异径四通管液压胀形工艺分析及过程仿真

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.01.050 第24誉第1期 北京科技大学学报 VoL.24 No.1 2002年2月 Journal of Universlty of Sclence and Teehnology Beljing Fcb.2002 异径四通管液压胀形工艺分析及过程仿真 杨海波”杨成)樊百林) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832邢台钢铁公司，邢台056000 精要将相似理论与正交试验设计引人计算机仿真方案的制定中，并使用大型通用非线性 有限元软件MARC/AutoForge对异径四通管的液压胀形工艺过程进行了仿真，得到了最佳T艺 参数. 关嫡调液压胀形：工艺参数：计算机仿真 分类号TP391.9:TG394;TG376.9 液压胀形是利用液体（水或油）作传力介质， 表1四通管液压胀形工艺过程主要影响因素 使金属管坯在液体压力下产生塑性变形的方 Table 1 Major effect factors of lquld bulge forming 法，具有传力均匀、工艺过程简单、成本低、所得 of the four-arm tube 零件质量高等特点，国内对液压胀形技术的研 影响因素 符丹量纲 影响因素符号量纲 究还处于起步阶段，对液压胀形过程的理论分 屈服极限 o.FL 支管壁厚 L 析多采用近似理论分析法，很难得到准确的结 弹性模量 E FL 变形后支管壁厚t: L 剪切弹性摸量 G FL 模具圆角半径 R L 果.作者使用通用非线性有限元软件MARC/ 泊松比 内压 Pa FL AutoForge对异径四通管的液压胀形工艺过程 摩擦系数 挤压力 Fo F 进行了仿真，分析了主要工艺参数对胀形结果 主管直径 D 挤乐速度 vo LT- 的影响 主管壁厚 to 平衡力 变形后主管壁厚， 平衡速度 v LT- 1量纲为一的参量推导 支管直径 采用量纲分析法，以异径四通管的液压胀 四通管液压胀形工艺过程的主要影响因素.这 形工艺过程（如图1）为例进行推导.表1为异径 些量之间有如下关系： fou E,G,u,f,Do,to,fol,Di,h,t; 平衡冲头 R,po,Fo,Vo,Fi,Vi)=0 模具 若取%，t,Po为参考量，其他为剩余量，并用 基本参量表示（如表2），则各量纲为一数为： 挤压冲头 元1=，/po,元=E1po,π=G/po, 元，=D/t,石=o/,元6=o1/11, 表2主要影响因素的量纲矩阵 Table 2 Matrix of major effect factors 参考量 利余量 管坯 vo h po G.E G Do to toi Dy th R Fo F v 11--2-2-2111111001 图1四通管液压胀形工艺过程示意图 [T-10000000000000-1 Fig.1 Illustration of liquld bulge forming F]001111000000110 of the four-ar道tube 行100000000000001 010000111111220 收稿日期20010307杨海波男，39岁，副教授 后001111000000110

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 “ 坤 】’ 卜 幼 异径 四通管液压胀形工艺分析及过程仿真 杨海波 ” 杨 成 ， 樊百 林 ” 匕京科技大学机械工程学院 ， 北京 哪台钢铁公司 邢台 摘 要 将相似理论与正交试验设计引入计算机仿真方案的制定中 ， 并使用大型通用非线性 有限元软件 卿对异径 四通管的液压胀形工艺过程进行 了仿真 得到了最佳工艺 参数 关抽词 液压胀形 工艺参数 计算机仿真 分类号 液压胀形是利用液体 水或油 作传力介质 ， 使 金 属管坯 在 液体压 力 下 产 生 塑 性 变形 的方 法 ， 具有传力均匀 、 工艺过程简单 、 成本低 、 所得 零件质量高等特点 国 内对液压胀形技术的研 究还处 于起步阶段 ， 对 液压胀形 过程 的理论分 析多采用 近 似理论分析法 ， 很难得 到准确 的结 果 作者使用通 用非线性有 限元软件 人 对 异 径 四通管 的液压胀形 工艺过 程 进行 了仿真 ， 分析 了主 要 工艺参数对胀形结果 的影 响 斑 四通管液压胀形工 艺过租主要影 晌 因， 介 幻除‘ 如 恤恤 血 朋 一纲为一的参 推导 采用 量纲分析法 ， 以异径 四通 管的液压胀 形 工 艺过程 如图 为例进行推导 表 为异径 影响因素 符号 最纲 屈服极限 氏 一 ， 弹性模量 一 ， 剪切弹性模量 一， 泊松比 一 摩擦系数 一 主管直径 主管壁厚 变形后主管壁厚 支管直径 影响因素 符号 纲 支管壁厚 变形后支管壁厚 模具圆角半径 内压 尸。 一， 挤压力 挤压速度 一 ， 平衡力 平衡速度 一 ， 平衡冲头 ︸一 ”几‘一︸，二 八一几 圈 四通 ，液压胀形工艺过租示 意圈 月 一 月 地 山 卜 口 加 四通管液压胀形工 艺过程 的主要影 响因素 这 些量之间有如下关系 八氏 ， ， ，产 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 只 ， ， 若取 ， ，， 为参考盆 ， 其他为剩余 ， 并用 基本参量 表示 如表 ， 则各量 纲 为一数为 兀 氏 两 ， 场 夕。 ， 场 夕 。 ， 瓜 ， 龙 ， 瓜 ，， 衰 主共影 晌 因幸的 纲矩 阵 介 扮 川 肠 “ 参 考 剩余 氏 一 一 一 一 一 一 杨海波 男 岁 ， 收稿 日期 加 刁 一 副教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．01．050

VoL.24 No.1 杨海波等：异径四通管液压胀形工艺分析及过程仿真 ·73 =D1/,元s=/,=R/t1, 真的特点，使影响因素的取值范闱尽可能大，取 =Fol(fipo),=Filtipo),n=v1/vo. pa=160-320MPa,R=15-40mm,v/=0.6-1.2, 在保持相似性不变的情况下，可以化成如 f=0.01-0.45,每个因素给定4个水平，安排为正 下形式： 交表L(4)(见表3). 元=p/o,=G,/E,π1=a,/G π4=t1/Do,π=l/Do,元。=to/Do, 3试验结果分析 =D1/Do,元4=1/D,元，=R/D0, 按正交表安排的试验方案，应用大型通用 πo=F1(po),π4u=F/(pa),πa=M/a 非线性有限元软件MARC/AutoForge对异径四 管坯和材料一旦选定，a,E,G,4,D,o,D 通管液压张形艺过程进行仿真计算，可得到 都是常量，，o1难以事先预测，因此可以去掉 大量的数据，如每个试验完成后的主管平均壁 ,,,π6，，项；当模拟「艺参数完全确定 厚ia、主管最大壁厚差△m、支管平均壁厚i,支 以后，挤压力F,和平衡力F,的大小也就随之确 管最大壁厚差△11等，对这些结果进行分析，即 定，因此π，项也可去掉.这样，与模拟过程密 可确定最佳T艺参数 切相关的量纲为一参量只剩下了4项，加上摩 以各因素的实际水平值为横坐标，以相应 擦系数f后，量纲为一方程为 的试验结果为纵坐标，得到图2-一图5，直观地 (pdla.,tDo,R/Do,vi/vo,=0 (1) 给出各因素对试验结果的影响.采用方差分析 经变换，上式可写成 法，可以研究这种影响的显著程度，以及计算各 I/Do=po/a.,R/Do,vi/vo,f) (2) 相应因素的F值，给定显若水平a下的F值相 问理，可考察异径四通管液压胀形工艺过 比，可以得到： 程其他参量的影响因素，得到类似方程 14.5 (a)内的影响 b)断角半径的影响 12.5 2正交试验设计 邑10.5 根据推导，影响异径四通管液压胀形「艺 8.5 160200240320 40302015 过程的量纲为一参量pa,R/Do,va,f分别对 Pe/MPa R/mm 应于内压P,过渡圆角半径R,平衡冲头与挤压 14.5 (c)冲头速度的能啊 ()摩擦系数的影啊 冲头的速度比y,和摩擦系数f根据计算机仿 目2.5 表3计算机模拟方素的正交实验表 10.5 Table 3 Orthogonal-experiment scheme of computer 8.5 0.50.81.01.20.01 0.150.350.45 simulation v/2 实验号pMPa R/mm Vi/Vv 田2各因素对主管平均壁厚的影响 160 40 0.6 0.01 Fig.2 Effects of factors on boss tube average thickness 2 160 30 0.8 0.15 160 20 1.0 0.35 9「(a内张的影响 (b)州珀半径的影响· 160 5 0.45 200 40 0 0.35 3 0.6 1 6 200 30 0.45 16020024032040302015 》 200 20 1.2 0.01 15 1.0 p,/MPa R/mm 200 0.15 1.0 (c)冲头速度的影响 (d)旅系数的能响· 9 240 0.45 o 240 30 1.2 0.35 240 20 06 0.15 240 15 0.01 13 320 40 1.2 0.15 14 320 30 0.50.81.01.20.010.150.350.45 1 0.01 ViV: 15 320 0.8 0.45 图3各因素对主管最大壁厚楚的影响 16 320 15 0.6 0.35 Fig.3 Effects of factors on boss tube maximum thickness

杨海波 等 异 径 四通 管液压 胀 形工 艺分析及 过程仿 真 真的特点 ， 使影 响因素的取值范 围尽 可 能大 ， 取 两 一 ， 二 ， ， 二 · 一 ， 二 刁 ， 每个 因 素给定 个水平 ， 安排 为正 交表 ，‘侈 见表 试验结果分析 按 正 交 表安排 的 试验方 案 ， 应 用 大 型 通 用 非线性有限 元 软件 吧 对异 径 四 通管液 压 胀形 二艺过 程 进 行仿 真计算 ， 可 得到 大量 的数据 ， 如每个试验完 成后 的主管平均壁 厚乙 、 主管最 大壁 厚 差△ 、 、 支管平均 壁 厚万 ，、 支 管最大壁厚差△ ， ， 等 ， 对这 些 结 果进 行分析 ， 即 可确定最 佳 工 艺参 数 以 各因 素的 实 际水平值 为横坐 标 ， 以 相应 的 试验结 果 为纵 坐 标 ， 得 到图 一图 ， 直 观地 给 出各因 素对 试验 结果 的影 响 采用 方差 分 析 法 ， 可 以研 究这种 影 响 的 显 著程度 ， 以 及计算各 相应 因素的 值 ‘ 给定 显 著水 平 卜的只 值相 比 ， 可 以 得到 一 黑竺 月句 圆角 ’ 卜径的影响 · 一 一 · 】 ，‘凡 公甘‘、气﹃︸ ‘日已‘ 瓜 、 、 ， 瓜 二 、 、 、 ， 瓜 、 ， 局 。 二 闪 ， 二 ，二 只 ， ， 场 ， 在保持相似性 不 变 的情况 下 ， 可 以 化成 如 「形 式 尤， 。 氏 ， 几 氏 ， 几 ， 瓜 。 ， 几 。 ， 瓜 二 ， ， 瓜 ， 。 ， 瓜 ，， 。 ， 瓜 。 ， 龙、。 对 · 。 ， 二、 、 只 君 · ， 兀， 二 巧 管坯 和 材料 一 旦 选 定 ， 氏 ， ， 沼 ， 马 ， ， 口 都是 常量 ， ， 难 以 事 先 预 测 ， 因此 可 以 去 掉 爪 ， ， 瓜 ， 瓜 ， 局 ， 肠项 当模拟 一 「艺参数完全 确定 以后 ， 挤压 力 和 平衡力 凡 的 大小 也 就随之 确 定 ， 因此局。 ， 二 项 也 可去 掉 这样 ， 与模拟过程密 切 相 关 的量纲 为一 参量 只剩下 了 项 ， 加 卜摩 擦 系数 后 ， 量 纲 为一 方 程 为 必勿岁氏 ， ， 。 ， ， ， 力二 经 变换 ， 上 式可 写 成 “ 尹加 。 氏 ， ，力 同理 ， 可 考 察异 径 四 通 管液 压胀形 土 艺 过 程 其他 参量 的影 响 因 素 ， 得 到类似方 程 正交试验设计 根据推导 ， 影 响异径 四 通 管液压胀形 ’ 艺 过 程 的量 纲为一 参量 了氏 ， 。 ， 汉讥 ， 分别对 应 于 内压 。 ， 过渡 圆 角 半 径 ， 平衡 冲头 与挤 压 冲头 的速度 比， 。 和 摩 擦 系数厂 根据 计算机仿 裹 计算机模拟 方案 的正 交实脸衰 介 时血呢 一 托血 ， 。 套 …哭鳄 弓 川 摩擦系数的影响 － 一 洲尸口 实验号 尸刃 ， 】 ， ， ， 圈 各因索对 主管平 均壁 厚 的影 响 喀 · 们’ 妇 肠 ， 内’哟 影响 川 ‘ ，圆” 黝瞥 一 、 、 丫 － ‘ 遏勺日月 冲 头速度 的影响 具 ， ’ 者 一 · ’ 摩擦 系数 的 才了凡七 一一 一一一一－ 一 一一一一上一』一一‘ 一一一一‘ ， ‘ 圈 各因索对主管 大 盛厚整 的影 响 · 卜姆 ， 乙山‘”几，，‘︸口︸了 … ， … ﹄ 一”︸︸︸ 络，，‘，‘乙，，、 ︸一‘︹︸、、气 ︸

74 北 京科技大学学报 2002年第1期 (a)内压的影响 (b)圆角半径的影响 紫铜管，而最佳内压范围在200~240MPa之间， 因此可以认为多通管液压张形的最佳内压近似 等于或稍高于材料的屈服极限. (2)假设管坯在变形中体积不可压缩，并且 160200240320 403020 15 Po/MPa R/mm 壁厚保持不变，则可以推导出y/=2. 、(©)冲头速度的影响 ()摩擦系数的影响 0.60.81.01.20.010.150.350.45 ViV 图4各因素对支管平均壁厚的影响 Fig.4 Effects of factors on secondary tube average thickness ()管坯与平衡冲头分离 (b)管坯撑破 图6平衡冲头对管坯胀型的影响示意 5 (a)内乐的影响 。b)圆角半径的影利 Fig.6 Efects of the balance force plug in liguid bulge for- ming 3 从分析结果可以看出，的最佳值为1， 160200240320 40302015 远远低于理论值.这一方面是因为在变形过程 Po/MPa R/mm 中主管壁厚增大造成的，另一方面是由于一部 (c)冲头速度的影响 ()摩擦系数的影响。 5 分金属在主管与支管相交的过渡区域内堆积造 m 成的.从图6中可以看出，当=1.2时，若内 压低于材料的屈服极限，则平衡冲头与支管端 部分离，起不到应有的作用：若内压高于材料的 0.60.81.01.20.010.150.350.45 屈服极限，则支管端部被撑破. 图5各因素对支管最大壁厚整的影响 (3)摩擦系数并非越小越好.从图3和图4 Fig.5 Effects of factors on secondary tube maximum 中可以看出，当f=0.01时，试验结果都偏离了最 thickness 佳值.但摩擦系数很难人为地进行控制.因此， (1)内压对主管平均壁厚，和支管平均壁厚 实际生产中仍有必要采取润滑、提高内棋表面 i均有显著影响； 质量等手段来减小摩擦系数. (2)摩擦系数对主管最大壁厚差△和支管 (4)圆角半径虽然对所考察的几个试验结果 平均壁厚，均有显著影响； 没有显著的影响，但对变形过程中的应力集中 (3)冲头运动速度对主管平均壁厚和支管 程度却有非常大的影响.为避免圆角半径处出 平均壁厚均有显著影响； 现过大的应力集中和起皱现象，R/D。=0.250.35 (4)圆角半径对试验结果无显著影响. 是理想的选择 由方差分析法的结论并结合图2一图5，可 得最佳工艺参数为：f=0.15,p=200-240MPa, 5结论 y/%=1.0,R=30mm. (1)使用大型通用非线性有限元软件对异径 四通管的液压胀形工艺过程进行仿真分析，这 4几个值得注意的问题 在国内尚属首次.应用仿真技术可以获得胀形 (1)当内压的取值范围在160-320MPa时， 各个中间过程管坯各个部分的应力场、应变场 其值并非越大越好.从图3一图5中可以看出， 以及模具和冲头的受力情况，这对深人研究金 当po=300MPa时，△tomu和△t1显著增大，诚 属内部塑性变形规律、优化模具及工艺过程具 小.而当p=160MPa时，i,i和△11m都偏离了最 有重要意义， 佳值.由于管坯材料是屈服极限为205MPa的 (2)建立了一套有效而实用的的研究方法

北 京 科 技 一 ’ 咫 压的影响 圆角半径的影响 口 一户十 ， 二 、 一 心、目日 扭 大 学 学 报 年 第 期 紫铜管 ， 而最佳 内压范 围在 之间 ， 因此可 以认为多通管液压胀形 的最佳 内压近似 等于或稍高于材料 的屈服极 限 假设管坯在变形 中体积不 可压缩 ， 并且 壁厚保持不变 ， 则可 以推导 出， ﹃了 摩擦系数的影响 心、口州目 二 ， 】一一 一 」 ，巧 圈 各因幸对支，平均盛厚的影晌 ’ 妞 比 一 叮 内压 的影响 戴 、 一 鱿匕二一。 冲头速度的影响 哎哭逻 响 一 工 墨鳖 ︸，心、 胃之日目月 二 ， 二 ， 巧 圈 各 因幸对支 大盛厚整 的影响 抽 们’ 妇 几 比 姗翻 口 日 内压对 主 管平均壁厚孔和支管平均壁 厚 牙均有显著影 响 摩擦系数对主管最大壁厚差△九 和支管 平均壁厚矛均有显 著影 响 冲头运 动速度对主管平均壁厚孔和支管 平均壁厚矛均有显著影 响 圆角半径 对试验结果无显 著影 响 由方差 分析法 的结论并结合图 一图 ， 可 得最佳工艺参数为 了 ， 。 一 ， 。 ， 二 们 管坯与平衡冲头分离 管坯撑破 目 平衡冲头对，坯胀型的影 晌示 意 电 目 代 恤 妙 从分析结果可 以看 出 ， 的最佳值为 ， 远 远低于 理论值 这一方面是 因为在变形过程 中主管壁厚增大造成的 ， 另一 方面是 由于一部 分金属在主管与支管相交的过渡区域 内堆积造 成 的 从 图 中可 以 看 出 ， 当， 时 ， 若内 压低 于材料 的屈 服极 限 ， 则 平衡冲头 与支管端 部分离 ， 起不到应有 的作用 若 内压高于材料的 屈服极限 ， 则支管端部被撑破 摩擦系数并非越小越好 从 图 和 图 中可 以看 出 ， 纷 ， 时 ， 试验结果都偏离 了最 佳值 但摩擦系数很难人为地进行控制 因此 ， 实际生产 中仍有必要 采取润滑 、 提高内模表面 质量等手段来减小摩擦系数 圆角半径虽 然对所考察的几个试验结果 没有显著的影响 ， 但对变形过程 中的应力集 中 程度却有非常大的影响 为避免 圆角半径处 出 现过大的应力集中和起皱现象 ， 刁 是理想 的选择 几个值得注意的问题 当内压 的取值范围在 一 。 时 ， 其值并非越大越好 从 图 一图 中可 以看 出 ， 当 。 时 ， △编。 和 △ 显 著增 大 ， 矛减 小 而 当 。 时 汤 ， 了 ，和 △ ，“ 都偏离 了最 佳值 由于管坯 材料是 屈 服极 限为 的 结论 使用 大型 通用非线性有 限元软件对异径 四通管的液压 胀形 工 艺过程进行仿真分析 ， 这 在国 内尚属 首次 应 用 仿真技术可 以 获得胀形 各个 中间过 程管坯各个部分 的应力场 、 应变场 以 及模具和 冲头的受 力情况 ， 这对深人研究金 属 内部塑性 变形 规律 、 优化模具及工艺过程具 有重要 意义 建立 了一 套有效而 实用 的 的研究方法

VoL24 No.1 杨海波等：异径四通管液压胀形工艺分析及过程仿真 ·75· 包括应用相似理论推导胀形过程工艺参数的量 参考文献 纲为一方程，采用正交试验设计方法建立仿真」杨海波.相似理论在冷拔钢管计算机仿真中的应用 方案，利用非线性有限元软件进行仿真计算，使 [.北京科技大学学报，1999,21(3：284 用直观分析法和方差分析法对结果进行分析等 2前忠原.试验设计与数据分析M.哈尔滨：哈尔滨船 4个方面，是解决多通管液压胀形和其他塑性 舶工程学院出版社，1991 成形领域现存问题的有效途径. 3王卫卫，罗上银.多通管液压胀形技术研究与应用小 锻压技术，1998,235)：37 4王同海.管材塑性加工技术[M北京：机械工业出版 社，1998 Analysis of Key Process Parameters in Liquid Bulge Forming of Four-Arm Tube and Computer Simulation YANG Haibo,YANG Cheng,FAN Bailin 1)Mechanical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Xingtai Iron and Steel Corporation,Xingtai 056000,China ABSTRACT Similar theory and orthogonal experiment method are applied to the computer simulation.The liquid bulge forming process of a four-arm tube is analyzed by using the non-linear finite element program, MARC/AutoForge.The computer simulation result gives the effects of main process parameters during the forming process and the optimal process parameters such as balance force,friction,radius of round angle,and rate of velocityare obtained. KEY WORDS liquid bulge forming;process parameters;computer simulation

杨海波等 异径四通 管液压 胀 形工 艺分析及 过程 仿真 包括应用相似理论推导胀形过程工艺参数的量 纲 为一 方程 ， 采用正交试验设计方法建立 仿真 方案 ， 利用非线性有限元软件进行仿真计算 ， 使 用 直观分析法和方差分析法对结果进行分析等 个方面 ， 是解决多通 管液压 胀形和其他塑性 成形 领域现存间题的有 效 途径 考 文 献 杨海 波 相似理论在冷拔钢管计算机仿真中的应 用 【 北京科技大学学 报 ， 俞忠原 试验设计与数据分析【 】 哈尔滨 哈尔滨船 舶工程学 院出版社 ， 引 王卫卫 ， 罗上银 多通管液压胀形技术研究与应用 姐压技术 ， 王 同海 管材塑性加工 技术〔 】 北京 机械工 业 出版 社 一 介 伽 ，’ ， 心 ，， ，’ 目 ， ， ’ ， ， 眼山。 明 ” 一 ， 如 贻 雌 ， ，