摘要】: 管材液压成形技术(Tube Hydroforming,THF)是一种生产复杂整体中空薄壁结构件的先进塑性成形技术,具有成形高精度、制造柔性化、节省能源、降低材料消耗、节约成本等特点,有着广泛的应用前景与发展潜力。本文采用理论分析和试验研究相结合的研究方法,针对薄壁管液压成形技术中的几个关键问题展开基础性研究。研究内容主要集中在6个方面: (1)为准确评价管材成形性能,针对管液压成形特点,研发了新的管材性能测试装置,用于获取评定管材液压成形性能所需的基本数据:胀形高度-胀形内压曲线(PH曲线)。与现有专用测试设备相比,该装置采用管端固定的自由胀形工作方式,测试简单、操作方便,能够准确地反映管液压成形中材料在双拉状态下成形性能。 (2)为获得较为准确的管材成形性能参数,以自主研发的性能测试装置为基础,建立了新的管材成形性能解析模型。该模型基于塑性理论、平面应力假设和静力平衡方程,并在求解中引入了管件胀形轮廓函数-二次轮廓假设。通过对铝合金LF21M和不锈钢304L的测试和解析计算,并结合有限元模拟分析,表明该模型求解简单方便,有着较高的求解精度。 (3)为高效准确地获得材料性能参数,提出了新的管材成形性能求解方案—自适应有限元逆向求解方法。通过分析材料参数对THB测试中PH曲线形状的影响,构建出材料参数修正准则。通过构建外围控制程序,实时监控模拟过程,以解析结果为初始值,依据修正准则对其进行调整,直至获得准确结果。试验和有限元模拟验证表明该方法相对于单纯的解析法和有限元逆算法,有着其明显的优势。 (4)为优化THB试验,提高材料性能求解精度,构建了新的胀形压力解析模型,并以此为分析基础,全面分析了液压胀形过程中管件几何尺寸和材料性能对胀形结果的影响。结果显示:成形压力不仅仅受到材料本身性能的影响,还受到管件厚径比和胀形宽径比的影响。管件的胀形高度基本不受厚度、加工硬化系数以及厚向异性的影响。从相对胀形高度的角度,也不受管件直径大小变化的影响,只决定于管件的加工硬化指数和胀形宽径比。 (5)为方便获得管液压成形过程中的材料与模具间的摩擦系数,针对成形中的特点,提出了新的摩擦系数测试方法和相应测试装置,并对管液压成形中常用的润滑剂的摩擦系数进行了测试。该方法基于Duncan原理,通过构建板料与摩擦圆辊之间的接触力学模型,获得摩擦系数。试验分析表明该装置具有结构简单,操作方便的显著特点,能够快捷准确地测试材料摩擦系数。 (6)针对传统T型管件设备昂贵,工艺复杂的缺点,提出新的成形方式-基于管端轴向进给驱动的管液压成形法。该方法仅依靠管端轴向进给产生的内部成形介质体积减小就可轻易实现管件内压形成。与传统方法相比,该方法不需要成本昂贵的高压泵给系统,只需要耐高压的溢流阀控制系统即可实现。在此基础上,对使用该方法成形的管件质量进行理论分析,结果表明对于三通零件存在溢流压力安全成形区域,只有压力在其范围内,才能成形出合格零件。安全范围主要与材料性质有关,塑性性能较好的材料其溢流压力的取值范围较大。除此以外,零件的厚度分布和有效成形高度对溢流压力不敏感,其成形质量主要取决于管端的轴向进给程度。


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