异形瓶液压胀形数值模拟及实验研究

第１章绪论
图１—２是用胀形成形的飞机发动机空心双拐曲轴，与原零件相比减重４８％。

图１－２飞机发动机空心双拐曲轴
Ｆｉｇ．Ｉ－２Ｈｏｌｌｏｗｂｅｎｔｓｈａｆｔｏｆｅｎｇｉｎｅｏｆａｉｒｐｌａｎｅ（２）汽车工业液压成形技术近十年来在汽车工业得到广泛应用，汽车减轻质量和降低成本的需求又促进了该技术的不断发展［３４－３５１。

汽车工业是我国国民经济的支柱产业，液压成形技术作为汽车结构件主要的减重方法。

应用必将不断增加，未来的发展前景非常广阔，必将在汽车轻量化领域获得广泛的应用。

德国于２０世纪７０年代开始液体高压成形技术的基础研究，并于９０年代初开始在工业生产中采用该技术制造汽车轻体构件。

德国戴姆勒一奔驰汽车公司（ＤＡＩＭＬＥＲＢＥＮＺ）于１９９３年建立内高压成形车间，宝马公司（ＢＭＷ）已在其几个车型上应用了液压成形的零件。

在北美汽车制造业中，空心类轻体件在轿车总量的比例已从１５年前的１０％上升到１６％，而在中型面包车、大吉普和皮卡车的比例还要高。

因此美国有关大学，研究机构和公司十分重视液压成形技术，已于几年前开始着手研究开发。

（３）其它应用除了用液压胀形成形工艺生产汽车和飞机上使用的各种轻体件外，目前还利用该技术生产了空心阶梯轴。

与弯曲工艺结合，可加工轴线为曲线，截面为圆形、矩形或其它形状的空心构件。

通过连接和成形复合，可加工出轻体凸轮轴。

用不同材料的管，通过液压成形，可以加工复合管件，以满足不同的要求，例如具有不同热传导的零件，以及具有较高防腐性能的零件等。

还可以用于生产中间带陶瓷材料层的零件，陶瓷材料不仅可以作为保温层，还可以阻碍声波和震动的传播。

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论对管材弹性与塑性稳定性进行分析研究。

（ａ）屈曲（ｂ）起皱（ｃ）破裂
图２．１液压胀形中的失稳形式
Ｆｉｇ．２－ｌＦａｉｌｕｒｅｓｉｎｔｕｂｅｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ
轴
向
载
荷
内部压力
图２．２液压胀形成形载荷工作范围示意图
Ｆｉｇ．２－２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｗｏｒｋｉｎｇｒａｎｇｅｉｎｍｂｅ
ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ
成形过程中内压力与轴向推力是关键因素，研究工作都集中在这两点之上，但是在成形过程中坯料与模具存在着摩擦力，实际的轴向力比较难以精
第３章异形瓶液压胀形数值模拟
划分成２３００个薄壳单元。

建立的有限元模型如图３—１所示。

图３—１异形瓶胀形的有限元模型
ＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆｂｏｔｔｌｅｂｕｌｇｅ
Ｆｉｇ．３－１
３．３几种典型加载路径下的胀形模拟
由于异形瓶成形件的外形是双鼓形，成形过程分为两步，即先成形瓶子上部的型腔，然后成形下部型腔，因此模拟过程也相应分成两步进行。

在每一步胀形模拟中，都选取四种典型的加载路径进行模拟
３．３．１瓶子上部胀形有限元模拟
在对瓶子上部型腔进行有限元模拟中，我们选择了４种典型的加载路径，加载路径如图３．２所示。

图３—３所示为工件在加载路径ｌ下的变形过程。

从图中可以看出，工件在变形初期成形区出现了有益成形的三个皱纹，进给量的不足造成皱纹直径没有继续增大，为成形积累料的目的没有完全达到，因而在整形加压以后，工件的壁厚有一定的减薄。

图３－４所示为工件在加载路径２下的变形过程。

在成形初期，内压力过
第３章异形瓶液压胀形数值模拟
图３．３加载路径ｌ下胀形的变形
Ｆｉｇ．３－３Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏａｄｉｎｇｐａｔｈｏｎｅ
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图３－４加载路径２下胀形的变形
Ｆｉｇ．３－４Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏａｄｉｎｇｐａｔｈｔｗｏ
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第３章异形瓶液压胀形数值模拟
图３．５加载路径３下胀形的变形
Ｆｉｇ．３－５Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏａｄｉｎｇｐａｔｈｔｈｒｅｅ
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茎坐盔兰＿王兰堡圭兰堡笙苎．
图３－６加载路径４下胀形的变形
Ｆｉｇ．３－６Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏａｄｉｎｇｐａｔｈｆｏｕｒ
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图３－８加载路径１下胀形的变形
Ｆｉｇ．３－８Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏａｄｉｎｇｐａｔｈｏｎｅ
第３章异形瓶液压胀形数值模拟
图３－９加载路径２下胀形的变形
Ｆｉｇ．３－９Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏａｄｉｎｇｐａｔｈｔｗｏ
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图３－ｌＯ加载路径３下胀形的变形
Ｆｉｇ．３－１０Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏａｄｉｎｇｐａｔｈｔｈｒｅｅ
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第３章异形瓶液压胀形数值模拟
图３－１１加载路径４下胀形的变形
Ｆｉｇ．３－１１Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏａｄｉｎｇｐａｔｈｆｏｕｒ
第４章异形瓶液压胀形实验研究
第４章异形瓶液压胀形实验研究
４．１引言
数值模拟虽然可以比较直观的反应变形过程，但却是在给定一些特定参数下进行的，所得的结果不可能与实际成形过程中的结果完全相吻合。

本章将通过实验分析异形瓶的液压胀形成形过程以及补料量和内压力对成形过程的影响，同时分析成形过程中的失效形式。

４．２实验设备
本实验是在燕山大学锻压研究所３１５吨液压机上进行的，实验装置如图４．１所示。

图４－１液压机
Ｆｉｇ．４－１Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｅｓｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
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部分胀形量比较小，可以认为是微小皱纹。

两侧皱纹波峰间距５０ｍｍ。

在后续高压整形过程中，整形压力提高到２．８ＭＰａ时，由于壁厚减薄比较严重，
发生破裂。

图４．７进给量为３ｍｍ的成形件
Ｆｉｇ．４－７Ｆｉｎｉｓｈｅｄｐａｒｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇ３ｍｍ
图４．８进给量为５．５ｍｍ的成形件
Ｆｉｇ．４－８Ｆｉｎｉｓｈｅｄｐａｒｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇ５．５ｔｏｎｉ
图４．９是补料压力在１ＭＰａ，总进给量为７Ｉｎｌｎ时的成形件。

工件加压整形前的皱纹数量为三个，从瓶口向下皱纹的直径依次分别为：０７５ｔｏｎｉ、０７２ｌｎｌｎ、０７９ｍｌｎ，两侧皱纹基本已经贴模，两皱波峰间距５０ｉｎｌｌｉ。

皱纹的直径都相对较小，三个皱纹中中间皱纹的直径仍然比两端皱纹小３ｍｍ以上，在下一步的成形中变形区中部壁厚减薄严重，涨破的危险性仍然比较大，因此应该适当增加补料压力，在补料初期尽量使料往中间部位聚集。

在其后的高
第４章异形瓶液压胀形实验研究
压整形中，补料压力提高到３．５ＭＰａ，最终成形得到工件如图４—９。

工件成形区变形造成的壁厚减薄比较严重，工件表面质量不佳。

图４－９进给量为７ｍｍ的成形件
Ｆｉｇ．４－９Ｆｉｎｉｓｈｅｄｐａｒｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇ７ｍｉｌｌ
图４－１０进给量为１０ｍｍ的成形件
Ｆｉｇ．４－１０Ｆｉｎｉｓｈｅｄｐａｒｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇ１０ｍｌｎ
图４—１０所示工件是补料压力在１ＭＰａ，总进给量为１０ｎｌｌｎ时的成形件。

工件在加压成形前，也出现３个皱纹，从瓶口向下皱纹的直径分别为矿７５
ｉｎｌｎ、＃７４ｍｍ、妒７９ｍｎｌ，左右两侧皱纹基本已经贴模，两皱纹波峰相距４７ｔｏｎｉ，中间皱纹的胀形量略有提高，但是直径还是不足以贴模，在以后的胀形成形中，中间成形区部位的减薄仍然比较严重，仍然存在涨破的可能性。

第４章异形瓶液压胀形实验研究
图４—１１进给量为１５ｍｍ的成形件
Ｆｉｇ．４－１１Ｆｉｎｉｓｈｅｄｐａｒｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇ１５ｍｉｌｌ
图４－１２进给量为１８ｍｍ的成形件
Ｆｉｇ．４－１２Ｆｉｎｉｓｈｅｄｐａｒｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇ１８Ｏｌｌｎ
图４一１３进给量为１８ｒａｍ时的底部凹陷Ｆｉｇ．４－１３Ｓｕｎｋｅｎｆａｃｅｏｆｆｅｅｄｉｎｇ３ｍｍ
第４章异形瓶液压胀形实验研究
和中部位置出现皱纹，直径分别为０７６ｍｉｌｌ、０７２ｎｌｌｎ，右侧皱纹已经贴模，型腔左侧靠近底部未出现皱纹，如图４－１５所示。

然后加压至１．５ＭＰａ，进给５ｔｏｎｉ，此时型腔中部皱纹增大，右侧皱纹由于已经贴模而未发生改变，两个皱纹的直径分别为矿８０ｍｉｌｌ、０７２ｍｌｎ，两皱纹波峰间距３０ｍ／ｎ，底部仍然没有明显皱纹出现。

在加压整形压力提高到２．８ＭＰａ时，工件发生破裂，裂纹位于由于型腔右侧未起皱区域。

可以看出，由于靠近底部的成形区未出现皱纹，材料无法流动到位以致产生破裂，因此提高初始补辩压力对于产生有益的皱纹是必要的。

图４－１４进给量为１０ｉｎｔｏ时的成形件
Ｆｉｇ，４－１４Ｆｉｎｉｓｈｅｄｐａｒｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇ１０１１１１１１
图４－１５进给量为５ｍｍ时的皱纹
Ｗｒｉｎｋｌｅｏｆｆｅｅｄｉｎｇ５ｍｍ
Ｆｉｇ．４－１５
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图４—１６是初始补料压力１．７ＭＰａ，迸给量为１０ｉ／ｌｉｌｌ时的成形件。

与前一工件不同，初始补料压力提高到１．７ＭＰａ，一次完全进给１０ｍｉｌｌ。

此时工件型腔靠近两侧位置出现皱纹，成形区中部未出现明显皱纹，两皱纹直径为０７８ｍｍ、０７６ｍｍ，两皱纹波峰间距６５Ｉｎｍ。

整形加压至３．０ＭＰａ，变形区发生破裂，工件如图４—１６所示。

图４－１６进给量为１０ｍｍ的成形件
Ｆｉｇ．４－１６Ｆｉｎｉｓｈｅｄｐａｒｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇ１０ｍｍ
图４－１７补料压力为１．８ＭＰａ，进给量为１０ｍｍ的皱纹
Ｗｒｉｎｋｌｅｏｆｆｅｅｄｉｎｇ１０ｍｍａｔ１．８ＭＰａ
Ｆｉｇ．４－１７
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图４一１８进给量为１４ｍｍ的成形件
Ｆｉｇ．４－１８Ｆｉｎｉｓｈｅｄｐａｒｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇ１４ｍｍ
图４—１７为初次补料压力为１．８ＭＰａ，总进给量为１４ＩＴｌｌｎ的成形件。

工件在初次补料压力为１．８ＭＰａ时，进给１０ｍｉｌｌ，成形区产生３个皱纹，从瓶子中部到底部三个皱纹直径分别妒８２ｒａｉｎ、矿８０ｍｉｌｌ、矿７６ｍｌｎ，两侧皱纹已经基本贴模，如图所示。

提高补料压力至２．０ＭＰａ，再次进给４ｉｎｌｌｌ。

由于进给量较大补料压力相对较低，型腔靠近底部皱纹出现死皱，经过整形加压至３．５ＭＰａ，皱纹无法胀开，工件形状如图４—１８所示。

图４－１９补料压力为１．８ＭＰａ，进给９ｍｍ的皱纹
Ｗｒｉｎｋｌｅｏｆｆｅｅｄｉｎｇ９ａｌｉａａｔ１．８ＭＰａ
Ｆｉｇ．４－１９
图４．１９所示工件是在上一步的基础上减少补料量得到的皱纹形状。

工件。