TP2铜管无芯模缩径旋压成形机理研究

郝用兴，陈俊伟，周鱼跃，刘亚辉，范素香

（华北水利水电大学 材料学院，郑州 450003）

0 引言

磷脱氧铜（TP2）的含氧量低，具有导热性能好、耐腐蚀性强、工艺性能优越等特点，并且无氢病现象。TP2铜管主要应用于空调、电冰箱等设备中，作为主要的换热元件，如干燥器、冷凝器及蒸发器等[1]。

近年来，国内外学者对管形件的缩径旋压成形进行了深入研究。刘彬等[2]基于Abaqus研究紫铜管双轮错距缩径旋压的成形机理，结果表明，从旋压壁厚均匀性考虑，应选取双轮对称旋压的方式。Chi-Chen Huang等[3]基于Abaqus研究AISI 1020钢管高温缩径旋压的成形过程，结果表明，与壳单元相比，采用实体单元的模拟结果更贴近实验值。黎波等[4]基于有限元模拟，分析了工艺参数影响GH625高温合金变径管缩径旋压的成形机理，结果表明，随着旋轮进给比和圆角半径增加，旋压件的壁厚增大，但成形精度降低。詹梅[5]等基于Abaqus平台研究LF3铝合金波纹管无芯模缩径旋压成形机理，结果表明，工艺参数的不合理选取会造成较大的尺寸精度偏差，且在直壁区与斜壁区的过渡区易产生壁厚减薄甚至拉裂现象。

目前，针对于TP2铜管缩径旋压成形的研究相对较少。本文利用Abaqus有限元软件，对工艺参数影响TP2铜管缩径旋压的成形机理进行研究，为生产实践和研究提供理论依据。

1 成形方案

在缩径旋压过程中，采用多旋轮的周向等分布置，可以避免径向力过大引起的偏载问题，提高工件的成形精度。通常采用2～3个完全相同的旋轮，考虑到实际设备的制造、安装等问题，本文采用双旋轮周向等分布置的成形方案，如图1所示。

图1 TP2铜管缩径旋压示意图

为便于后续分析，根据旋轮与管坯的接触关系，将管坯划分为两个区域：未接触区和接触区。其中，将接近起旋点的部分未接触区划分为Ⅰ区；起旋点前的接触区沿轴向依次划分为：Ⅱ区锥形斜壁段，Ⅲ区直壁段，Ⅳ区自由端。

2 工艺参数及衡量指标

进给比的影响随着材料种类的不同而发生变化，对于铜这种面立方晶格材料进给比可取0.3～3mm/r[6]。本文研究的进给比分别选取f=0.8，1，1.2，1.4和1.6mm/r。旋轮采用的是标准旋轮，在剪切旋压中旋轮圆角半径rp与管坯厚度t0存在的关系：rp≈（1-3）t0[6]，本文研究管坯初始壁厚为=1mm，圆角半径分别选取rp=2，3，4，5和6mm，旋轮的直径取Φ=140mm。本文中下压量分别取△=1.0，1.5，2.0，2.5和3.0mm。旋轮的安装角β可以在(0，α+90)范围内选取[6]，本文成形角tan α=0.375，取安装角β=0°。管坯转动速度n根据实际情况选取600r/min。

管形件的缩径旋压遵循体积不变原则，管坯材料随着旋轮的进给发生流动，成形件会产生壁厚减薄或增厚的现象[6]。分析旋压成形件在轴向的壁厚分布，可以直观地了解到壁厚的增厚、减薄状况。在缩径旋压的过程中，由于材料的不断流动，不同节点处的实际外径与理想外径会出现一定的偏差。因此，通过研究Ⅲ区和Ⅳ区的外轮廓半径分布，观察该部分区域的成形精度。

综上所述，本文选取壁厚、外轮廓半径在轴向的分布作为成形质量的衡量指标，研究进给比、圆角半径和下压量对成形质量的影响机理。

3 建立有限元模型

基于ABAQUS/Explicit平台，建立TP2铜管缩径旋压的数值分析模型，如图2所示。创建管坯为可变形体，管坯外径D=19mm，成形区域的长度为l=32mm。管坯的形状规则，结构简单，采用C3D8R的六面体实体单元进行网格划分[7]。有限元网格划分的粗、细程度，会引起计算精度与时间成本的相互制衡。管坯的Ⅰ～Ⅳ区作为主要分析区域，需要划分较细的网格保证精度，其单元尺寸为0.8mm×0.8mm×0.33mm，在未接触区底部划分较粗的网格，单元尺寸为4mm×0.8mm×0.33mm。由于旋轮的刚度远高于TP2铜管，因此将旋轮设置为解析刚体。

图2 TP2铜管缩径旋压有限元模型

本文研究所采用的管坯直径较小，根据《GB/T 228.1-2010金属材料温室拉伸试验》，在管段试样的两端配备塞头[8]，如图3所示。

图3 管段拉伸试样及塞头

通过万能拉伸试验机获得TP2铜管的工程应力-应变数据，通过公式转化为真实应力-应变数据[7]，如图4所示。室温条件下，TP2铜管的密度为8.94g/mm3，弹性模量为115Gpa，泊松比为0.31。

图4 TP2铜管应力-应变曲线

选择表面与表面的接触方式，摩擦系数取值均为μ=0.1，分别定义两个旋轮与管坯的接触属性。将管坯底面与底部的参考点Rp进行运动耦合，通过约束参考点Rp的自由度，实现管坯的自转。同时分别为两个旋轮定义位移边界，采用往程旋压的进给方式，使其按照预定的轨迹运动。在有限元分析时，不考虑温度对成形过程的影响，假设材料是各向同性。

4 工艺参数对成形质量的影响

4.1 进给比对成形质量的影响

在△=2mm，rp=4mm时，分析进给比对TP2铜管缩径旋压壁厚和外轮廓半径分布的影响机理。

图5所示为不同进给比下成形件壁厚沿轴向的分布曲线，管坯Ⅰ区未与旋轮发生接触，却出现壁厚减薄的现象。这是因为旋轮与管坯开始接触时，该区域材料处于旋轮后侧，受拉应力作用沿轴向延伸，进而产生壁厚减薄的情况。在直壁段Ⅲ区末端出现了壁厚减薄情况，并且当旋轮进给比增大时，壁厚的减薄情况得到减缓。这是因为选择较大的进给比时，管坯材料塑性变形不充分，更少的管坯材料在旋轮前方堆积，管坯的轴向伸长量减少，所以在减薄区有更多的材料进行补充，减薄情况得到缓解。

图5 进给比对壁厚分布的影响

在成形件Ⅳ区壁厚呈增厚现象，这是因为相较于Ⅱ、Ⅲ区，自由端附近对旋轮起约束作用的材料较少，旋轮的轴向旋压力较小，管坯材料的轴向流动能力较弱，引起Ⅳ区产生壁厚增厚的现象。

图6所示为不同进给比下Ⅲ、Ⅳ区的外轮廓半径沿轴向分布曲线，容易看出，进给比越小，成形件的外轮廓半径越贴近于理论值的7.5mm。这是因为在旋压过程中，旋轮相对管坯的运动轨迹为空间螺旋线，随着进给比的增大，“螺距”增大，更多的材料同时参与变形，造成旋压力的增大。因此，管坯的内应力增大，在失去旋轮的约束后成形件的回弹量较大。

图6 进 给比对外轮廓半径分布的影响

4.2 旋轮圆角半径对成形质量的影响

在△=2mm，f=1.2mm/r时，分析圆角半径对TP2铜管缩径旋压成形壁厚和外轮廓半径分布影响机理。

图7所示为不同圆角半径下成形件壁厚沿轴向的分布曲线，随着旋轮圆角半径的增大，Ⅲ区末端的壁厚减薄量减小，自由端的壁厚增厚量增多。这是因为随着旋轮圆角半径的增大，一方面管坯材料与旋轮的接触面积增多，利于管坯材料的流动，旋轮前方材料堆积减少，管坯轴向伸长量减小；另一方面旋轮与前方堆积材料的过渡更为平缓，旋轮后侧管坯受到的轴向拉应力减少，管坯的轴向伸长量减小，自由端壁厚增厚量增多。

图7 圆角半径对壁厚分布的影响

图8所示为不同圆角半径下Ⅲ、Ⅳ区的外轮廓半径沿轴向分布曲线，随着旋轮的圆角半径增大，成形件的外轮廓半径尺寸与理论值的偏差增大。这是因为圆角半径增大，管坯与旋轮的接触面积增多，更多的材料参与变形，径向旋压力随之增大，管坯的内应力增大，在旋压结束后表现为较大的回弹现象，成形件在自由端附近的扩径情况加剧。

图8 圆角半径对外轮廓半径分布的影响

4.3 下压量对成形质量的影响

在f=1.2mm/r，rp=4mm时，分析下压量对TP2铜管缩径旋压壁厚和外轮廓半径分布的影响机理。

图9所示为不同下压量下成形件壁厚沿轴向的分布曲线，当下压量取△=1、1.5mm时，轴向伸长量较小，接触区没有产生壁厚减薄现象。但在下压量增大至△=2、2.5、3mm时，接触区产生壁厚减薄的情况并逐步加剧，在△=3mm时，壁厚最大减薄率达到21.18%。这是因为增大下压量，更多金属材料在旋轮前侧堆积，管坯材料随着旋轮不断流动，轴向伸长量增加，壁厚减薄情况加剧。在旋轮移动到Ⅳ区时，约束旋轮的材料减少，旋轮提供的旋压力较小，材料的各向流动能力减弱，在端口处堆积形成增厚的趋势。

图9 下压量对壁厚分布的影响

图10所示为不同下压量下Ⅲ、Ⅳ区的外轮廓半径沿轴向分布曲线，伴随着下压量的增大，越接近自由端，成形件的扩径现象越严重。在下压量取△=1、1.5、2mm时，成形件的外轮廓半径均大于理论值，并且外径分布较为平缓。当下压量增大至△=2.5、3mm时，直壁段部分区域外轮廓半径小于理论值，自由端扩径现象更严重。这是因为下压量的增大，管坯材料在旋轮前方堆积情况加剧，Ⅲ区材料减薄量增大，塑性变形更充分，回弹较小，致使外轮廓半径小于理论值；在自由端约束能力较小，材料的轴向流动能力较弱，在自由端大量堆积，由于塑性变形不充分，成形件在自由端的扩径现象更明显。

5 结语

1）TP2铜管无芯模缩径旋压成形件的壁厚存在增厚、减薄现象：壁厚增厚主要分布在斜壁段、直壁段部分区域以及自由端，而壁厚减薄主要分布在未接触区、直壁段的末端；

图10 下压量对外轮廓半径分布的影响

2）随着进给比、圆角半径的增大，壁厚减薄情况均得到改善，而下压量对壁厚分布影响最为明显，在△=1、1.5mm时，接触区未出现壁厚减薄的现象，而在△=2、2.5、3mm时，接触区发生壁厚减薄，并且壁厚最大减薄量随着下压量增加而增大；

3）TP2铜管无芯模缩径旋压结束后，自由端易发生回弹外扩，随着进给比、下压量和圆角半径的增加，回弹外扩现象逐渐加剧，实际外轮廓半径与理论值的偏差增大。