三通管内高压成形工艺参数优化研究

朱书建　常雪　苏海迪

摘 要：针对三通管内高压成形过程中内压力与左右进给量匹配不合理而使三通管出现起皱和破裂等问题，而胀形高度是衡量三通管的一个重要指标，本文采用均匀试验优化方法对三通管内高压成形过程中内压力与左右进给量进行优化，快速找到以胀形高度为优化目标的最优匹配关系，使用最优匹配关系分别进行试验和预测，误差为0.13%，满足实际工程要求。

关键词：三通管；内高压成形；均匀试验；胀形高度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.206

1 引言

近年来，随着内高压成形技术快速发展，三通管内高压成形工艺已有取代传统焊接支管成形工艺的趋势。现阶段内高压成形技术还有不足之处，例如：支管胀形高度不高，壁厚分布不均匀等等，这些问题是由于工艺参数匹配不合适而产生的。因此，需要对三通管内高压成形工艺参数进行优化使三通管内高压成形零部件满足生产要求。

国外对三通管内高压成形研究较早，如德国Volerstern等人计算了T型三通管内高压成形的工艺参数，给出了合模力、水平冲头力、反推重头力等估算公式[1]；日本的Okamoto对镁合金T型三通管进行了热态介质成形研究，指出了润滑及温度对成形的影响[2-3]。国内学者对三通管内高压成形也做了很多研究，如林俊峰等人通过理论计算和数值模拟方法来调整加载路径，确定内高压成形加载区间[4]。苏岚等应用有限元分析T型三通管加载路径对成形质量的影响，探讨了最佳加载路径确定的原则[5]。

三通管内高压成形中内压力、左右进给量，对成形质量的影响较大，故本文采用均匀试验优化方法对以内压力和左右进给量为优化因素，以三通管内高压成形胀形高度为优化目标进行优化研究。

2 有限元模型

原始管坯长为114mm，外径为22mm，管坯厚度为1.5mm，支管直径为22mm，管坯主管与支管相贯处圆角半径为8mm，如图1所示。模具、冲头和管材均采用壳单元，下模四边形单元有1551个，上模四边形单元有1020个，左冲头、右冲头、下冲头四边形单元均有140个，模型中上模、下模、下冲头、左右冲头均设定为刚体。管坯材料为T2紫铜，质量密度为8900kg/m2 ，泊松比为0.33，杨氏模量为118GPa。

3 优化分析

基于均匀试验优化方法具有“均匀分散”特点，能快速找到最优组合，为研究T型三通管内高压成形的工艺参数优化问题，所以本文采用均匀试验法对胀形高度进行优化分析。

3.1 因素水平的选取及试验安排

通过前期的实验，确定影响三通管内高压成形件胀形高度的两个主要因素，因此将内压力和左右进给量作为优化因子，内压力4水平分别为：25MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa；左右进给量4水平分别为：10mm、13mm、16mm、19mm，试验安排如表1所示。

3.2 试验结果

按照表1的试验方案利用DYNAFORM对三通管内高压成形过程进行仿真分析，得到胀形高度结果如表2所示。使用SPSS对数据进行回归分析，得到三通管胀形高度的多元线性回归方程为：z=0.3265x+0.453y-1.31 。将表2中各试验方案数据代入方程，得到三通管胀形高度的预测值，由试验值与预测值的对比可以看到最大误差为0.41%，所以此回归方程是比较理想的。

回归方程显著性常数P=0.026<0.05，说明建立的多元回归方程具有统计学意义；假设检验F=743.211，说明三通管胀形高度与内压力和左右进给量之间具有线性关系；负相关系数r=0.999，说明三通管胀形高度与内压力和左右进给量之间的线性关系很密切；偏回归系数b2=0.453>b1=0.265，说明在影响三通管胀形高度方面，左右进给量比内压力对胀形高度影响更大一些。通过试验数据可知，在均匀设计的试验点中，预测内压力为40MPa，左右进给量为19mm时三通管胀形高度最高。

3.3 验证试验

内压力为40MPa，左右进给量为19mm，摩擦系数设定为0.15利用DYNAFORM对三通管内高压成形过程进行仿真分析，得到仿真结果如图4所示，经测量胀形高度为17.92mm，而回归方程预测高度17.897mm，误差为0.13%，在合理的范围之内，说明建立的回归方程是合理的，同时说明均匀试验优化方法对内高压成形的三通管件胀形高度的优化是合适的。

4 结果与讨论

本文对T型三通管内高压成形过程进行仿真分析，采用均匀试验优化方法对内压力、左右进给量进行优化研究，得到如下结论：

（1）采用SPSS软件对数据进行分析，得到以内压力和左右进给量为自变量，以三通管胀形高度为因变量的线性回归方程，实验值与预测值误差控制在0.41%之内，说明建立的回归方程是合理的。

（2）以内压力和左右进给量为优化因素通过均匀试验优化方法对三通管胀形高度进行优化，得到在试验设计范围内的最优条件。在最优条件下，试验值与预测值误差为0.13%，说明均匀试验优化方法对内高壓成形的三通管件胀形高度的优化是合适的，为工程实际提供

一定的指导意义。

参考文献：

[1]F Volerstern，T Prange，M Sander.Hydroforming： needs，developments

and perspective.Proceedings of the 6th ICTP，Sept，1999，19-24

：1197-1210.

[2]Okamoto A，Naoi H，Kuwahara Y.Study on Hot Bulge Forming for Tees of Magnesium Alloy Pipe Joints[C].Proceedings of the third International Conference on Tube Hydroforming， 2007：121-128.

[3]T.Uchiyama，H.Naoi and Y.kuwahara. Development Resarch of Hot Bulge Forming for Tees Pipe Joint of Magnesium Alloy[C].Proc of the 56th Japanese Joint conference for the Technology of Plasticity，2007：129-130.

[4]林俊峰，李峰，韩杰才等.管件液压成形中加载路径的确定方法研究[J].材料科学与工艺，2009（06）：840-843.

[5]苏岚，王先进，唐荻，范光尧.T型管液压成形过程的有限元分析[J].北京科技大学学报，2002（05）：537-540.

作者简介：朱书建（1990-），男，山东济宁人，硕士研究生在读，研究方向：汽车轻量化。endprint