汽车异径三通管成形数值分析及试验研究

朱若岭，宋丹丹，崔源

(河南交通职业技术学院汽车学院，河南郑州 450000)

0 引言

三通管通常作为连接结构零件或者流体(气、液体)的输送管路构件，广泛应用在汽车工业、航空航天、家电、化工等行业。采用焊接、铸造等工艺生产此类零件，材料利用率、生产效率以及产品质量低，生产成本高，很难满足工业生产的需要。而利用固体或液体作为介质的胀形成形，具有内、外表面光滑美观，加工工序少，管件的力学性能、质量可靠，是目前最常见的现代生产工艺之一。

三通管的曲面结构、复杂形状，决定了在胀形过程中的变形复杂，变形规律难以掌握，易产生缺陷，如起皱和破裂等，如图1所示。近年来，日、德、美及中国等都对管材胀形做了大量研究。20世纪40年代，Grey等首次利用液压成形技术制造出了三通管。Dohmann等最早开始全面系统地研究现代管材充液成形技术;Kim等通过有限元方法对管材充液成形过程的破裂缺陷进行预测;王同海等用聚氨酯橡胶作为胀形介质进行了三通管胀形实验,孙爱学等对紫铜三通管进行了胀形试验，这些研究的开展有利于三通管胀形理论的发展和生产应用。

图1 三通管成形缺陷

1 三通管胀形原理

1.1 三通管的胀形原理简介

将管坯放入模具，闭合模具通过右凸模向管坯内充满介质，并用左右凸模进行密封。然后左、右凸模对介质施加一定的压力，使管坯在内压力作用下发生塑性变形。此时，平衡凸模在初始阶段未与支管接触，保持不动;随着管材塑性变形的进行，支管与平衡凸模开始接触，平衡凸模对胀形部分施加一定的反力，平衡凸模随着支管的增高而后退，直至零件成形。三通管胀形基本原理如图2所示。

图2 三通管胀形基本原理

1.2 异径三通管简介

文中研究的对象是异径三通管，材质为黄铜合金，其基本尺寸如图3所示。相比等径三通管，异径三通管成形更是一个复杂的弹性变形过程，涉及几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等一系列问题，并且成形的影响因素多，不易确定最优工艺参数。

图3 异径三通管基本尺寸

文中采用数值模拟软件ABAQUS对该异径三通管的成形进行了工艺分析，直观地分析了其成形过程，有效预防了成形缺陷的产生。同时研究了关键工艺参数对成形的影响，得到了合理的工艺参数范围，并进行了试验验证。相比试错法，通过数值模拟和试验验证的有机结合，可大量缩短产品的开发周期，节省研发费用，能够以低成本得到高品质的产品。

2 异径三通管胀形过程仿真与分析

2.1 异径三通管胀形仿真模型建立

考虑到异径三通管结构的对称性，选取1/2模型作为研究对象。管坯材料选用H62黄铜合金为弹塑性体，模具设置为刚性体(忽略模具变形);胀形介质选用聚氨酯橡胶类为超弹性材料;模型中各部件的接触类型均为面与面接触，并假设管坯端面与轴向冲头接触表面、管材外表面与模腔接触表面均满足库仑摩擦条件，摩擦因数设为0.15，聚氨酯橡胶与管材内表面之间的摩擦因数为0.25。异径三通管的有限元分析简化模型如图4所示。

图4 异径三通管的有限元分析简化模型

2.2 模拟结果与分析

通过数值模拟，可以直观异径三通管胀形的基本成形过程，主要分为4个阶段：初始阶段、自由胀形阶段、轴向压缩阶段和复合胀形阶段，如图5所示。随着左右凸模对橡胶介质施压，管坯金属在内压力作用下开始发生塑性变形，流向阻力小的凹模型腔，此为自由胀形阶段，如图5(b)所示;当左右凸模台肩与管坯端面接触，而支管顶部尚未与平衡冲头接触，此时，管坯开始受到轴向压力的作用，如图5(c)所示，为轴向压缩变形阶段;当支管与平衡凸模开始接触时，左右凸模继续进给，平衡凸模开始后退，后退中平衡冲头与支管顶部始终接触，此阶段是三通管复合胀形阶段，如图 5(d)所示。此时，管坯受到3个作用力，即内压力、轴向挤压力和平衡压力，在这3种压力作用下，支管顶端渐渐形成平面，其高度也随着凸模的推进而不断增长，直至成形过程结束。

图5 异径三通管成形结果

2.3 影响成形因素分析优化

异径三通管的胀形是个复杂的过程，影响因素多，为进一步掌握异径三通管的胀形规律，分别对影响其成形的主要因素：过渡圆角半径、摩擦因数、轴向进给加载路径等进行研究分析。

2.3.1 上模具过渡圆角半径对成形的影响

上模具过渡圆角半径的大小影响着支管的形成和过渡区金属的流动。图6为设计圆角半径为5 mm的模拟分析结果。为掌握圆角对胀形的影响规律，分别选取为5、5.5、6、6.5、7、8 mm(其中为5 mm是设计初始圆角半径)。

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图6 初始圆角的模拟结果

为分析圆角半径大小对支管过渡区的厚度影响，沿纵向测量胀形管壁上的点～的厚度。通过计算得到不同半径下的三通管最大减薄量;同时，可以测量出不同半径下支管的高度。所得的上模具过渡圆角半径对减薄率和支管高度的影响规律如图7所示。

图7 圆角半径R对ε和h的影响

由图7可知，增大过渡区圆角半径，可使摩擦阻力和弯曲变形抗力减小，管坯金属更容易流向凹模支管型腔，抑制了壁厚变薄的趋势;支管的高度也不断增高，提高了胀形成形极限，但当半径增加到7 mm，减薄率趋于平衡，支管高度随着圆角半径而降低。因此，建议圆角半径的取值范围为6～6.5 mm。

2.3.2 摩擦因数对成形的影响

管坯和模具之间的摩擦因数对成形载荷和支管高度有很大的影响。为研究摩擦因数对三通管成形的影响，其他工艺参数保持不变，摩擦因数分别取0.05、0.10、0.15、0.20、0.25，得到结果如图8所示。

图8 摩擦因数μ对F和h的影响

由图8可知，随着管坯与模具间的摩擦因数增大，两者之间的摩擦阻力也增大，所需成形载荷就越大，但支管成形高度逐渐减少。当摩擦因数005时，成形载荷最小为116 kN，支管高度最高为256 mm，当摩擦因数大于01时，成形载荷和支管高度的趋势变化加快。所以，模具型腔表面越光滑，润滑越好，可有效降低成形载荷，有利于异径三通管的胀形，但同时也增加了模具加工和生产的难度。结合生产条件和产品要求，建议摩擦因数的取值范围为01～02，既能降低生产难度，又能获得满足产品需求。

2.3.3 轴向进给加载路径对成形的影响

轴向进给量也是三通管胀形的重要参数，进给量太小，支管高度很小;在支管高度已达到了产品要求的前提下，进给量太大，在变形中会出现失稳现象(起皱和形式多样的飞边)。在此设计了3种不同的线性加载路径，如图9所示。

图9 3种不同的线性加载路径

路径1、2、3的进给量分别为9、12、16 mm，胀形后得到三通管的支管高度分别为20.3、24.5、21.1 mm。图10为3种不同路径的模拟结果，由图可以得出，随着轴向进给量的增加，三通管支管高度增高。但在图10(c)的进给量为16 mm时，支管高度增高趋势降低，且管端出现飞边毛刺，这是因为随着进给量的增加，内压逐渐增加，管坯与模具间的摩擦阻力也增加，材料流动困难，支管高度增高趋势下降，同时一部分金属溢出而形成飞边毛刺。因此，路径2是比较理想的加载路径。

图10 3种不同路径的模拟结果

3 试验验证

根据以上分析可知，通过优化异径三通管胀形成形参数，得到了影响异径三通管成形的合理工艺参数范围。为了验证所得结论的合理性，文中采用退火软化的H62黄铜合金作为管坯，胀形介质采用固体纯石蜡，摩擦因数采用0.15，轴向进给量12 mm等工艺参数，在30 t的压机上对该工艺方案进行了生产试验验证研究，如图11所示。

图11 生产试验验证

由图11可知，采用优化后的工艺参数得到的胀形具有良好的三通管。由此可见，有限元数值模拟可有效的指导生产，避免缺陷的产生，得到合格的产品。

4 结语

文中采用有限元软件ABAQUS对异径三通管的胀形过程进行了模拟分析，分析了其成形的基本过程;讨论了异径三通管胀形的关键参数对其的影响规律,得到了合理的参数范围;采用优化后的工艺参数进行模拟仿真计算和实验验证，结果吻合良好。通过此研究，得到如下结论：

(1)利用有限元数值模拟方法，可以直观地分析异径三通管的胀形成形过程，可有效预防成形缺陷的产生;

(2)研究了影响异径三通管胀形成形的关键工艺参数，分析了各工艺参数对胀形的影响规律，并针对该异径三通管，得到了合理的工艺参数范围：当管内压力一定的情况下，采用加载进给量为12 mm，上模具过渡圆角半径在[6，6.5]mm和管坯与模具间的摩擦因数在[0.1，0.2]之间的任意组合，均可满足产品需求;

(3)通过采用有限元数值模拟得到的异径三通管的成形工艺参数，在试验中能有效避免成形缺陷的产生，得到合格的产品，大量缩短产品的开发周期，为新产品的研发提供了理论依据和技术支持。