異形截面空心結構件內高壓成形工藝研究.pdf

1、管材內高壓成形作為一種制造空心輕體構件的先進制造技術，近年來發(fā)展迅速，目前已成為塑性加工領域中一個熱點研究方向。但內高壓成形還是一門相對年輕的技術，其成形機理十分復雜，目前國際上尚無太多的理論知識和經(jīng)驗可以借鑒，而國內的研究起步較晚，與國外的差距較大。內高壓成形技術的迅速發(fā)展得益于其在汽車制造業(yè)中的廣泛應用，而汽車零部件多為復雜空心構件，截面及軸線形狀各異，因此開展異形截面構件內高壓成形技術的研究，具有重要理論及工程實際意義。本文采用理

2、論分析、數(shù)值模擬和試驗研究相結合的方法，對帶軸向進給直管脹形類及不帶軸向進給的預彎管脹形兩大類管材內高壓成形工藝進行深入分析，探索內高壓成形內在規(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)應力應變特點及其工藝控制方法。建立了典型直管脹形類零件-非對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、應力應變及壁厚分布特點，分析了左右軸向進給量、最大內壓、加載路徑形式、摩擦系數(shù)及背壓

3、等主要工藝參數(shù)對成形結果的影響規(guī)律，并給出了這類零件內高壓成形的工藝設計準則及工藝控制策略。隨后，對典型預彎管脹形類異形截面構件-汽車前梁內高壓成形過程進行了有限元分析，針對復雜異形截面構件成形工序多、預彎及預成形工序對下道工序影響大等工藝特點，建立了前梁預彎-脹形多道次成形有限元模型，對其成形全過程進行了分析，研究了預彎工序對內高壓成形結果的影響，并揭示了其內高壓成形過程中管坯材料流動、應力應變及壁厚分布特點及管坯尺寸、內壓加載路徑形

4、式等主要工藝參數(shù)對成形結果的影響規(guī)律。針對異形截面構件內高壓成形特點，提出一種帶預應力的內壓加載路徑形式，以較低的內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高壓成形的工藝控制策略。 管材內高壓成形是一個多重非線性過程，應變路徑復雜，生產(chǎn)中常出現(xiàn)起皺、縮頸破裂、屈曲等缺陷。由于易受應變路徑影響，傳統(tǒng)的基于應變的成形極限圖(Forming Limit Diagram，F(xiàn)LD)在預測內高壓成形等復雜應變路徑下成

5、形極限時誤差較大。為此，本文提出將獨立于應變路徑的成形應力極限圖(Forming Limit Stress Diagram，F(xiàn)LSD)引入管材內高壓成形研究中，以極限應力作為分析管材成形過程中破裂缺陷產(chǎn)生的判據(jù)。文中通過力學性能試驗及成形極限試驗建立了LF21的FLD并通過塑性應力應變關系及Hill'79屈服準則轉換得到LF21的FLSD，分別對三通管及變截面結構件內高壓成形過程進行數(shù)值模擬，在模擬結果分析中引入FLSD作為破裂極限判據(jù)

6、。結果表明FLSD預測結果與傳統(tǒng)FLD預測結果相比更接近于理論計算及試驗結果，取得了較好的效果，證明FLSD作為管材內高壓成形極限判據(jù)是準確可行的。 內高壓成形是一個非常復雜的動態(tài)過程，內部壓力和軸向進給量之間的關系很難用顯函數(shù)形式表達，目前研究中廣泛使用的傳統(tǒng)數(shù)值模擬及多目標優(yōu)化方法本質上仍是一種試錯尋優(yōu)法，需要大量仿真工作，耗費人力物力，并且由于路徑中控制點的數(shù)量限制，傳統(tǒng)優(yōu)化方法并不能實現(xiàn)對加載路徑的全程控制，往往只是對極

7、限值的優(yōu)化。針對這一現(xiàn)狀，本文提出一種結合模糊控制與自適應模擬的實時反饋優(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時偵測缺陷的發(fā)展趨勢并反饋至模擬程序以調整工藝參數(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量有了明顯改善，模糊控制實現(xiàn)了預期的控制目標。 最后，在數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化基礎上，設計內高壓成形試驗裝置及模具工裝，進行典型異