機械工程學(xué)報：管材脹形中的圓角成形
2022-12-26【作 者】趙長財;肖宏;張慶
在飛機、航天器和汽車等領(lǐng)域，節(jié)約材料、減小質(zhì)量和運行中的能量一直是人們長期追求的目標，也是現(xiàn)代先進制造技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。為實現(xiàn)輕量化的目標，除了采用輕質(zhì)材料外，減輕質(zhì)量的另一個重要途經(jīng)就是在結(jié)構(gòu)上采用“以空代實”和變斷面等強構(gòu)件，即對承受以彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷為主的構(gòu)件，采用內(nèi)高壓成形的空心結(jié)構(gòu)，這樣既可以減輕質(zhì)量、節(jié)約材料，又可以充分利用強化效應(yīng)增加材料的強度和剛度。內(nèi)高壓成形正是在這樣的背景下開發(fā)出來的一種制造空心輕質(zhì)構(gòu)件的先進制造技術(shù)。因此管材內(nèi)高壓成形在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。
空心零件的塑性成形技術(shù)是以管料或圓筒為加工對象，綜合運用彎曲、局部成形和脹形等工序，從而獲得復(fù)雜的空心零件(圖1)。目前，由于輕量化的需求，液壓脹形工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，用于制造零件，如汽車、航空、航天和船舶制造業(yè)。然而與傳統(tǒng)的工藝相比，該工藝還是相對新的，因而對于管材的液壓成形理論和工藝設(shè)計而言，還處于研究之中。
在管材脹形的實際生產(chǎn)應(yīng)用中，經(jīng)常遇到具有局部小圓角的工件。為成形局部圓角，往往需要很高的成形壓力。此類管材變形可以分為兩個階段，即自由變形階段和局部變形階段。在進入局部變形階段后，由于管坯受到模具剛性限制，材料只能沿模具表面切線方向滑動伸長。但往往由于摩擦的影響，滑動伸長也很困難，故變形需要的內(nèi)壓力迅速升高。由于局部圓角貼模壓力決定了最終成形壓力，因此研究圓角成形對內(nèi)高壓成形工藝具有重要意義。
提出考慮管材和模具間滑動摩擦的力學(xué)模型，來考察在方形模具中的管子液壓脹形的塑性變形行為。該模型可用于預(yù)測圓管坯在方形斷面模具中脹形的成形壓力和產(chǎn)品的壁厚分布。采用自行設(shè)計的裝置進行管材在方形模具中的脹形試驗。成形壓力與試驗測量結(jié)果校驗后，表明新力學(xué)模型正確。
【結(jié) 論】
（1）采用滑動模型方法研究方形斷面模具中的薄壁管脹形。根據(jù)薄壁管局部變形時圓角部分成形特性，提出兩種滑動模型，即無摩擦條件下的滑動模型和摩擦條件下的滑動模型來描述小圓角成形規(guī)律。采用提出的方法對成形工件的成形壓力進行了研究，并進行了試驗驗證。所提出的滑動模型對確定管材成形的最終成形壓力具有重要理論意義。
（2）通過對無摩擦條件下的滑動模型的研究，在理論上首次證明圓管在方形模具內(nèi)脹形時，成形圓角半徑存在最小極限值，并給出理論計算公式。
以下是正文：
