摘要:建立T型管液压成形的有限元分析模型，对成形支管高度和管壁厚度的分布进行了模拟， 与试验结果的比较证实了该模型的有效性•提出了综合反映T型管件液压成形性能的评价指数， 对在不同的材料各向异性系数r•值、应变强化指数《值以及不同加载路径、摩擦系数等工艺参数下 的T型管件液压成形分别进行计算分析，讨论了这些因素对成形性能的影响.研究结果为有限元 方法在管件液压成形中的应用奠定了一定基础.
管件液压成形技术作为先进的制造技术受到工 业界特别是汽车工业的广泛重视.与传统冲压焊接 工艺相比，采用管件液压成形工艺的优点是[1]:①减 轻零件重量;②提高零件的强度、刚度和耐撞性;③ 减少零件数量、节约模具成本;④减少后续焊接装配 过程，简化生产流程，提高生产效率；⑤减少装配误 差积累，提高产品质量等.利用管件液压成形技术制 造的汽车零件主要有排气系统异型管件、车身框架
结构件、传动件以及安全构件等，如排气歧管、仪表 盘支架、副车架、纵梁、横梁、门柱等.液压成形排气 歧管等枝杈型零件时，既要求成形件壁厚分布均匀 以提高零件使用寿命;又要求一定的成形支管高度 以便后续加工.对确定形状的零件，影响成形的主要 因素是管坯材料和成形工艺条件
Manabe等[4]研究了材料参数对有轴向载荷作用下 管件无模胀形成形性的影响• Carleer等[5]采用试验 和FEM仿真研究了材料的r、《值对圆形截面零件 的成形性和成形极限的影响• Manabe等[6]研究了 r、n值以及内压力、轴向压力对管件液压成形矩形 截面零件的壁厚分布和成形性能的影响.Rimkus 等[7]对简单规则形状零件根据材料参数、零件形状 和摩擦条件计算管坯塑性失稳临界载荷，确定成形 最小、最大轴向载荷和内压力• Altan等[8]采用自适 应优化方法确定最优加载路径等工艺参数•这些研 究的主要特点是:零件沿轴向变形区域长但胀形高 度不高.对变形区域短而成形高度高的薄壁枝杈类 零件的研究尚不多见.本文通过试验和数值模拟研 究枝杈类零件T型管的液压成形，分析材料各向异 性系数r值、应变强化指数n值、加载路径、摩擦系 数等工艺参数对成形支管高度和管壁厚度的影响.
1有限元模型的建立
1.1有限元模型
T型管液压成形试验模具结构简图如图1所 示•模具分上、下模；主管与支管过渡圆弧半径/?= 25 mm，管件外径D=60. 3 mm.管埋在内压力p和 轴向推进量s的共同作用下，挤压成形等径T型管件.
1.2材料参数与工艺参数
试验和数值仿真模型中管坯材料选用304不锈 钢，材料主要性能参数:泊松比w=0. 3;弹性模量E = 210 GPa,•屈服强度久= 290 MPa;应变强化系数 K=l. 4 GPa;w = 0. 3；r = 0. 9.管坯主要尺寸:外径 60. 3 mm,壁厚 t = 2 mm,长乙=243 mm.
根据经验估计，三通管液压成形开始屈服时的 最小内压力Aield = 2 々WS/(D —Z)，破裂内压力夕burst =2 ktaJ{D-0.其中:外为材料抗拉强度；々为系 数，由经验取々 = 2.0确定成形的内压力范围•结合 试验中在冲头勻速推进量•?= 50 mm,内压力最大值 >_ = 100 MPa时，可以成形较好质量的零件•仿真 中保持单侧冲头总推进量s = 50 mm和fmax=100 MPa 不变，分别讨论材料 r = 0. 5,0. 9,1. 6-,n = 0. 2, 0. 3，0. 5;摩擦系数户=0. 05,0. 10,0. 15以及如图3 所示3种典型加载路径下管件的液压成形性能.仿 真中采用的工艺参数如表1所示.
1.3成形性能评价
T型管液压成形必须要得到一定的支管高度， 破裂、起皱是成形中常见的失效形式，破裂通常伴有 管壁厚度的严重减薄，而起皱时局部管壁严重增厚. Kwan等[9]以支管最小壁厚值来评价T型管液压成 形性能，但不能反映支管的成形高度情况;
2.1与试验结果的比较
试验时两侧冲头同时匀速推进，单侧推进量 50 mm，内压力线性增加到fmax = 100 MPa.仿真计 算中取" = 0. 1，采用加载路径2进行加载.图4所 示为仿真与试验件形状的比较.由图可见，两者具有 较好的一致性•仿真件的成形高度A = 46. 17 mm, 试验件的成形高度A = 49. 2 mm，误差6. 2%.为更 精确地比较仿真与试验结果的差异，T型管沿纵剖 面上的厚度分布情况如图5所示.由图可见，仿真厚 度分布趋势与试验件结果非常吻合.仿真件的壁厚 波动量Ai= imax —imi„ = 1. 42 mm，试验件的壁厚波 动量Ai=l. 53 mm，误差7. 2%.仿真与试验结果的 比较说明采用本文的有限元模型进行T型管液压 成形仿真的方法是正确的.由仿真和试验不难发现， 管壁厚度从管端向支管中部逐渐减薄，在图4中a 点处是模具圆角过渡开始处，材料因流动方向改变 而发生堆积引起管壁的突然增厚.
(a)仿真件
(b)试验件
图4仿真与试验件形状的比较 Fig. 4 Comparison between the shape of simulation and experimental tube
基于上述模型，按表i中的参数组合，分别对不 同的r、n、加载路径、摩擦系数情况下的T型管液压 成形进行计算，分析这些因素对管件液压成形性能 的影响.
(1)各向异性系数r值的影响.图6(a)所示为 取不同的r值时，管壁厚度沿管纵剖面的分布情况. 由图可见，r值对成形有较大影响，随着r值增加， 管壁厚度均匀性越好.r = 0. 5,0. 9和1. 6时，对应 的 Af = l. 52,1. 42 和 1. 29 mm4 = 39. 06,46. 17 和 49. 05 mm，对应的 /=25. 69,32. 51 和 38. 02.可见 随着r值的增大，T型管液压成形的成形性能越好. 这是由于T型管液压成形中，管件端部区域作为传 力区，其应力处于拉一压状态，随着r值的增大，材 料变形抗力减小，材料容易流动变形而不产生材料 堆积，壁厚增加不多；而支管区域是胀形变形区，其 应力处于为两向拉应力状态，随着r值的增大，材料 的变形抗力提高，材料不易变薄，因此不易破裂，成 形高度也高.
(2)应变强化指数n值的影响.图6(b)所示为 不同的n值时，管壁厚度沿管纵剖面的分布情况.由 图可见，当n = 0. 2时，最小壁厚86 mm，最 薄管壁点并不在支管的顶端中心，表明成形时的内 压力偏小，材料变形不充分.n = 0. 5时，支管顶端在 加载到f = 74 MPa,5 = 37 mm时由于减薄严重而 破裂，因此，管壁厚度的最小值和最大值都比较小， 且成形高度也低.在f = 74 MPa ,5 = 37 mm时，n = 0. 2,0. 3 m 0. 5，对应的 /=30. 42,30. 60 和 30. 95. 表明n值对成形影响不明显，只是n值越小，成形所 需的内压力越大.加载路径2条件下，n = 0. 2,0. 3 和 0. 5 时，对应 A = 44. 74,46. 17 和 36. 12 mm, /= 35. 43,32. 51和30. 95.若采用最大成形高度来评