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液壓脹形技術(shù)是一種以液體作為傳力媒介，利用液壓力或兩端軸向力共同作用下使管坯成型出所需加工零件的塑性加工工藝。在德國、美國等發(fā)達(dá)國家，此項(xiàng)技術(shù)已有一些研究，并且已經(jīng)應(yīng)用在航空、汽車、化工、機(jī)械等各行各業(yè)的領(lǐng)域。
隨著時代的發(fā)展，人們對于安全性的重視程序越來越高。吸能元件在人體防護(hù)和結(jié)構(gòu)安全方面起著關(guān)鍵的作用。車輛行駛安全、重裝備空投、航天器軟著陸、直升機(jī)起落、核電站防護(hù)和電子產(chǎn)品或貴重物品的包裝等領(lǐng)域?qū)Σ牧虾徒Y(jié)構(gòu)的能量吸收皆提出迫切的需求。變徑管主要采用鑄造和焊接的方法來生產(chǎn)，但這些方法原材料利用太低，生產(chǎn)成本高。因此本文針對現(xiàn)有的成形技術(shù)，提出采用液壓脹形的方法，并且提出折疊的工藝，實(shí)現(xiàn)脹形與折疊在一副模具中實(shí)現(xiàn)。但是這一變形系統(tǒng)是一個非穩(wěn)定的成形過程。要使管材在脹形與折疊當(dāng)中不發(fā)生屈曲、褶皺和破裂等失效形式的話，精確控制液壓脹形與折疊成形過程中的加載路徑是十分重要的。文中用有限元分析軟件對液壓脹形與折疊進(jìn)行有限元模擬，以變徑管吸能元件成形件的最大減薄率和均勻度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，分析加載路徑對成形質(zhì)量的影響，通過模擬得出最優(yōu)的加載路徑。
將管坯放入成形模具中，通過左右兩端沖頭將管材放入下模中，然后通過兩端的沖頭將其密封，隨后上模向下模移動，與下模接觸，形成一個封閉模腔。隨后液壓油從兩端沖頭進(jìn)入到管材內(nèi)部。兩端沖頭通過設(shè)定，給兩端進(jìn)給，使管坯在型腔內(nèi)完成液壓脹形。完成脹形后，內(nèi)壓保持不變沖頭繼續(xù)進(jìn)給，完成折疊。
一般的變徑管是通過液壓脹形成形出零件，本文采用變徑管吸能元件的成形在一副模具中一次完成，成形階段分為兩部，首先是液壓脹形，完成后繼續(xù)通入液壓油完成液壓折疊階段，并且在液壓脹形過程中首先要保證管材的長度；而后液壓折疊要保證壁厚和折疊圓角半徑，就是要滿足吸能元件在成形后的折疊圓角半徑與在進(jìn)行自由翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的翻卷圓角半徑的一致性。因此，在設(shè)計(jì)開發(fā)變徑管吸能元件時，一次成形兩幅吸能元件，這樣成形出的零件壁厚均勻，又可以節(jié)省不必要的成本和時間。
管材液壓脹形的主要工藝參數(shù)包括初始屈服壓力、開裂壓力、整形折疊壓力、軸向進(jìn)給力、合模力和補(bǔ)料量。圖２所示的是所要成形后的變徑管零件圖。成形區(qū)直徑D為56mm，成形區(qū)長度為100mm，零件長度為200mm，最小圓角半徑為2.5mm，管材外徑為40mm，壁厚為1.4mm。
首先本文對成形零件進(jìn)行分析，依據(jù)零件的特點(diǎn)，因?yàn)樽儚焦芊陷S對稱的要求，因此建有限元模型對于Y軸中心對稱模型，又為以后方便進(jìn)行自由碰撞，減少需要切開變徑管的仿真工序，將模型又對于Z軸對稱。經(jīng)過與三維實(shí)體建模零件模擬結(jié)果相比較，在忽略材料各向異性的情況下，三維實(shí)體與簡化后建模模型結(jié)果基本一致。
模型的幾何尺寸如下：管坯長260mm、外徑20mm、厚1.4mm；模具總長2800mm、模具大徑56mm、變形區(qū)長100mm，圓角半徑3mm；沖頭直徑為20mm。網(wǎng)格劃分：厚度方向取網(wǎng)格數(shù)為3，長度方向取網(wǎng)格數(shù)為300。
按照材料的本構(gòu)關(guān)系，管坯可選擇理想剛塑性，在管材液壓成形模擬中，采用滿足Misse各向同性屈服準(zhǔn)則和Hill厚向異性屈服準(zhǔn)則的彈性材料模型。模具和兩端沖頭的材料模型為解析剛體。
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