矩形管彎曲實驗及有限元仿真

張叢遠，徐巖，，徐馳

(1.南京航空航天大學 機電學院，江蘇南京210016；2.中航工業(yè)昌河飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，江西景德鎮(zhèn)333002；)

0 引言

薄壁管數(shù)控彎曲成形技術(shù)在航空航天、石油化工、交通運輸?shù)刃袠I(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，并且隨著精度、可靠性等要求的不斷提高，薄壁管彎曲成形的難度也不斷加大。在數(shù)控彎管工藝之中，繞彎成形是常見的成形方式，具有方法簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定、易于控制品質(zhì)的優(yōu)點。

數(shù)控彎管機在彎制薄壁管時能夠自動保持每次彎制的夾緊力大小、彎曲變形速度、彎曲角度不變，理論上保證每次彎曲的品質(zhì)不變，因而適合大批量的彎管制造。

在薄壁管的數(shù)控彎曲過程中，易產(chǎn)生的缺陷主要有:回彈、外壁變薄甚至破裂、內(nèi)壁起皺和截面形狀畸變等缺陷。為避免彎管產(chǎn)品出現(xiàn)這些缺陷，在正式彎制大批量的產(chǎn)品之前需要對各模具及芯棒進行調(diào)試以確保管材彎制的品質(zhì)。由于多種物理因素相互耦合作用，不同缺陷成因復(fù)雜，調(diào)試的工作主要依靠工人長期操作的經(jīng)驗和技巧，缺乏系統(tǒng)的理論支持，耗時漫長。在初步調(diào)試完成之后，雖然理論上可以保證每次彎制的品質(zhì)一致，但實際操作中，由于模具的施力機構(gòu)因多次加載而變松、芯棒磨損、芯棒與模具之間的相對位置改變、管材本身尺寸及性能存在微小差異等因素，批量彎制時仍然需要不斷地針對不同缺陷進行相應(yīng)的調(diào)整。

現(xiàn)有的研究、分析主要是針對單一條件下彎管成形質(zhì)量的影響因素，對于其相互聯(lián)系及形成各種缺陷的不同原因討論較少。在實際操作中，各機構(gòu)相互作用，減小某種缺陷的調(diào)整很可能導(dǎo)致另一種新的缺陷產(chǎn)生，對于此類問題的聯(lián)系性進行理論歸納，對管材進行數(shù)控彎曲實驗，分析、總結(jié)造成各種缺陷的因素及其相互之間的影響，計算適宜的夾緊力大小，可以幫助用理論解釋各種缺陷，有效減少數(shù)控彎管機的調(diào)試時間和次數(shù)，并且提高管材的成形品質(zhì)。

1 矩形管繞彎成形

薄壁管數(shù)控彎曲成形過程如圖1所示［1］。管材內(nèi)插入芯棒，彎曲模上的輪夾和夾模共同夾緊管材，輪夾和夾模一起隨彎曲模旋轉(zhuǎn)一定角度，壓模和防皺塊固定住管材的另一端，從而產(chǎn)生彎曲力矩使管材發(fā)生塑性變形，壓模在夾緊管材的同時隨管材一起向前運動以減小摩擦力。此時，管材外側(cè)受拉變薄，內(nèi)側(cè)受壓可能出現(xiàn)起皺等缺陷。

圖1 繞彎成形原理圖

矩形結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定性相比圓形較差，所以矩形管在彎曲時相比圓管更易發(fā)生截面形狀畸變，且晶相滑移受到四個邊角的阻礙，使得外壁變薄、內(nèi)壁起皺的缺陷更加劇烈，因此觀察到的缺陷情況將更加明顯。實驗采用24.2×22.2mm矩形管進行實驗，彎曲半徑為75mm，彎曲角度為40°，模具與管材間的滑動摩擦系數(shù)取0.3，成形時間設(shè)定為5s。

實驗所用的管材材料為304不銹鋼，彈性模量200 000N/mm2，屈 服 極 限 230N/mm2，強 度 極 限540N/mm2，泊松比 0.29。

2 有限元建模仿真

管材選用拉伸殼模型，模具選用解析剛體，以接觸面來代替整個模具，用結(jié)構(gòu)體單元來為管材劃分網(wǎng)格，動態(tài)顯式算法分析成形過程，靜態(tài)通用算法分析回彈情況［2］，調(diào)整各種影響因素多次進行模擬(圖2)。

圖2 Abaqus仿真過程圖

3 彎管實驗及有限元仿真結(jié)果

3.1 成形品質(zhì)的衡量方法

針對管材的成形品質(zhì)，本文主要通過彎管成形的缺陷情況進行研究。缺陷的分類以目視方法判定，主要分為“內(nèi)側(cè)發(fā)生較大缺陷”、“彎曲停止處發(fā)生集中凹陷”和“密集均勻起皺現(xiàn)象”。

缺陷的嚴重程度通過彎管內(nèi)側(cè)缺陷處相鄰峰谷的最大高度差t(如圖3)和彎管外側(cè)凹陷深度u(如圖4)進行描述。

圖3 內(nèi)側(cè)相鄰峰谷的最大高度差t

圖4 外側(cè)凹陷深度u

3.2 內(nèi)側(cè)發(fā)生較大缺陷

當t≤2mm時，可通過調(diào)節(jié)壓模與夾模的夾緊力來減小缺陷；而當t＞2mm，或是內(nèi)側(cè)整體發(fā)生較大的凹陷，則說明芯棒在彎曲過程中未能有效支撐管壁。原因是芯棒位置在起彎點之后或是芯棒尺寸偏小，此時調(diào)節(jié)其他模具沒有明顯效果，應(yīng)換及時調(diào)整芯棒。

根據(jù)有限元仿真結(jié)果(圖5)可知:隨著芯棒與管材間隙的增加，整個彎曲變形區(qū)的截面畸變情況呈線性增大趨勢［3］。這是由于芯棒與管材間隙增大，芯棒對管壁的支撐作用減小，抵抗管壁向內(nèi)變形的程度減弱。因此，增大芯棒的尺寸可減小管壁凹陷起皺。

圖5 芯棒與管材間隙對內(nèi)側(cè)最大高度差t的影響

在實驗中，不可能一味減小芯棒與管材的間隙，當間隙小于0.3mm時，插入芯棒的難度明顯加大。在彎曲過程中，管壁產(chǎn)生細微形變，芯棒與管壁的摩擦加劇。當這個摩擦力大于芯棒中的連接片所能承受的最大拉力和插銷所能承受的最大剪力時，芯棒將發(fā)生斷裂。

為防止芯棒發(fā)生斷裂，應(yīng)嚴格控制芯棒與管材的間隙，經(jīng)反復(fù)試驗，間隙在0.3mm到0.4mm之間較為適宜，芯棒插入管材之前要充分潤滑。

另外，即使芯棒尺寸合適，如果過于靠后脫離了起彎點，則無法在彎曲部分充分支撐管壁。根據(jù)有限元仿真結(jié)論(如圖6)，可將芯棒向管材前進方向移動，使芯棒在成形過程中充分進入彎曲部分，提高支撐作用，可減小畸變［3］。由于管材彎曲處外壁變薄向內(nèi)凹陷，內(nèi)壁變厚起皺，因此管材有效內(nèi)徑急劇收縮，芯棒過分前伸可能導(dǎo)致彎曲完成后撤出困難，甚至會卡死在彎曲部分。根據(jù)反復(fù)試驗的結(jié)果，芯棒的固定位置為端頭超出起彎點1～2mm較為適宜［4］。

圖6 芯棒伸出量對內(nèi)側(cè)最大高度差t的影響

3.3 彎曲停止處發(fā)生集中凹陷

這種缺陷形成原因是由于管材兩端夾緊力過大，導(dǎo)致兩邊材料滑移困難，中間部分受拉嚴重，因而彎曲處內(nèi)側(cè)材料變薄、凹陷明顯。在彎曲過程剛開始時，管材內(nèi)側(cè)受拉形變量較小，所以內(nèi)應(yīng)力較小，變薄、起皺不明顯。隨著彎曲幅度的增大，內(nèi)應(yīng)力積累，導(dǎo)致變薄、凹陷情況逐漸變得嚴重，在彎曲停止處達到最大值。

通過圖7所示可以看出，夾緊力在一定范圍內(nèi)持續(xù)增加可以有效限制起皺的產(chǎn)生，但超出一定范圍后將發(fā)生變薄凹陷情況，使畸變數(shù)值變大。要避免彎曲末端變薄凹陷，可略微減小前后模具的夾緊力，使材料易于流動，從而緩解集中變薄凹陷。

圖7 兩端夾緊力F對內(nèi)側(cè)最大高度差t的影響

彎曲處內(nèi)壁光滑平整，說明芯棒已經(jīng)有效支撐了管壁，此時若再增加芯棒的尺寸或伸出量，非但不能改善凹陷情況，反而會增加管材所受的摩擦力，使金相流動更加困難，從而加劇管壁變薄凹陷。

3.4 密集均勻起皺現(xiàn)象

此類缺陷在薄壁管數(shù)控彎曲過程中較為常見，原因有以下三類:

1)電動機扭矩不夠會導(dǎo)致彎曲過程中轉(zhuǎn)速時常發(fā)生突變，使得材料形變不均勻。數(shù)控彎管機的驅(qū)動電動機功率恒定，當旋轉(zhuǎn)力矩無法帶動管材彎曲時，減小轉(zhuǎn)速可使力矩增大，當旋轉(zhuǎn)力矩超過了摩擦力對彎曲中心產(chǎn)生的摩擦力矩時，電動機可順利運轉(zhuǎn)。

2)芯棒尺寸略小與管壁產(chǎn)生間隙，無法完全支撐管壁，但間隙的大小又不足以形成缺陷一那種劇烈的畸變。

3)管材在彎曲過程中，模具不能有效限制兩側(cè)晶格向中間聚集，管材內(nèi)壁晶格相互擠壓造成均勻起皺，一般可通過增加前后模具的夾緊力來避免。

當壓模和夾模的夾緊力增大時，它們與管材之間的摩擦力也相應(yīng)增大。這個摩擦力抵消了部分導(dǎo)致材料翹曲起皺的應(yīng)力，阻礙了晶格向中間滑移，從而限制了起皺的產(chǎn)生。

但在實驗中，一味增加夾緊力來減小缺陷，可能會對管材表面造成損傷，進一步增大夾緊力會導(dǎo)致管材外側(cè)拉裂。并且，當摩擦力超過了促使彎曲模旋轉(zhuǎn)的電動機扭矩時，電動機無法順暢旋轉(zhuǎn)。為防止管材外側(cè)拉裂，可提高壓模前進速度。當壓模的前進速度大于管材速度時，摩擦力方向相反，原本阻礙管材前進的摩擦力變?yōu)閹庸懿那斑M，這樣會加劇壓模位置的晶格向中間滑移。針對這一現(xiàn)象進行了一組有限元仿真，研究當壓模速度大于、等于、小于管材速度時，其對于內(nèi)、外側(cè)的起皺分別產(chǎn)生多大影響(如圖8和圖9所示)。根據(jù)有限元仿真結(jié)果，提高壓模前進速度，可有效緩解管材外側(cè)凹陷，同時會小幅提高內(nèi)側(cè)的起皺情況。調(diào)整防皺塊與管材之間的角度從而改變摩擦接觸面積，可幫助減小均勻密集起皺現(xiàn)象(如圖10)。當防皺塊與管材之間完全平行時，夾模夾緊后防皺塊完全貼合管壁，夾緊力均勻施加在管材與防皺塊接觸的區(qū)域上，分散了對彎曲處晶格滑移的約束能力。因此，可將防皺塊的固定角度向遠離管材的方向轉(zhuǎn)5°左右，夾緊之后，防皺塊的大部分區(qū)域脫離管材，只有靠近尖端的部分仍與管材保持著接觸，此時分散的摩擦力都集中在這部分上，在不改變夾緊力的情況下增大了局部區(qū)域里對起皺變形的限制能力，可有效減小起皺的程度。

圖8 壓模與管材相對速度對外側(cè)最大凹陷u的影響

圖9 壓模與管材相對速度對內(nèi)側(cè)最大高度差t的影響

圖10 防皺塊接觸面積S對內(nèi)側(cè)最大高度差t的影響

如果減小夾緊力后，管材內(nèi)側(cè)產(chǎn)生均勻起皺，且其他調(diào)整都無法緩解，可以適當恢復(fù)夾緊力，同時減小電動機轉(zhuǎn)速，使數(shù)控彎管機恢復(fù)運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

1)當管材某處發(fā)生較大凹陷時，一般需要更換尺寸更大的芯棒，或增加芯棒的前伸距離，使其在彎曲過程中能夠充分支撐管壁。

2)當管材上的彎曲停止處發(fā)生集中凹陷，可適當增加芯棒前伸的距離，也可提高壓塊前進速度或稍微減小壓模和夾模的夾緊力。

3)當主要彎曲部分出現(xiàn)密集均勻起皺現(xiàn)象時，可適當增大壓模和夾模的夾緊力，或調(diào)整防皺塊與管材之間的角度減小管壁受力面積。

4)當電動機無法順利旋轉(zhuǎn)時，可減小夾緊力、提高壓塊前進速度或降低電動機轉(zhuǎn)速。

［1］徐義，李落星，李光耀，等.型材彎曲工藝的現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］. 塑性工程學報，2008(15).

［2］鄭晨陽，鄂大辛，李延民，等.彎管回彈影響因素的有限元分析及試驗研究［J］.汽車工藝與材料，2010(6).

［3］劉郁麗，盧彩紅，趙剛要，等.間隙對薄壁矩形管繞彎成形截面畸變影響的研究［J］.中國機械工程，2008.

［4］李佳佳，劉郁麗，趙剛要，等.工藝參數(shù)對薄壁矩形管繞彎成形失穩(wěn)起皺影響的顯著性分析［J］.熱加工工藝，2010(13).