直缝激光焊管液压成形极限图试验研究.pdf

第 4 9卷第 2期 2 01 3年1月 机械工程学报 J OURNAL OF MECHANI CAL ENGI NEERI NG V01 ． 49 N O． 2 J a n ． 201 3 Dol 1 O ． 3 9 0 1 ， J M E． 2 0 1 3 ． O 2 ． 0 4 9 直缝激光焊管液压成形极限图试验研究木 马菖宏 于忠奇 ， 2 陈新平 陈仙风 林忠钦 ， 2 1 ． 上海交通大学上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室上海2 0 0 2 4 0 ； 2 ．上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海2 0 0 2 4 0 ； 3 ．宝 山钢铁有 限公司研究院上海2 0 1 9 0 0 摘要在管件液压成形中，准确地评价管材缩颈或破裂现象是工程上备受关注的问题。成形极限图作为评价成形性能的一种 有效手段，得到广泛应用。基于椭圆胀形试验方法，通过改变椭圆比大小实现拉一 拉应变区管材极限应变的测量 。联合已有 的 自由胀形试验和椭圆胀形试验，实现管材液压成形极限试验评价。采用镶嵌式模具结构设计，建立一种柔性化的管材液压 成形极限试验装置，完成多种规格激光焊管的液压成形极限试验。激光焊管成形极限试验结果表明，所建立的成形极限试验 方法是可行的；同种牌号的激光焊管，厚度和直径不仅影响着平面应变点的成形极限，而且也影响着成形极限曲线的形状； 由于受起皱失稳的影响，直径厚度 比越小的管材，拉． 压应变区的极限应变比值也越小。 关键词激光焊管液压成形成形性能成形极限图试验方法 中图分类号T G3 8 6 Ex pe r i m e nt a l S t ud y o n Fo r mi n g Li mi t Di a g r a m o f La s e r W e l d e d Tu be Hyd r o f o r m i n g MA Cha n g h o n g YU Zh o n g q i ， CHEN Xi n p i ng 。 CHE N Xi a nf e n g LI N Zh o n g q i n ， 1 ． S h a n g h a i Ke y L a b o r a t o r y o f D i g i t a l Ma n u f a c t u r i n g f o r T h i n Wa l l e d S t r u c t u r e ， S h a n g h a i J i a o T o n g Un i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ； 2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o ry o f Me c h a n i c a l S y s t e m a n d Vi b r a t i o n ， S h a n g h a i J i a o To n g Un i v e r s i ty, S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ； 3 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Ba o s h a n I r o n＆S t e e l C o ． ， L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 1 9 0 0 Ab s t r a c t I n t u b e h y d r o f o r min g ， h o w t o p r o p e r l y e v a l u a t e b u r s t i n g o r wri n k l i n g i s a l l i mp o r t a n t p r o b l e m i n e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o n s ． F o r mi n g l i mi t d i a g r a m h a s b e e n wi d e l y u s e d a s an e ff e c t i v e me t h o d t o e s t i ma t e t h e h y d r o f o r ma b i l i t y ． Ba s e d o n tub e e l l i p s e b u l g i n g t e s t ， me a s ure me n t me tho d o f the l i mi t s t r a i n a t t e n s i o n t e n s i o n s tra i n z o n e o f f o r mi n g l i mi t d i a gra m i s d e v e l o p e d ． Th e f o r mi n g l i mi t d i a gra m o ftub eh y dro f o r mi n g C a l l b e a c h i e v e db yme a n s o f thef r e eb u l g i n gt e s t a n dthe e l l i p s eb u l g i ngt e s t ． A fl e x i b l et e s t s e t u pwi th the d e s i g n o f i n s e r t s t r u c t u r e f o r t u b e h y dro f o r mi n g l i mi t t e s t i s d e v e l o p e d ， an d t h e h y dro f o r mi n g l i mi t t e s t s o f l a s e r we l d e d tub e wi th d i ffe r e n t s p e c i fi c a t i o n a r e c o mp l e t e d u s i n g the t e s t s e t u p ． Th e r e s u l t s s h o w tha t t h e t h i c k n e s s a n d d i a me t e r o f l a s e r we l d e d tub e s ma d e f r o m the s a me b r and s h e e t ma t e ria l n o t o n l y a ff e c t the l i mi t s t r a i n at t h e p l a n e s t r a i n s t a t e ， b u t a l s o a ffe c t t h e s h a p e o f f o r mi n g l i mi t c u r v e ， a n d the v a l u e o f s tra i n r a t i o a t t e n s i o n c o mp r e s s i o n s tra i n z o n e i s d e c r e a s e d wi t h d e c r e a s i n g t h e d i a me t e r - t o - thi c kn e s s r a t i o ． Ke y wo r d s La s e r we l d e d t u b e Hy dro f o r mi n g Fo r ma b i l i t y F o rm i n g l i mi t d i a gra m Te s t me t h o d 0 前言 管件液压成形技术作为实现汽车轻量化的一 种重要技术手段，已经在轿车制造上开始应用，正 逐步扩大使用范 围。成形极 限图 F o r m i n g l imit 国家自然科学基金 5 1 1 2 1 0 6 3 和国家重点实验室开放课题 MS V 2 0 1 2 0 7 资助项 目。2 0 1 2 0 8 2 4收到初稿，2 0 1 2 1 1 0 5收到修改稿 d i a g r a m，F L D 作为评价板材成形性能的重要工具， 在工程上 已得到广泛的应用[ 1 - 3 ] 。同样 在液压成形 中， 管材液压 F L D的获得也有重要的实用价值， 然 而由于管材液压成形在力学性能上有其 自身的特 点[ 】 ，故不能用板材的试验数据来替代管材。 如何 准确地获得管材液压 F L D 成为现今液压成形技术 研究的一个热点。 获取管材液压 F L D 主要有理论解析方法 J 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 9 卷第 2期 数值仿真方法[ 1 和试验方法[ 】 。在试验研究方面 ， D A VI E S等【 9 】 提出采用 自由胀形试验测量铝挤压管 材液压 F L D。 对于拉一 压应变状态， 通过同时 向试样 施加轴向推力和内压力实现 ；对于拉一 拉应变状态， 同时在试样上施加轴 向拉力和内压力实现 ，但后者 在有 内压力 的情况下很难实现管材 两端 的夹持 。 HWA NG等L l 0 J 通过 自由胀形试验确定出管材左侧液 压 F L D。 S O NG等【 l 1 ] 通过 自由胀形试验评估 了高频 感应焊 E l e c t r i c r e s i s t a n c e we l d i n g ，E R W 管材液压 F L D，且只开展了拉一 压应变状态范 围的 F L D研究。 在 以上研究中，都是通过液压 自由胀形试验获得管 材 F L D左侧数据。针对 F L D右侧数据难于测试情 况，徐祥合等[ 1 2 1 通过联合施加挤压力和内压力 的方 法实现拉。 拉应变状态主次应变的测量， 试验获得了 F L D右侧数据 ，然而这种试验方法在操作上比较繁 琐 。由前人的研究成果可以看出，利用试验方法评 价管材液压 F L D 主要集 中在拉． 压应变区，仅有少 数学者通过试验获得了 F L D右侧数据 。目前，利用 自由胀形方法获取管材液压 F L D 已经获得认可， 但 获取 F L D右侧数据对液压成形设备要求较高 ， 一般 液压成形装备实现较为困难。另外 ，管材直径和厚 度对 F L D影响的研究还鲜见报道。 相对于无缝管，焊管具有生产成本低、制造效 率高、品种多和质量稳定等特点。故 目前主要采用 E R W 焊管和激光焊管作为车身管状零件用材料 。 激 光焊管具有更好的焊接质量和更大 的径厚比，在高 强钢焊管上更具有优势。本文采用椭圆胀形方法获 取管材液压 F L D右侧数据 ， 通过 自由胀形方法获取 F L D 左侧数据，并通过一种柔性化的模具结构设 计 ，将两种方法整合成一套试验装置，实现各种规 格管材 的 F L D试验测试 ， 进而试验研究激光焊管液 压 F L D特点。 1 成形极限试验原理 1 ． 1 拉一 压应变区极限应变试验原理 为实现管材拉一 压应变区的应变状态， 采用常用 的 自由胀形试验方法，如图 1 左侧部分所示，两端 施加轴向推力，同时管内施加内压力。为了获得给 定的应变状态，需要预先计算相应的内压力与轴向 推力的匹配关系。试验中按预先设定的工艺路径轨 迹施加内压力及轴 向推力，使得 自由胀形区材料 以 近似线性应变路径变形，直至发生破裂。破裂位置 附近应变即为此应变状态下管材的极限应变。 } 一 一 一 一 f ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ A 材 封头1 l J I 封头 ～ 一 l 一引导区 ～ l _ 变形区 一 l 一引导区 ～ l 图 1 自由胀形原理图 准 确 獗 得 凹 已 合 埋 阴 内 雎 力 与 轴 I 司于 匪力 是 这 种试验方法的关键。本研究采用文献[ 1 2 】 建立的理 论方程， 如式 1 和式 2 所示， 计算给定应变状态下 的内压力P 与轴 向推力 F。 eX p 【 小 一 ⋯ l 旦l 1 l d o -6 o e x p e o 。 P z l 脚 兀 1 2 l一 一 1 ． a p o l十 Pz 2 1 一 t o ～ ， 式中，R、K、 n 分别为厚向异性系数、强化系数 和硬化指数；8 o 和 分别为管材初始厚度和初始外 径； 为管材自由胀形区最高点处的曲率半径； 和 分别为应力 比和应变 比；以周向应变 为 自变 量，就可以得到内压力 值； j ／ 为材料的泊松 比； 巧 和 分别为管材初始内、外半径； ， n 为引导区管 坯初始长度； 为管壁与模具问的摩擦因数；P 为 内压力 ； P o 为 自由胀 形 区最 高 点处 的横 向 曲率 半径。 同时，为了获得更接近于平面应变状态下的极 限应变，需要在整个试验过程中，管材轴向应变应 接近于 0 。为此，采用圆锥形密封头将管端锁住并 密封，如图 1 中右侧部分所示，使管材在自由胀形 过程中尽可能地降低轴向材料流动，实现自由胀形 部分发生平面应变变形。已有试验证明，通过施加 内压力可以获得近似平面应变路径的管材极限应 变。 1 ． 2 拉一 拉应变区极限应变试验原理 测试拉一 拉应变状态下的管材极限应变关键在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 1 月 马菖宏等直缝激光焊管液压成形极限图试验研究 5 3 4 结论 1 基于管材椭圆胀形试验建立拉． 拉应变区 材料极限应变测量方法 。采用镶嵌模具结构设计， 将现有的管材自由胀形试验和所建立的椭圆胀形试 验统一到同一试验模具上，构建一套柔性化的管材 成形极限试验装置，实现了不同尺寸规格管材液压 成形极限试验评估。 2 完成了具有不同直径和厚度的同牌号激光 焊管液压 F L D试验研究 ， 证 明了上述管材液压成形 极限试验方法是可行 的，且发现在同牌号激光焊管 中材料厚度和直径影响着管材液压成形性能。 参考文献 [ 1 】于忠奇，侯波，李淑慧，等．耦合温度和应变率的铝合 金板成 形极 限预 测方法 [ J ] ．机械 工程 学报，2 0 1 0 ， 4 6 8 3 7 - 4 1 ． YU Z h o n g q i ， HOU Bo ，L I S h u h u i ，e t a 1 ． P r e d i c tio n o f f o r mi n g l i mi t f o r a l u mi n u m a l l o y s h e e t c o u p l i n g wi t h t e mp e r a t u r e a n d s a in r a t e [ J ] ．J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 ， 4 6 8 3 7 - 4 1 ． 【 2 】王海波，万敏，吴 向东，等．不同强化模型下的板料 成形极限[ J 】 ．机械工程学报， 2 0 0 7 ， 4 3 8 6 0 6 5 ． WANG Ha i b o ， WAN Mi n ， WU Xi a n g d o n g ， e t a 1 ． Fo r mi n g l i mi t o f s h e e t me t a l b a s e d o n d i ff e r e n t h a r d e n i n g mo d e l s [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 4 3 8 6 0 - 6 5 ． [ 3 】 陈炜，彭志刚，侯波， 等． 激光拼焊板成形极限图的理 论建立方法[ J ] ． 机械工程学报，2 0 0 9 ， 4 5 4 1 8 3 1 8 6 ． CHE N We i ， P E NG Zh i g a n g ， HOU Bo ， e t a 1 ． T h e o r e t i c a l e s tab l i s h me n t o f f o rm i n g l i mi t d i a g r a m for l a s e r tai l o r - we l d e d b l a n k s [ J ] ． J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 4 5 4 1 8 3 1 8 6 ． [ 4 】C HU E ，XU Y I n fl u e n c e s o f g e n e r a l i z e d l o a d i n g p aram e t e r s o n F L D p r e d i c t i o n s f o r a l u mi n um t u b e h y d r o f o r ming [ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y , 2 0 0 8 ， 1 9 6 1 - 9 ． [ 5 ] C HU E ，XU Y．H y d r o f o r mi n g o f a l um i n u m e x t r u s i o n t u b e s f o r a u t o mo t i v e a p p l i c a t i o ns ．Pa r t h Bu c k l i n g ， wri n k l i n g and b u r s t i n g ana l y s e s o f a l u mi n um tub e s [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e s ， 2 0 0 4 ， 4 6 2 6 3 ． 2 8 3 ． [ 6 ] 陈仙风，于忠奇，侯波，等．直缝焊管液压成形极限 理论预 测模 型[ J ] ．机械 工程学 报，2 0 1 1 ，4 7 2 0 1 1 6 ． 1 2 0 ． CHE N Xi anf e n g ， YU Zh o n g q i ， HOU Bo ， e t a 1 ． P r e d i c t i o n mo d e l for f o rm i n g l i mi t o f s e a me d t u b e h y d r o f o r mi n g [ J ] ． J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 1 1 ，4 7 2 0 l 1 6 ． 1 2 0 ． [ 7 ] 薛克敏，周林，李萍．基于成形应力极限的管材液压 成形缺陷预测[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 9 ， 4 5 6 2 2 9 ． 2 3 3 ． XUE Ke mi n ， ZHOU Li n ， LI P i n g ． Pr e d i c ti o n o f d e f e c t s i n t u b e h y d r o f o r mi n g b a s e d o n f o rm i n g s t r e s s l i mi t [ J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 0 9 ，4 5 6 2 2 9 ． 2 3 3 ． [ 8 ] C H E N Xi anf e n g ，L I N Z h o n g q i n ，Y U Z h o n g q i ，e t a 1 ． P r e d i c ti o n o f f o rm i n g l i mi t d i a gra m for s e a me d tub e h y d r o f o r mi n g b a s e d o n t h i c k n e s s g r a die n t c ri t e ri o n [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f NUM I S HEE T 2 01 1 ， S e o u l ， Ko r e a ， 2 0 1 1 6 5 3 ． 6 6 0 ． [ 9 】D A V I E S R ， G R ANT G ’ HE R L I NG D， e t a 1 ． F o r ma b i l i t y inv e s t i g a t i o n o f a l u mi n u m e x t r u s i o n s u n d e r h y d r o f o r mi n g c o n d i t i o n s [ R] ． S AE ， 2 0 0 0 0 1 - 2 6 7 5 ， 2 0 0 0 ． [ 1 0 】H WAN G Y M， L I N Y C HU AN G H C． F o rmi n g l i mi t d i a g r a ms o f t u b u l ar ma t e ri a l s b y b u l g e t e s t s [ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e ria l s P r o c e s s i n g T e c hn o l o gy , 2 0 0 9 ， 2 0 9 5 0 2 4 5 0 3 4 ． [ 1 1 】 S O NG W J ， HE O S C ， KU T W e t a 1 ． E v a l u a t i o n o f e ffe c t o f flo w s t r e s s c h a r a c t e ris t i c s o f tub u l ar ma t e ri a l o n f o r mi n g l i mi t in tu b e h y d r o f o r ming p r o c e s s [ j]． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Ma c h ine T o o l s an d Manu f a c t u r e ， 2 0 1 0 ， 5 0 9 7 5 3 - 7 6 4 ． [ 1 2 】徐祥合．液压成形管件的可制造性评价方法研究[ D 】 ． 上海上海交通大学， 2 0 0 9 ． XU Xi a n g h e ． Re s e arc h o n t h e f o r ma b i l i t y e v a l u a t i o n o f h y d r o f o r me d p a r t s [ D] ．S h ang h a i S h ang h a i J i a o T o n g Un i v e r s i t y , 2 0 0 9 ． 作者简介马菖宏，男，1 9 8 9 年出生。主要研究方向为管件液压成形极限。 E - ma i l s h i n e s t a r s j t u ．e d u ．e l l 于忠奇 通信作者 ，男，1 9 7 3年出生，博士，副教授。主要研究方向为 先进板材塑性成形理论与工艺。 E ma i l y u z h q s j t u ．e d u ． o i 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m