AZ31B镁合金管材液压胀形数值模拟分析.pdf

第 1期 2 0 1 5年 1月 机 械 设 计 与 制 造 M a c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 2 4 7 A Z 3 1 B镁合金管材液压胀形数值模拟分析 毛 献 昌 I 1 1 ． 河池学院 物理与机电工程学院， 广西 宜州5 4 6 3 0 0 ； 2 ． 贺州学院 机械与电子工程学院， 广西 贺州5 4 2 8 9 9 摘要 基于管材轴向补料液压胀形技术， 采用 D y n a f o r m有限元仿真软件对 0 ．7 5 ra m厚的 A Z 3 I B镁合金管材的胀形过 程进行了数值模拟分析。研究了模具圆角半径、 液压力、 模具间隙等工艺参数对镁合金管件壁厚分布和最大壁厚减薄量 的影响规律， 并探索了 相对合理的工艺参数。 研究结果表明， 镁合金管件的最小壁厚通常分布在最大胀形直径处， 除非 模具间隙过小； 由于受到轴向作用力， 管材两端会随模具间隙的改变而出现不均匀的壁厚增厚现象， 并且受轴向压头作 用的一端的壁厚增厚量相对较大； 胀形过程中， 当模具圆角半径为 5 ra m， 模具间隙为 O ． 8 m m时， 获得的镁合金管件壁厚 分布较均 匀， 成形效果较好。 关键词 镁合金； 管材； 液压胀形； 壁厚分布； 减薄量； 成形效果 中图分类号 T H1 6 ； T G 3 8 6 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 1 0 2 4 7 0 4 Nu me r i c a l Si mu l a t i o n o f AZ 31 B Ma g n e s i u m Al l o y i n Tu b e Hy d r o f o r mi n g MAO Xi a n - c h a n g ， 1 ． P h y s i c s Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c En g i n e e r i n g De p a r t me n t ，He c h i Un i v e r s i t y ，Gu a n g x i Yi z h o u 5 4 6 3 0 0 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， He z h o u U n i v e r s i t y ， G u a n g x i H e z h o u 5 4 2 8 9 9 ， C h i n a A b s t r a c t B a s e d o n t u b e h y d r o f o r m i n g w i t h a x i a l l厂 e e d i n g ， t h e b u l g i n gp r o c e s s o fA Z 3 1 B ma g n e s i u m a l l o y t u b e w i t h 0 ．7 5 m m t h ic k n e s s W O S s i mu l a t e d b y u s i n g t h e c o mm e r c i a l F E s o j w a r e D y n ofo r m ． T h e t e c h n o l o g i c al p a r a m e t e r s w h i c h i n fluee t h e w al l t h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n a n d m axi m u m t h i c k nes s r e d u c t i o n A t o f m a g n e s i a all o y t u b e w e b i n t r o d u c e d ， i n c l u d i n g d i e r a d i us R， h y d r a u l i c p r e s s u r e P ， d i e c l e ara n c e C， e t c ． The r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t t h e m i n i m u m w a l l t h i c k n e s s o fA Z 3 1 B m a g n e s i u m all o y t u b e p a r t s a p p e are d at t h e b i g g e s t b u l g i n g d i am e t e r r e gi o n u n l e s s e x c e s s iv e l o w e r d ie c l e aranc e v alu e app l i e d i n t h e 6 ngp r o c e s s ．U n e v e n t h i c k e n i n g w h o u l d appe ar at t w o pip e e n d s∞ t h e d i e c l e aran c e c h an g e s ，an d h i g h e r t h i c k e n i n g v alu e C an b e o b t a i n a t t h e u p p e r e n d w h i c h w a s a c t e d d i r e c t l y b y axi al p r e s s u r e h e a d ． 咖 r a b l e Wal l t h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n and f o r m i n g e f f e c t o fA Z 3 1 B ma g n e s i u m a l l o y t u b e p art s c a n b e o b t ai n e d w h e n d i e r adi v al u e R／ s 5 m m and d i e c l e ara n c e v alne C Was 0． 8 mm． Ke y W o r d s M a g n e s i u m Al l o y ；T u b e ； Hy d r o - B u g l i n g； W a l l Th i c k n e s s Di s t r i b u t i o n； M a x i mu m Th i c kn e s s Re d u c t i o n； F o r mi n gE ffe c t 1 引言 镁合金因具有比重低、 吸振好 、 电磁波绝缘性佳、 散热性良 好的优点 ， 其管状零件在航空航天、 汽车、 3 C产品等领域具有重 要的应用价值和广阔的应用前景 ㈣。目前镁合金管件主要为铸 件， 但铸件具有组织疏松、 气孔多、 力学性能差、 尺寸精度低等缺 陷， 很难满足某些较高的使用要求， 而且采用压铸工艺难于制备 薄壁的镁合金零件l引 。采用如管材液压胀形工艺的塑性成形技术 成形的管件因能较好的避免上述问题而备受业内人士的关注 。 然而， 室温下镁合金管材的塑性成形性能较差， 胀形极限低， 而高 温下其胀形极限虽然能得到大幅度提高_句 ， 但镁合金高温胀形技 术却存在装置复杂、 操作危险、 镁合金高温易氧化等缺陷17 ／ 。 为此， 一 些学者又开始关注镁合金管材冷胀形技术， 并在该技术基础上 不断探索能改善镁合金管材胀形性能的新方法。研究发现， 不锈 钢管材液压胀形过程中， 在管材轴向上施加一定的推力， 使管材 能够轴向补料， 可以有效改善管材的胀形效果 。 而镁合金管材液 压胀形过程中， 管件的壁厚分布是评价管材胀形效果好坏的一个 重要指标， 管材壁厚分布特点研究也是目前的研究热点刚。鉴于 此 ， 基于 D y n a f o r m有限元软件 ， 采用轴 向推力 液压胀形工艺成形 A Z 3 1 B镁合金管材， 分析不同条件下管材的壁厚分布规律， 为后 续试验研究提供参考。 2模具结构及胀形原理 A Z 3 1 B镁合金管材轴向补料液压胀形模具结构及胀形原理 来稿 E t 期 2 0 1 4 0 7 1 0 基金项目 国家自然科学基金项目 5 1 2 7 1 0 6 2 ； 广西自 然科学基金项目 2 0 1 2 G x N S F B A O 5 3 1 4 7 ； 广西高校科研项目 2 0 1 3 Y B 2 0 8 ； 贺州学院科研项目 2 0 1 4 Y B Z K 0 1 作者简介 毛献昌， 1 9 8 2 一 ， 男， 广西贺州人 ， 硕士， 讲师， 主要研究方向 镁合金液压成形技术方面的研究 No ． 1 J a n ． 2 0 1 5 机 械 设 计 与 制 造 2 4 9 5 ． 1模具圆角半径 镁合金管材胀形过程中，上下压板的内圆需设置一定的圆 角， 以避免胀形时管材局部受到较大的应力作用， 如图 1 所示。 该 圆角此处可称之为模具圆角， 模具圆角半径的大小对管材的成形 极限和壁厚变薄情况有一定的影响。 研究圆角半径对管材壁厚分 布的影响规律时， 液压加载采用线性加载方式 ， 最大胀形力 P取 1 8 M P a ， 模具间隙 C取 0 ． 8 m m， 设定管材与模具间的摩察系数为 0 ． 1 ， 轴向压头移动时间为0 ． 0 3 5 s ， 其他设置保持默认值。 不同模具 圆角半径下， A Z 3 1 B镁合金管成形件 1 0个采样点上的壁厚分布 曲线 ， 如图4所示。从图4可以看出， 镁合金管材成形后， 最小壁 厚均分布在最大胀形直径处， 即管件的采样点 6位置处 ； 在镁合 金管件两端的非胀形区， 管材有稍微的增厚现象， 并且管材上端 非胀形区由于受到轴向压头的直接作用， 此处管材的变厚量较下 端大， 即采样点 1 O处的增厚量较采样点 1 或采样点 2处的大。 根 据上述壁厚分布曲线，归纳了镁合金管件的最大壁厚减薄量 的变化曲线图， 如图4中的小图部分。 从图中可知， 随着模具圆角 半径 R的增加 ， 镁合金成形管件的最大壁厚减薄量值 先减小 后增大； 当R为5 m m时， 获得了最大壁厚减薄量值 0 ． 5 3 9 m m。 最大壁厚减薄量 值先减小后增大的主要原因是 随着模 具圆角半径 R的增大， 管材胀形时材料流动顺畅， 补给及时， 故 一 定液压力下 ， 成形件最小壁厚值相对较大； 但当 R过大时， 过 大的 值使得模具对镁合金管材的支撑面过小，管材胀形区变 长， 此时管材变形相对容易， 在相同液压力条件下， 管材最大胀形 直径较大， 最小壁厚则相应会较小， 故最大壁厚减薄量也会增大。 1 薰 一 图 4不同模具圆角半径下管件壁厚分布曲线 F i g ．4 Wa l l Th i c k n e s s Di s t r i b u t i o n o f T u b e Un de r Di f f e r e n t R 5 _ 2液压力 研究液压力对镁合金管材胀形性能的影响时，设定模具圆 角半径 为5 m m， 其他参数与 4 ． 1 节中相同。 不同液压力下， 镁合 金管件 1 0 个采样点上的壁厚分布曲线， 如图5所示。图5显示， 不同液压力条件下， 管件的最小壁厚均分布在最大胀形直径位置 处， 即采样点 6或采样点 7位置处。与4 ． 2 节相似， 管件的两端有 轻微的增厚现象。 当胀形液压力 P增加至 2 0 MP a 时， 管材的最小 壁厚达到 0 ．2 m m， 这表明此时管件壁厚变薄较为严重， 局部甚至 已经破裂。根据各管件的壁厚分希隋况， 可总结镁合金管件的最 大壁厚减薄量 的变化曲线图， 如图5中的小图部分。 从图中可以看出， 随着液压力 P的增大， 镁合金管件最大壁 厚减薄量 逐渐增大。 这主要是因为随着液压力P的增大， 镁合 金管材的塑性变形量增大，管材的最大胀形直径也逐渐变大， 导 致最大胀形直径处的壁厚迅速减薄。 采样 点 图 5不同液压力下管件壁厚分布曲线 F i g ． 5 Wa l l T h i c k n e s s Di s t rib u t i o n of Tu b e Un d e r Di f f e r e n t P 5 ． 3模具 间隙 镁合金管材液压胀形过程中，压板内径与轴向压头间的单 边间隙称为模具间隙G 。 研究模具间隙对镁合金管材胀形效果的 影响时， 除采用不同的 C值外 ， 其他参数取值与 4 ． 1 节和4 ． 2 节中 的相同。不同模具间隙 c时， 镁合金管成形件 1 0 个采样点上的 壁厚分布曲线， 如图 6 所示。 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l O 采样 点 图 6采用不同模具间隙 c时管件壁厚分布曲线 F i g ． 6 W all T h i c k n e s s Di s t r i b u t i o n of Tu b e Un d e r Di ff e r e n t C 从图中可以看出， 当 C为 0 ．7 m m时， 镁合金管材的最小壁厚 位置出现在采样点 5的位置，而不是管材的最大胀形直径位置， 此外管材上端非胀形区有不均匀的的壁厚增厚现象。主要原因 是 模具间隙过小时， 管材受模具夹紧， 摩擦力较大， 下端材料很 难向胀形区供给材料， 因此在胀形区的下部位置 采样点 5附近 产生较大的拉应力而使该处壁厚减薄严重；不同的模具间隙， 会 使管材初始定位不一致，胀形时轴向压头对其的作用力也不一 致 ， 因此最终获得的壁厚增厚则不均匀。 同理， 根据各管件的壁 厚分布情况 ，可总结镁合金管件的最大壁厚减薄量 △ ￡ 的变化曲 线图， 如图6 中的小图 部分。图中显示， 随着模具间隙 c的增大 ， 镁合金胀形管件的最大壁厚减薄量 逐渐减小，壁厚均匀性逐 渐得到改善，但当 C大于 0 ． 8 m m后，此种改善效果基本趋于平 缓。 分析其原因， 主要是因为随着模具间隙的增大， 管材与模具间 0 0 0 O O O O 一 目 哪 殴剥 2 5 0 机 械 设 计 与 制 造 No ． 1 J a n ． 2 0 1 5 的摩擦力减小， 胀形时管材轴向补料顺畅， 胀形区壁厚减薄量则相 对较小 ； 而当 C增大到一定程度时 ， 管材 与模具问的摩擦 已很小 ， 管材均很容易轴向补料， 因此管件壁厚的最大减薄量基本不变。 6结论 1 镁合金管材胀形过程中， 其最小壁厚通常分布在最大胀 形直径位置， 即采样点 6 处， 但当模具间隙过小时， 由于轴向补料 不充分， 管材最小壁厚位置可能会转移至采样点 5 附近。 2 由于 受到轴向作用力，管材两端的壁厚会随模具间隙的改变而出现不 均匀的壁厚增厚现象， 并且与轴向压头直接接触端的壁厚增厚量相 对较大， 即采样点 1 0处的增厚量较采样点 1 或2点处的大。 3 镁 合金管材成形件的壁厚减薄量，随模具圆角半径 R的增大先减小 后增大， 当R为5 ra m时， 可获得最小壁厚的最大值 0 5 3 9 m m； 随液压 力的增大而增大； 随模具间隙的增大而减小， 当间隙增大至0 ．8 m m 后， 最小壁厚值基本保持不变， 约为0 ． 5 9 8 mm 。 4 镁合金管材液 [ 3 ] 李元元， 张卫文． 镁合金的发展动态和前景展望 [ J 1 ．特种铸造及有色 合金 ， 2 0 0 4 1 1 4 1 7 ． L i Yu a n y u a n． Z ha n g We i we n ．De v e l o pme n t t r e n d s a nd p r o s pe c t s o f m a g n e s i u m a l l o y [ J ] ． S p e c i a l C a s t i n g ＆N o n f e r r o u s A l l o y s ， 2 0 0 4 1 1 4 1 7 ． [ 4 ] 袁安营， 王忠堂． 管材液压胀形有限元模拟 [ J ] 计 算机辅助工程， 2 0 0 6 1 3 7 0 3 7 3 ． Yua n An- y i n g， Wa n g Z h o n g t a n g ． F i n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n o f t u be h y d r o f o r mi n g [ J ] ． C o m p u t e r - A i d e d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 1 3 7 0 - 3 7 3 ． [ 5 ] 温彤． 管材成形技术综述 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 6 1 1 7 7 7 9 ． We n T o n g ． A v i e w o f p i p e a n d t u b e f o r mi n g t e c h n o l o g y l J J ．Ma c h i n e r y D e s i g n ＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 6 1 1 7 7 - 7 9 ． [ 6 ] 苑世剑 ， 汤泽军． A Z 3 1 B镁合金管材热态内压成形性能的研究 [ J ] ． 材 料科学与工艺 ， 2 0 0 9 5 1 8 2 2 ． Y u a n S h i - j i a n ， T a n g Z e j u n ．F o rma b i l i t y o f w a r m h y d r o f o rmi n g o f Az 3 1 Bma g n e s i u m a l l o y t u b e [ J j ． Ma t e r i a l s S c i e n c e a n dT e c h n o l o gy， 2 0 0 9 5 1 8 2 2 ． l 7 j Ma o X i a n - c h a n g ． F o r mi n g l i mi t o f ma gne s i u m a l l o y s h e e t i n h y d r o me c h a - 压胀形过程中， 取模具圆角半径 R为5 m m、 模具间隙 C为 0 ． 8 m [ ] 时， 获得的管件壁厚分布较均匀， 成形效果较好。 参考文献 l 1 J B a N g h i e p ， K S a t i s h ． B a p ana p all i ． F o r m i n g a n al y s i s o f A Z 3 1 m a g n e s i u m a l l o y s h e e t s b y me a n s o f a mu h i s t e p i n v e r s e a p p r o a c h [ J ] ． Ma t e r i als a n d D e s i g n， 2 0 0 9 3 0 9 9 2 9 9 9 ． [ 2 ] 王峰， 邸金南．镁合金汽车转向管柱支架结构分析及优化E J ] ． 机械设计 与制造， 2 0 1 4 3 2 0 4 2 0 6 ． Wa n gF e n g ， Di J i n - n a n ．S t r u c t u r a l analy s i s a n do p t i mi z a t i o no f ma g ne s i u m a l l o y a u t o m o t i v e s t e e r i n g c o l u mn b r a c k e t J ] ． Ma c h i n e ry D e s i g n Ma n u a c t u r e ， 2 0 1 4 3 2 0 4 2 0 6 ． n i e al d e e p d r a w i n g f J 1 ．A d v a n c e d M a t e ri al s R e s e a r c h ， 2 0 1 2 4 8 2 - 4 8 4 2 08 6 - 2 0 8 9 ． S o n g Wo o- j i n ， He o S e o n g- c h a n ． E v alu a t i o n o f e f f e c t o f fl o w s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f t u b u l a r ma t e r i al o n f o rm i n g l i mi t i n t u b e h y d r o f o rm i ng p r o c e s s l J J ． I n t e r n a t i o n al J o u r n al o f Ma c h i n e T o o l s ＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 0 5 0 7 5 3 7 6 4 ． 1 9 J D I Ro s a l o r e n z o ．I n t e g r a t i o n o f g r a d i e n t b a s e d a n d r e s p o n s e s u r f a c e me t h o d s t o d e v e l o p a c a s c a d e o p t i mi s a t i o n s t r a t e gy f o r Y-s h a p e d t u be h y d r o f o rmi n g p r o c e s s d e s i g n [ J ． A d v a n c e s i n E n g i n e e r i n g S o ft w a r e ， 2 0 1 0 4 1 3 3 6 3 4 8 ． [ 1 O ] 吴 丛强 ， 杨连发． 一种新型管材液压胀形装置 的设计 E J ] ． 锻压技术 ， 2 0 0 9 1 1 0 9 1 1 2 ． WuCo n g q i a n g． Ya n gL i a n f a ． De s i g n o f an e wt u b eh y d r o f o rm i n gt o o l l J j ． F 0 哂 n g ＆S t a mp i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 1 1 0 9 - 1 1 2 ． 上接 第 2 4 6页 但是在综合考虑模具部分零件变形的情况时，制品的质量 却难以得到保证。在试模阶段或者模具使用初期， 往往能够生产 出合格的制品， 但随着周期性的反复生产， 模具在温度和压力的 作用下， 开始发生变形， 最终导致产品质量下降， 模具失效， 寿命 缩短的现象出现。因此， 在注塑模 C A E分析过程中， 不仅要对塑 料成形过程进行模拟分析 ， 还要对模具进行变形分析 。实践证明 利用上述模具 C A E方法是可行的， 结果是可靠的， 从而在设计加 工前利用分析结果就能避免不合理的设计， 避免修模或者重新设 计而造成大量的人力、 物力， 财力的浪费。 各种分析有机的综合应 用， 会使注塑模的 C A E分析更具可靠性、 全面性， 并为模具的设 计提供更有价值的依据。 参考文献 [ 1 ] 党琰． 收音机外壳注塑模结构设计与模 具结构 的 C A E研究 [ D] ． 西安 长安大学 ， 2 0 1 2 6 9 8 0 ． D a n g Y a n ．S t u d y o n i n j e c t i o n C AE t e c h n o l o gy a n d mo l d d e s i g n o f t h e r a d i o s h e l l [ D ． X i a n C h a n g ’ a n U n i v e r s i t y ， 2 0 1 2 6 9 8 0 ． [ 2 ] 申长雨， 陈静波， 刘春太． 注射模冷却过程 C A E技术[ J ] _模具工业， 2 0 0 1 ， 2 4 2 4 5 2 5 6 ． S h e n C h a n g - y u ， C h e n J i n g - b o ， L i u C h u n- t a i ．I n j e c t i o n mo l d c o o l i n g p r o c e s s C A E t e e h n o l o gy[ J 1 ． D i e ＆ M 0 u l d I n d u s t r y ， 2 0 0 1 ， 2 4 2 4 5 2 - 5 6 ． [ 3 ] 陈志新 ， 黄凡．基于 Mo l d fl o w和 A n s y s的注塑模具变形模拟分析 [ J ] ．机 械设计与制造， 2 0 0 9 3 2 4 6 2 4 8 ． C h e n Z h i x i n ， H u a n g F a n ．I n j e c t i o n m o l d d e f o r m a t i o n a n a l y s i s b a s e d o n Mo l d f l o w a n d AN S Y S [ J ] ． Ma c h i n e r y D e s i g n＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 9 3 2 4 6 2 4 8 ． [ 4 ] 黄俊东， 金杨福， 钱欣．一种基于 M o l d fl o w和A N S Y S 耦合技术的钢塑 复合材料在注塑过程中钢网形变的分析方法[ J J _ 塑料， 2 0 1 1 ， 4 0 4 9 3 - 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3 3 5 4 3 ．