L形管件彎曲成形有限元分析

李福濤，葛位維，張召春，李 瑋

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

L形管件彎曲成形有限元分析

李福濤，葛位維，張召春，李 瑋

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

采用有限元軟件Deform－3D建立了L形管件三維有限元模型，并對其彎曲過程運動仿真。模擬分析了管件的等效應力、金屬流動速度、材料損傷分布以及模具間隙和芯棒對彎管質量的影響。對成形缺陷進行了分析，通過優化得到滿足要求的彎曲管件。

機械制造；彎管；Deform－3D；有限元模擬

0 前言

管材彎曲成形是管材塑性加工技術的重要組成部分。用管材制造的彎曲零件，具有重量輕、吸震力強、介質流通量大等一系列優良性能，廣泛應用于汽車、航空、航天等產業中，同時也對管材彎曲技術和質量提出了更高的要求[1][2]。由于管材的空心特點，管材在彎曲成形過程中容易出現失穩起皺、截面畸變以及拉裂等缺陷。

管材彎曲過程是一個受工藝參數和材料性能等諸多因素交互作用的復雜成形過程。目前的管材彎曲成形理論,還不能很好解決生產中各種成形缺陷[3]。而試驗研究則需開發模具并反復調試，試驗周期長，成本高。采用有限元模擬技術可深入了解矩形管的彎曲成形機理，對失穩起皺等成形缺陷進行預測，掌握材料、成形工藝等參數對彎曲管件成形過程中失穩起皺的影響規律。通過對L形管件彎曲成形過程的有限元模擬，為模具設計及生產調試提供指導。剛性體。其原理如圖1所示，在模具的作用下，管材彎曲模轉動逐漸彎曲成形。圖2所示為彎曲成形的有限元模型。

模擬中對網格采用局部細化的方法，網格總數為12萬個。其他條件設置如下：初始溫度20℃，材料模型Q235鋼，彎曲模轉速0.1rad/s，彎曲角度90°，管件和彎曲模、芯棒、夾緊模等主要部件的摩擦系數分別為0.1、0.1、0.6。在軟件中設置運行的步數為160步。

1 有限元模型的建立

本次彎曲成形模擬中所選用的彎管零件材料Q235鋼，壁厚3mm，彎曲模半徑160mm。由于管材厚度較大，有異于其他薄板成形，故采用有限元軟件Deform－3D來進行模擬。在三維軟件Pro/E中建立管材和彎曲模具的幾何模型，然后導入到Deform－3D中。在模擬中，將彎管設置為塑性體，其他部分為

2 彎曲過程的模擬及分析

2.1 模具間隙對彎管質量的影響

彎曲過程中，管件和芯棒、壓力模、防皺塊之間都存在著間隙。芯棒套在管材中，在彎曲過程中決定著管件的質量好壞[4～6]。因此，解決管件和芯棒的間隙大小，是一個重要因素。試驗中，對芯棒和管材的間隙分別取0.1mm、0.3mm、0.5mm，分析間隙對質量的影響，如圖3所示。由圖3（a）可見，當間隙值過小，彎曲比較困難，無法形成一個光滑的圓弧。圖3（b）間隙大小合適，表面質量較好。圖3（c）由于間隙過大，芯棒很難在彎曲過程中發揮防止管材產生折皺的作用，導致彎曲中發生明顯的塌陷、折皺和局部破裂現象。可見，當模具間隙設置不合理的時候，會導致較嚴重的缺陷。

圖3 間隙對彎管質量的影響

2.2 芯棒位置對成形質量的影響

在彎管工藝中，尤其是異型管的小弧彎管，芯棒的作用至關重要。彎角外側材料發生伸長變形,彎角內側材料發生壓縮變形,整個彎曲截面都會發生形狀畸變。不加芯棒時，管腔得不到有力支撐容易出現管件內陷現象，在型管的彎曲部分，橫截面的畸變導致表面質量較差。且側面有一定的塌陷。如圖4所示，其塌陷值在2.66mm～3.55mm之間浮動。根據模擬結果，容易失穩的地方出現在開始起彎處，而在此處亦容易出現鵝頭等缺陷。

圖4 無芯棒的彎管效果

加入芯棒后，如圖5所示，管件內陷現象得到改善。但芯棒位置對彎管效果有很大影響：圖5（a）由于芯棒靠后，在最大變形區，管徑細化現象明顯，其值從25mm減少到約為21.42mm，說明芯棒沒有起到很好的支撐作用。而圖5（b）芯棒位置較為合理，管件沒有明顯缺陷。

圖5 加芯棒后彎管效果

2.3 彎曲過程中的等效應力和損傷破壞分布

在管件彎曲過程中，應變主要發生在彎管的外側和內側。由于防皺塊的作用，在管材的末端也存在著大的應變，這是由于在彎曲過程中，由于管材的翹起，導致芯棒和防皺塊之間的壓力增大。

由于管材的剛性，所以彎曲成形的圓弧并不十分圓滑，管材受拉伸的部分變得較為平直，而受壓縮的部分就可能產生折皺[4]。

如圖6所示為彎曲不同階段的等效應力。在第50步，管材下端和上端部分受力很低，大部分在600MPa以下；隨著靠近彎曲部分，等效應力逐漸增大；在靠近彎曲部分，局部達到最大值。在第90步，隨著彎曲的進行，管材兩端的等效應力逐漸增大，在彎曲部分，管件內外側都受到很大應力，在1100MPa左右。在第150步，也就是運行即將結束時，管件彎曲部分的內表面受最大應力的面積相對縮小。可見，管件外側更容易受到破壞。

圖6 彎曲過程中等效應力分布

如圖7所示為彎曲過程中，不同階段彎管各個部位所受到的破壞。破壞因子數越大，該位置越容易出現折皺和破裂。當旋轉到總時間的9/16時，只有輕微破壞情況在彎曲部分。當旋轉到總時間的9/16時，在L形管材的左右半邊都有破壞，但是右半部分開始出現比較大的破壞。隨著旋轉的進行，管材右半邊的破壞面積逐漸增大。當快結束時，如圖7（c）所示，管材右半部的破壞很大，破壞因子達到0.7左右。通過與等效應力分布圖相對比可得，破壞發生在等效應力較大的位置，而且管材的右端遭受的破壞情況更嚴重。因此可以適當增加管材右端部分的厚度，或減少彎曲的弧度。

圖7 彎曲過程中損傷破壞因子的分布

2.4 金屬速度流動分布

圖8為彎曲過程金屬流動分布圖。在圖8（a）中，當發生較小角度的彎曲時，管件的前端和末端的金屬流動速度較大，且比較平穩。而在管材發生彎曲的部分，由于受到夾緊模的阻礙，金屬水平方向的流動受到阻礙，流速降低。在圖8（b）中，由于發生了較大的彎曲，這時金屬流動比較平緩。因此，管材不易發生折皺等現象。隨著彎曲角度的增大一直到圖8（c），管材彎曲外側的速度和內側向比較低，這將導致內側金屬流動到其他地方，使內側金屬體積減小，導致內側出現變薄現象。

圖8彎曲過程中的金屬流動分布

通過分析金屬流動分布圖可知，在彎曲成形的初始階段，可適當降低彎曲的速度，以使其表面在夾緊模附近不出現金屬堆積，避免管材表面出現凸凹不平。而在加工的中間過程，在不影響表面質量的前提下，速度可以適當增大，以提高生產效率。在成形的末期，由于管材彎曲的角度較大，變形又開始困難起來。為使金屬流動上下面平穩，可適當降低速度，增加助推力，使管件未參加彎曲一側的金屬在助推

3 總結

（1）利用有限元法對模具間隙和芯棒位置對彎曲質量的影響進行了研究。較大和較小的間隙均會降低表面質量。當間隙為0.3mm時，折皺和破裂現象明顯減少。

（2）對L形彎管的應力和破壞因子的分布進行了分析。彎管外側表面等效應力數值較大。端部破壞較為嚴重，容易出現裂紋。

（3）在彎曲過程中，金屬堆積導致表面凸凹不平，出現折皺現象。可通過適當降低彎管速度來解決。力的擠壓下，該側的金屬流動過來，彌補正在發生彎曲部分的金屬的流失，防止彎曲部分由于變薄引起其他缺陷產生。

[1] 吳建軍，張 萍，何朝陽.大直徑薄壁彎管回彈的有限元模擬[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（1）：79-81.

[2] 古 濤，鄂大辛,高小偉,任 穎.管材彎曲成形的有限元模擬與實驗分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2006，41（10）：66-68.

[3] 鄭晨陽,鄂大辛,劉 穎，等.材料模型對彎管壁厚變化有限元仿真的影響[J].塑性工程學報，2010，17（5）：23-26.

[4] 于 丹.厚材料的碳素結構鋼彎曲成形模具設計[J].模具技術，2009，（1）：9-11.

[5] 趙剛要.薄壁矩形管彎曲成形失穩起皺的數值模擬 [D].西安：西北工業大學，2007.

[6] 李佳佳，劉郁麗，趙剛要，等.工藝參數對薄壁矩形管繞彎成形失穩起皺影響的顯著性分析[J].熱加工工藝，2010，39（13）：77-80.

FEM analysis of bending process for L-shaped tube

LI Futao，GE Weiwei，ZHANG Zhaochun，LI Wei
（SANY Heavy Industry Co.,Ltd.,Changsha 410100,Hunan China）

The FEM model for L-shaped tube has been built by use of 3D finite element analysis(FEA)software Deform-3D.The motion simulation of the bending process has been carried on.The influence of tube equivalent stress,velocity,and the material damage distribution on the tube quality has been simulated and analyzed,as well as the influence of die clearance and mandrel.The forming faults have been analyzed.The bending tube which meets the requirement after optimization has been obtained.

Bending tube;Deform-3D;Finite element simulation

TG356.5

B

1672－0121（2012）02－0076－03

2011－12－15

李福濤（1981－），男，工程師，從事金屬塑性成形、管材彎曲成形等研究