● 摘要
管材充液成形工艺（Tube hydroforming-THF）是上世纪末期兴起的一种制造轻量化构件的流体压力成形工艺，作为制造整体复杂的空心薄壁管件的有效手段，该工艺将广泛应用于航空航天、汽车制造等领域，对于提升我国的制造业水平和节能、减排具有重要意义。原有的针对传统冲压工艺的材料性能测试方法、成形机理和设计准则对于充液成形工艺的仿真、分析和设计表现出了诸多的不符之处，管材充液成形工艺试验中的材料成形规律和缺陷发生机制也呈现出了显著特点。
本文基于流体压力作用下的管材成形过程分析，以工艺开发过程为主线，从材料基础性能测试方法到管材的弯曲、压扁、胀形工序的成形机理和缺陷发生机制进行基础理论和试验研究，对于该工艺的理论认识、技术发展和推广应用具有一定的现实意义。首先，提出了力约束管材自由胀形试验与材料性能测试方法，开发了基于液压伺服控制的试验系统，并建立了相应的力学解析模型和数值仿真模型进行对比分析和验证，通过试验获得了可信的应力应变曲线和材料参数，建立了材料本构模型；进一步针对管材在轴向力P和内压力p作用下的屈曲、分散性失稳和集中失稳现象建立了相应的理论解析与预测模型；在此基础上对管材直段的充液胀形工艺、管材弯曲工艺和管材弯曲段的胀形工艺进行了研究，并引入了导流管和小半径弯头两个典型的难成形航空发动机零件及其创造性的成形工艺方法，对流体压力作用下材料的起皱机理、流动规律、破裂准则等进行了分析和论述，获得了对实际工艺设计具有明确指导意义的结论，解决了部分薄壁零件的极限成形问题。
相较于单向拉伸试验，通过管材胀形试验（Tube Bulging Test -TBT）获得的材料性能参数能够更准确地反映材料在高压流体作用下的塑性成形性能。本文针对国际上现有试验方法存在的轴向应力分量大、测量科目单一、误差来源多、试验标准不统一等问题，研制出了一套约束边界清晰、加载精确，并具有通用性的力约束管材自由胀形试验系统。在管材测试过程中，基于位移随动-力主动加载的控制策略和比例伺服油缸，实现实时的轴向力、轴向位移和内压力的精确加载；端部约束的测试管材通过特殊设计的工装保证了其轴向自由滑动；实时内压力和胀形管材顶点处材料的壁厚和胀形高度信息通过超高压压力传感器、超声测厚仪和磁致伸缩位移传感器采集。针对不同材料进行的多次胀形试验及采集的内压力与胀形高度曲线表明了试验系统良好的重复性与可靠性。基于余弦曲线胀形轮廓假设和薄膜理论，建立了适用于力约束边界的管材轴向自由胀形力学解析模型，基于ABQUS动力学仿真软件建立了相应的数值仿真模型。将试验采集的数据代入解析模型获得材料的等效应力应变关系，基于Swift材料本构模型，通过数据拟合获得高强钢、不锈钢、高温合金等材料性能参数。进一步研究了材料参数对胀形高度、材料分布和轮廓形状的影响规律。
针对薄壁管材充液胀形工艺仅研究其在内压力p和轴向力P的作用下发生的轴压胀形塑性失稳、拉伸胀形分散性失稳及集中失稳问题，进行理论研究，并建立相应的失稳预测模型。进一步，基于M-K模型和材料参数建立了适用于管材的理论成形极限曲线FLC。应用前述开发的力约束管材自由胀形试验系统，通过改变轴向力的加载系数 和 ，获得基于试验的成形极限图。
以相对壁厚0.015，最大膨胀率55.7%，膨胀区长径比大于3.0的航空发动机导流管为典型零件，研究薄壁零件充液成形时在双向载荷作用下的塑性屈曲行为。相应的有限元模型被建立起来用以研究其变形行为和成形规律，进而确定工艺参数的大致范围。进一步，对导流管成形过程中不可避免的有益皱现象进行了深入研究，验证了双向载荷作用下临界起皱状态的理论解析模型，并将起皱的过程分为了不同的阶段，进而对起皱现象及其过程有了新的认识。研究结果表明：为了达到更大的膨胀率，通过轴压起皱进行储料是不可避免的，有益皱的起皱过程是稳定的、可控的，褶皱在贴模后具备了一定的传力能力。另外，给出了获得有益皱的工艺窗口选择依据。
相对于直段，管材弯曲段的材料变形行为更为复杂，本文通过对管材弯曲胀形工艺的理论分析和模拟与试验研究，对管材弯曲部位的材料流动规律和成形机理有了进一步的认识。结合管材弯曲和胀形工艺的特点，提出了近等壁厚极小半径弯头的弯胀成形工艺，在宏观胀形力和轴向推力，以及摩擦保持效应的联合作用下，在保证弯曲外侧材料不减薄的同时，将弯曲内侧壁厚增厚区域的材料用于进一步的胀形成形，解决了弯管工艺内壁增厚，外壁减薄的固有矛盾。经过工艺优化和反复试验，获得了相对弯曲半径为0.75的近等壁厚极小半径弯头，在显著提高成形质量的同时达到了减重和提升疲劳寿命的效果。进一步的分析表明，对于薄壁管材，大的轴向压应力是获得更大的膨胀率的关键。
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