四通管内高压成形的工艺优化和分析

刘晓晶 陈龙 陈晓晓 王雅为 冯章超

摘要：基于Dynaform软件，建立四通管内高压成形的有限元模型。选取初始进给量、初始内压力、中间内压力作为设计变量，成形后管件的最小壁厚和最大壁厚为设计目标，基于BoxBehnken Design实验设计和响应曲面法，分别建立以管件的最小壁厚和最大壁厚为目标的响应面模型。通过数值模拟的方法研究了各个参数对成形管件的影响，并通过方差和回归分析，确定了模型的最优参数。将模型预测的因素值进行有限元数值模拟后得到的结果与模型得出的结果值的误差率小于1%，验证了模型的可靠性。结果表明，通过响应面法和数值模拟可以快速获得质量较好的四通管类零件成形工艺参数。

关键词：

四通管;响应面法;数值模拟;回归分析

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.025

中图分类号： TG394

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）05-0143-04

Optimization and Analysis of Hydroforming Process for Fourway Pipe

LIU Xiaojing，CHEN Long，CHEN Xiaoxiao，WANG Yawei，FENG Zhangchao

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040， China）

Abstract：Based on Dynaform， a finite element model of hydroforming for fourway pipe was built Through the initial feed rate， initial internal pressure， and the intermediate pressure were selected as the design variables， taking the minimum and maximum wall thickness of the postforming for tube as design aimBased on BoxBehnken Design and response surface method， the response surface model was established for the goals of minimum and maximum wall thickness of tube ，the effects of various parameters on the forming tube by numerical simulation was studied， and the optimal parameters of the model was determined through variance and regression analysis The result of models predicted factor through finite element simulation， compared with the result of the model， the error rate was less than 1 percent， therefore the reliability of the model was verified The results showed that highquality forming process parameters fourtube part could be quickly got through response surface method and numerical simulation

Keywords：Fourway pipe; response surface method;numerical simulation; regression analysis

0引言

近年來，为了满足轻量化的要求，管件内高压成形技术[1]开始发展起来，尤其在汽车领域与航天领域[2]，伴随着汽车行业的迅速发展[3]，内高压成形技术的优点[4]为其发展提供了广阔前景。在当代，越来越多的研究人员将有限元法[5]与内高压成形技术工艺相结合[6]。已有部分汽车零部件被成功的应用在工厂生产中[7-8]。主要在生产底盘、排气系统异型管件[9]、转向杆和发动机托架等[10-11]方面。在日常生活中，冰箱、空调等已被人们广泛使用，作为配件的管接头被大量需求[12]，这些多通管的形状复杂[13]，采用传统的焊接方法[14]经常会出现焊缝、裂纹等不良现象[15]，难以保证其质量，而采用内高压成形就能克服上述缺陷[16]。文章通过对四通管内高压成形的有限元模拟[17]和响应面法[18]，找出获得质量较好的管件的成形工艺参数[19]，为管的内高压成形结果的预测提供了一种方法[20]。

1四通管的有限元模型

建立四通管内高压成形有限元分析模型如图1所示。由模具、管坯、左右主冲头、上下平衡冲头组成。管坯采用外径为50mm，长度为238mm，壁厚为2mm的SS304不锈钢。管坯采用BelytschkoTsay薄壳单元，离散化后的单元总数是3950个。摩擦模型符合库仑摩擦[21]，选取成形单面接触（From One Way S to S）的接触类型。

2响应面法

本文以四通管内高压成形中的左右冲头第一阶段轴向进给、内压力的初始压力、中间压力为因素，管的最大和最小壁厚为目标函数进行响应面法试验。

21试验方案及模拟结果

内压力和平衡冲头采用三线性加载方式，时间拐点为0002s和0005s，整个模拟时间为001s，平衡冲头后退量为40mm，拐点后退量分别为30mm和40mm;整形压力是120MPa;轴向进给采用双线性加载，时间拐点为0005s，整个模拟时间为001s，第二阶段轴向进给量为55mm。响应变量的取值范围如表1。

由表3可知信噪比为49814>4，表示响应模型可以用于被用来执行设计。失拟项为05788>005，不显著，模型成立。模型中x1、x2、x3、x2 x3、x21、x22是关于最小厚度响应模型的显著项。由表3知影响四通管最小壁厚因素依次为 x2>x3>x1，即初始内压力>中间内压力>初始进给量。R2=09882表示9882%的试验数据可以用用该模型解释。所以此模型可以分析和预测四通管件最小壁厚的工艺优化。

同理，通过对响应模型的最大壁厚分析结果可以得出，影响最大壁厚因素主次顺序与影响最小壁厚的一样。

3优化与模型验证

为验证模型管件的最大、最小壁厚预测方程的准确性，以成形后管件的最小和最大壁厚值为优化目标，运用DesignExpert软件进行优化。最终得到优化条件：初始轴向进给量x1为51mm、初始内压力x2为82MPa、中间内压力x3为103MPa。将这三个值带入到回归方程中，得到预测结果;将预测的3个优化条件值提交到Dynaform软件进行运算，得到实际结果。预测结果和实际结果如表4所示，实际测得的成形结果图如图1所示。

4结论

1）对四通管内高压成形过程中的初始轴向进给、初始内压力、中间内压力三个参数进行响应面试验，得出对壁厚的影响因素主次顺序：初始内压力>中间内压力>初始进给量。

2）通过对回归模型的方差检验和回归方程的显著性检验，得到了影响管件最大壁厚和最小壁厚的显著项，并验证了模型的可靠性。

3）通过响应面法和数值模拟可以快速获得质量较好的四通管类零件成形工艺参数，为后续实验节约时间和成本。

参 考 文 献：

[1]许桦 内高压成形管件在汽车上的应用[J]. 上海汽车， 2012（7）： 52-55

[2]余年生， 余蔚荔 基于有限元仿真的四通管内高压成形工艺分析[J]. 机床与液压， 2009，37（2）：161-163

[3]VOLLERTSEN F Hydroforming of Aluminum Alloys Using Heated oil[C]//Leuven9th International Conference on Sheet Metal，2001：157-164

[4]DOHMAN F， HARTL C Hydroforming Method to Manufacture Lightweight parts[J]. Journal of Materials Processing Technology， 1996， 60（20）： 669-676

[5]张凌云， 张忠洁 基于Dynaform的T形三通管热态内高压成形加载路径优化[J]. 热加工工艺， 2014，43（1）： 109-111

[6]陈建军 内高压成形工艺及其在汽车轻量化中的应用[J]. 锻压装备与制造技术， 2010（1）： 12-17

[7]李健， 黄红生， 袁杰， 等 铝合金管件液压胀形的实验及仿真分析[J]. 广 西科技大学学报， 2014， 25（3）： 2-5

[8]吴亚朋 某SUV后副车架内高压成形数值模拟研究[D]. 秦皇岛： 燕山大学， 2013： 3-5

[9]MUAMMERKOE，TAYLANALTANAnoverall Review of the Tube Hydroforming （THF） Technology[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2001， （108）： 384-393

[10]KOC M， ALTAN T An Overall Review of the Tube Hydroforming Technology[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2001， 108（3）： 400-405

[11]苑世剑， 韩聪， 王小松， 等 大型内高压成形装备及批量生产模具[J]. 汽 车工艺与材料， 2014， （9）： 49-52

[12]YUAN SJ， LIU G， HUANG XR， WANG XS Hydroforming of Typical Hollow Components[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2004， 151： 203-207

[13]王勇， 韩聪， 苑世剑 补料量对管材充液剪切弯曲成形精度的影响[J]. 材料科学与工艺， 2013， 21（2）： 67-70

[14]YUAN SJ， LIU G， WANG XS Use of Wrinkles in Tube Hydroforming Idea andExamples[J]. International Conference on Hydroforming Sttugart， 2003：79-90

[15]张琦， 王仲仁 改善摩擦条件以实现省力成形[J]. 机械工程学报 2013， 49（18）： 106-108

[16]周林， 薛克敏， 李萍 基于FEM的汽车前梁内高压成形工艺研究[J]. 中国机械工程， 2006（17）： 38-40

[17]唐勇， 李纪龙， 李萍， 等 汽车桥壳机械式胀形数值模拟及实验[J]. 塑性工程学报， 2013， 20（6）： 32-35

[18]YUAN S J， LIU G Hydroforming of Typical Hollow Components[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2004， 151： 203-207

[19]YUAN SJ Modern Hydroforming Technology[M]. Beijing： NationalDefence Industry Press， 2009： 14-18

[20]苑世剑 现代液压成形技术[M]. 北京： 国防工业出版社， 2009： 14-18

[21]OLABI A G， ALASWAD A Experimental andFinite Element Investigation of Formability and Failures in Bilayered Tube Hydroforming[J]. Advances in Engineering Software， 2011， 42（56）： 815-820

（編辑：关毅）