0 引言
小弯曲半径弯头具有噪音低、柔性好、抗震耐高温和阻燃防火等而被广泛应用于工业生产中。常用的小弯曲半径弯头成形方法主要包括压弯、绕弯和推弯成形。李响等[1]分析了金属波纹管液压成形质量的影响因素以及常见的成形缺陷,总结了金属波纹管液压胀形工艺在生产工艺方面的研究进展。Muammer Kor[2]通过对加载路径的优化以及改变材料性能,从而实现提高管材液压成形质量。黄丰天等[3]通过分析异形三通管成形失效原因,提出了采用充液拉深成形工艺代替传统冲压成形工艺,实现了工艺改进和产品质量的提高。王华军等[4]研究了内外摩擦因数对管材弯曲成形过程中应力应变、成形载荷以及管材壁厚度变化的影响。彭景等[5]通过采用无内压预压弯成形、内高压压弯胀形和液压锻造整形3道成形工序对零件进行成形,并用有限元模拟验证了工艺的可行性。小弯曲半径弯头一直是管材弯曲成形领域的难点,胡蓝等[6-8]提出了双层管充液压弯的方法,得到了相对弯曲半径1.98的不锈钢小弯曲半径弯头;王小松等[9]通过充液压弯工艺得到了相对弯曲半径2.77的大口径薄壁铝合金管;林磊等[10]同样使用充液压弯技术成形相对弯曲半径1.47的弯管;李恒等[11]使用塑性变形理论和最小能量原理通过实验获得了相对弯曲半径1.75的铝合金管材;杨恒等[12]开发了一种差热加工技术,成形了相对弯曲半径1.5的钛合金管材。Abdolhanmid等[13]通过辅助推弯技术获得了相对弯曲半径为1的铜合金弯管。
有限元数值模拟分析及响应面优化普遍应用于工业生产优化中,具有节约经济成本和实验成本的优点,在工艺优化及工业生产中具有重要的地位。于弘喆等[14]通过数值模拟软件,建立了双曲率薄壁铝合金盒形件主动式充液成形的有限元模型,通过对零件成形的起皱和破裂情况进行分析,优化确定最佳的工艺参数。施立军等[15]通过有限元模拟及其实验验证,优化了影响管件壁厚变化率的侧推补料量,获得了侧推补料量最优参数。Nakano等[16]利用有限元法对变截面钢管进行液压成型的可能性进行了研究,并进行了试验验证,提出了有益褶皱对成形性能的影响;Hasanpour等[17]通过对相对弯曲半径为2的铝合金管建立了有限元模型,研究了各向异性对起皱的影响。吴云峰等[18]针对某增压管路出现的焊缝开裂问题,进行增压管路焊缝结构疲劳损伤实验分析与有限元仿真。刘道坤等[19]通过有限元软件新型的固体火箭发动机耐高温尾喷管复合堵盖在相同外界条件、不同防热结构下的力学特性以及传热效应进行三维数值模拟研究。于波等[20]通过采用有限元模拟和实验相结合的方法,研究了不同摩擦系数条件下管材自由弯曲过程中应力、应变分布,截面畸变率和壁厚分布的变化情况。
本文中对小弯曲半径弯头进行了工艺设计和研究。为了降低成形该零件的模具成本和时间成本,本文中通过对小弯曲半径弯头成形的工件进行结构设计和工艺优化,通过响应面法,对管材成形过程中的工艺参数进行优化,提高小弯曲半径弯头的成形质量,降低壁厚减薄率,从而改善生产效率。通过本文中的研究,可以更好的指导相关零件的成形参数设计,大幅提高零件成形效果,对相关管件的工艺参数设计提供一种新的成形设计思路。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
本文中采用的是TA1纯钛钛管,由于其具有低密度、高强度、耐高温以及耐腐蚀性等优异的性能,被广泛应用于航空航天和管路运输等方面。材料化学成分如表1所示。管材材料的基本力学性能参数如表2所示。
表1 TA1纯钛管材的化学成分(wt,%)
Table 1 Chemical composition of TA1 tube(wt,%)
成分FeOCNHTi含量0.50.40.080.050.015余量
表2 TA1纯钛管材力学性能
Table 2 Mechanical properties of TA1 tube
参数杨氏模量/GPa屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%泊松比数值116265550500.34
1.2 实验方法
目标件外径为69.2 mm,壁厚1 mm、弯曲半径为60 mm。采用充液压弯的方法,充液压弯成形是指一种以流体或模具为传递媒介对薄壁管材进行成形的一种塑性加工方法,其特点是在流体的作用下,在两侧推杆的作用下,实现薄壁管材与模腔的内壁结合,从而实现塑性变形。该工艺可以提高成形极限、降低回弹、提高表面质量、减轻结构重量、控制过程可控性和高精度,在航空航天制造领域得到了广泛的应用。如图1所示,将液体通入钛管内部达到预设压力,使管内壁受力均匀,接着进行合模运动和推头进给,使钛管贴膜,达到良好的成形效果。
图1 充液压弯工作原理
Fig.1 Principle of tube press-bending process with internal pressure
2 有限元模拟分析
2.1 有限元模型的建立
液压成形主要包括初始填充阶段、合模压弯、进给补料和整形阶段4个过程, 充液压弯过程中成形前内压力、单边补料量和摩擦系数是产品成形的关键影响工艺参数。本文中采用Dynaform有限元软件开展数值模拟分析,研究充液压弯方式相关参数对目标零件液压成形的影响规律,将成形前内压力、单边补料量和摩擦系数分别设置为x1、x2和x3,液压成形后的最小减薄率和最大增厚率分别为δ和h首先,采用SolidWorks三维制图软件对所需模具和管坯分别建模,然后,导出保存为*.iges文件格式,最后导入Dynaform有限元软件进行模拟分析。小弯曲半径弯头及模具有限元模型如图2所示。
图2 有限元模型
Fig.2 Finite element model
由图2可知,管材具有较长的弯曲段,需要先通过充液使管内达到预设的压力,通过合模对管材进行压弯,为防止材料因减薄率过大而发生破裂或者失稳起皱的现象,在合模的过程中对管材进行进给补料,使材料发生流动性,降低减薄,提高纯钛管的成形性,因此,该零件的成形路线为管坯—充液预压—合模压弯+进给补料—高压整形。
2.2 初定最小成形压力
在实验过程中,最小成形压力是决定成形质量关键因素通常,成形压力过小零件会发生失稳起皱的现象,因此通过有限元对不同内压力进行分析模拟,如图3所示,在相同的进给量和摩擦系数的条件下,5、7、10 MPa的成形压力对成形结果的影响规律。
图3 不同内压力成形效果
Fig.3 Forming results under different internal pressures
图3(a)为内压力为5 MPa时模拟结果,从结果可以看出,存在明显的失稳起皱缺陷;而图3(b)内压力为7 MPa时存在无法完全贴模的缺陷;而在图4中,内压力为10 MPa时,管材的成形效果最佳,没有出现失稳起皱和无法贴模的缺陷。且在图中可以看出,弯管减薄率最大的位置位于弯管最外侧,增厚最大的位置位于弯管最内侧,所以在接下来的响应面分析中采用最低10 MPa内压力,对最大减薄率和最大增厚率进行参数优化。
图4 最小内压力成形效果
Fig.4 Forming results under minimum internal pressure
3 响应面优化
3.1 响应面模型的设计方案
响应面分析通常采用一阶或二阶模型,其表达式分别为
(1)
(2)
其中: y0为响应量,xi、xj工艺参数,ε为实验随机误差,k为设计变量个数,β0为未知常数,βi、βj、βjj分别是一、二阶项的系数, xi、xj为参数i与参数j间的交互作用; βij为参数i与参数j之间的交互作用系数。通过对目标零件有限元模拟结果分析,根据单因素实验的结果,将最小减薄率和最大增厚率最为响应值,选择对实验结果影响最大的成形前内压力、单边补料量和摩擦系数3个因素作为自变量进行分析,分析软件选取Design-Expert 13软件,确定各设计因素水平值如表3,采用CCD设计得到的实验方案如表4。
表3 设计因素水平值
Table 3 Design factor level value
工艺参数符号水平-10-1单边补料量/mmX103.57摩擦系数X20.050.1250.2内压力/MPaX31055100
表4 响应面实验设计及结果
Table 4 Experimental design and results of response surfaces
No.工艺参数单边补料量/mm摩擦系数内压力/MPa响应量最大减薄量/%最大增厚量/%100.051017.31.7200.201016.81.5300.0510032.81.7400.2010038.51.5570.051018.22.0670.201015.74.3770.0510029.72.0
续表(表4)
No.工艺参数单边补料量/mm摩擦系数内压力/MPa响应量最大减薄量/%最大增厚量/%87.00.20010026.89.593.50.1255532.01.7103.50.1255532.01.7113.50.1255532.01.71200.1255533.01.71300.1255533.01.7147.00.1255527.34.0157.00.1255527.34.0163.50.0505528.01.7173.50.2005533.21.5183.50.1251018.21.7193.50.12510033.81.7203.50.1255532.01.7213.50.1255532.01.7223.50.1255532.01.7233.50.1255532.01.7243.50.1255532.01.7253.50.1255532.01.7
3.2 响应面模型的分析
3.2.1 最小减薄率的响应模型分析
对响应面进行求解完成后,得到如图5所示的相关性矩阵,图中,越偏向于红色相关度越高,约偏向于蓝色相关度越低。由图可知2个参数变量对响应目标的影响有着显著差异。其中单边补料量和内压力对零件的最小减薄率的影响最显著。其补料量与最小减薄率相关性为负数,呈现负相关,说明随着单边补料量的增加,将会降低减薄率;同时内压力与最小减薄率相关性为正数,呈现正相关,说明随着内压力的增大,会再增加材料的减薄率;在相关性矩阵中,摩擦系数对于材料的减薄率影响不大。
图5 相关性矩阵
Fig.5 Correlation matrix
在最小减薄率的矩阵相关模型中单边补料量和内压力为显著影响因子,而摩擦系数为非显著影响因子。
采用标准二阶响应面算法求解响应面模型,生成的单边补料量、内压力对材料壁厚减薄率的三维关系如图6所示。
图6 单边补料量和内压力对壁厚减薄率的 三维响应图
Fig.6 The three-dimensional relationship between the amount of unilateral feed and the internal pressure on the wall thickness reduction rate
图7为单边补料量和摩擦系数对壁厚减薄率的三维响应图。可知,补料量越大,壁厚减薄率越小;再能保证零件不失稳起皱的情况下,内压力越小,壁厚减薄率越小。另外,摩擦系数也需要在一定范围内适度进行调整;在零件成形状态良好的前提下,摩擦系数可以适量小些,使材料能够发生流动,方便推头进行补料,降低材料的壁厚减薄率。通过对壁厚减薄率的响应面分析计算,得出关于降低壁厚减薄率的最优参数如表5所示。
图7 单边补料量和摩擦系数对壁厚减薄率的 三维响应图
Fig.7 Three-dimensional response plot of unilateral feed and friction coefficient to wall thickness thinning
表5 关于降低壁厚减薄率的最优参数
Table 5 Optimal parameters for the maximum thinning ratio
单边补料量/mm摩擦系数内压力/MPa最大减薄率/%6.8830.19810.36315.251
3.2.2 最大增厚率的响应模型分析
由图5相关性矩阵可以得出,单边补料量、摩擦系数和内压力均 与最大增厚呈现正相关,随着3个自变量的增加,增厚程度也随之增加。同时可以看出,单边补料量是影响最大增厚率的最显著因素,其次是摩擦系数的影响,而内压力对增厚的影响不显著。
图8为摩擦系数、单边补料量和内压力两两因素间与最大增厚率的三维响应图。成形后的零件弯曲顶点壁厚最小,从顶部向下壁厚开始增加。可知,在较大的补料量和较小的摩擦系数的条件下材料的增厚程度使最大的;在保证零件良好成形的前提下,轴向进给量可以适量大些,能够达到对变形区进行一定的补料的作用。
图8 (a)摩擦系数、单边补料量与最大增厚率三维响应图; (b)单边补料量、内压力与最大增厚率三维响应图
Fig.8 (a)Three-dimensional response plot of friction coefficient, unilateral feed amount with maximum thickening rate; (b) Three-dimensional response plot of unilateral feed amount, internal pressure with maximum thickening
通过对壁厚增厚率的响应面分析计算,得出关于最大增厚率的最优参数如表6所示。
表6 关于最大增厚率的最优参数
Table 6 Optimal parameters for the maximum thickening rate
单边补料量/mm摩擦系数内压力/MPa最大增厚率/%7.00.21008.354
3.3 响应面优化工艺结果
因此,由最小减薄量和最大增厚量的三维响应面图可知,针对目标零件设置合理的单边补料量、摩擦系数和内压力可改善零件的减薄量和增厚量,为了使零件尽可能的降低减薄率,同时保证零件的成形效果,通过响应面对小弯曲半径弯头的各项参数进行优化处理,得出一组优化后的工艺参数如表7所示。
表7 优化后的工艺参数
Table 7 Optimized process parameters
单边补料量/mm摩擦系数内压力/MPa减薄率/%增厚率/%7.00.212.16415.75.792
由表7可知,优化处理后的参数为单边补料量7 mm,摩擦系数0.2,内压力12.164 MPa,预测结果为减薄率为15.7%,增厚率为5.792%。将优化后的参数导入有限元软件中进行模拟,模拟结果如图9所示,分别展示了壁厚分布结果和成形后应变路径分布情况。
图9 工艺优化后的模拟结果
Fig.9 Simulation results after process optimization
由图9的模拟结果可知,小弯曲半径弯头的成形效果良好,没有破裂和失稳起皱的风险,最大减薄率预测13.4%,增厚率为7.4%,总体来说,成形效果较为理想。
4 实验验证
液压成形设备及模具如图10所示,设备专用液压成形设备,同时本实验设备可以精准设置管材进给量、进给速度、液压力曲线等参数。成形模具主要由 推头、上模、下模组成。
图10 充液压弯设备及模具
Fig.10 Equipment and die
采用表7中优化过后的工艺参数进行试验,所得试验件如图11所示,最大减薄率发生在图10(a)所示部分,最大增厚率发生在图11(b)所示部分,因此采用壁厚仪进行壁厚检测,得出结果如图12所示。
图11 工艺优化后的零件样本
Fig.11 Samples of parts after process optimization
图12 优化工艺壁厚分布
Fig.12 Optimized process wall thickness detection distribution
5 结论
通过有限元模拟,探究了不同参数对小弯曲半径弯头充液压弯成形的影响规律,进而采用响应面法对相关参数优化展开研究,最终实验的成形效果良好。现将相关结论归纳如下:
1) 单边补料量、内压力对零件的最小减薄率存在影响,随着单边补料量增大,内压力减小,减薄率明显降低;随着单边补料量、摩擦系数和内压力的增加,增厚也随之增加。
2) 借助响应面法,得到了小弯曲半径弯头成形的最佳工艺参数:单边补料量7 mm,摩擦系数0.2,内压力12.164 MPa。
3) 参考数值模拟结果加工的目标件,最大减薄率为15%,最大增厚率为5.7%,验证了响应面模型具有极高的可靠性。
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