厚壁结构管件刚模塑性成形过程的数值模拟与工艺研究

基于刚塑性有限元法,忽略了回弹和管坯与模具、芯轴的间隙的影响,建立了简化的有限元模型,对厚壁管压弯、压扁成形过程进行了数值模拟,得到了各场量的分布。根据应力分布结果,对起皱和破裂等缺陷进行分析预测,并根据截面变化情况,研究了芯轴对截面畸变的作用与影响。该研究对厚壁管件弯曲和扁化过程的工艺方法提供了依据。     

内高压成形技术现状与发展趋势

介绍了内高压成形原理,工艺分类、优点、应用范围和适用材料,综述了国外内高压成形在工业领域尤其汽车工业的应用情况,给出了用内高压成形制造的典型结构件、枝杈管件、异形管件和空心轴类件.详细介绍了国内研制的400MPa内高压成形机参数及在该设备上试制的铝合金管件、不锈钢管件、空心阶梯轴和轿车后轴纵臂等内高压成形件.最后指出内高压成形需要深入研究的课题和发展趋势.     

内高压成形技术现状与发展趋势

介绍了内高压成形原理、工艺分类、优点、应用范围和适用材料,综述了国外内高压成形在工业领域尤其汽车工业的应用情况,给出了用内高压成形制造的典型结构件、枝杈管件、异形管件和空心轴类件.详细介绍了国内研制的400MPa内高压成形机参数及在该设备上试制的铝合金管件、不锈钢管件、空心阶梯轴和轿车后轴纵臂等内高压成形件.最后探讨了内高压成形需要深入研究的课题和发展趋势.     

铝合金矩形截面管充液成形工艺研究

目的研究低延伸率和低厚向异性指数的铝合金管,在充液成形过程中的材料变形行为。方法采用低压预成形的方法来改善管坯材料的流动,并与传统不带内压的预成形结果进行了对比。结合有限元分析手段研究了铝管弯曲过程管坯尺寸、弯曲半径的选择对零件壁厚分布的重要性。结果有限分析方法结合试验研究表明,低压预成形可以有效抑制铝合金弯曲轴线管件的开裂。结论初始管材截面外壁周长应等于或略小于模具截面内壁周长;弯曲半径的选取要兼顾弯曲工艺难度和管坯贴模度;低压预成形能够大大改善矩形截面过渡圆角区的材料流动,避免破裂、死皱等典型缺陷的发生。     

轻质高强异形管件充液压制成形技术

目的 针对轻质高强异形管状构件的迫切需求,研发了充液压制成形技术,以在低载荷下成形出具有高强度、大尺寸、小圆角等特征的异形空心薄壁管状构件。方法 给出了充液压制成形的力学原理,建立了成形过程压制力计算模型与临界支撑内压理论模型,分析了充液压制成形过程失稳屈曲/起皱规律、圆角充填机理与壁厚分布规律。结果 当管材充液压制过程所需的支撑内压为内高压成形压力的1/10~1/20时,就可以避免管坯发生失稳屈曲与起皱,同时使压制力大幅降低。在弯曲与压缩应力复合作用下对管坯进行圆角充填,充液压制成形得到的管件壁厚减薄非常小。结论 利用小吨位合模压力机在超低压条件下可以充液压制成形出具有小圆角与均匀壁厚的轻质高强异形管件,解决了传统内高压成形压力高、易发生开裂等难题。     

铝合金矩形管绕弯件尺寸精度的试验研究

铝合金矩形管绕弯成形时,截面畸变及回弹等问题严重影响弯曲件的几何精度,为了控制铝合金矩形管绕弯成形时弯曲件的尺寸精度,本文采用试验与理论相结合的方法研究了材料屈服强度及相对弯曲半径对矩形管截面畸变与回弹的影响.结果表明:随着屈服强度的增加,截面畸变及曲率半径回弹率也增加,但垂直径向方向的截面畸变变化相对较小;随着相对弯曲半径的增加,径向方向截面畸变及曲率半径回弹率逐渐减小,垂直径向方向截面畸变相差甚微.这为提高铝合金矩形管绕弯精度提供了有效途径.     

内高压成形合模力对变径管尺寸精度的影响

目的 在内高压成形过程中,合模力加载不合理不仅会导致模具寿命降低,而且容易引起管件截面精度超差,需探究合模力对管件截面尺寸的影响以改善这一缺陷。方法 以低碳钢和铝合金变径管为例,采用内高压成形实验与数值模拟的方法,在两种不同的加载条件下分析合模力对管件截面尺寸精度的影响规律。结果 变径管内高压成形时,模腔上、下侧的等效应力高于左、右侧,模腔顶部的径向位移最小,分型面附近的径向位移最大。模腔在合模力的作用下被压扁,导致卸载内压和合模力后管件截面竖直方向的直径始终小于水平方向,存在一定的不圆度。SAPH440低碳钢和6063铝合金变径管的截面最大不圆度分别为0.27%和0.26%。结论 在内高压成形过程中,合模力对截面精度的影响不可避免,需通过增大模具尺寸或采用可变合模力的加载方式以减小其影响。     

加载条件对内高压成形管件尺寸精度的影响

为了研究内高压成形管件横截面尺寸变化规律,获得管件横截面尺寸精度的调控方法,采用内高压成形实验研究了内压和合模力加载条件对低碳钢变径管直径尺寸精度的影响规律。结果表明:随着内压从60 MPa增加到210 MPa,变径管直径逐渐增加,卸压出模后管件发生0.045%～0.075%的回弹,当内压为150 MPa时,获得的管件直径尺寸精度最高。随着合模力增加,变径管水平方向的直径尺寸逐渐增大,竖直方向的直径尺寸逐渐减小,横截面不圆度增大,导致尺寸精度降低。因此,在内高压成形中,可通过增加模具尺寸或采用可变合模力加载以降低合模力对管件横截面尺寸精度的影响,也可通过控制内压使模具弹性变形量恰好等于管件回弹量,从而使管件最终直径尺寸等于设计值,以保证管件的横截面尺寸精度。     

780 MPa 超高强钢扭力梁内高压成形研究

目的为了适应载荷和安装空间及轻量化的要求,轿车扭力梁正趋于设计成空心封闭变截面高强钢结构,但高强钢成形存在着回弹大、成形精度低等缺点。方法针对这一问题,采用数值模拟和实验的方法,开展了780 MPa超高强钢扭力梁内高压成形研究,重点研究了预制坯形状对扭力梁内高压成形的影响,并采用响应面模型,优化了预制坯,获得了最优的预制坯形状。在此基础上,研究了加载路径对扭力梁内高压成形过程的影响。结果当扭力梁预成形压下量为62.2 mm,下模引导角为29.2°时,得到了最优的预制坯形状。后续内高压成形过程中,支撑压力过小或补料量过大,在试件端部引起起皱缺陷;支撑压力过大或者补料量过小,补料主要集中于端部,对大膨胀量区域影响较小;当采用补料量为8%的加载路径时,可以有效改善壁厚的分布,避免起皱缺陷。结论合理的预制坯形状能够有效避免超高强钢扭力梁内高压成形过程中的飞边缺陷,而加载路径控制是扭力梁内高压成形过程中避免起皱缺陷和过度减薄,提高成形极限和零件成形精度的重要途径。     

高强 TA18 钛管连续整体多弯成形精度控制

目的研究获得基于多指标的高强TA18钛管整体多弯管件成形精度控制的方法。方法在获得高强TA18钛管数控弯曲非线性回弹和伸长规律的基础上,研究回弹角、回弹半径的补偿方法和伸长控制方法,其次将获得的成形精度控制方法进行多弯模拟应用验证。结果对于回弹角和回弹半径,采用先补偿回弹半径再补偿回弹角的两水平顺序控制方法;对于弯曲伸长,采用预先减少管材下料尺寸和改变弯头位置来控制回弹后直线段长度的控制方法。结论应用上述控制方法,将多弯模拟结果与预成形管件几何尺寸进行对比,获得成形角度、半径和直线段长度的最大相对误差分别为1.00%,5.51%和5.04%。上述误差满足多弯管件装配精度要求,证明所提出的成形精度控制方法是可靠的。     

复杂截面型材力控制拉弯成形数值模拟分析

复杂截面挤压型材的高精度拉弯成形是制造框架式车身的关键技术.本文基于动态显式有限元软件PAM-STAMP,针对一种典型的框架武车身用复杂截面挤压型材,对其力控制方式的直进台面式拉弯成形进行了数值模拟研究,对比分析了两种截面形状的型材截面畸变和回弹随补拉力增大的变形规律,并得到了摩擦系数对成形精度的影响.数值模拟结果表明,增加型材截面的变形刚度,可以显著地减小截面畸变和回弹;增加补拉力,增大了截面畸变但减小了回弹;增大摩擦系数,截面畸变量减小而回弹增加.     

铝型材构件多点变曲率拉弯制件回弹研究

目的 研究不同预拉伸量和补拉伸量对矩形变曲率构件回弹的影响,以提高柔性三维拉弯成形精度。方法 用有限元模拟了矩形变曲率铝型材三维拉弯成形过程,并用试验验证了有限元模拟的精度,设计了5组不同的预拉伸量参数和补拉伸量进行三维拉弯成形有限元模拟。结果 大曲率和小曲率段试验和有限元模拟的回弹误差小于2 mm,表明有限元模拟分析可以很好地对矩形变曲率构件进行模拟。得出的数据表明预拉伸量对于小曲率弧段回弹的影响比对大曲率弧段的影响更大,当预拉伸量增长到1.0%以后,回弹的下降幅度不再明显;随着补拉伸量的增大,变曲率拉弯制件两段的回弹均得到较好的抑制,当补拉伸量为1.4%时,制件靠近夹钳端出现了缩颈缺陷,产生了较大的质量缺陷。结论 研究证明适量增加预拉量和补拉量能有效减小柔性三维拉弯成形回弹。     

钛合金管件高压气胀成形工艺研究进展

高压气胀成形是在内高压成形基础上发展起来的管件成形技术,采用气体介质加载,可在高温下成形钛合金构件。以Ti-3Al-2.5V钛合金管材为实验材料,开展了矩形截面构件和大截面差构件高压气胀成形工艺研究,提出了气压阶梯加载方法和气压与轴向位移匹配的加载方法。结果表明,利用Ti-3Al-2.5V钛合金在一定温度和应变速率范围的应变和应变速率双硬化机制,采用合理的加载路径,能够消除开裂缺陷,以较高的效率实现钛合金异形管件的成形制造,并且构件壁厚相对均匀,形状和组织性能均可得到有效控制。     

双向梯形夹芯板柱面弯曲成形回弹分析

整体弯曲成形是制造曲面夹芯板高效且经济的方法,其成形特点与回弹预测是重点研究方向。采用结合有限元的半解析法对双向梯形夹芯的力学参数进行推导,获得夹芯等效弹性常数,分析上、下面板不等厚夹芯板柱面弯曲成形时面板与夹芯的变形特点及应力中性层的变化,在此基础上建立夹芯板平面应变弯曲回弹理论计算模型,预测夹芯板弯曲成形的应力分布与回弹,并与数值模拟及多点弯曲成形实验结果进行对比。结果表明:夹芯板回弹量与中厚板十分接近,回弹量较小,易于控制成形精度;理论预测的横截面切向应力与回弹都偏大,其中上面板应力相对误差在2.9%以内,下面板应力相对误差在6.5%以内,下面板纵向中心截面线误差在1.0mm范围内,各项误差均在很小范围内,验证了本工作回弹计算模型的准确性。     

Formulation of springback and machine setting parameters for multi-pass three-roller cone frustum bending with change of flexural modulus

Roller bending process can be used to plastically deform a sheet or plate to hollow shapes of constant (i.e. cylindrical, elliptical) or varying (i.e. cone frustum) cross sections. Cylindrical and conical shells are the basic components of vessels and structures used for the various engineering applications. Reported work discuss the formulation of springback and machine setting parameters for continuous multi-pass bending of cone frustum on three-roller bending machines with non-compatible (cylindrical) rollers. Effect of change of flexural modulus during the deformation on springback prediction is analyzed. Effect of plate initial radius, number of bending passes and step interval for two successive bend radii on the springback is presented. Analytical results of multi-pass cone frustum bending were verified with the cone frustum bending experiments and found to be in good agreement. Work reported is expected to improve the accuracy and productivity by facilitating the fabrication engineers.     

管材内高压成形多步法数值模拟

利用动态显式有限元程序LS-DYNA,采用多步法和单步法两种方式,以某型号副车架为例,对曲线空心构件的内高压成形过程进行了数值模拟研究,给出了两种方式下副车架内高压成形后的壁厚分布.在模拟的基础上进行弯曲、预成形和内高压成形试验,获得了副车架内高压成形件,给出了典型截面的壁厚分布,并与两种模拟结果进行了比较.结果表明,采用多步法数值模拟技术模拟曲线空心构件的内高压成形过程,考虑了弯曲和预成形对后续的内高压成形过程的影响,模拟结果与试验结果基本吻合,能够更加准确地反映曲线空心构件的内高压成形过程.