随着社會的發展，人們對汽車廢氣排放的要求越來越嚴格，汽車輕量化已成為汽車行業發展的必然要求，而内高壓成形技術在汽車輕量化領域發揮着十分重要的作用。内高壓成形技術具有一次成形的特點，對于複雜的結構件而言，可以減少許多的焊接工序，同時也減少了一些不必要的質量問題，降低了生産的成本。内高壓成形的零件具有很好的剛度，在各行各業均有很好的應用。本文通過有限元分析軟件Dynaform 對某T 形管件的内高壓成形過程進行有限元分析，研究其成形過程中的問題，并得到最優的成形方案，為實際的生産提供指導。

圖1 為T 形管件的三維模型。該管材結構對稱，厚度均勻、較薄，整體成形工藝較為簡單。其長度為60mm，厚度均勻為1.6mm，圓管截面A-A 部分與C-C 左右對稱， 為外徑23.7mm，内徑20.5mm 的環形， 長度約為14mm，截面B-B 周長為97.80mm，長度約為32mm，T 形管件截面示意圖，如圖2 所示。

圖1 T 形管件的三維模型

三段截面位置

A-A 截面 B-B 截面

圖2 T 形管件截面示意圖

按照要求材料選用屈服鋼Q235，屈服強度為235MPa，膨脹率為105%，其含碳适中，綜合性能較好，強度、塑性和焊接等性能得到較好配合，适用于類T 形管零件的成形。整體成形存在成形困難區（圖1），該區域的外倒圓角和内倒圓角較小，加之受摩擦力的影響，脹形過程中金屬流動困難，需在軸向增加進給量，以補充該部分料的缺失，使管材整體成形厚度分布均勻。

可以選用内高壓脹形成形，實際生産中考慮加工餘量，管材長度應給予加長，整個工序可為：下料→内高壓脹形→切割整形。

利用CATIA 提取零件曲面并建模，根據零件特點先采取上下合模，同時施以一定的液壓，然後左右沖頭沿位移曲線軸向進給，液壓也按加壓曲線增加到某一值，從而使管坯與模具貼合，模具有限元模型如圖3 所示。

圖3 模具有限元模型

管坯的材料模型直接選擇Dynaform材料庫中對應Q235 的材料模型為CQ（36），其應力應變曲線如圖4 所示。根據零件的結構可知，最小截面外徑為23.7mm，考慮到管材的膨脹率，将有限元管材的直徑設為23mm，厚度設為1.8mm；零件的長度為60mm，考慮到後續的切割加工，管坯長度選取80mm。

圖4 材料應力- 應變曲

液壓成形參數設置如下：⑴合模距離，即上下模的初始間距，設置下模為參考，位置固定，上模基于管坯偏置一定距離，可以根據實際模拟情況自行調整；⑵軸向進給量，即沖頭合模之後繼續進給距離，根據體積不變原理，中間部分完全成形所需的體積由兩端金屬的流動補充，據此可以算出進給量；⑶液壓加載路徑，即液壓随時間變化曲線，加載曲線要滿足材料的屈服準則及最後成形的效果要求。主要參數：屈服壓力、極限壓力、校形壓力，加載路徑如圖5 所示。

圖5 液壓加載路徑

在上下模具合模時給管坯内部施加恒定的液壓，對管坯起到一定支撐作用，以保證合模時管坯的形狀不會發生畸變。根據實際要求合模距離設為12mm，單側沖頭軸向進給量2～2.5mm，屈服壓力(PO 設為50MPa，極限壓力（Pa）設為120MPa，校形壓力（Pb）設為150MPa 左右。

管形件成形質量的評價指标：⑴管坯的成形厚度分布情況及均勻情況；⑵管坯與模具的貼合程度，若管坯的貼模度不足，沒達到零件要求的标準，可以改變整形壓力，增加貼合度。

将理論計算值作為初始模拟數值，即合模距離12mm，單側沖頭進給量2.2mm，PO=50MPa，Pa=120MPa，Pb=150MPa，其模拟結果如圖6 所示。

圖6 所示為成形極限圖，中間部分呈現綠色表示成形安全，藍色區域表示表示有折疊趨勢，粉色區域表示有折疊現象，紫色區域表示有嚴重折疊，所以由圖可知管坯未發生破裂現象，但是折疊現象嚴重，中間區域為主要成形部分，成形良好，但兩側圓管區域折疊嚴重。

圖6 成形極限圖

由厚度分布圖（圖7）可知，成形管坯的厚度分布為1.558 ～ 3.026mm，最大減薄率為13.4%，最大增厚率為68.1%，中間部分四周圓角區的厚度為1.63 ～ 1.70mm。按照江淮管材内高壓成形質量标準，減薄率與增厚率均要小于15%，考慮到要對成形管件作整形處理，切割掉兩側多餘的金屬，可以看出成形後管坯最大增厚處為2.512mm，且管材徑向脹形不均勻，導緻截面大小不一緻。

圖7 厚度分布圖

管材徑向脹形是否充分要看材料與模具之間的間隙，若間隙較小且均勻，則可認為管材脹形效果良好。圖8 為管材與上模的距離分布，排除兩側切割區域，整體間距介于0.642 ～ 1.316mm，脹形效果不好。

圖8 成形管材與模具距離分布

從成形結果來看，成形厚度分布較為合理，但管材與模具貼合度較低，分析可能是由整形壓力較小，加之軸向進給過大造成的。對其進行第二次模拟，本次合模距離的模拟數值為12mm，單側沖頭進給量2mm，PO=50MPa，Pa=120MPa，Pb=180MPa， 其模拟結果如圖9 所示。

圖9 成形極限圖

從圖9 中可知本次的成形效果不如初次模拟的效果，從成形極限圖中可以看出成形安全區減少，且折疊區也增加了；從圖10 可知厚度分布為1.513 ～ 3.355mm，最大減薄率15.94%，中間難成形的四個圓倒角區的厚度在1.79mm 左右，接近原管坯厚度，但從成形表面來看效果不好。綜合分析是由于整形壓力過大，而且軸向進給較大造成的。

圖10 厚度分布圖

圖11 為切割後管材與模具距離分布。由圖可知管材與模具的距離主要介于0.514 ～ 0.985mm，脹形效果有所改善，但中間部分四周倒圓角區域的間距較大，該部分金屬流動性較差，未能充分脹形。

圖11 切割後管材與模具距離分布

在第三次模拟中， 其模拟數值為合模距離12mm，單側沖頭進給量1.5mm，PO=50MPa，Pa=120MPa，Pb=160MPa，同時在160MPa 下保壓0.01s，模拟結果如圖12 所示。

圖12 成形極限圖

如圖12 所示，管材的整體成形效果比之前兩次的好，折疊現象仍然存在但減少很多，厚度分布為1.572 ～ 2.740mm，最大減薄率為12.67%，滿足最低減薄率要求。兩端切割過後的管坯如圖13 所示，體厚度分布較均勻，厚度最大處約為2.043mm，主要集中在中間部分圓倒角區域，這部分可能由于未能及時向圓倒角處補料造成的。而從管坯與模具的間距來看，間距介于0.645 ～ 1.104mm，效果不佳，分析是由于折皺較多造成的。而從管坯與模具的間距來看（圖14），間距介于0.645 ～ 1.104mm，效果一般，分析可能是由折皺較多造成的。

圖13 厚度分布圖

圖14 管材與模具距離分布

從以上模拟結果可以得出，該管件使用内高壓成形工藝是可行，其主要問題及相應的措施如下：

⑴管件兩端圓截面的部分在成形過程中出現折皺現象，這是由軸向進給與整形階段的壓強匹配不夠好，使得金屬徑向流動不充分造成，需要找到一個合理匹配的範圍，以實現管材的表面光滑整齊；

⑵中間部分四周的圓倒角區域是難成形的，在多次模拟之後該區域的厚度達到使用要求，但未達到原管件均厚1.6mm 的要求，若以原管件1.6mm 的厚度為要求，最薄平均為1.550mm 左右，最厚平均為2.077mm，整體分布不太均勻，較厚處主要集中在管坯的兩端；

⑶該管件較優的成形參數還需進一步的優化，才能達到實際生産的要求。

—— 來源：《鍛造與沖壓》2019年第12期

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!