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1、模具工业!#$%&$总!()*内 套 管 失 稳 成 形 工 艺 及 模 具 设 计潘朝辉+南京起重机械总厂，江苏南京!*!,摘要：介绍了一种利用直杆在一定压力下失稳的特性来成形的方法，并对其工艺流程、模具原理和模具结构进行了分析。关键词：失稳；成形；模具设计中图分类号：-.*(/$#*文献标识码：0文章编号：1!/(+!#,1*1!#$%&()(%*+,-./-01(23 40-5#.6-0%#722#089.(23&2:;#.(32-6%#;(#!#$%&(%)*+#&,-*,./0&,1 2&3%*,104 5&36047#&,-*,.7 8*&,.9):;-0:.?96&E*H*64
2、H99L C0A*,.L B*1 B19*.,作者简介：潘朝辉（2/31），女，湖南冷水江人，工程师，主要从事产品设计及工艺设计，地址：南京市浦口区泰冯路/!号 南京起重机械总厂技术中心。电话：+!),)(#*(收稿日期：!#1 1*引言图 为手扳葫芦产品内套管零件，材料*)钢，它的一端需扩口，中间还有一道凸出的圆环，对于它的加工工艺，经过了多次试验才取得较为理想的效果。开始时，查阅有关冲压资料，发现类似的零件一般采用旋压成形，所以在车床上进行了旋压试验，因为成形力较大，采用热旋压，先用乙炔焊枪将套管局部加热，然后在车床上用旋轮进行扩口和局部旋压成形。由于采用手工操作，加工出来的零件大小不等、
3、长短不一，达不到图纸要求，还需后序加工，而且工人劳动强度大、生产效率低，!个工人日产量仅!件左右，旋轮模具寿命也极短，难以满足批量生产的需要，必须设计出 副切实可行的模具来进行生产。现介绍 种利用套管失稳来成形该零件的技术，并对其工艺流程和模具结构进行了分析。!工艺分析对零件进行分析不难发现，!/$/44 端可以用扩口模来满足，但对于凸出的圆环部分，难以用常规的模具来达到。查阅了各方面的资料，最后决定图 内套管利用直杆在一定压力下失稳的特性来成形。材料的失稳是一种失效形式，失稳时压杆产生弯曲，对于对称截面的圆管，其弯曲的方向是难以预见的。需要设计 副模具，让它能在需要的地方，按照需要的方向和尺
4、寸来失稳，也就是在需要凸出圆环的地方让材料局部失稳，但其它地方不能有变化。这样，确定了工艺路线为：下料（管料）!车两端面及内孔（保证总长）!扩口!压环!检查（如图!所示）。*模具结构及设计*$模具结构根据以上的思路，设计了 副扩口压环模（如图*所示）。使用的设备是油压机。工作过程是：将工件装于分块凹模 中，用拉紧螺栓(固定紧，用扩口凸模*先对其进行扩口，然后将扩好口的工件掉头装夹，更换上压环上模进行压环。万方数据模具工业!#$%&$总!()*图!工艺流程+车端面及内孔,扩孔-压环图*扩口压环模模具的关键：为保证压环时工件的其它部分材料不会发生失稳和压缩，要将工件除圆环部分以外的材料紧紧地固定住
5、，这样就相当于两端固定的直杆，其自由状态的长度就是圆环部分的展开长度。*$!成形力计算要使零件成形，需要选择适当的成形力。要计算圆环的成形力，首先计算圆管的临界失稳力（!#），其公式如下：!#.!#/$01式中!#为临界失稳应力，$为截面积，$.!#0%!2&!1.!#0!)!2!1.34$355!。!#的值与柔度有关，压杆的柔度.#6，#为长度系数，两端固定压杆#.$)，为压杆的长度，也就是圆环部分的展开长度，为截面的惯性半径，.#%!7&!.#!)!7!.(55。根据求弯曲成形展开长度的方法，可以求出圆环部分的展开长度为$!55（过程略）。压杆的柔度.#6 .$)/$!6(.$3，!#.!
6、82$!，!(为材料的屈服应力，*)钢的!8.*)9:+，因为很小，!#!8.*)9:+，代入（）式：!#.!#/;.*)/34$3.)44)%.)4$(%!#只是圆管刚刚产生变形的力，随着变形的发生，圆管的外径增大，变形力也相应增大，当外径达到$*)55 时，变形力为：!.!8/!#0*)!2!*!1.3!=%.34*的系数，根据设备情况，选用%油压机。*$*模具设计在进行模具设计时，既要考虑满足零件成形的需要，还要考虑模具成本和操作方便。将扩口和压环合成 副模具，使用时只需更换上模，大大降低了成本。下模是通用的，采用分块式，由!个半圆组成，但其合成 个圆时，中间要有一定的间隙，这样可以用螺
7、栓拉紧分块凹模，从而压紧圆管。操作时，可先将一批零件扩好口，然后更换上模进行压环，从而提高了生产效率。#结束语采用扩口压环模进行生产后，由于有模具保证，零件完全达到图纸要求，劳动强度大大降低，生产效率有了很大的提高，模具寿命延长上百倍。经几年来的实际生产证明，在目前的生产技术条件下，该方法为同类零件合理的加工工艺之一，并可推广应用。$上模座!$扩口凸模固定板*$扩口凸模#$压环凹模固定板)$压环模芯4$压环凹模3$下模座($拉紧螺栓=$螺母$压块$分块凹模!$工件 万方数据内套管失稳成形工艺及模具设计内套管失稳成形工艺及模具设计作者：潘朝辉作者单位：南京起重机械总厂,江苏南京,210032刊名
8、：模具工业英文刊名：DIE&MOULD INDUSTRY年，卷(期)：2004，(11)被引用次数：0次 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 毛锋.莫健华.黄树槐.Mao Feng.Mo Jianhua.Huang Shuhuai 基于点支撑的板料无模渐进成形形状失稳问题-机械工程学报2005,41(11)提出用顶杆在关键部位支撑板料的点支撑工艺,代替模型支撑,使成形过程周期短、成本低,降低了压头负荷,并可实现真正意义上的无模成形.但在这种点支撑成形工艺下,容易出现形状失稳现象.用轴对称抛物面、圆锥面和双曲面作为研究对象,进行大量试验,发现圆锥面是失稳的临界形状,当形状大于圆锥面
9、时,如抛物面薄壳件,易出现失稳,小于或等于圆锥面的形状则不出现形状失稳.分析了产生失稳现象的各种因素,提出了有针对性的解决方案,经试验证明能够较好地克服薄壳件失稳的出现.2.学位论文 赵刚要 薄壁矩形管绕弯成形失稳起皱的数值模拟 2007 铝合金薄壁矩形波导管是雷达和无线电通讯系统中的关键部件，绕弯成形是矩形波导管的主要加工方法。但在薄壁矩形管绕弯成形过程中极易产生失稳起皱、截面畸变、拉裂等缺陷；特别是失稳起皱，严重地影响着矩形波导管的弯曲成形质量。因此，本文采用三维有限元数值模拟技术，对薄壁矩形管绕弯成形过程失稳起皱及工艺参数对失稳起皱的影响规律进行了系统的研究。该研究对薄壁矩形管弯曲成形技
10、术的发展及该成形过程工艺参数的选取与优化具有重要的理论意义和参考价值。本文主要研究内容和结果如下：实验获得了3A21铝合金薄壁矩形管材料的基本力学性能，建立了材料的本构模型。在解决薄壁矩形管绕弯成形有限元建模过程所涉及的关键技术问题的基础上，采用动态显式有限元平台ABAQUS/Explicit，建立了既符合实际又兼顾计算精度和计算效率的该成形过程的三维有限元模型，并对所建模型的可靠性进行了验证。该模型的建立，为系统研究失稳起皱的产生机理及工艺参数对其的影响规律奠定了基础。基于验证的有限元模型，系统研究了绕弯成形过程中切向应力及切向应变场的分布规律，并分析了该成形过程中压缩变形区随弯曲进程的变化
11、规律，发现随着弯曲过程的进行压缩变形区的大小及其相对弯曲切点的位置基本保持不变，失稳起皱主要发生在弯曲初始阶段的40内。为系统地研究工艺参数对薄壁矩形管绕弯成形失稳起皱的影响规律提供了依据。采用所建立的有限元模型，模拟分析了工艺参数对薄壁矩形管绕弯成形失稳起皱的影响规律。结果表明：减小弯曲模与管坯的间隙、增大弯曲半径、增大弯曲模与管坯的摩擦和增加芯棒伸出量，都有利于减小失稳起皱。但当芯棒伸出量超过一定值时，芯棒支撑的管坯外侧部位就会出现凸起现象。随着芯棒与管坯间隙、防皱块与管坯间隙的增加以及芯棒与管坯摩擦系数的增大，失稳起皱波纹度先减小后增大；压块的助推速度、压块与管坯的间隙和压块与管坯的摩擦
12、对失稳起皱的影响不显著。3.期刊论文 孙志超.杨合 管轴压成形失稳起皱力学过程的研究-机械工程学报2003,39(6)管轴压成形的先进性、优势及成形过程的成功实施受到变形区开裂和传力区起皱等失稳因素的制约,为此采用理论解析与试验相结合的方法,对失稳起皱的力学过程、影响因素及影响规律进行了研究,并给出了失稳判据,以实现稳定成形时变形参数的取值范围的确定.研究表明:成形过程的失稳起皱受到几何参数、材料参数及摩擦边界条件的共同作用.其中,模具圆角曲率半径是决定性因素,并且存在一个最大和最小圆角半径区域使成形过程顺利进行而不发生失稳起皱;增大管坯材料硬化指数,减小相对厚度及接触面的摩擦,有利于减少失稳
13、的发生.对牌号为5052,原始管平均直径d0=31.0 mm,41.0 mm铝管的应用表明所提出的判据是可靠实用的.4.会议论文 孙志超.杨合 管轴压成形过程失稳起皱的预测 2002 管轴压成形过程的成功实施受到管坯传力区失稳起皱的制约,采用理论解析与实验相结合的方法,对失稳起皱的机理、影响因素及影响规律进行了研究,并给出了失稳判据,实现了失稳起皱的预测及稳定成形时变形参数取值范围的确定.研究表明:影响成形过程的失稳起皱的因素包括几何参数、材料参数及摩擦边界条件,其中,模具圆角半径是决定性因素,并且存在一个最大和最小圆角半径区域使成形过程顺利进行而不发生失稳起皱;增大管坯材料硬化指数,减小相对
14、厚度及接触面的摩擦,有利于减少失稳的发生.对LF2MNd=31.0,41.0mm铝管的应用表明本文所提出的判据是可靠实用的.5.学位论文 李恒 薄壁管数控弯曲成形过程失稳起皱及成形极限的研究 2004 该文采用有限元数值模拟和理论解析及实验研究相结合的方法,对该过程中的失稳起皱及成形极限进行了深入系统的研究,取得了如下成果:(1)改进了薄壁管数控弯曲起皱数值预测系统TBWS-3D:修正了薄壁管数控弯曲成形失稳起皱预测模型,使预测结果更加准确;改善了绝对-相对自由度壳单元边界条件的处理方法,使有限元模拟结果更符合实际;针对不同情况,丰富了弯曲过程中摩擦和压块侧推速度等边界条件的处理方法,使得系统
15、深入地研究成形参数对失稳起皱的影响成为可能;将面向对象技术引入有限元程序的编制,基于VC+平台开发了有限元起皱预测系统TBWS-3D,从而可以方便地嵌入起皱预测等成形质量控制模块,并易于实现上述提出的改进算法.(2)采用改进的起皱数值预测系统TBWS-3D,系统深入地研究并揭示了薄壁管数控弯曲成形过程中成形参数对失稳起皱的影响规律.从而为成形过程参数优化及成形极限的确定奠定坚实的理论基础.(3)摩擦和模具间隙对失稳起皱的影响规律表明:随着管坯与防皱块及管坯与芯棒间摩擦系数的增大,起皱因子有减小,有利于防止起皱的发生;随着管坯与弯曲模及管坯与压块间摩擦系数的提高,起皱因子增大,但幅度并不大,对管
16、坯起皱的影响较小;随着管坯与防皱块间隙的增大,起皱因子逐渐增大;当模具间隙大于0.5mm时,失稳起皱趋势急剧增大.即管坯与防皱块间隙对管坯失稳起皱的影响很大.(4)影响失稳起皱的主要因素有:相对管径、弯曲半径、硬化指数、芯棒的伸出长度、管坯与防皱块间摩擦、管坯与芯棒间摩擦、管坯与防皱块间隙等.基于虚拟正交试验,获得成形参数对失稳起皱影响的显著性大小依次为:相对管径、弯曲半径、硬化指数、管坯与防皱块间隙、管坯与防皱块间摩擦、管坯与芯棒司摩擦、管材与弯曲模摩擦等.(5)结合薄壁管数控弯曲过程的成形特点,定义了基于失稳起皱的薄壁管数控弯曲成形极限的概念;基于起皱预测系统TBWS-3D,提出了成形极限
17、的搜索算法,得到了不同工艺参数下的成形极限,建立了初步的成形极限库;通过成形参数对失稳起皱影响规律的研究,获得了提高成形极限的方法;在此基础上提出了基于成形极限与数值模拟的参数确定与优化方案,使薄壁管数控弯曲过程成形的参数快速确定与优化成为可能.最后对今后的进一步研究方向进行了探讨.该研究对提高薄壁弯管制品的质量、缩短产品开发周期、降低生产成本、充分发挥数控弯管设备的优势,从而实现薄壁管数控弯曲精密成形具有重要意义,同时也丰富了薄壁件塑性成形失稳起皱理论.6.会议论文 孙志超.杨合 管轴压成形过程失稳起皱的预测 2002 管轴压成形过程的成功实施受到管坯传力区失稳起皱的制约,采用理论解析与实验
18、相结合的方法,对失稳起皱的机理、影响因素及影响规律进行了研究,并给出了失稳判据,实现了失稳起皱的预测及稳定成形时变形参数取值范围的确定.研究表明:影响成形过程的失稳起皱的因素包括几何参数、材料参数及摩擦边界条件,其中,模具圆角半径是决定性因素,并且存在一个最大和最小圆角半径区域使成形过程顺利进行而不发生失稳起皱增大管坯材料硬化指数,减小相对厚度及接触面的摩擦,有利于减少失稳的发生.对LF2MNd=31.0,41.0mm铝管的应用表明本文所提出的判据是可靠实用的.7.期刊论文 戴昆.何祝斌.王仲仁.DAI Kun.HE Zhu-bin.WANG Zhong-ren 管材内压液力成形的稳定性分析-
19、塑性工程学报2000,7(4)管材内压液力成形过程中，管坯在内压与轴向压力的共同作用下发生变形。成形过程中常见的缺陷是起皱和破裂，这两种缺陷的产生都和管的失稳有关。本文运用薄膜理论分析了管坯在轴向力单独作用下的压缩失稳，得出临界轴向压力的计算公式；从失稳应变强度入手，分析了圆柱管在内压和轴向压力共同作用下的分散性失稳，根据失稳应变强度的计算公式，分析了应力状态系数、厚向异性指数rh、应变强化指数n等因素对管的失稳应变强度的影响规律。8.学位论文 孙志超 无模约束自由变形规律与管轴压精密成形过程的研究 2003 该文着重采用计算机数值模拟,并和理论解析与试验研究相结合,通过系统深入的研究,取得了
20、如下主要新进展:(1)深入研究了管轴压成形过程,建立了面向圆角模和锥形模管轴压精密成形过程的有限元模型,对刚塑性有限元模拟中所涉及到的关键技术问题提出了处理方法;自主开发了成形过程模拟并可预测失稳起皱和开裂的管轴压精密成形刚塑性有限元数值模拟系统TACF(Tube Axial Compressive Forming).(2)深入研究了圆角模和锥形模管轴压成形过程,揭示了变形模式转换及无模约束自由变形的机理,获得了成形参数对无模约束自由变形及管轴压成形的影响规律.(3)系统地研究了管轴压成形过程失稳开裂和起皱的机理,采用能量原理建立了起皱和开裂的判断准则;提出了基于失稳准则与有限元数值模拟相结合
21、的成形过程失稳预测方法;揭示了失稳起皱和开裂的影响因素及其影响规律.(4)采用所开发的有限元数值模拟软件,系统研究了管轴压成形的可行性,获得了稳定成形参数的取值范围;建立了基于回归分析的成形结果与成形参数之间的关系,在此基础上实现了管轴压成形参数有限元快速确定与优化.9.会议论文 赵刚要.刘郁丽.杨合 芯棒伸出量对薄壁矩形管弯曲失稳起皱影响的数值模拟 2006 基于动态显式有限元平台ABAQUS/Explicit,建立了3A21铝合金薄壁矩形管绕弯成形过程的三维有限元模型,模拟分析了芯棒伸出量对薄壁矩形管绕弯成形过程中失稳起皱的影响规律.结果表明:随着芯棒伸出量的增大,起皱波纹高度逐渐减小,切
22、向压应力极大值波动的峰值减小,等效应力逐渐减小,并且变化趋于平缓;当芯棒伸出量达到一定值后,随着芯棒伸出量的增大,起皱波纹高度极大值变化不明显.该研究对薄壁矩形管绕弯成形工艺参数的确定具有重要的参考价值。10.期刊论文 安冬洋.郎利辉.李涛.迟彩楼.张恩辉.AN Dong-yang.LANG Li-hui.LI Tao.CHI Cai-lou.ZHANG En-hui 难成形材料复杂型面零件充液成形失稳控制研究-锻压技术2007,32(6)探讨了充液成形过程中,关键工艺参数之一的液室压力大小对起皱和破裂两种失稳现象的作用和影响规律.从应力、应变、减薄率和FLD曲线等方面研究了液室压力对起皱和失稳现象的影响.首先模拟液室压力为12 MPa时的成形过程,分析了起皱的原因,再通过加大压力对起皱进行控制;而后模拟液室压力为35 MPa时的成形过程,分析了破裂的原因,再通过减小压力对破裂进行控制;最后利用难成形航空材料2B06-M进行实验验证,得到了成形此零件的合理压力范围1825 MPa.本文链接：http:/