摘 要: 本文針對(duì)薄壁Y型三通管在內(nèi)高壓成形過程中產(chǎn)生起皺、開裂缺陷的問題進(jìn)行了相關(guān)研究。首先通過實(shí)驗(yàn)確定了Y型三通管在成形過程中產(chǎn)生典型缺陷的位置及類型;其次利用有限元方法分析了補(bǔ)料比對(duì)應(yīng)力狀態(tài)分區(qū)和典型點(diǎn)應(yīng)力軌跡的影響;最后建立了加載路徑的"內(nèi)壓-軸向補(bǔ)料"成形窗口.研究表明:補(bǔ)料比對(duì)應(yīng)力狀態(tài)有顯著影響, 通過調(diào)整補(bǔ)料比來(lái)改變應(yīng)力狀態(tài), 是避免起皺的有效措施。此外, 本研究給出了不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果在成形窗口中的對(duì)應(yīng)位置, 當(dāng)加載路徑超出成形區(qū)時(shí), 三通管件就會(huì)產(chǎn)生起皺或破裂的缺陷, 甚至兩種缺陷會(huì)依次發(fā)生。

　　關(guān)鍵詞: 內(nèi)高壓成形  Y型三通管  起皺  開裂  補(bǔ)料量

　　來(lái)源：哈工大《材料科學(xué)與工藝》2017年第4期

　　作者：彭俊陽(yáng)，羅德高，滕步剛，劉鋼

　　內(nèi)高壓成形是制造薄壁Y型三通管的重要技術(shù).相比較于沖壓、焊接工藝，Y型三通管的內(nèi)高壓成形實(shí)現(xiàn)了整體成形以及結(jié)構(gòu)輕量化，在航空航天和汽車工業(yè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用[1-2].此外，內(nèi)高壓成形的Y型三通管能有效減少零件和模具數(shù)量以及焊接量，降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

　　內(nèi)高壓成形三通管受摩擦和加載路徑等因素的影響，容易產(chǎn)生起皺、開裂和壁厚不均勻等缺陷[6-7].國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者關(guān)注這個(gè)問題并開展了研究工作.美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的Jirathearanat等[8]研究了Y型三通管內(nèi)高壓成形的重要工藝參數(shù)，包括內(nèi)壓、補(bǔ)料量和初始管長(zhǎng)度，并通過FEA模擬和液壓成形實(shí)驗(yàn)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.結(jié)果表明，初始管長(zhǎng)度對(duì)支管的可成形性影響較大，在相同的軸向進(jìn)給量下，長(zhǎng)度較短的初始管能成形出更長(zhǎng)的支管.日本學(xué)者M(jìn)anabe等[9]通過數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)了模糊控制的支管沖頭用于Y型三通管的內(nèi)高壓成形，抑制了支管頂部的壁厚變薄以及鈍角側(cè)的壁厚增厚，獲得壁厚較均勻的Y型管.韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的Jang等[10]認(rèn)為, 內(nèi)壓和軸向進(jìn)給決定了變形產(chǎn)品的質(zhì)量，并通過等效靜載荷方法來(lái)優(yōu)化加載路徑，從而防止缺陷的產(chǎn)生.意大利學(xué)者Fiorentino等[11]通過實(shí)驗(yàn)揭示了在非對(duì)稱補(bǔ)料的內(nèi)高壓成形過程中，三通管與模具之間的摩擦?xí)璧K主管材料向支管流動(dòng)，導(dǎo)致支管頂部因補(bǔ)料不足而減薄、破裂。

　　國(guó)內(nèi)學(xué)者程?hào)|明等[12]通過分析三通管典型點(diǎn)壁厚隨內(nèi)壓的變化規(guī)律及其影響因素發(fā)現(xiàn)，由鈍角側(cè)到銳角側(cè)再到支管頂部，其壁厚依次減小，且隨著終成形壓力的提高，零件的最大增厚率無(wú)明顯變化，但最大減薄率顯著增加.陳浩等[13]研制出徑厚比達(dá)183的不銹鋼Y型三通管和徑厚比為40的鋁合金Y型三通管.前期工作[14]研究了內(nèi)壓對(duì)壁厚均勻性的影響，設(shè)計(jì)出多段式?jīng)_頭以改變導(dǎo)向區(qū)的內(nèi)壓分布并減小該區(qū)域的摩擦力，與傳統(tǒng)沖頭進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多段式?jīng)_頭成形的薄壁Y型三通管在導(dǎo)向區(qū)的增厚率減少了20%，減薄率降低了6%，壁厚均勻化效果顯著.王忠堂等[15]通過控制軸向進(jìn)給速度以減少三通管的壁厚不均勻性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸向進(jìn)給速度過快會(huì)導(dǎo)致主管中部增厚嚴(yán)重，而進(jìn)給速度過慢時(shí)，支管頂部在較大內(nèi)壓下因補(bǔ)料不足而開裂.

　　本文通過有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了Y型三通管在內(nèi)高壓成形過程中的典型缺陷，構(gòu)建起指導(dǎo)加載路徑的成形工藝窗口，給出了成形過程中應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律以及合理的補(bǔ)料比，為減少內(nèi)高壓成形三通管的開裂和起皺缺陷提供了有效的控制方法.

　　1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

　　圖 1為薄壁三通管形狀和尺寸示意圖，其中主管直徑為D，支管直徑為d，主管軸線與支管軸線的夾角為α，鈍角側(cè)過渡圓角半徑為Rl，銳角側(cè)過渡圓角半徑為Rr.管材直徑等于主管直徑D，管材初始壁厚為t，則管材的徑厚比為D/t.

　　圖 1 三通管形狀和尺寸示意圖

　　本文選用的管材徑厚比為D/t=108，材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼.由于薄壁大直徑無(wú)縫管材，尤其是非標(biāo)準(zhǔn)管材購(gòu)買和制備困難，采用卷焊工藝將板材焊接成管材，管材沿軋制方向滾卷.選用材料為1Cr18Ni9Ti的不銹鋼板材，板材壁厚為0.8 mm，卷焊后管材外徑為86 mm, 其幾何尺寸如表 1所示.

　　表 1 三通管幾何參數(shù)

　　為了細(xì)化晶粒、提高塑性并減小卷焊造成的殘余應(yīng)力，板材卷焊成管材后進(jìn)行了固溶處理.奧氏體不銹鋼的固溶處理溫度在1 050~1 100 ℃.由于后續(xù)數(shù)值模擬的需要，管材熱處理后進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖 2所示.

　　圖 2 管材單向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

　　Y型三通管內(nèi)高壓成形采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研制的內(nèi)高壓成形機(jī).該設(shè)備具有3個(gè)可閉環(huán)伺服控制的水平缸，能夠進(jìn)行T型三通管、Y型三通管等枝杈類管件的成形.內(nèi)高壓成形時(shí)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的加載曲線來(lái)自動(dòng)控制3個(gè)沖頭的進(jìn)給量和內(nèi)壓值.

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D 3所示，上下模之間通過導(dǎo)柱導(dǎo)套定位，分模面采用沿模腔兩側(cè)的窄條接觸形式，使分模面在合模力作用下嚴(yán)密貼合.高壓液體由左側(cè)沖頭的中心孔引入管材.左沖頭和右沖頭補(bǔ)料量的比值稱為補(bǔ)料比，補(bǔ)料比決定了管材放置的初始位置.沖頭與模具型腔的同心度要嚴(yán)格保證，以便在管材兩端形成可靠的密封，并使管材沿環(huán)向受力均勻.模具型腔表面和管坯表面噴涂MoS2干膜潤(rùn)滑劑，以降低管坯和模具型腔之間的摩擦力.

　　圖 3 薄壁Y型三通管內(nèi)高壓成形模具

　　2 薄壁三通管典型缺陷

　　三通管內(nèi)高壓成形的缺陷主要有破裂和起皺兩種.破裂一般發(fā)生在支管頂部，當(dāng)支管頂部無(wú)法承受內(nèi)壓帶來(lái)的拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致破裂.補(bǔ)料使管材產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)壓的支撐力不足時(shí)，便會(huì)發(fā)生起皺失穩(wěn).由于管坯外側(cè)被模具約束，皺紋只能是向內(nèi)側(cè)凹陷.

　　根據(jù)三通管的幾何尺寸及加載路徑的不同，起皺位置也各不相同.通過提高內(nèi)壓可以避免起皺，但支管頂部易因過度減薄而破裂.對(duì)于薄壁三通管，更容易起皺和破裂.相對(duì)于T型三通管，Y型三通管成形時(shí)所需的補(bǔ)料量更大，且支管頂部的脹形量更大，對(duì)起皺的控制更加困難.因此，Y型薄壁三通管的成形難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他類型的三通管.

　　Y型三通管內(nèi)高壓成形缺陷如圖 4所示.其中，圖 4(a)表示支管破裂和主管起皺同時(shí)存在.內(nèi)壓過高導(dǎo)致破裂，但是降低內(nèi)壓，主管起皺更加嚴(yán)重，如圖 4(b)和(c)所示;若減小補(bǔ)料量，避免了起皺，但是支管頂部發(fā)生了破裂，如圖 4(d)所示.若同時(shí)減小內(nèi)壓和補(bǔ)料量，雖然可以同時(shí)避免破裂和起皺缺陷，但是成形出的支管高度非常有限.此外，補(bǔ)料比不合理時(shí)也會(huì)發(fā)生起皺缺陷.

　　圖 4 薄壁Y型三通管內(nèi)高壓成形缺陷

　　3 薄壁三通管內(nèi)高壓成形有限元分析

　　本文進(jìn)行有限元模擬所采用的前后處理軟件是美國(guó)ETA公司的DYNAFORM，有限元求解器是LS-DYNA.該軟件已經(jīng)在內(nèi)高壓成形領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.有限元模型如圖 5所示，考慮到成形件的軸對(duì)稱性，沿軸對(duì)稱面選取零件的1/2作為研究對(duì)象.管坯采用Belytschko-Tsay殼單元，模具、支管沖頭、左右沖頭均為剛體單元.管坯材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，材料模型為Hill各向同性彈塑性模型，符合Mises屈服準(zhǔn)則，材料遵循Ludwik-Hollomon硬化規(guī)律，摩擦系數(shù)設(shè)為0.03.

　　圖 5 三通管有限元模型

　　模擬結(jié)果表明，在三通管成形過程中，管材受到軸向壓力和內(nèi)壓的共同作用，3個(gè)主應(yīng)力由軟件直接給出，如圖 6所示.可見，支管頂部應(yīng)力狀態(tài)為雙向拉應(yīng)力，即面內(nèi)2個(gè)主應(yīng)力為σ1 > σ2 > 0，法向壓應(yīng)力為第三主應(yīng)力σ3 < 0，可將其定義為A區(qū).主管和支管的過渡區(qū)處(定義為B區(qū))，在面內(nèi)為一拉一壓應(yīng)力狀態(tài)，沿著支管軸線方向的第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力(σ1 > 0)，第二主應(yīng)力沿著壁厚方向，在面內(nèi)垂直于支管軸線方向的第三主應(yīng)力為壓應(yīng)力(σ3 < 0).主管兩端以及主管底部，即送料區(qū)，在面內(nèi)受雙向壓應(yīng)力(定義為C區(qū))，即σ2 < 0、σ3 < 0，其法向應(yīng)力為第一主應(yīng)力，也為壓應(yīng)力.

　　圖 6 三通管內(nèi)高壓成形主應(yīng)力分布(MPa)

　　圖 6(a)中根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)將三通管分為3個(gè)區(qū)域，其中存在面內(nèi)壓應(yīng)力的區(qū)域(B區(qū)和C區(qū))是易于發(fā)生起皺的區(qū)域.通過不同補(bǔ)料比的內(nèi)高壓成形過程數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在不同的加載路徑下，各區(qū)域的形狀和大小不同.補(bǔ)料比不同，將影響起皺的位置、方向和起皺難易程度.一般情況下，起皺多出現(xiàn)于主管側(cè)壁中部，如圖 4所示，但是，當(dāng)單側(cè)補(bǔ)料量過大時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致支管及過渡圓角的起皺，如圖 7所示，部分起皺還可沿管件縱向發(fā)生.

　　圖 7 補(bǔ)料比不合理導(dǎo)致的起皺

　　針對(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的缺陷，在圖 7中管件起皺部位取2個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析.點(diǎn)1位于左側(cè)(鈍角側(cè))過渡圓角中部，點(diǎn)2位于右側(cè)(銳角側(cè))過渡圓角中部.

　　采用不同的補(bǔ)料比，進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得典型點(diǎn)1和2處的應(yīng)力軌跡，如圖 8所示.

　　圖 8 補(bǔ)料比對(duì)典型點(diǎn)應(yīng)力軌跡的影響

　　圖 8(a)為不同補(bǔ)料比時(shí)點(diǎn)1的應(yīng)力軌跡.在不同的補(bǔ)料比下，點(diǎn)1的環(huán)向應(yīng)力差別不大，但是軸向應(yīng)力有很大區(qū)別.左側(cè)單側(cè)補(bǔ)料時(shí)(L60-R0)，點(diǎn)1受到軸向壓應(yīng)力和環(huán)向壓應(yīng)力的共同作用，隨著三通管的成形，軸向應(yīng)力逐漸增大.當(dāng)補(bǔ)料比為1:1時(shí)(L30-R30)，軸向應(yīng)力比左側(cè)單側(cè)補(bǔ)料時(shí)降低了一半.當(dāng)右側(cè)單側(cè)補(bǔ)料時(shí)，軸向應(yīng)力接近于0，為單向壓縮狀態(tài)，當(dāng)點(diǎn)1流入支管后，軸向應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力.

　　圖 8(b)為不同補(bǔ)料比時(shí)點(diǎn)2的應(yīng)力軌跡.右側(cè)單側(cè)補(bǔ)料時(shí)(L0-R60)，點(diǎn)2位于C區(qū)，為雙向壓應(yīng)力狀態(tài)，軸向和環(huán)向的壓應(yīng)力都很大.當(dāng)補(bǔ)料比為L(zhǎng)30-R30時(shí)，軸向壓應(yīng)力變小，環(huán)向壓應(yīng)力不變.當(dāng)左側(cè)單側(cè)補(bǔ)料時(shí)(L60-R0)，環(huán)向應(yīng)力不斷增大，軸向應(yīng)力接近于0，后期變?yōu)槔瓚?yīng)力.當(dāng)軸向壓應(yīng)力和環(huán)向壓應(yīng)力數(shù)值接近時(shí)，金屬只能增厚變形.當(dāng)軸向壓應(yīng)力的絕對(duì)值小于環(huán)向壓應(yīng)力時(shí)，在軸向發(fā)生伸長(zhǎng)變形，使支管長(zhǎng)高.軸向壓應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致橫向起皺，當(dāng)軸向壓應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力之比小于一定的數(shù)值時(shí)，就容易發(fā)生縱向起皺.由圖 8可以看出, 點(diǎn)2的應(yīng)力絕對(duì)值大于點(diǎn)1，從三通管幾何特征可知左側(cè)過渡圓角(點(diǎn)1位置)半徑大于右側(cè)(點(diǎn)2位置)，說明右側(cè)過渡圓角區(qū)的變形更加劇烈.通過不同補(bǔ)料比的應(yīng)力軌跡可以看出，通過調(diào)整補(bǔ)料比可以改變左右過渡圓角的應(yīng)力狀態(tài)，從而控制左右兩側(cè)的變形狀態(tài);軸向壓應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致橫向起皺，軸向壓應(yīng)力過小(或?yàn)槔瓚?yīng)力時(shí))，會(huì)導(dǎo)致縱向皺紋;補(bǔ)料比在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，能夠避免起皺.

　　4 薄壁三通管內(nèi)高壓成形工藝窗口

　　根據(jù)補(bǔ)料比的模擬結(jié)果，采用補(bǔ)料比為L(zhǎng)40-R20的條件進(jìn)行了三通管內(nèi)高壓成形實(shí)驗(yàn)，獲得沒有起皺缺陷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖 9所示.實(shí)驗(yàn)件支管成形穩(wěn)定，表面光滑平整.

　　圖 9 補(bǔ)料比為2(L40-R20) 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在上述模擬和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，可總結(jié)繪出三通管內(nèi)高壓成形工藝窗口，如圖 10所示，進(jìn)一步闡明軸向補(bǔ)料和內(nèi)壓的匹配關(guān)系，即加載路徑對(duì)成形的影響規(guī)律.圖 10中點(diǎn)劃線為破裂臨界曲線，加載路徑在該曲線上方就會(huì)發(fā)生破裂;虛線為起皺臨界曲線，加載路徑處于起皺臨界曲線的右側(cè)，就會(huì)發(fā)生起皺.

　　圖 10 內(nèi)高壓成形三通管成形窗口

　　可見，破裂臨界曲線和起皺臨界曲線構(gòu)成了三通管內(nèi)高壓成形的成形窗口，在成形區(qū)內(nèi)成形出的零件不會(huì)有破裂和起皺的缺陷;破裂區(qū)位于成形區(qū)的上方，零件只發(fā)生破裂而不起皺;起皺區(qū)位于成形區(qū)右側(cè)，零件只發(fā)生起皺而不破裂;起皺和破裂區(qū)位于破裂臨界曲線上方和起皺臨界曲線右側(cè)，零件同時(shí)存在起皺和破裂缺陷.此外，一旦發(fā)生破裂，成形將無(wú)法繼續(xù)，而當(dāng)起皺發(fā)生時(shí)成形過程并不會(huì)立即結(jié)束，皺紋會(huì)越來(lái)越大，直到內(nèi)壓超過破裂臨界曲線時(shí)，成形才結(jié)束.加載路徑1為破裂加載路徑，支管頂部受拉應(yīng)力減薄而破裂;加載路徑3為起皺加載路徑，在內(nèi)壓較低的情況下進(jìn)行補(bǔ)料，主管起皺嚴(yán)重;沿著路徑2進(jìn)行加載，當(dāng)補(bǔ)料量超過起皺臨界線之后就會(huì)發(fā)生起皺，繼續(xù)成形至內(nèi)壓超過破裂臨界線時(shí)，支管頂部破裂，成形出的零件存在破裂和起皺缺陷.

　　總之，當(dāng)加載路徑超出起皺臨界線時(shí)，就會(huì)發(fā)生起皺，但可以繼續(xù)成形;當(dāng)加載路徑超出破裂臨界線時(shí)，就會(huì)發(fā)生破裂，成形立即結(jié)束.只有同時(shí)在起皺臨界線和破裂臨界線之內(nèi)的加載路徑，才能成形出無(wú)缺陷的三通管.

　　5 結(jié)論

　　1) 通過實(shí)驗(yàn)給出了Y型薄壁三通管起皺和開裂的部位和類型：主管中部側(cè)壁發(fā)生橫向起皺，支管產(chǎn)生縱向起皺;破裂主要發(fā)生在支管頂部，在一定的條件下，還會(huì)在起皺之后再發(fā)生破裂.

　　2) 三通管內(nèi)高壓成形時(shí)，根據(jù)面內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)可分為3個(gè)區(qū)域：支管頂部為雙向拉應(yīng)力，主管和支管的過渡區(qū)為一拉一壓應(yīng)力，主管兩端以及主管的底部為雙向壓應(yīng)力.補(bǔ)料比對(duì)應(yīng)力狀態(tài)有顯著影響，通過調(diào)整補(bǔ)料比來(lái)改變應(yīng)力狀態(tài)，是避免起皺的有效措施.

　　3) 試驗(yàn)和數(shù)值分析表明，三通管內(nèi)高壓成形存在由臨界破裂曲線和臨界起皺曲線圍成的成形工藝窗口.當(dāng)軸向補(bǔ)料量與內(nèi)壓之間的匹配關(guān)系(即加載路徑)超過臨界破裂曲線將導(dǎo)致支管頂部破裂，超過臨界起皺曲線則導(dǎo)致主管起皺，當(dāng)加載路徑同時(shí)超出2個(gè)臨界曲線，則先發(fā)生起皺后發(fā)生開裂，2種缺陷并存.只有在該工藝窗口之內(nèi)才可同時(shí)避免起皺和開裂缺陷.

　　【興迪源機(jī)械簡(jiǎn)介】

　　興迪源是國(guó)內(nèi)第一家向市場(chǎng)提供智能金屬管材內(nèi)高壓成形設(shè)備的生產(chǎn)商，已向各個(gè)領(lǐng)域的客戶提供了數(shù)十臺(tái)各種規(guī)格的內(nèi)高壓成形設(shè)備，合模力從400T至5000T，高達(dá)500MPa。

　　興迪源內(nèi)高壓成形設(shè)備適用于制造航空航天、核電、石油化工、飲水系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、汽車以及自行車行業(yè)的復(fù)雜異形截面空心構(gòu)件。主要產(chǎn)品有空心結(jié)構(gòu)框架、汽車車身支撐件、副車架、底盤件、進(jìn)排氣系統(tǒng)管件，以及航空航天飛行器構(gòu)件、軍工行業(yè)管件、發(fā)動(dòng)機(jī)中空軸類件、發(fā)動(dòng)機(jī)組合式空心凸輪軸和復(fù)雜管件等。