管材胀形工艺分类及其变形力学特征 - 文章

管材胀形工艺分类及其变形力学特征

作者：山东工业大学王同海孙胜

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摘要：从变形力学的角度出发，提出了管材胀形工艺的分类方法，讨论了各类胀形工艺的变形力学特征及其影响胀形工艺的关键因素。这对于从力学本质上认识胀形成形机理，把握胀形工艺要素，保证胀形成形质量，有着重要的理论指导意义。
关键词：管材；胀形；力学特征；应力应变状态

一、引言

管材胀形是在压力作用下使管材沿径向扩张的成形工艺，属于管材深加工技术的范畴。根据管件的形状要求，胀形既可完成管坯的局部扩张，也可完成管坯的整体扩张。管材胀形可以在通用机械压力机、液压机或专用胀形压力机及专用装置上完成，所获管件已广泛用于机械、电力、航空航天、交通运输、石油化工、轻工等工业部门中。

管材胀形的方法很多，若按生产中使用的模具分类，可分为刚性模胀形和软模胀形两类。采用刚性分块式凸模胀形时，称为刚性模胀形，它仅适用于形状及尺寸精度要求不高的轴对称胀形件的胀形加工。利用液体、气体或弹性体的压力代替刚性凸模的作用作为传压介质对管坯进行胀形时，则可统称为软模胀形。液体可用油、乳化液或水，弹性体通常用聚氨酯橡胶或天然橡胶。由于聚氯乙烯(PVC) 塑料具有与聚氨酯橡胶类似的优点，近年来已作为传压介质，开始用于胀形工艺中。由于石蜡具有易于呈固体或液体的独特优点，且可回收重复使用，将其作为胀形传压介质，也已在生产中取得了良好的技术效果。因此，根据传压介质的不同，软模胀形又可分为液压胀形、气压胀形、橡胶胀形、石蜡胀形、PVC 塑料胀形等。软模胀形与刚性模胀形相比，特别适用于各种形状复杂管件的胀形加工，具有明显的技术经济效益。本文从变形力学的角度出发，根据胀形时的变形条件，对上述多种胀形方法进行分类，以方便对胀形成形机理的探讨，从理论上把握胀形工艺要素，达到合理选择工艺参数和模具结构尺寸参数及预防胀形缺陷、提高成形质量的目的。

二、胀形工艺分类

根据胀形时变形条件的不同，可将上述各种胀形方法分为三类: 自然胀形、轴向压缩胀形、复合胀形。在胀形过程中，若仅对管坯内壁施加径向压力(内胀力) ，其胀形成形主要靠管壁厚度的局部变薄和轴向的自由收缩(缩短) 来完成，则称为自然胀形。若在自然胀形的基础上，同时又对管坯轴向施加压力，使轴向产生压缩变形，以补充胀形变形区材料的不足，则称为轴向压缩胀形。复合胀形是在轴向压缩胀形基础上发展起来的新的工艺方法。当在轴向压缩胀形的同时，又对管坯胀形区施加径向反压力，可称为“反压—轴压胀形工艺”; 轴向压缩胀形若与缩口或扩口成形同时进行时，则可分别称为“缩口—轴压胀形工艺”、“扩口—轴压胀形工艺”。总之，凡在轴向压缩胀形的基础上，又另外施加其它变形力或与其它成形工序同时进行的胀形工艺，都可称为复合胀形。上述复合胀形新工艺，近年来已开始在生产中推广应用，取得了良好的技术效果。

三、变形力学特征

1. 自然胀形

(1) 力学模型

管坯在内压力p 作用下自然胀形时，其力学模型如图1 所示。胀形变形区主要承受双向拉应力的平面应力状态和两向拉伸、一向压缩的应变状态。由于胀形区材料处于双向受拉的不利变形条件，其成形主要靠管坯壁厚的变薄和轴向的自由收缩(缩短) 来完成，故胀形区极易严重变薄甚至破裂。因此，控制胀形区材料的过度变薄和防止破裂，是自然胀形工艺需要考虑的主要问题。

图1 自然胀形的力学模型

(2) 变形方式

自然胀形过程中，根据轴向自由收缩的情况，又可分为轴向无收缩和有收缩两种变形方式，如图2 所示。对于轴向无收缩的变形方式(图2a) ，由于胀形部位完全靠管坯壁厚的局部变薄而成形，故变形性质等同于在平板毛坯上的局部成形，其胀形成形极限主要取决于材料的允许伸长率。该变形方式主要发生在胀形区域较小且远离管端，致使轴向收缩阻力剧增的自然胀形中。

图2 自然胀形的两种变形方式

对于轴向有收缩的变形方式(图2b) ，是指在胀形部位局部变薄的同时，还伴随着管坯轴向的自由收缩，从而使轴向收缩部分的材料补充到胀形部位，缓解了胀形区材料的不足，故胀形成形极限要比轴向无收缩的自然胀形大。成形极限增加的多少与轴向自由收缩量的大小有关。一般说来，胀形部位越靠近管坯端部，且胀形区形状为轴对称时，轴向收缩量就越大，成形极限就越高。

综上所述，自然胀形过程中变形区处于平面应力和立体应变状态，其成形极限与胀形过程中的变形方式有关。同时，随着胀形零件形状和胀形部位的不同，成形极限显然不同，不能一概而论。

2. 轴向压缩胀形

(1) 力学模型

管坯在内压力p 和轴向力F 共同作用下胀形时，其力学模型如图3 所示。与自然胀形相比，施加轴向压力的结果，不仅使管坯在胀形过程中产生轴向压缩变形，以补偿胀形区材料的不足，而且使胀形区的应力应变状态得到改善。当轴向压力足够大时，胀形区母线方向的拉应力变为压应力，成为一拉一压的平面应力状态，变形也由两向拉伸、一向压缩变为一向拉伸、两向压缩的应变状态。这种应力应变状态的变化，提高了材料的塑性变形能力，不仅减少了胀形区材料的变薄量，而且可显著提高胀形成形极限。

图3 轴向压缩胀形的力学模型

轴向压缩胀形的成败，主要取决于施加的轴向压力F 和内压力p 的大小及其两者的比值F/p。若轴向压力不足，或比值F/p 过小，则胀形区母线方向的压应力σr 也可能成为拉应力，压应变εr 也可能成为拉应变，这在本质上与自然胀形一样，达不到提高成形极限和成形质量的目的。若轴向压力过大或比值F/p 过大，胀形过程中管坯传力区将受压失稳，产生镦粗变形或折皱。因此，控制轴向压力大小及其与内压力的比值，是轴向压缩胀形工艺必须解决的技术关键。

(2) 变形方式

轴向压缩胀形过程中，根据轴向压力施加的情况，又可分为两种变形方式(图4)。轴向压力与内压力同时作用的变形方式(图4a) 利用聚氨酯橡胶或液体的体积不可压缩特性，只要准确确定压头3 进入管坯内腔的直径高度或试模时改变橡胶棒2 的长度，便可实现轴向压力与内压力同时作用的变形方式。但两者比值F/p 不易控制，只有通过改变橡胶硬度或调整液体压力才能实现。轴向压力与内压力分别作用的变形方式(图4b) 是利用压头1 和压板4 分别对管坯施加内压力和轴向压力，因而调整压力比值F/p 较为方便，只是模具结构相应复杂些。

图4 轴向压缩胀形的两种变形方式

在此应当特别指出，对于轴向压缩胀形工艺，无论采用哪种变形方式，都要求在施加轴向压力前，先对管坯内腔施加足够内压力，以使胀形区材料产生塑性流动及其初步胀形，而后在施加轴向压力过程中，内压力仅起管坯材料成形的导向和防皱作用。另外，轴向压缩胀形的成形极限不仅与材料的伸长率有关，而且受轴向压缩量、轴向压力和内压力的大小及其两压力比值的直接影响。当然，胀形件形状及其胀形部位距管坯端部的距离，也是影响成形极限的重要因素。

3. 复合胀形

由于复合胀形是在轴向压缩胀形的基础上，又另外施加其它变形力或与其它成形工序同时进行的胀形工艺，故其力学模型及变形特征也不尽相同。在此列举两个典型复合胀形新工艺，具体分析其力学模型及其变形特征。

(1) 反压—轴压胀形工艺

等径三通管反压—轴压胀形的力学模型如图5所示，它是在轴向压缩胀形的同时，另外对胀形区施加反压力F 3。在胀形过程中， F 1 施加在置于管内的橡胶棒端面上，用于提供内压力; F 2 施加在管坯端面上，提供轴向压力; F 3 施加在胀形支管的顶部，以平衡支管内的橡胶内胀力。因此，与轴向压缩胀形工艺相比，由于径向反压力的作用，使胀形区最大变形处的应力状态得到明显改善，金属便在较高的静水压力下产生变形，这就为进一步发挥材料的塑性提供了有利的变形条件。

图5 反压—轴压胀形的力学模型

该复合胀形工艺的技术关键，除了需保证轴向压力与内压力的比值合理外，施加的反压力大小无疑是重要的影响因素。反压力过小，不能有效地抑制胀形区变薄; 反压力过大，不仅使轴向压力和内压力增大，从而导致凹模圆角处管壁厚度显著增加，甚至会在大的压缩应力作用下使主管直壁产生失稳折皱，以致损坏模具。因此，施加的反压力大小，应以仅能维持平衡支管内的橡胶内胀力为依据。理论与实验研究表明，该复合胀形工艺可有效抑制胀形区壁厚变薄，显著提高胀形成形极限和成形质量。当然，为减少弯曲变形抗力，在管件使用要求允许的前提下，尽量增大凹模圆角半径，以使金属容易流向凹模支管空腔，也是提高成形极限的重要因素。

(2) 缩口—轴压胀形工艺

凸筋类管接头缩口—轴压胀形的力学模型如图6 所示，它是在管坯无内压的情况下，通过轴向压力作用，在一道工序中同时完成缩口和胀形成形，因此生产效率高，成形质量好。缩口—轴压胀形使用经缩口后的预制管坯(如图6 左半部分所示) ，其复合胀形过程由缩口和轴压胀形两个变形阶段组成。缩口变形阶段是将预制管坯的锥体部分收缩成圆筒体，一旦缩口变形结束，模具便对圆筒体端面施加轴向压力F ，从而进入轴压胀形变形阶段，直至成形过程结束。在胀形区最大变形处，材料
处于一拉一压的平面应力状态和立体应变状态，它与轴向压缩胀形工艺的应力应变状态(图3) 相同。但由于对管坯未施加内压力，故力学模型不同。

该复合胀形工艺的技术关键，主要在于模具结构设计及其模具结构尺寸参数的选择。而胀形成形极限的大小，除与材料的伸长率有关外，还受管坯尺寸(如高径比、高厚比、预缩口锥角) 及模具结构尺寸参数(如凹模圆角半径、内支承块高度) 的重要影响。

图6 缩口—轴压胀形的力学模型

四、结束语

管材胀形工艺在管件加工中的应用十分广泛，尤其是近年来国内外研究开发的胀形新工艺已开始成功地用于生产。本文从变形力学的角度出发，根据胀形时变形条件及力学模型的不同，将多种胀形方法归纳为三类胀形工艺，从而分别探讨各类胀形工艺的变形力学特征及其工艺影响因素，这对于认识胀形成形机理的力学本质，分析影响胀形的工艺要素及采取相应措施预防胀形缺陷，从而保证胀形成形质量均有重要意义。

参考文献
1王同海编著. 管材塑性加工技术. 北京: 机械工业出版社， 1998.
2蒋侠民等编著. 聚氨酯橡胶在冲压技术中的应用. 北京: 国防工业出版社， 1989.
3龚维四编著. 软阳模成形. 北京: 国防工业出版社， 1984.
4王同海，孙胜. 轴向—反向复合加压胀形工艺的上限分析与实验研究. 塑性工程学报， 1995 (3).
5赵新海，王同海等. 管接头复合成形新工艺及有限元模拟. 山东工业大学学报. 1998 (2).
6S Sheng， W TongHai. Research into the bulging forming of a tube under axial radial compound forces and its application. J. Mats. Proc. Tech. ， Vo l. 51， 1995: 346～ 357(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/13/2008)


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