简介概要

5A02铝合金薄壁异形管内高压成形数值模拟及试验

来源期刊：稀有金属2020年第11期

论文作者：靳舜尧唐振宇黄重国

关键词：Pam-stamp;异形管;内高压成形（IHPF）;数值模拟;

摘要：利用有限元分析软件Pam-stamp,对5A02铝合金薄壁异形管的内高压成形（IHPF）过程进行数值模拟,研究管坯危险截面的贴模过程和变形机制,优化内压-补偿加载路径,并进行多次试验验证。结果表明,内高压成形过程中管坯曲率半径大的区域先贴合模具,曲率半径小的区域后贴合,后贴合区域会出现由于壁厚减薄严重甚至开裂的情况;不同加载路径的模拟结果表明,在成形过程中位移补偿与加载压力配合不合理会造成管件的褶皱或破裂,优化位移补偿可避免冲击式变形和过多位移堆积,防止壁厚减薄严重和壁厚增厚。多次的数值模拟和实际试验结果基本吻合,两者在危险截面处的壁厚分布变化趋势一致,验证了内高压成形过程位移补偿能够有效地对管坯成形区补料,利于变形过程中管坯材料均匀流动,从而控制壁厚减薄率;试验结果表明,优化的r6路径是合理可行的,可有效指导异形管的内高压成形过程。

网络首发时间: 2019-06-24 17:08

稀有金属 2020,44(11),1121-1128 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy19040026

5A02铝合金薄壁异形管内高压成形数值模拟及试验

靳舜尧唐振宇黄重国

北京科技大学机械工程学院

摘要：

利用有限元分析软件Pam-stamp，对5A02铝合金薄壁异形管的内高压成形(IHPF)过程进行数值模拟，研究管坯危险截面的贴模过程和变形机制，优化内压-补偿加载路径，并进行多次试验验证。结果表明，内高压成形过程中管坯曲率半径大的区域先贴合模具，曲率半径小的区域后贴合，后贴合区域会出现由于壁厚减薄严重甚至开裂的情况；不同加载路径的模拟结果表明，在成形过程中位移补偿与加载压力配合不合理会造成管件的褶皱或破裂，优化位移补偿可避免冲击式变形和过多位移堆积，防止壁厚减薄严重和壁厚增厚。多次的数值模拟和实际试验结果基本吻合，两者在危险截面处的壁厚分布变化趋势一致，验证了内高压成形过程位移补偿能够有效地对管坯成形区补料，利于变形过程中管坯材料均匀流动，从而控制壁厚减薄率；试验结果表明，优化的r6路径是合理可行的，可有效指导异形管的内高压成形过程。

关键词：

Pam-stamp;异形管;内高压成形(IHPF);数值模拟;

中图分类号： TG306

作者简介：靳舜尧（1984-），男，北京人，博士，工程师，研究方向：轻量化制造技术、航空航天材料特性及成形工艺研究、钛合金超塑性成形/扩散连接、铝合金管内高压成形等，E-mail:jsy_white@126.com；;*黄重国，副教授，电话：13810596811,E-mail:jinshunyao@ustb.edu.cn;

收稿日期：2019-04-11

基金：教育部基本科研项目（FRF-TP-19-013A2）资助;

Numerical Simulation and Experiment of Internal High Pressure Forming(IHPF) of 5A02 Aluminum Alloy Thin-Walled Shaped Tubes

Jin Shunyao Tang Zhenyu Huang Zhongguo

School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing

Abstract：

The internal high pressure forming(IHPF)of 5 A02 aluminum alloy thin-walled shaped tube was conducted using finite element analysis software Pam-stamp. The process of fitting the die and deformation mechanism of the dangerous section was studied through numerical simulation,the loading path of internal pressure and feeding was optimized and verified through experiment. The results showed that the area with a large radius of curvature fitted the die firstly during internal high pressure forming process,and then the area with a small radius of curvature was attached. The wall thickness of the area fitted to the die finally was severely thinned even cracked. The numerical simulation results of different loading paths showed that the improper matching of internal pressure and feeding in the forming process caused the tube to fold or break. The optimized feeding could avoid the impact deformation and excessive displacement accumulation,to prevent the severe thinning of the wall thickness and excessive material filling of the tube wall. The numerical simulation results and the actual experiment results were basically consistent,and the variation trend of the wall thickness distribution at the dangerous section was consistent. It was verified that the feeding in the IHPF process could effectively supplement the material in the forming area of the tube fitting,which was conducive to the uniform flow of the material in the deformation process,so as to control the thinning rate of the wall thickness. The experiment results showed that the optimized r6 path was reasonable and feasible,and could be effectively referenced by the process of IHPF of the shaped tube.

Keyword：

Pam-stamp; shaped tube; internal high pressure forming(IHPF); numerical simulation;

Received： 2019-04-11

飞机的结构重量是飞机综合性能的一项重要指标，对其机动性、航程、疲劳寿命等 ^[1,2,3,4] 有着直接的影响。飞机发动机上各类管路很多，且由于机内空间限制及重量限制须将导管成形出各种形状，从而避免管路间相互干涉 ^[5] 。空间轴线弯曲、截面不规则的异形管，传统采用冲压拼焊工艺，需要多套冲压、校形、焊接模具，经过冲压、校形、焊接等过程，甚至需要大量工时返工，生产周期长，成品率低，疲劳寿命和强度低，易开裂 ^[5] 。而采用内高压成形柔性技术，最少只需一套弯管和内高压成形模具，可大幅提高异形管的尺寸精度、刚度和疲劳强度等指标 ^[7,8,9,10] 。

随着三维数字化设计以及结构轻量化设计理念的不断推进，飞机导管曲面的形状越来越复杂，成形后的精度要求越来越高，制造难度不断加大。而内高压成形技术可以满足各种指标的需求，迫切需要开展铝合金导管的内高压成形机制、工艺研究等相关工作，以形成一套复杂曲面异型导管的快速、高效、高精度的制造工艺。因此，本文针对某飞机异形管，通过数值模拟分析和工艺试验验证得到异形管内高压成形过程的变形机理，进而为合理制定内高压成形工艺参数提供一定的参考。

1异形管特征与难点分析

图1所示为某异形管实物外形及截面剖试图，尺寸约510 mm长，材料为5A02-M态铝合金管，管材规格为Φ52.0 mm×1.5 mm，最小曲率半径6.34mm，管件中间凹陷；两端夹角30.07°。该异形管弯曲轴线在三维空间内扭曲，且截面沿轴线变化较为复杂，成形过程需要预弯、预压和胀形，成形时存在以下难点：(1)预弯时由于该异形管存在2个弯管角度，弯曲半径小且两个弯曲中心较为接近；(2)预压时由于管料直径和成品直径相同，造成小曲率部分预压成形时容易啃伤管坯；(3)胀形时异形管壁较薄、膨胀率较大（约10%），截面成形过程中容易造成壁厚分布不均甚至破裂。

图1 异形管实物和典型截面视图

Fig.1 Shaped tube and typical cross-sectional view

依据GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸实验方法》，在该管材轴向方向上截取多个单向拉伸试样，进行拉伸试验。数据汇总处理得到5A02-M铝合金管的材料性能参数如表1所示。其中E为材料弹性模量；δ为材料断后伸长率；σ_0.2为屈服强度；σ_b为抗拉强度；K为强度系数；n为硬化指数。

2数值模拟模型及方案

2.1内高压成形工艺理论分析

内高压成形区间是指内高压过程中管材不起皱也不破裂的轴向补偿与内部压力配合的参数区间 ^{[11,12,13,14]} ，如图2所示。

内高压成形加载路径中主要工艺参数包括初始屈服压力P₁、初始进给S₁、成形压力P₂、成形进给S₂、整形压力P₃和整形进给S₃。

根据表1中所测的材料参数，参照文献 [ 13] 的计算方法，得到P₁为4.8 MPa左右；P₂为成形压力即贴模前内压力，应小于开裂压力，为11.8 MPa左右；P₃整形压力用来成形截面过度圆角，使管坯完全贴模，保证成形精度。整形压力要大于其他部位成形压力，经计算得整形压力为21.6 MPa。S₂为总补料量，假设成形前后管坯壁厚不变，成形后工件表面积等于管坯初始表面积，那么总补料量应为18.56 mm左右，在工程实践中补料量取理想补料量的60%～80%。

表1 5A02铝合金管材料性能参数下载原图

Table 1 Performance parameters of 5A02 aluminum al-loy tube

图2 内高压成形加载路径图

Fig.2 Forming path map of internal high pressure forming

2.2内高压成形数值模拟方案

为了初步探究出成形区间的大小，根据理论计算的内高压成形参数，模拟方案制定了7种不同加载路径，分别为r0～r6，如图3所示。路径r0为内压均匀加载至50 MPa，无位移补偿；路径r1增加了两端冲头一边各10 mm的均匀位移补偿，内压均匀加载到50 MPa，路径r2～r6分别是不同的补偿及压力的加载路径。

内高压成形模型建立过程中，模具和冲头均设置为刚体，由于在三维设计软件中（Solid Works或者UG）已经提前设计将模具定位，管坯单元格设定为壳单元网格，厚度方向的积分准则（thickness intergration rule）采用高斯积分法，积分点数为5。管坯单元与模具之间摩擦系数设置为0.08。内高压成形采用时间控制，加载路径运行时间结束则仿真过程完成。

3结果与分析

3.1成形过程中的壁厚变化规律

异形管内高压成形过程仿真首先试验路径r0下管坯的成形过程，以此作为参考对照组，作为后续路径优化的依据。路径r0下异形管成形后壁厚分布云图、壁厚减薄过程以及管坯贴模距离变化如图4所示。可以看出内压加载至20 MPa以上时，管材绝大部分面积已经贴模，只剩下小部分尚需整形，因此在20 MPa后的曲线近乎水平。并且由于缺少位移补偿，管坯壁厚在10 MPa左右减薄严重，这与2.1部分内高压成形理论分析结果一致。最终成形后壁厚为1.218 mm，需要增加补偿优化路径来降低壁厚减薄率。

图3 内高压成形数值模拟加载路径

Fig.3 Numerical simulation forming path of internal high pres-sure forming

图4 路径r0成形结果图

Fig.4 Forming map of Path r0

(a)Wall thickness distribution;(b)Minimum wall thickness andmaximum distance from the die as a function of internal pressure

3.2成形过程的变形机制

3.2.1成形的贴模过程与变形机制分析

取路径r0下成形时壁厚减薄最严重部位的截面进行内高压成形过程的等效应力、应变分析，以揭示内高压成形过程的变形机制。预成形后的危险截面位置如图5所示。

在危险截面上取4个点（P1,P2,P3,P4）观察异形管内高压成形的变形过程。由图6(a）可以看出，内压加载之前（预成形之后），点P1和点P3位置处管坯发生内凹的塑性变形，距离模具最远，点P2和点P4分别是管材弯曲的外侧和内侧区域，距离模具最近。从图6(b～e）可以看出，随着内压的增大，距离模具最远的点P1和点P3先发生变形贴合模具，而距离模具较近的点P2和点P4却是最后贴合模具。这是由于点P1和点P3所处区域的曲率半径比点P2和点P4更大，所以点P1和点P3更容易受内压力驱使发生贴合模具的行为，该点的发生完全贴合模具所需要的成形压力符合式（1) ^[14,15] 。

图5 异形管的危险截面位置

Fig.5 Dangerous section of shaped tube

式中，p_c为截面过渡圆角区域的成形压力（MPa);r_c为截面过渡圆角半径（mm），σ，为考虑加工硬化时材料的屈服强度，一般取，σ_s为材料屈服强度（MPa），σ_b为材料抗拉强度（MPa）。

图6 异形管险截面的贴模过程

Fig.6 Dangerous section of the tube fitting the die

(a)0 MPa;(b)5 MPa;(c)10 MPa;(d)15 MPa;(e)20 MPa

对贴模后异形管点P2及点P4对应的圆角半径r_c测量为10 mm左右，带入式（1）中计算得p_c为21.6 MPa左右，即点P2和点P4位置在内压达到21.6 MPa左右时才能与模具完全贴合，这与图6(e）数值模拟结果一致。

内压加载过程中异形管的等效应力和等效应变的变化如图7,8所示。在内压开始加载到5 MPa时，点P1和点P3处等效应力表现为橙红色，如图7(b）所示，即受力较大发生变形而最先开始贴合模具，但点P1和点P3的等效应变却是蓝色和浅绿色如图8(a）所示，即管坯的上下两点处壁厚减薄不明显，这是由于管材在变形初期点P1和点P3壁厚的变化得到了点P2和4P处的补偿，故减薄不明显。在内压继续加载至10 MPa时，点P1和点P3完全贴合，点P2和点P4贴合距离明显减小，但内压尚不足以使得最后的圆角区域贴合。因此这一阶段点P2和点P4区域表现为等效应力集中，如图7(c）所示；特别是在贴合过渡点附近等效应变为橙色和绿色数值较大，如图8(b）所示，即最有可能在圆角过渡区域发生壁厚减薄。随着内压增长至15～20 MPa时，点P2基本贴合模具，周围应力分布较为平均，点P4处的圆角尚未填充完成，圆角过渡区域的等效应力非常集中，表现为橙色，即需要很大的等效应力来成形，如图7(d,e）所示；且点P4的圆角过渡区域的等效应变也表现为橙色和红色，如图8(c,d）所示，即材料流动变形大，壁厚减薄严重，并且由于点P1和点P3部分材料已经与模具贴合，材料与模具之间存在较大的摩擦，导致点P1和点P3附近区域材料流动困难，不能及时为点P4圆角区补充材料，以上两方面因素导致最后成形点P4圆角区域减薄严重，容易发生开裂 ^[16] 。

图7 变形过程中危险截面的等效应力

Fig.7 Equivalent stress of dangerous section during deformation

(a)0 MPa;(b)5 MPa;(c)10 MPa;(d)15 MPa;(e)20 MPa

图8 变形过程中危险截面的等效应变

Fig.8 Equivalent strain of dangerous section during deformation

(a)5 MPa;(b)10 MPa;(c)15 MPa;(d)20 MPa

3.2.2优化加载路径下危险截面的变形过程

r1～r6的6种路径是根据路径r0下危险截面成形过程中壁厚及应力、应变变化情况不断优化的路径。路径r6是在危险截面发生变形急剧时，即内压在10～20 MPa之间，通过在管材两端加大补偿位移的量，使材料能流动至点P2及点P4处，以补偿壁厚的减薄。路径r6下危险面的等效应变、最大等效应变变化曲线及各个路径下的壁厚最薄处的仿真结果如图9～12所示。

综合对比不同路径的仿真结果可以看出：

1.直接加载内压而不进行位移补偿时（路径r0参考），管材壁厚减薄严重，甚至出现开裂的情况，这是由于材料在膨胀减薄时发生变形，而变形到一定程度时会发生破裂；

2.路径r6加载过程中，在10～20 MPa左右时加大补偿位移，将材料填补到变形较大的区域，同时内部油压加载速度放缓，即改善内压和位移加载路径，可以实现较好的壁厚分布效果，零件成形后最薄壁厚为1.27 mm;

3.路径r6下材料的最大应变值增长更平缓，没有冲击式变形，利于材料变形过程中均匀流动，降低壁厚减薄率，可以实现较好的壁厚分布效果；

4.成形后的最薄区域位于弯曲内侧膨胀量最大处，并且此位置为管坯与下模具分型面区域贴合部位，需尽量减少摩擦，模具表面也应该尽量光滑，以保证成形后壁厚满足要求。

3.3内高压成形试验

结合异形管的内高压成形仿真结果，进行了4次路径r6下的内高压成形试验，成形结果如图13所示。

将r6加载路径下的成形管件按图1所示位置截面标记，用超声测厚仪分别对每个位置沿周向均匀测量8个点壁厚进行平均，对比分析各个截面的壁厚减薄情况，结果如图14所示。从图14(a）中可以看出最薄壁厚出现在Q3截面（危险截面）上。依次测量异形管的Q3截面壁厚分布，结果如图14(b）所示，可看出点7位置的壁厚最薄，这与图8中的点P4位置接近，与数值模拟的变形规律一致。

图9 路径r6下危险截面的等效应变（0～35 MPa)

Fig.9 Plastic strain of dangerous section in Path r6(0～35 MPa)

图1 0 路径r1和r6危险截面最大等效应变变化曲线

Fig.10 Maximum equivalent strain curve of dangerous section in Paths r1 and r6

图1 1 路径r6成形后异形管壁厚分布云图

Fig.11 Wall thickness distribution of shaped tube after form-ing in Path r6

图1 2 各个加载路径成形后异形管的最薄壁厚分布图

Fig.12 Distribution of the wall thickness of shaped tube after forming in each loading path

(a)Wall thickness in each loading path with each step;(b)Thinnest wall thickness in each loading path

4结论

1.应用有限元模拟软件Pam-stamp对异形管的内高压成形过程进行了模拟，并利内高压成形机对模拟结果进行了验证性试验，数值模拟结果与实际成形结果基本吻合。

图1 3 r6加载路径下的异形管内高压成形结果

Fig.13 Internal high pressure forming result of shaped tube in r6 loading path

图1 4 路径r6异形管的壁厚分布实测值

Fig.14 Wall thickness distribution of shaped tube in Path r6(a)Wall thickness distribution curve of four section;(b)Wall thickness distribution of Q3 section

2.通过对成形的贴模过程与变形机制分析，可证明内高压成形过程中，危险截面成形过程总是曲率半径大的区域先贴合模具，曲率半径小的区域后贴合，因此易造成后贴合区域等效应变增大，壁厚减薄严重，容易开裂。

3.不同加载路径的多次试验表明，直接加载内压而不进行位移补偿时，管材壁厚减薄严重，甚至出现开裂；在成形过程中位移补偿与加载压力配合不合理会造成管件的褶皱或破裂；优化内压-位移加载路径，可增大材料流动性，使变形更平缓，避免冲击式变形，降低壁厚减薄率。且内压在10～20 MPa加载过程中，加大位移的补偿，以有效控制壁厚的减薄。

4.数值模拟结果中，路径r6是该异形管最优加载路径，可以实现较好的壁厚分布效果，零件成形后最薄壁厚为1.27 mm；试验结果的壁厚分布规律与模拟结果一致，验证了内高压成形过程位移补偿能够有效地对管件成形区补料，利于变形过程中材料均匀流动，从而控制壁厚减薄率。