機(jī)械工程學(xué)報(bào)：管材脹形中的圓角成形
2022-12-26【作 者】趙長(zhǎng)財(cái);肖宏;張慶
在飛機(jī)、航天器和汽車等領(lǐng)域，節(jié)約材料、減小質(zhì)量和運(yùn)行中的能量一直是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，也是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。為實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，除了采用輕質(zhì)材料外，減輕質(zhì)量的另一個(gè)重要途經(jīng)就是在結(jié)構(gòu)上采用“以空代實(shí)”和變斷面等強(qiáng)構(gòu)件，即對(duì)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(qiáng)化效應(yīng)增加材料的強(qiáng)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(jìn)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(duì)象，綜合運(yùn)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(duì)新的，因而對(duì)于管材的液壓成形理論和工藝設(shè)計(jì)而言，還處于研究之中。
在管材脹形的實(shí)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(gè)階段，即自由變形階段和局部變形階段。在進(jìn)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(dòng)伸長(zhǎng)。但往往由于摩擦的影響，滑動(dòng)伸長(zhǎng)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(duì)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(dòng)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(cè)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(jì)的裝置進(jìn)行管材在方形模具中的脹形試驗(yàn)。成形壓力與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果校驗(yàn)后，表明新力學(xué)模型正確。
【結(jié) 論】
（1）采用滑動(dòng)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(shí)圓角部分成形特性，提出兩種滑動(dòng)模型，即無摩擦條件下的滑動(dòng)模型和摩擦條件下的滑動(dòng)模型來描述小圓角成形規(guī)律。采用提出的方法對(duì)成形工件的成形壓力進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。所提出的滑動(dòng)模型對(duì)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(duì)無摩擦條件下的滑動(dòng)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(shí)，成形圓角半徑存在最小極限值，并給出理論計(jì)算公式。
以下是正文：
