基于Dynaform的某T形管件内高压成形工艺研究

随着社会的发展，人们对汽车废气排放的要求越来越严格，汽车轻量化已成为汽车行业发展的必然要求，而内高压成形技术在汽车轻量化领域发挥着十分重要的作用。内高压成形技术具有一次成形的特点，对于复杂的结构件而言，可以减少许多的焊接工序，同时也减少了一些不必要的质量问题，降低了生产的成本。内高压成形的零件具有很好的刚度，在各行各业均有很好的应用。本文通过有限元分析软件Dynaform 对某T 形管件的内高压成形过程进行有限元分析，研究其成形过程中的问题，并得到最优的成形方案，为实际的生产提供指导。

零件结构分析

图1 为T 形管件的三维模型。该管材结构对称，厚度均匀、较薄，整体成形工艺较为简单。其长度为60mm，厚度均匀为1.6mm，圆管截面A-A 部分与C-C 左右对称， 为外径23.7mm，内径20.5mm 的环形， 长度约为14mm，截面B-B 周长为97.80mm，长度约为32mm，T 形管件截面示意图，如图2 所示。

图1 T 形管件的三维模型

三段截面位置

    

A-A 截面                 B-B 截面

图2 T 形管件截面示意图

按照要求材料选用屈服钢Q235，屈服强度为235MPa，膨胀率为105%，其含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，适用于类T 形管零件的成形。整体成形存在成形困难区（图1），该区域的外倒圆角和内倒圆角较小，加之受摩擦力的影响，胀形过程中金属流动困难，需在轴向增加进给量，以补充该部分料的缺失，使管材整体成形厚度分布均匀。

可以选用内高压胀形成形，实际生产中考虑加工余量，管材长度应给予加长，整个工序可为：下料→内高压胀形→切割整形。

有限元模型建立

利用CATIA 提取零件曲面并建模，根据零件特点先采取上下合模，同时施以一定的液压，然后左右冲头沿位移曲线轴向进给，液压也按加压曲线增加到某一值，从而使管坯与模具贴合，模具有限元模型如图3 所示。

图3 模具有限元模型

管坯的材料模型直接选择Dynaform材料库中对应Q235 的材料模型为CQ（36），其应力应变曲线如图4 所示。根据零件的结构可知，最小截面外径为23.7mm，考虑到管材的膨胀率，将有限元管材的直径设为23mm，厚度设为1.8mm；零件的长度为60mm，考虑到后续的切割加工，管坯长度选取80mm。

图4 材料应力- 应变曲

液压成形参数设置如下：⑴合模距离，即上下模的初始间距，设置下模为参考，位置固定，上模基于管坯偏置一定距离，可以根据实际模拟情况自行调整；⑵轴向进给量，即冲头合模之后继续进给距离，根据体积不变原理，中间部分完全成形所需的体积由两端金属的流动补充，据此可以算出进给量；⑶液压加载路径，即液压随时间变化曲线，加载曲线要满足材料的屈服准则及最后成形的效果要求。主要参数：屈服压力、极限压力、校形压力，加载路径如图5 所示。

图5 液压加载路径

在上下模具合模时给管坯内部施加恒定的液压，对管坯起到一定支撑作用，以保证合模时管坯的形状不会发生畸变。根据实际要求合模距离设为12mm，单侧冲头轴向进给量2～2.5mm，屈服压力(PO 设为50MPa，极限压力（Pa）设为120MPa，校形压力（Pb）设为150MPa 左右。

模拟结果及分析

管形件成形质量的评价指标：⑴管坯的成形厚度分布情况及均匀情况；⑵管坯与模具的贴合程度，若管坯的贴模度不足，没达到零件要求的标准，可以改变整形压力，增加贴合度。

将理论计算值作为初始模拟数值，即合模距离12mm，单侧冲头进给量2.2mm，PO=50MPa，Pa=120MPa，Pb=150MPa，其模拟结果如图6 所示。

图6 所示为成形极限图，中间部分呈现绿色表示成形安全，蓝色区域表示表示有折叠趋势，粉色区域表示有折叠现象，紫色区域表示有严重折叠，所以由图可知管坯未发生破裂现象，但是折叠现象严重，中间区域为主要成形部分，成形良好，但两侧圆管区域折叠严重。

图6 成形极限图

由厚度分布图（图7）可知，成形管坯的厚度分布为1.558 ～ 3.026mm，最大减薄率为13.4%，最大增厚率为68.1%，中间部分四周圆角区的厚度为1.63 ～ 1.70mm。按照江淮管材内高压成形质量标准，减薄率与增厚率均要小于15%，考虑到要对成形管件作整形处理，切割掉两侧多余的金属，可以看出成形后管坯最大增厚处为2.512mm，且管材径向胀形不均匀，导致截面大小不一致。

图7 厚度分布图

管材径向胀形是否充分要看材料与模具之间的间隙，若间隙较小且均匀，则可认为管材胀形效果良好。图8 为管材与上模的距离分布，排除两侧切割区域，整体间距介于0.642 ～ 1.316mm，胀形效果不好。

图8 成形管材与模具距离分布

从成形结果来看，成形厚度分布较为合理，但管材与模具贴合度较低，分析可能是由整形压力较小，加之轴向进给过大造成的。对其进行第二次模拟，本次合模距离的模拟数值为12mm，单侧冲头进给量2mm，PO=50MPa，Pa=120MPa，Pb=180MPa， 其模拟结果如图9 所示。

图9 成形极限图

从图9 中可知本次的成形效果不如初次模拟的效果，从成形极限图中可以看出成形安全区减少，且折叠区也增加了；从图10 可知厚度分布为1.513 ～ 3.355mm，最大减薄率15.94%，中间难成形的四个圆倒角区的厚度在1.79mm 左右，接近原管坯厚度，但从成形表面来看效果不好。综合分析是由于整形压力过大，而且轴向进给较大造成的。

图10 厚度分布图

图11 为切割后管材与模具距离分布。由图可知管材与模具的距离主要介于0.514 ～ 0.985mm，胀形效果有所改善，但中间部分四周倒圆角区域的间距较大，该部分金属流动性较差，未能充分胀形。

图11 切割后管材与模具距离分布

在第三次模拟中， 其模拟数值为合模距离12mm，单侧冲头进给量1.5mm，PO=50MPa，Pa=120MPa，Pb=160MPa，同时在160MPa 下保压0.01s，模拟结果如图12 所示。

图12 成形极限图

如图12 所示，管材的整体成形效果比之前两次的好，折叠现象仍然存在但减少很多，厚度分布为1.572 ～ 2.740mm，最大减薄率为12.67%，满足最低减薄率要求。两端切割过后的管坯如图13 所示，体厚度分布较均匀，厚度最大处约为2.043mm，主要集中在中间部分圆倒角区域，这部分可能由于未能及时向圆倒角处补料造成的。而从管坯与模具的间距来看，间距介于0.645 ～ 1.104mm，效果不佳，分析是由于折皱较多造成的。而从管坯与模具的间距来看（图14），间距介于0.645 ～ 1.104mm，效果一般，分析可能是由折皱较多造成的。

图13 厚度分布图

图14 管材与模具距离分布

结论

从以上模拟结果可以得出，该管件使用内高压成形工艺是可行，其主要问题及相应的措施如下：

⑴管件两端圆截面的部分在成形过程中出现折皱现象，这是由轴向进给与整形阶段的压强匹配不够好，使得金属径向流动不充分造成，需要找到一个合理匹配的范围，以实现管材的表面光滑整齐；

⑵中间部分四周的圆倒角区域是难成形的，在多次模拟之后该区域的厚度达到使用要求，但未达到原管件均厚1.6mm 的要求，若以原管件1.6mm 的厚度为要求，最薄平均为1.550mm 左右，最厚平均为2.077mm，整体分布不太均匀，较厚处主要集中在管坯的两端；

⑶该管件较优的成形参数还需进一步的优化，才能达到实际生产的要求。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第12期