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胀压成形过程壁厚对不同材质异型罐的影响
吕圣 （宁波市特种设备检验研究院 浙江宁波 315048）
摘 要： 文章研究了三种不同材质相同厚度的异型罐液压胀形成形的比较分析，分析了异型罐模型在Dynaform软件中的前处理和后处理情况。得出不同材质的异型罐，材质流动性强表现出成形能力强，得到相对的等效应力也越小。厚度变化对可成形性有一定的区间范围，并且厚度超出一定区间后，成形工艺参数要做适当的变化。同时阐述了等效应力大小的变化与壁厚的增加呈反比，当毛坯罐厚度过大不能完全成形时，其最大等效应力往往可能出现于模拟过程的早期。
关键词 异型罐 液压胀形 壁厚 等效应力
1 引言
随着人们生活水平得日益提高，一种外形不同于传统直壁罐的异型罐悄然兴起[1]，在国外，特别是欧美一些国家如美国、法国、德国等，异型罐的应用研究比较早、比较广泛[2]。异型罐液压胀形作为一种先进的加工技术，由于容易满足异型罐产品降低成本、减少工序、减轻重量和无残留胀形介质腐蚀等优点，异型罐液压胀形加工在近年来得到大力的发展和应用。液压胀形是一种先进的冷加工成形技术[3]，液压胀形工艺的优点是胀形压力传递均匀，而且便于控制，近年来液压胀形工艺得到了迅速的发展，人们己经利用该工艺制造了许多复杂的零件如汽车的发动机托架、排气管、凸轮轴、自行车的前叉、波纹管及三通接头[4]等，该工艺目前已广泛应用于汽车等制造行业中。
2 材料力学性能试验
本课题要研究的异型罐为杭州某公司提供，选用的金属材料为T2BA、T2.5BA、T3三种型号。做拉伸试验的试样由杭州某公司提供，试样主要尺寸如图2-1所示。

图2-1 试样结构简图 samples structure diagram
本拉伸试验采用深圳市新三思计量技术有限公司出产的微机控制电子万能试验机CMT5104，并使用其配套软件来完成。试样标距为25mm，试样厚度为0.2mm，得到材料力学性能参数表2-1。
表2-1 材料力学性能参数 Material mechanical property parameters
牌号
屈服强度/MPa
抗拉强度/MPa
弹性模量E/GPa
断后伸长率/%
T2BA
370.3
370.5
28.98
29.78
T2.5BA
368.8
368.9
23.61
32.24
T3
420.5
420.7
18.52
24.43

3 模型有限元分析
3.1 胀压成形工艺参数设置
异型罐模具装配简图如图3-1，示意简图如图3-2。

图3-1 异型罐模具装配简图 图3-2 异型罐简化模型
Mold assembly diagram Simplified model diagram
按图3-2所示建立模型。使用Dynaform有限元分析软件，网格划分时毛坯和模具的最大单元尺寸都取为5mm，其他参数按默认值。模具共有652个单元，其中四边形单元575个，三角形单元77个，接触类型为FORMING_ONE_WAY_S_TO_S；毛坯单元共有638个，其中四边形单元622个，三角形单元14个。经划分网格后得到的模具、毛坯相互位置如下图3-3。

图3-3 异型罐模具、毛坯相互位置图
Location diagram of mold and blank
模型前处理设置中考虑到实际载荷对异型罐成形的情况，采用胀形载荷为6MPa，成形过程中采用Coulomb摩擦，摩擦系数0.125，虚拟载荷加载速度1000mm/s，速度曲线形状选Trapezidol（即梯形）形式。胀形的时间-载荷曲线如图3-4。后处理得到成形极限图3-5。

图3-4 胀形载荷压力变化曲线 Lode pressure curve

图3-5 成形极限图
Forming limit diagram
3.2 胀压成形后处理分析
结合三种材料在相同参数设置成形下作厚度减薄率表3-2和最大等效应力表3-3。
表3-2 厚度减薄率 the thinning rate form
厚度(mm)
T2BA减薄率(%)
T2.5BA减薄率(%)
T3减薄率(%)
0.12
27.09
28.86
28.0
0.14
27.0
28.80
27.90
0.16
26.85
28.72
27.91
0.18
26.78
28.77
27.81
0.20
26.72
28.63
27.65
0.22
26.52
28.53
27.51
0.24
26.41
28.40
23.03
0.26
23.17
28.33
16.91
0.28
18.72
24.98
12.13

图3-6 壁厚最大减薄率 thickness maximum thinning rate
从图3-6可以发现，三种材料的毛坯罐在可以完全成形情况下，材料为T2BA毛坯罐壁厚最大减薄率最小，材料为T2.5BA毛坯罐壁厚最大减薄率最大。当毛坯罐发生变形时，上下凸肚受切向拉应力作用，同时T2.5BA材料塑性流动性最好，所以造成T2.5BA材料罐体下凸肚部分最薄厚度在三种材料中最小，即成为三种材料的异型罐最大壁厚减薄率值为最大。
当在此参数设定条件下，当壁厚超过一定值后，均发生异型罐不能完全成形情况，在这三种材料的罐中，材料为T3罐较为明显，在壁厚0.22mm开始后就呈现不完全成形情况，因为T3材料抗拉强度大，材料流动性能差，越不容易发生变形。
表3-3 三种材料罐成形中的最大等效应力 maximum equivalent stress
厚度(mm)
T2最大等效应力/MPa
T2.5最大等效应力/MPa
T3最大等效应力/MPa
0.12
770.1
643.9
783.6
0.14
724.3
643.9
631.8
0.16
703.5
620.2
704
0.18
632.1
612.0
690.4
0.20
573.3
580.8
610.1
0.22
575.9
528.0
599.1
0.24
556.8
549.4
607.1
0.26
559.6
530.0
646.5
0.28
545.0
518.2
617.8

图 3-7 最大等效应力图 maximum equivalent stress
从图3-7发现，材料为T2.5BA异型罐在不同壁厚下出现最大等效应力值整体上在三种材料中偏小，从材料的力学性能参数表中也可以发现，T2.5BA材料塑性流行性最好，因此产生的最大等效应力值最小。同时，在整体上，T2BA材料的异型罐最大等效应力值小于T3材料产生的等效应力值，尤其从壁厚0.16mm开始，也说明了T2BA材料塑性流动性比T3材料要好。
3 结论
1、在相同参数设置情况下，塑性变形能力强的材料，完全成形后壁厚减薄率越大，最大等效应力值越小。
2、选取壁厚有一定的区间范围，当厚度超出一定区间后，毛坯成形工艺参数也要做适当变化，才能使毛坯完全成形。同时，其壁厚减薄率有一固定范围，且不随原始壁厚的变化明显变化。
3、等效应力大小的变化与壁厚的增加呈反比；当毛坯罐厚度过大不能完全成形时，其最大等效应力往往可能出现于模拟过程的早期。

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