CN104239644A - 一种对于钛t型管液压成形工艺参数的研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对于钛T型管液压成形工艺参数的研究方法，利用仿真模型与理论试验相结合来研究T形管的液压成形，模型采用四分之一仿真模型，缩短了研究时间，提高了生产效率，通过研究内压加载与时间的关系(内压加载路径)、冲头进给与时间的关系(冲头加载路径)，利用本发明研究得出的工艺参数在液压成形试验中可以制备出合格的T型管，有效地实现成形区的补料,从而获得更小的壁厚减薄率和相对均匀的壁厚分布,提高T型管的成形极限，避开以往利用经验及不断的试验来摸索工艺参数，节约了成本。

Description

一种对于钛T型管液压成形工艺参数的研究方法

技术领域

本发明涉及T形管液压成形领域，尤其涉及一种对于钛T型管液压成形工艺参数的研究方法。

背景技术

钛T型管在室温下通过三通挤压液压机配合模具成形而得到，其液压成形过程如图1所示,将管坯6放入下凹模5内，接着上凹模1下落，以一定的合模力合模。合模完毕后，液压机的左右水平柱塞同步进给,使其前端的左冲头2及右冲头3接触管坯6的端面后向管坯6内部充液,充满液体后用左冲头2及右冲头3密封管端；然后,停留在管坯6内的液体通过增压器增压使管坯6成形,同时左冲头2及右冲头3同步前进施加轴向补料。在液压成形的过程中，会有一个中间冲头4对管坯6顶部施加一定的反推力，这样可以防止T型管件支管顶部因减薄过度而发生破裂。

T型管液压成形是在内压和轴向补料联合作用下的复杂成形过程,内压和轴向补料的关系称为加载路径,只有给出合理的加载路径,才能获得合格的零件。在实际成形过程中,如果加载路径设计的不合理,当压力上升速度较慢,轴向进给速度较快,轴向变形来不及转化为周向变形,材料就会在轴向聚集形成折叠,使管坯产生屈曲或起皱；当压力上升速度较快,而轴向进给速度较慢,即轴向进给量不足以补偿周向变形量,出现减薄过度以致破裂。同时加载路径也影响T型管的厚度分布和最终的成形尺寸。不同加载路径对成形件壁厚分布的影响也不同，所以加载路径是T型管液压成形中的关键参数。目前，在实际的钛T型管成形过程主要还是依靠工人师傅多年的制造经验、以及不断的试验摸索来确定T形管液压成形的关键工艺参数，不仅需要较高的成本，还大大浪费时间，缺乏成熟、完善以及足够理论支撑的工艺方案，国内外对于钛T形管液压成形工艺的研究也很少。

发明内容

本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种对于钛T型管液压成形工艺参数的研究方法，不仅降低加工成本，同时还节约了时间。

本发明所采用的技术方案如下：

一种对于钛T型管液压成形工艺参数的研究方法，包括以下步骤：

第一步：对液压成形所涉及的模具、冲头、管坯进行三维建模导出得到关于模具、冲头及管坯的IGES格式文件；

第二步：将第一步中关于模具、冲头及管坯的IGES格式文件分别导入板料成形专用仿真软件dynafrom中，并利用成形专用仿真软件dynafrom进行前处理，得出多个前处理文件，每一个前处理文件均与一种工艺参数组合方案相对应；

第三步：利用所述dynafrom软件(ls-dyna求解器)对上述第二步中得出的每一个前处理文件进行求解，得出多个后处理文件；

第四步：利用所述dynafrom软件观察并分析第三步所得的每一个后处理文件，并根据处理结果选择最优方案；

第五步：根据第四步所得最优方案进行液压成形试验，从而确定T型管液压成形的工艺参数。

其进一步技术方案在于：所述前处理包括以下步骤：

第一步：对模具、冲头及管坯进行网格划分建立形成有限元模型；

第二步：对管坯进行定义材料模型；

第三步：对模具、冲头及管坯进行成形设置；

所述网格划分包括对模具、冲头采用tool mesh划分、以及对管坯采用partmesh来划分；

所述定义材料模型包括以下步骤：

第一步：确定材料模型；

第二步：拉伸试验及确定材料变形的硬化规律；

对模具、冲头及管坯进行成形设置包括对管坯厚度的设置、工具的设置及工序的设置。

本发明的有益效果如下：

本发明利用仿真模型与理论试验相结合来研究T形管的液压成形，模型采用四分之一仿真模型，缩短了研究时间，提高了生产效率，通过研究内压加载与时间的关系(内压加载路径)、冲头进给与时间的关系(冲头加载路径)，利用本发明研究得出的工艺参数在液压成形试验中可以制备出合格的T型管，有效地实现成形区的补料,从而获得更小的壁厚减薄率和相对均匀的壁厚分布,提高T型管的成形极限，避开以往利用经验及不断的试验来摸索工艺参数，节约了成本。

附图说明

图1为现有钛T形管液压成形的原理图。

图2为钛T形管液压成形的有限元模型。

图3为本发明中各条内压加载路径的曲线分布示意图。

图4为本发明中各条冲头加载路径的曲线分布示意图。

图5a为本发明中方案三与方案四中主管轴向厚度分布图。

图5b为本发明中方案三与方案四中主管中间部位的厚度分布图。

图6为本发明中液压成形试验所得T形管的壁厚实测值与方案三模拟值之间的对比图。

其中：1、上凹模；2、左冲头；3、右冲头；4、中间冲头；5、下凹模；6、管坯。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

第一步：对钛T形管液压成形所涉及的模具、冲头和管坯6进行三维建模(三维建模采用UG建模)，其中模具型面由Φ219mm的主管和支管相贯而成，模具圆角半径为55mm；冲头是圆轴形式的平面冲头，分为左冲头、右冲头及中间冲头，尺寸为Φ219mm×200mm，管坯6的长度580mm，壁厚5mm，外径219mm，通过三维建模得出关于模具、冲头(包含左冲头、右冲头及中间冲头)及管坯的IGES格式文件，该IGES格式文件共5个。

第二步：将上述关于模具、冲头(包含左冲头、右冲头及中间冲头)及管坯的5个IGES格式文件分别导入板料成形专用仿真软件dynafrom中，并利用板料成形专用仿真软件dynafrom进行前处理，得出多个前处理文件，每一个前处理文件均与一种工艺参数组合方案相对应，前处理过程包括：

如图2所示，对模具、冲头及管坯进行网格划分、建立形成有限元模型，上述网格划分包括对模具凹面、冲头(包含左冲头2、右冲头3及中间冲头4)采用充分体现几何特征tool mesh划分，以及对管坯采用材料专用的part mesh来划分，网格划分后如图2所示。

对管坯进行定义材料模型；首选需要选择对应的管坯(该管坯就是上述利用材料专用的part mesh来划分的管坯)，然后确定材料模型，本实施例中采用3参数Barlat89模型，材料选用工业纯钛TA2，然后通过拉伸试验机对上述材料(工业纯钛TA2)进行拉伸试验，得出关于材料(工业纯钛TA2)的各项力学性能数据，具体为屈服强度Rp02＝364Mpa，抗拉强度为Rm＝539MPa，断后伸长率A＝28％，厚向异性系数R＝1.75，强度系数K＝630Mpa，硬化指数n＝0.132。然后在板料成形专用仿真软件dynafrom的3参数Barlat89模型中输入上述力学性能数据来定义材料模型，最后采用幂指数硬化模型来确定材料变形的硬化规律，应力应变关系如公式(1)：

σ＝kεⁿ……(1)

其中k表示强度系数，ε表示材料变形时的应变，n表示材料的硬化指数，σ表示材料变形的应力，通过将强度系数K＝630Mpa，硬化指数n＝0.132代入到上述公式内后可以得到公式(2)

σ＝630ε^0.132……(2)

通过上述公式(2)能得出材料变化的硬变曲线(也就是材料变形的应力与材料变形的应变之间的关系)，也就能确定材料变形的硬化规律。

对模具、冲头及管坯进行成形设置，包括管坯厚度、工具及工序的设置，本实施例中管坯厚度(该厚度就是管坯的壁厚)选择为5mm。工具的设置包括对冲头及模具的设置，冲头的设置需要设置对应的工作方向及摩擦系数，本实施例中左冲头、右冲头及中间冲头的摩擦系数均为0.05，左冲头的工作方向设置为-X方向，右冲头工作方向设置为+X方向，中间冲头的工作方向设置为-Z方向。模具的工作方向不需要设置，而模具的摩擦系数设置为0.05。

最后对工序进行设置，其中工序的设置包括工具控制、液压设定及持续时间，工具控制：中间冲头选择速度作为控制方式，分别为40mm/s、45mm/s、50mm/s,左右冲头选择速度作为控制方式，速度分别为35mm/s、40mm/s、45mm/s。

液压设定：初始内压是管件液压成形工艺中的重要参数，直接影响成形区间的划分，上述初始内压可以通过以下公式计算得出：

$P=1.15\frac{2t}{D_{\max }}{\mathrm{\σ}}_b\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

其中P代表初始内压(也就是成形单位的压力(mpa))，t为材料厚度(mm),本实施例中t＝5mm。D_max为成形最大直径(mm)，本实施例中D_max＝219mm。σ_b为管坯材料的抗拉强度(MPa)，本实施例中σ_b＝539Mpa。根据不同规格口径钛T型管件的成形试验摸索和大量实际试验验证,上述系数1.15修整为1.02～1.6最合适，然后将上述各参数及最小系数及最大系数带入到公式(3)后得出公式(4)及公式(5)：

$P_{\min }=1.02\frac{2\·5}{219}539\≈25\mathrm{Mpa}\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

$P_{\max }=1.6\frac{2\·5}{219}539\≈39\mathrm{Mpa}\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

通过公式(4)及公式(5)得出最小初始内压P_min与最大初始内压P_max的压力值，从而确定了初始内压的压力范围(也就是成形压力范围)为25～39Mpa，在确定初始内压的压力范围后，需要建立内压加载路径，内压加载路径的建立方法如下：(内压加载路径1的设计方式)首先从上述初始内压的压力值范围中选择一个初始内压值，本实施例中选择(25Mpa，0s)作为一个坐标点，该坐标点表示初始内压值为25Mpa,内压初始时间为0s，然后每隔0.3s增加一次内压压力，形成坐标点(30Mpa，0.3s)、(35Mpa,0.6s)、(40Mpa,0.9s)……(110Mpa,3s)，各坐标点连接即形成如图3所示的加载路径1，该加载路径1代表内压压力大小随内压时间变化的曲线。内压加载路径1建立好后，按照上述设计方法依次建立内压加载路径2、3、4、5、6，其建立方法均与内压加载路径1相同，由此形成如图3所示的6种内压加载路径的曲线分布图，其中内压加载路径2、3、4为单线性加载路径，其余为双线性加载路径(单线性加载路径：仅有一种斜率的加载路径，双线性：有两种斜率的加载路径)。

在设计得出上述6种内压加载路径之后，需要建立冲头加载路径，冲头加载路径的建立方法如下：(冲头加载路径1)首先在初始位移与初始时间建立坐标点(0，0)，将冲头加载时间每隔0.2s增加一次位移，得出(7mm，0.2s)、(14,0.4s)、(21,0.6s)……(84,2.4s)，各坐标点连接即形成如图4所示的加载路径35mm/s，最后按照上述方法依次建立冲头加载路径40mm/s、45mm/s、50mm/s、55mm/s，其建立方法与35mm/s冲头加载路径的建立方法相同，如图4所示，从而形成冲头位移与冲头加载时间的曲线分布图，从图4中可以看出该冲头加载路径共有5种，由于冲头包含左冲头、右冲头及中间冲头，因此左冲头、右冲头各包括3种加载路径，分别为35mm/s、40mm/s、45mm/s，而中间冲头有4种加载路径，分别为40mm/s、45mm/s、50mm/s、55mm/s。相对于大口径、薄壁的管坯而言，支管处变形速率较大，如果中间冲头后退不及时，会阻碍材料的流动，所以左冲头及右冲头的速度均小于中间冲头的速度。

持续时间：首先通过位移来控制成形的持续时间，当位移达到设定值时，即停止成形。由于上述管坯长度尺寸为580mm,成形后的主管长度为376mm，因此成形前管坯的长度尺寸与成形后主管长度间差值为204mm，该差值为冲头(包含左冲头及右冲头)的总位移，因此左冲头或右冲头在单侧位移分别为102mm，设定位移为102mm后，以右冲头为基准(左右冲头的动作一致)，当右冲头移动到102mm，管坯的成形即停止，因此上述右冲头从初始位置移动至102mm之间的时间即为持续时间。

综上所述，根据6种内压加载路径、3种左右冲头加载路径和4种中间冲头加载路径的设计得出了多种工艺参数组合方案，如下表所示。

一种工艺参数组合方案对一个前处理文件，每个前处理文件包括：管坯的设置、工具的设置及工序的设置，其中管坯的设置包括材料模型定义和材料厚度设置。

第三步：提交第二步所得的各前处理文件并利用dynafrom软件中的LS-DYNA求解器进行一一求解，得出多个后处理文件(该后处理文件为成形结果文件)，上述LS-DYNA求解器的求解方法为动力显示算法(动力显示算法为已有公知技术)。

第四步：打开dynafrom中的post-processor，找到相应文件夹中第三步所得后处理文件(后处理文件的格式为.d3plot)，利用post-processor读取上述后处理文件，打开后可以得到壁厚分布图，通过壁厚分布图求出最大减薄率、最大增厚率、有效支管高度(求出最大减薄率、最大增厚率、有效支管高度的过程为已有公知技术，不作详细说明)，从而得出不同参数组合方案下T型管支管高度与壁厚分布的数据表，如下所示：

结合图3以及上述不同参数组合方案下T型管支管高度与壁厚分布的数据表，并针对分析依据进行分析，选出最优方案，具体分析过程及分析依据如下：

分析依据：T型管的关键工艺参数包括内压大小、左右冲头进给速度和中间冲头后退速度，上述三个参数的匹配关系对管件的成形性能的影响非常大。内压力作用在钛管坯的内表面，使支管部位凸起。如果内压过小，则无法使管坯紧贴凹模，从而出现向内弯折等缺陷(对于大口径薄壁钛管来说，这种缺陷更容易发生)。在成形的初期和中期，左右冲头进给速度过大，内压相对过低，即轴向压力过大而径向压力过小，使得轴向进给的钛材料无法及时向支管处流动，容易在支管圆角处和管坯端部堆积，形成褶皱；左右冲头进给速度过小，内压相对过高，内压高的同时增大了管坯与凹模的摩擦，使得钛管坯流动困难，从而使钛T型管支管顶部受较大的双向拉应力作用，造成减薄幅度大，甚至破裂；中间冲头的作用就在于对支管顶部形成推力，减少甚至抵消拉应力对它的作用来防止支管破裂，中间冲头后退的速度较大，则无法发挥其功能；后退速度较小，使得对支管顶端的推力过大，阻碍支管的成形，同时妨碍钛料的流动，在支管圆角过渡位置和主管端部形成褶皱。

分析过程：首先方案一与方案二进行对比，方案一与方案二的有效支管高度基本一致，从图3可以看出，方案一的初始内压为25Mpa,双线性加载，其支管处所受的拉应力没有方案二的初始内压30Mpa大，所以方案一的最大减薄率要小于方案二，并且从图3可以得出方案一中的平均内压小于方案二，因此方案一中钛材料的流动性比方案二较优，因此方案一的最大增厚率也低方案二，因此方案一与方案二相比，方案一较优，淘汰方案二。

然后将方案一与方案三进行对比，上述表中可以得出方案一与方案三的有效支管高度几乎一致，由于方案三中中间冲头的后退速度较大，因此其对直观顶部施加的力较小，阻碍作用小，从而造成其材料的流动性能较好，因此最大增厚率小于方案一，同时最大减薄率小于方案一，所以方案一与方案三相比，方案三较优，淘汰方案二。

然后将方案四、方案五、方案六及方案七进行综合比较，从数据表中可以看出，方案六的有效支管高度最大，但是最大减薄率和最大增厚率较高，由于方案六采用内压加载路径4，平均内压过大使得坯料和模具间的摩擦增大，材料的流动性变差，从而导致支管处无法及时得到补料，而主管处无法顺利送料，最终减薄和增厚严重。而方案五中最大增厚率为75.54％，其中间冲头的后对速度45mm/s相对于左右冲头的进给速度40mm/s略小，因此对支管顶部的推力较大，影响材料流动，在巨大内压的联合作用下，导致主管端部的积厚严重。方案七中采用内压加载路径3，平均内压均小于方案五和方案六，所以其支管处的减薄率较小，但是增厚率依然较高，综上所述，方案四、方案五、方案六及方案七中，由于方案四中有效支管高度为70.34mm，最大增厚率及最大减薄率均较小，所以方案四最为合理，方案五、方案六及方案七淘汰。

在方案八、方案九及方案十中，由于左右冲头的进给速度均为45mm/s，中间冲头后退速度均为55mm/s，所以需要选择平均内压大的加载路径，否则会由于内压过小，导致主管内表面出现弯折。而方案十中初始内压为35mpa,双线性加载，因此其有效支管高度最大，同时其最大减薄率和最大增厚率也较大。从数据表中可以看出方案九与方案十的成形结果相近，而方案八中最大减薄率交底，但最大增厚率较大，所以方案八、方案九、方案十与方案三、方案四相比均不可取，方案八、方案九及方案十淘汰。

经分析得到较优的方案为三和方案四，如图5a所示，方案三由于中间冲头的后退速度过大，所以支管处的减薄较严重，但是主管圆角到端部位增厚不大，厚度分布较均匀。如图5b所示，方案三的减薄和增厚都较方案四小，综合考虑，方案三为为最优方案。

第五步：根据上述方案三中的各个参数对钛T形管材进行液压成形试验(液压成形试验为已有公知技术，不作详细描述)，成形试验的具体过程如下：钛T型管的成形试验采用湖州机床厂生产的HJ041-2000/1600×2型号三通挤压液压机，其最大内压250MPa，完全满足试验要求。本试验使用的钛管坯外径Φ219mm，壁厚5mm，长度580mm。试验时在管坯偏向支管的一侧涂上石墨以起到润滑的作用。将钛管坯放入模具型腔内合模，然后按有限元模拟中方案三的工艺参数设定工艺值：左右冲头进给速度35mm/s，进给量76mm；中间冲头后退速度55mm/s，后退量105mm。试验得出的钛T型管经机加工处理测得的有效支管高度66.37mm，与模拟值68.41mm相比误差为2.8％。分别沿产品轴向中心线和纵向中心线切入，测量相应点的壁厚值，如图6所示(括号内为方案三的模拟值)。支管部的最小壁厚是4.21mm，模拟结果壁厚4.434mm，误差为5.1％。由于主管端部已被切削掉，所以最大壁厚产生在主管中间部位为5.57mm，而模拟值为5.780mm，比模拟的结果还要少3.6％。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (5)

1.一种对于钛T型管液压成形工艺参数的研究方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：对液压成形所涉及的模具、冲头、管坯进行三维建模导出得到关于模具、冲头及管坯的IGES格式文件；

第二步：将第一步中关于模具、冲头及管坯的IGES格式文件分别导入板料成形专用仿真软件dynafrom中，并利用成形专用仿真软件dynafrom进行前处理，得出多个前处理文件，每一个前处理文件均与一种工艺参数组合方案相对应；

第三步：利用所述dynafrom软件(ls-dyna求解器)对上述第二步中得出的每一个前处理文件进行求解，得出多个后处理文件；

第四步：利用所述dynafrom软件观察并分析第三步所得的每一个后处理文件，并根据处理结果选择最优方案；

第五步：根据第四步所得最优方案进行液压成形试验，从而确定T型管液压成形的工艺参数。

2.如权利要求1所述的一种对于钛T型管液压成形工艺参数的研究方法，其特征在于：所述前处理包括以下步骤：

第一步：对模具、冲头及管坯进行网格划分建立形成有限元模型；

第二步：对管坯进行定义材料模型；

第三步：对模具、冲头及管坯进行成形设置。

3.如权利要求2所述的一种对于钛T型管液压成形工艺参数的研究方法，其特征在于：所述网格划分包括对模具、冲头采用tool mesh划分、以及对管坯采用part mesh来划分。

4.如权利要求2所述的一种对于钛T型管液压成形工艺参数的研究方法，其特征在于：所述定义材料模型包括以下步骤：

第一步：确定材料模型；

第二步：拉伸试验及确定材料变形的硬化规律。

5.如权利要求2所述的一种对于钛T型管液压成形工艺参数的研究方法，其特征在于：对模具、冲头及管坯进行成形设置包括对管坯厚度的设置、工具的设置及工序的设置。