異形截面空心結(jié)構(gòu)件內(nèi)高壓成形工藝研究.pdf

1、管材內(nèi)高壓成形作為一種制造空心輕體構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展迅速，目前已成為塑性加工領(lǐng)域中一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。但內(nèi)高壓成形還是一門相對(duì)年輕的技術(shù)，其成形機(jī)理十分復(fù)雜，目前國(guó)際上尚無(wú)太多的理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，而國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，與國(guó)外的差距較大。內(nèi)高壓成形技術(shù)的迅速發(fā)展得益于其在汽車制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，而汽車零部件多為復(fù)雜空心構(gòu)件，截面及軸線形狀各異，因此開展異形截面構(gòu)件內(nèi)高壓成形技術(shù)的研究，具有重要理論及工程實(shí)際意義。本文采用理

2、論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)帶軸向進(jìn)給直管脹形類及不帶軸向進(jìn)給的預(yù)彎管脹形兩大類管材內(nèi)高壓成形工藝進(jìn)行深入分析，探索內(nèi)高壓成形內(nèi)在規(guī)律及工藝控制策略。 基于金屬塑性理論，通過理論解析的方式揭示了兩類脹形工藝中管坯自由脹形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)及其工藝控制方法。建立了典型直管脹形類零件-非對(duì)稱三通管有限元模型，通過數(shù)值模擬揭示了管坯材料流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變及壁厚分布特點(diǎn)，分析了左右軸向進(jìn)給量、最大內(nèi)壓、加載路徑形式、摩擦系數(shù)及背壓

3、等主要工藝參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響規(guī)律，并給出了這類零件內(nèi)高壓成形的工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及工藝控制策略。隨后，對(duì)典型預(yù)彎管脹形類異形截面構(gòu)件-汽車前梁內(nèi)高壓成形過程進(jìn)行了有限元分析，針對(duì)復(fù)雜異形截面構(gòu)件成形工序多、預(yù)彎及預(yù)成形工序?qū)ο碌拦ば蛴绊懘蟮裙に囂攸c(diǎn)，建立了前梁預(yù)彎-脹形多道次成形有限元模型，對(duì)其成形全過程進(jìn)行了分析，研究了預(yù)彎工序?qū)?nèi)高壓成形結(jié)果的影響，并揭示了其內(nèi)高壓成形過程中管坯材料流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變及壁厚分布特點(diǎn)及管坯尺寸、內(nèi)壓加載路徑形

4、式等主要工藝參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響規(guī)律。針對(duì)異形截面構(gòu)件內(nèi)高壓成形特點(diǎn)，提出一種帶預(yù)應(yīng)力的內(nèi)壓加載路徑形式，以較低的內(nèi)壓載荷成形小截面圓角并獲得了均勻的壁厚分布，最終給出了這類零件內(nèi)高壓成形的工藝控制策略。 管材內(nèi)高壓成形是一個(gè)多重非線性過程，應(yīng)變路徑復(fù)雜，生產(chǎn)中常出現(xiàn)起皺、縮頸破裂、屈曲等缺陷。由于易受應(yīng)變路徑影響，傳統(tǒng)的基于應(yīng)變的成形極限圖(Forming Limit Diagram，F(xiàn)LD)在預(yù)測(cè)內(nèi)高壓成形等復(fù)雜應(yīng)變路徑下成

5、形極限時(shí)誤差較大。為此，本文提出將獨(dú)立于應(yīng)變路徑的成形應(yīng)力極限圖(Forming Limit Stress Diagram，F(xiàn)LSD)引入管材內(nèi)高壓成形研究中，以極限應(yīng)力作為分析管材成形過程中破裂缺陷產(chǎn)生的判據(jù)。文中通過力學(xué)性能試驗(yàn)及成形極限試驗(yàn)建立了LF21的FLD并通過塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及Hill'79屈服準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換得到LF21的FLSD，分別對(duì)三通管及變截面結(jié)構(gòu)件內(nèi)高壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，在模擬結(jié)果分析中引入FLSD作為破裂極限判據(jù)

6、。結(jié)果表明FLSD預(yù)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)FLD預(yù)測(cè)結(jié)果相比更接近于理論計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果，取得了較好的效果，證明FLSD作為管材內(nèi)高壓成形極限判據(jù)是準(zhǔn)確可行的。 內(nèi)高壓成形是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，內(nèi)部壓力和軸向進(jìn)給量之間的關(guān)系很難用顯函數(shù)形式表達(dá)，目前研究中廣泛使用的傳統(tǒng)數(shù)值模擬及多目標(biāo)優(yōu)化方法本質(zhì)上仍是一種試錯(cuò)尋優(yōu)法，需要大量仿真工作，耗費(fèi)人力物力，并且由于路徑中控制點(diǎn)的數(shù)量限制，傳統(tǒng)優(yōu)化方法并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)加載路徑的全程控制，往往只是對(duì)極

7、限值的優(yōu)化。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文提出一種結(jié)合模糊控制與自適應(yīng)模擬的實(shí)時(shí)反饋優(yōu)化方法，建立缺陷控制規(guī)則，通過模糊控制器在有限元模擬過程中實(shí)時(shí)偵測(cè)缺陷的發(fā)展趨勢(shì)并反饋至模擬程序以調(diào)整工藝參數(shù)，避免起皺及破裂缺陷的發(fā)生，最終獲得優(yōu)化的成形加載路徑。通過對(duì)三通管及汽車前梁零件的研究表明：優(yōu)化加載路徑后零件成形質(zhì)量有了明顯改善，模糊控制實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的控制目標(biāo)。 最后，在數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)內(nèi)高壓成形試驗(yàn)裝置及模具工裝，進(jìn)行典型異