● 摘要
薄壁管轴压胀形工艺是近年来日益受到人们重视的一种先进成形技术。本文在开展薄壁管轴压胀形机理和变形规律研究基础上，利用有限元数值模拟对胀形过程和加载方法进行了全面分析；采用粘性介质传压，通过柱塞调节封闭管腔内胀形压力，对薄壁管进行了轴压胀形实验研究，取得了一系列成果。对薄壁管轴压胀形工艺优化设计、成形过程控制、生产效率提高等具有重要的现实意义和实用价值。论文对薄壁管轴压胀形技术中存在的问题和缺陷进行了归纳和总结，对轴压胀形中的应力应变、拉伸失稳、压缩失稳等关键问题进行了分析研究，特别是对导料区送料时涉及的摩擦问题进行了深入研究。通过这些分析推导出了轴压胀形中屈服载荷、自由胀形最大内压、轴向送料压力等的计算公式。基于应力比的概念以及塑性理论和分散性失稳理论，推导了轴对称胀形内压力加载规律，得出了内压加载区间和轴向加载关系；建立了基于载荷控制的加载函数，提出了送料控制方法，简化了加载模式和控制方法；基于集中性失稳理论，计算了胀形压力极限，建立了均匀变形极限和极限应力比的概念；分析了管材成形过程中应力变化特点，揭示了管材胀形区由拉-压应力状态迅速发展到双向受拉应力的机理。提出了基于位移和体积控制的加载过程控制思想，在有限元成形模拟软件平台PAM-STAMP上，建立了薄壁管轴压胀形的有限元模拟分析计算模型，并对薄壁管轴对称和非轴对称轴压胀形过程进行了仿真。自主研发了粘性介质管材轴压胀形系统，利用常规数控压床实现了管材轴压胀形的精确加载和控制，对常用的三种不同特点的管材进行了系统的实验研究。通过模拟计算与实验结果的对比，证明了该计算模型用于模拟薄壁管粘性介质轴压胀形有足够的精确，验证了基于应力比的胀形极限的估算结果，验证了理论推导与数值模拟得出的一系列结论，同时证明轴对称条件下推导的胀形压力估算式不能推广用于非轴对称胀形的载荷计算和控制，但所建立的胀形极限则可以近似用于评估一般轴压胀形零件的可成形性。建立了轴压胀形的虚拟制造环境，为数值模拟技术应用于薄壁管轴压胀形的加载路径设计和优化打下了基础。利用上述数值模拟分析模型和虚拟制造环境，本文设计了四种基于位移控制的典型轴压胀形加载路径，针对常用的、具有代表性的三种材料（冷拔铜管、低碳钢管、铝合金管）进行了薄壁管轴压胀形位移控制下的加载路径设计和优化的数值模拟研究。通过对模拟结果的比较，得出了加载路径设计和优化的基本原则，验证了理论分析中基于极限应力比的结果，即在没有明显超出胀形极限情况下，采用早送料的方式可以减少管壁变薄、避免破裂，成功成形零件，并且可以获得较好的壁厚均匀度、良好的表面质量。同时指出，轴向送料量要在一个合理范围内取值，且范围的大小与材料性能有很大关系。利用优化的加载模式，采用数值模拟的方法，研究了各种工艺参数如成形零件的几何形状、轴向送料量等对加载路径和区域的影响规律，并探讨了壁厚与起皱的关系以及最优加载路径与成形能量之间的联系。对管材的主要参数包括强度系数、硬化指数、厚向异性指数、摩擦系数、管材外径、管材厚度以及材料送给量等对优化加载路径和加载区域的影响程度进行了系统的敏感性研究，得出了一系列有益的结论。最后证明所要成形的零件几何形状和成形条件对确定最优加载路径影响最大，而材料的性能参数对确定最优加载路径的影响相对较小，成形相同零件时，某一种材料的最佳加载路径也一定是另一种材料的最佳加载路径，对于指导生产实践具有重要意义。