專利名稱：管件液壓成形的加載路徑快速確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管件液壓成形領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管件液壓成形技術(shù)近幾年發(fā)展迅速，在航空航天、汽車、兵器等領(lǐng)域的應(yīng) 用越來(lái)越多，管件液壓成形技術(shù)生產(chǎn)的零件具有減輕質(zhì)量、節(jié)約材料、提高強(qiáng) 度與剛度、減少零件和模具數(shù)量、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜谥圃煅亓慵S 線變化的圓形、矩形截面或異型截面構(gòu)件。
目前優(yōu)化構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)和減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)，特別 是近年來(lái)由于燃料和原材料成本原因及環(huán)保法規(guī)對(duì)汽車廢氣排放的嚴(yán)格限制，
使汽車結(jié)構(gòu)的輕量化顯得日益重要，對(duì)于轎車，每減輕重量10%，油耗可降低 8%-10%。結(jié)構(gòu)輕量化除了采用輕體材料(鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等)外， 減重的另一個(gè)主要的途徑就是在結(jié)構(gòu)上采用"以空代實(shí)"，即對(duì)于承受以彎曲 或扭轉(zhuǎn)載荷為主的構(gòu)件，采用空心結(jié)構(gòu)取代實(shí)心結(jié)構(gòu)，這樣既可以減輕重量節(jié) 約材料又可以充分利用材料的強(qiáng)度和剛度。例如采用空心度(內(nèi)徑與外徑之 比)0.S5空心軸代替實(shí)心軸，在同樣抗扭能力下，質(zhì)量減輕近50%。管件液壓 成形技術(shù)正是在這樣的背景下，開發(fā)出來(lái)的一種減重、節(jié)材、節(jié)能，具有很廣 泛應(yīng)用前景的輕體構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)。
管件液壓成形技術(shù)的成形原理是以管坯為原材，通過(guò)內(nèi)部施加液體壓力和 軸向加力補(bǔ)料將管坯壓入到模具型腔使其成形。圖1至圖4為管件液壓成形工 藝步驟示意圖。對(duì)于軸線為曲線的構(gòu)件，需要把管坯預(yù)彎成接近零件形狀，然 后加壓成形。
管件液壓成形是在內(nèi)壓和軸向補(bǔ)料聯(lián)合作用下的復(fù)雜成形過(guò)程，軸向補(bǔ)料 與內(nèi)壓的關(guān)系稱為加載路徑，只有給出合理的加載路徑，才能獲得合格的最終 零件。在實(shí)際成形過(guò)程中，如果加載路徑設(shè)計(jì)的不合理，當(dāng)壓力上升速度較慢， 軸向進(jìn)給速度較快，軸向變形來(lái)不及轉(zhuǎn)化為周向變形，材料就會(huì)在軸向聚集形 成折疊，使管坯產(chǎn)生屈曲或起皺；當(dāng)壓力上升速度較快，而軸向進(jìn)給速度較慢， 即軸向進(jìn)給量不足以補(bǔ)償周向變形量，出現(xiàn)減薄過(guò)度以致破裂。加載路徑影響
3零件截面的形狀，厚度分布和最終的成形尺寸。不同加載路徑對(duì)成形件壁厚分 布的影響也不同。所以加載路徑是管件液壓成形中的關(guān)鍵參數(shù)，它的確定受零 件幾何形狀，材料性能、壁厚、管徑及成形半徑等多方面因素的影響。如何優(yōu) 化和調(diào)整加載路徑是管件液壓成形中的技術(shù)核心，采用優(yōu)化后合理的加載路 徑，可以有效地實(shí)現(xiàn)成形區(qū)的補(bǔ)料，從而獲得更小的壁厚減薄率和相對(duì)均勻的 壁厚分布，提高管件的成形極限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決現(xiàn)有管件液壓成形合理加載路徑的確定依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn) 摸索，既增加試驗(yàn)成本，又浪費(fèi)大量時(shí)間的問(wèn)題，而提供一種管件液壓成形的 加載路徑快速確定方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是按以下步驟實(shí)現(xiàn)的
步驟一確定最終初始內(nèi)壓/^根據(jù)成形管坯的壁厚，管坯直徑，管坯
材料的屈服應(yīng)力計(jì)算出初始脹形壓力p。，計(jì)算公式為
1
『r^
式中^為管坯壁厚，j為管坯直徑，^是材料的屈服應(yīng)力，-為軸向應(yīng)
力^和環(huán)向應(yīng)力C70的比值，液壓成形時(shí)施加的軸向力為壓力，-的取值范 圍是-l《》《0;
由A)±0.3得到Pl和/ 2;根據(jù)管材成形前后體積不變?cè)瓌t計(jì)算出理論補(bǔ)料
量So，理論補(bǔ)料量&分別與A)、 A、P2配合，得到三條加載路徑，根據(jù)所述
三條加載路徑的模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，來(lái)確定成形區(qū)間的膨脹壓力的上限pmax
和下限Anin，并以所述區(qū)間得到一個(gè)最終初始內(nèi)壓A;
步驟二確定最終的軸向補(bǔ)料量Sh: &為理論補(bǔ)料量^的90%， &為理 論補(bǔ)料量&的80%,根據(jù)步驟一計(jì)算出的最終初始內(nèi)壓A分別與補(bǔ)料量So、 &、 &配合，得到三條加載路徑，根據(jù)三條加載路徑的模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，得 出最終的軸向補(bǔ)料量&;
步驟三確定加載路徑的斜率加載路徑的斜率即確定加載路徑與橫坐 標(biāo)軸的交角a ;選取不同a角的加載路徑進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu) 化，得出a角，即得到了管件液壓成形件的最佳加載路徑。
本發(fā)明的有益效果是首先準(zhǔn)確地快速確定出管件液壓成形合理的加載路徑，從而節(jié)約時(shí)間和試驗(yàn)成本；其次采用優(yōu)化后合理的加載路徑，可以有效地 實(shí)現(xiàn)成形區(qū)的補(bǔ)料，從而獲得更小的壁厚減薄率和相對(duì)均勻的壁厚分布，提高 管件的成形極限。


圖1至圖4是管件液壓成形工藝過(guò)程示意圖；圖5是具體實(shí)施方式
二中確 定初始內(nèi)壓的示意圖；圖6是具體實(shí)施方式
四中確定補(bǔ)料量的示意圖；圖7 是具體實(shí)施方式
六中確定加載路徑的斜率的示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的步驟如下
步驟一 確定最終初始內(nèi)壓a:初始內(nèi)壓是管件液壓成形工藝中的重 要參數(shù)，直接影響成形區(qū)間的劃分，根據(jù)成形管坯的壁厚，管坯直徑，管坯材 料的、值計(jì)算出初始脹形壓力/7()(MPa)，計(jì)算公式為
1
式中^為管坯壁厚(mm)，d為管坯直徑(mm)， 。s是材料的屈服應(yīng)力(MPa)， ^為軸向應(yīng)力、和環(huán)向應(yīng)力。。的比值，液壓成形時(shí)施加的軸向力為壓力， ^的取值范圍是-l《刃《0;
由公式1得到初始脹形壓力^的大小與管坯的壁厚f和屈服應(yīng)力^成正 比，與管坯的直徑d成反比。
由p0±0.3得到&和p2;根據(jù)管材成形前后體積不變?cè)瓌t計(jì)算出理論補(bǔ)料 量&，理論補(bǔ)料量&分別與a)、 a、 a配合，得到三條加載路徑，根據(jù)所述
三條加載路徑的模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，來(lái)確定成形區(qū)間的膨脹壓力的上限pmax 和下限Anin，并以所述區(qū)間得到一個(gè)最終初始內(nèi)壓Ph;
步驟二 確定最終的軸向補(bǔ)料量&:軸向補(bǔ)料量是管件液壓成形工藝 的另一個(gè)重要參數(shù)，直接影響成形過(guò)程以及成形零件的壁厚分布；&為理論補(bǔ) 料量&的卯％， &為理論補(bǔ)料量&的80%，根據(jù)步驟一計(jì)算出的最終初始內(nèi)
壓a分別與補(bǔ)料量&、 &、 &配合，得到三條加載路徑，根據(jù)三條加載路徑的
模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，得出最終的軸向補(bǔ)料量&;
步驟三 確定加載路徑的斜率a:確定了最終初始內(nèi)壓/7h和軸向補(bǔ)料
量5h后，基本上可以成形出合格的零件，但為了找出最佳的加載路徑，還需確定加載路徑的斜率，加載路徑的斜率即確定加載路徑與橫坐標(biāo)軸的交角a ; 90° >a>0° ;加載路徑斜率的物理意義是指在同一內(nèi)壓下，軸向補(bǔ)料量的 增加速率，不同a角的加載路徑計(jì)算的結(jié)果是有差別的；選取不同a角的加載 路徑進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得出a角，即得到了管件液壓成 形件的最佳加載路徑。在一般情況下a角越接近90°越好，也就是說(shuō)在大規(guī) 模補(bǔ)料之前，先對(duì)管坯施加一定的內(nèi)壓，使管坯材料產(chǎn)生初步脹形，形成輕微 的塑性流動(dòng)，有利于以后金屬的流動(dòng)和補(bǔ)料的順利進(jìn)行。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式一不同點(diǎn)在于最終初始內(nèi)壓A的范圍為0.7A) 1.3/7()MPa。其它步驟與具體 實(shí)施方式一相同。在此條件下，可以成形出表面無(wú)裂紋、內(nèi)外壁光滑、平整、 壁厚均勻、無(wú)缺損和無(wú)變形的管件；管件的壁厚偏差不得超過(guò)10%~14%;完 成的管壁最小達(dá)0.5mm 4mm;成品率到達(dá)99%。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于最終初始內(nèi) 壓A為l.lpoMPa。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。在此條件下，可以成形 出表面無(wú)裂紋、內(nèi)外壁光滑、平整、壁厚均勻、無(wú)缺損和無(wú)變形的管件；管件 的壁厚偏差不得超過(guò)12%;完成的管壁最小達(dá)0.5mm;成品率到達(dá)99.95%。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖6說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式一、二或三不同點(diǎn)在于最終的軸向補(bǔ)料量5"h的范圍為0.8So 1.0&。其它步 驟與具體實(shí)施方式
一、二或三相同。在此條件下，可以成形出表面無(wú)裂紋、內(nèi) 外壁光滑、平整、壁厚均勻、無(wú)缺損和無(wú)變形的管件；管件的壁厚偏差不得超 過(guò)10%~14%;完成的管壁最小達(dá)0.5mm 4mm;成品率到達(dá)99%。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖6說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式四不同點(diǎn)在于最終的軸向補(bǔ)料量&為其它步驟與具體實(shí)施方式
四相 同。在此條件下，可以成形出表面無(wú)裂紋、內(nèi)外壁光滑、平整、壁厚均勻、無(wú) 缺損和無(wú)變形的管件；管件的壁厚偏差不得超過(guò)12%;完成的管壁最小達(dá) 0.5mm;成品率到達(dá)99.95°/。。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖7說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式一、二、三或五不同點(diǎn)在于加載路徑與橫坐標(biāo)軸的交角d為0° ~90° 。其
6它步驟與具體實(shí)施方式
一、二、三或五相同。在此條件下，可以成形出表面無(wú)
裂紋、內(nèi)外壁光滑、平整、壁厚均勻、無(wú)缺損和無(wú)變形的管件；管件的壁厚偏 差不得超過(guò)12%;完成的管壁最小達(dá)0.5mm;成品率到達(dá)99.95%;成形的管 件能獲得2%的壁厚減薄率。
本發(fā)明內(nèi)容不僅限于上述各實(shí)施方式的內(nèi)容，其中一個(gè)或幾個(gè)具體實(shí)施方 式的組合同樣也可以實(shí)現(xiàn)發(fā)明的目的。
本發(fā)明適用的管坯壁厚f為1 10mm的管件，在此管坯壁厚的范圍下發(fā)生 膨脹時(shí)的初始脹形壓力A)為20 300Mpa，再采用本發(fā)明的方法可以很快的得 到最終初始內(nèi)壓^h，最終的軸向補(bǔ)料量Sh和加載路徑的斜率，確定得到一個(gè) 最佳加載路徑。
權(quán)利要求
1、管件液壓成形的加載路徑快速確定方法，其特征在于它步驟如下步驟一確定最終初始內(nèi)壓ph根據(jù)成形管坯的壁厚，管坯直徑，管坯材料的屈服應(yīng)力計(jì)算出初始脹形壓力p0，計(jì)算公式為式中t為管坯壁厚，d為管坯直徑，σs是材料的屈服應(yīng)力，β為軸向應(yīng)力σz和環(huán)向應(yīng)力σθ的比值，液壓成形時(shí)施加的軸向力為壓力，β的取值范圍是-1≤β≤0；由p0±0.3得到p1和p2；根據(jù)管材成形前后體積不變?cè)瓌t計(jì)算出理論補(bǔ)料量S0，理論補(bǔ)料量S0分別與p0、p1、p2配合，得到三條加載路徑，根據(jù)所述三條加載路徑的模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，來(lái)確定成形區(qū)間的膨脹壓力的上限pmax和下限pmin，并以所述區(qū)間得到一個(gè)最終初始內(nèi)壓ph；步驟二確定最終的軸向補(bǔ)料量ShS1為理論補(bǔ)料量S0的90％，S2為理論補(bǔ)料量S0的80％，根據(jù)步驟一計(jì)算出的最終初始內(nèi)壓ph分別與補(bǔ)料量S0、S1、S2配合，得到三條加載路徑，根據(jù)所述三條加載路徑的模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，得出最終的軸向補(bǔ)料量Sh；步驟三確定加載路徑的斜率加載路徑的斜率即確定加載路徑與橫坐標(biāo)軸的交角α；選取不同α角的加載路徑進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得出α角，即得到了管件液壓成形件的最佳加載路徑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管件液壓成形的加載路徑快速確定方法，其特 征在于最終初始內(nèi)壓A的范圍為0.7po~1.3po MPa。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管件液壓成形的加載路徑快速確定方法，其特 征在于最終初始內(nèi)壓/ h為l.lA)MPa。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的管件液壓成形的加載路徑快速確定方法， 其特征在于最終的軸向補(bǔ)料量&的范圍為0.8 &~1.0 &。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的管件液壓成形的加載路徑快速確定方法，其特 征在于最終的軸向補(bǔ)料量Sh為
6、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或5所述的管件液壓成形的加載路徑快速確定 方法，其特征在于加載路徑與橫坐標(biāo)軸的交角a為0° 90° 。
全文摘要
管件液壓成形的加載路徑快速確定方法，它涉及管件液壓成形領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有管件液壓成形合理加載路徑的確定依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)摸索，既增加試驗(yàn)成本，又浪費(fèi)大量時(shí)間的問(wèn)題，其步驟如下先利用理論計(jì)算出初始內(nèi)壓，定出成形區(qū)間，然后調(diào)整軸向補(bǔ)料量進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定合理的補(bǔ)料量，最后調(diào)節(jié)加載路徑的斜率，獲得合理的加載路徑。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確、快速確定出管件液壓成形合理的加載路徑，從而節(jié)約時(shí)間和試驗(yàn)成本；采用優(yōu)化后合理的加載路徑，可以有效地實(shí)現(xiàn)成形區(qū)的補(bǔ)料，從而獲得更小的壁厚減薄率和相對(duì)均勻的壁厚分布，提高管件的成形極限。本發(fā)明所確定的加載路徑應(yīng)用于管件液壓成形技術(shù)中。
文檔編號(hào)B21D26/037GK101507996SQ20091007161
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月23日
發(fā)明者峰 李, 林俊峰, 苑世劍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)