基于自由彎曲技術的6061鋁合金管的彎曲成形性能研究

魏文斌，程旋，余耀暉，王成，熊昊，王輝

（1. 南京航空航天大學 a. 材料科學與技術學院；b. 機電學院，南京 210016；2. 江蘇省核能裝備材料工程實驗室，南京 210016）

6061鋁合金管是一種具有加工性能極佳、焊接性及電鍍性優良、抗腐蝕性良好、韌性高及加工后不易變形、材料致密無缺陷、易于拋光、上色膜容易、氧化效果極佳等優良特點的鋁合金管，其彎曲件被廣泛應用于各個行業，包括航空航天、汽車、管道運輸以及船舶制造等[1—3]。鋁合金彎曲構件通常通過傳統的方式進行彎曲成形，包括推彎、繞彎、滾彎、拉彎、壓彎等[4—5]。傳統彎曲方式能夠獲得所需要的彎曲件，但彎曲成本高，且不能成形彎曲半徑連續變化的結構件。

三維自由彎曲技術是近年來在塑性成形領域出現的一項重要的技術創新，可以實現管材、型材的精確無模成形[6]。相比于傳統彎曲方式，三維自由彎曲技術可以實現彎曲半徑的連續變化，成形復雜的空間彎曲構件，同時具有成形質量高、彎曲成本低等優點，在航空航天等領域具有廣泛的應用前景[7—9]。

在管材彎曲領域，相關學者做了各方面的研究。詹梅[10]等研究了管材在數控彎曲過程中的回彈規律，發現回彈角隨彎曲角、芯棒與管壁間隙以及材料硬化系數的增大而增大，隨材料硬化指數的增大而減小。鄂大辛[11]等研究了管材在彎曲過程的應變中性層，發現彎管應變中性層向彎曲中心方向移動，其移動量隨相對彎曲半徑增大而減小，并計算出常用小直徑薄壁管無芯彎曲時(R/d0)應變中性層內移量小于0.8 mm。閆晶[12]等進行了大直徑鋁合金管的彎曲成形極限的探究，發現在滿足小彎曲半徑彎管成形質量要求的模具和摩擦參數組合的合理范圍內，減小芯棒球頭厚度和直徑，并施加軸向壓縮載荷，能夠實現管材的極限彎曲成形。Pengfei Li[13]等通過三維自由彎曲技術研究了不銹鋼管和型材的彎曲成形過程，驗證了自由彎曲技術對于成形連續變化彎曲半徑的管材和型材是可行的，并通過多組成形實驗驗證了模擬對實際成形的準確指導。P. Gantner[14]等對三維自由彎曲技術進行了系統的工藝分析，對型材、管材成形提供了工藝理論基礎，并進行實際成形與模擬結果對比，驗證了模型的可靠性。

文中首先對6061鋁合金管的三維自由彎曲成形過程進行了有限元模擬，分析了成形過程管壁的壁厚變化，截面畸變以及應力應變狀態，同時進行了自由彎曲成形實驗，通過與模擬結果的對比，驗證了有限元模擬對實際成形的可靠性。

1 三維彎曲技術原理

三軸自由彎曲系統主要由彎曲模、球面軸承、導向機構、壓緊機構和推進機構5部分組成，其中彎曲模與球面軸承相接觸的球面半徑相同。在系統工作過程中，管材在推進機構的連續推動作用下，依次通過壓緊機構、導向機構和彎曲模，當管材通過彎曲模時，球面軸承在x/y平面內作偏心運動，而彎曲模在球面軸承的推動下發生轉動，當球面軸承在x/y平面內偏離平衡位置為U時，實現管材的彎曲成形，其中U稱為偏心距[15—16]。其工作原理見圖1。

圖1 三維自由彎曲原理Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional free bending

彎曲模球心到導向機構前端在z向的距離為A，A值和偏心距U的大小共同決定了彎曲半徑R的大小，當U很大，A值很小時，彎曲半徑R將會很小。在三軸自由彎曲系統中，管材在彎曲時受到軸向推進機構所施加的推力PL和球面軸承所施加的彎曲力PU。在PL和PU的共同作用下產生彎矩M[17]，使管材發生彎曲，其中：M=PU×A+PL×U。

通過兩個伺服電機在x方向和y方向的位移以及導向機構和彎曲模之間的相互作用，可以實現彎曲運動的持續變化。

根據管材彎曲的塑性成形理論，管材彎曲內側處于受壓狀態，管壁趨于增厚，且易出現起皺缺陷[18—20]。而管材外側處于受拉狀態，管壁趨于減薄，會出現管壁破裂等缺陷。彎曲管材內外側的應力應變狀態見圖2。

圖2 管材彎曲的應力應變狀態分析Fig.2 Stress-strain state analysis of tube bending

在自由彎曲成形過程中，推進機構在軸向對成形管材的軸向推力，使得管材外側受拉的狀態減輕，開裂等質量問題得到緩解，因此，自由彎曲成形技術對管材的彎曲成形質量有比較大的影響。

2 6061鋁合金管的有限元模擬

基于三維自由彎曲成形原理，對6061鋁合金的自由彎曲成形過程進行了有限元模擬。首先，通過三維制圖軟件畫出三維自由彎曲裝置模型，調整好配合關系，導入有限元模擬軟件 ABAQUS，完成模擬模型的繪制，如圖3所示。

圖3 自由彎曲有限元模型Fig.3 Finite element model of free bending

在模型參數設置過程中，分析步設置為動態顯式，接觸設置為一般接觸，系統中的摩擦因數統一設置為0.02，管材直徑為15 mm，且壁厚為1 mm。另外，管材被設置為6061鋁合金管，彎曲模設置為YG8合金，具體參數見表1。

表1 材料的力學性能Tab.1 Mechanical properties of materials

基于有限元模型參數的設置，對6061鋁合金管進行了U型的彎曲模擬，如圖4所示。圖4a是彎曲模在球面軸承的帶動下向上運動，管材開始彎曲成形；當偏心距達到設定值時，彎曲模靜止，管材穩定成形，如圖4b；圖4c為管材成形完成時彎曲模向下運動，恢復原位。

圖4 管材自由彎曲成形過程Fig.4 Free bending forming process of tube

管材彎曲過程中，彎曲內側受壓，外側則處于受拉狀態，此受力狀態對最終的成形質量有重要影響，而管材在彎曲成形過程中的應力應變狀態直觀反映成形過程的受力情況。

不同彎曲半徑的應力云圖見圖5。隨著管材彎曲半徑從60 mm到80 mm的不斷增大，彎曲內側的壓應力和彎曲外側的拉應力不斷減小，即隨著彎曲半徑的增大，應力不斷減小。同時，在彎曲初始段的應力大于彎曲弧段和彎曲末端的應力，即在管材成形初始階段，管材受到彎曲模向上的力的擠壓，使得彎曲外側拉應力和彎曲內側壓應力較大。

管材的彎曲應變云圖見圖6?？梢钥闯?，管材成形的應變值隨著彎曲半徑的不斷增大而減小，即在彎曲半徑增大的過程中，管材彎曲外側的壁厚減薄趨勢減小，彎曲內側的壁厚起皺的趨勢也減小，成形質量更好?？梢杂^察到，在彎曲初始段的應變值較高，內側增厚、外側減薄以及截面畸變的趨勢較大。

圖5 管材彎曲應力云圖(MPa)Fig.5 Bending stress cloud diagram of tube

圖6 管材彎曲應變云圖Fig.6 Bending strain cloud diagram of tube

管材在三維自由彎曲成形系統中，受到推進機構的軸向推力PL，因而管材的外側受拉狀態減緩，外側減薄趨勢減小，增厚區域變大，壁厚的中性層向彎曲外側移動，如圖7所示。管材的壁厚中性層由彎曲前的軸線位置向外移動了一定距離，并隨著彎曲半徑的不斷減小，外移距離增大。

圖7 壁厚中性層的外移(mm)Fig.7 Outward migration of wall thickness neutral layer

針對不同彎曲半徑，對管材不同位置的壁厚和截面畸變進行分析，因此，對管材的不同位置進行編號，如圖8所示。

圖8 U型管的位置編號Fig.8 Position number of U tube

管材不同彎曲半徑的內側壁厚見圖9。可觀察到，管材內側發生了管壁增厚，且隨著彎曲半徑的減小，增厚趨勢越明顯，這與管材內側受到的壓應力密切相關。當彎曲半徑較小時，彎曲模施加于管材的力PU更大，使得管材內側壓應力較大，最終導致內側管壁的增厚。從圖9可觀察到，最大增厚達17.2%，增厚明顯，有起皺風險。

圖9 不同彎曲半徑不同位置的彎管內側壁厚分布Fig.9 Distribution of inner wall thickness of bends with different bending radii and positions

根據模擬結果，在彎曲內側管壁增厚的同時，外側管壁減薄，尤其是彎曲初始和彎曲末端。同時隨著彎曲半徑的減小，壁厚減薄越明顯，具體結果見圖10?？梢杂^察到，壁厚最小為 0.962 mm，最大減薄不超過4%。

圖10 不同彎曲半徑不同位置的彎管外側壁厚分布Fig.10 Distribution of outer wall thickness of bends with different bending radii and positions

圖11 不同彎曲半徑不同位置的管材橢圓度分布Fig.11 Elliptic distribution of pipes with different bending radii and positions

在推進機構推動以及彎曲模擠壓的作用下，管材截面會產生一定的變形。從圖11可以觀察到，管材截面的橢圓度會隨著彎曲半徑的不斷減小而增加。同時，在彎曲的不同位置橢圓度也不同，在彎曲初始段和彎曲末端的截面畸變較嚴重，橢圓度最大接近8%。從整體觀察，鋁合金管材在三維自由彎曲成形系統中截面畸變發生率較低，可以成形出較高質量的零件。

3 6061鋁合金管的成形實驗

基于對鋁合金管材自由彎曲成形的模擬結果，也對鋁合金進行了實際的三維自由彎曲成形實驗。管材選取壁厚為1 mm、管徑為15 mm的6061鋁合金管，彎曲實驗在三軸自由彎曲設備上進行，如圖12a所示。

圖12 自由彎曲成形實驗Fig.12 Free bending forming experiments

管材彎曲實驗結果見圖12b，分別進行了彎曲半徑為60, 70, 80 mm的成形實驗。對管材實際彎曲半徑和實際彎曲角度的測量，并與設計模型和模擬結果進行對比，見表2。可以觀察到，管材模擬的彎曲半徑最大偏差不超過8%，實驗結果則不超過6.5%；而管材模擬的彎曲角度最大偏差不超過 4.5%，實驗結果則不超過3%。

表2 設計模型、模擬成形以及實驗結果的對比Tab.2 Comparison results of design model, simulated forming and experimental forming

設計模型、模擬成形以及實驗結果的管材形狀見圖13。通過對比發現，模擬結果和實驗成形的管材形狀與設計模型相似，彎曲角度和彎曲半徑接近，驗證了三維自由彎曲成形技術的可靠性。

管材彎曲總體成形質量良好，但在實際成形過程中發現，當成形彎曲半徑較小時，管材產生成形缺陷，如圖14所示。彎曲內側壁厚增加導致起皺缺陷，而彎曲外側因有減薄而有輕微的畸變產生。這與模擬結果相吻合，驗證了模擬對實驗的指導意義。

圖13 設計模型、模擬結果以及實驗結果的管材形狀Fig.13 Tube shapes of design model, simulation results, and experimental results

圖14 鋁合金管彎曲的成形缺陷Fig.14 Forming defects of aluminum alloy tube bending

4 結論

1) 對 6061鋁合金管進行了彎曲半徑為 60, 70,80 mm的有限元模擬成形，發現管材壁厚中性層向彎曲外側發生明顯偏移，且彎曲半徑越小，向彎曲外側的偏移量越大。認為這與自由彎曲系統軸向推力PL有關，軸向推力使得管材的受壓區域增加，而受拉區域減小，導致壁厚中性層外移。

2) 根據模擬結果，管材內側管壁增厚，最大增厚為17.2%；管材外側壁厚減薄，最大減薄不超過4%，發現隨著彎曲半徑的減小，管材內側增厚愈發明顯，而減薄變化較小。同時對管材截面畸變進行分析，發現最大橢圓度不超過8%，截面畸變不明顯。

3) 基于模擬結果，也對管材進行了實際成形。通過對比模擬結果、實驗結果與設計模型，發現管材模擬的彎曲半徑最大偏差不超過8%，實驗結果則不超過 6.5%；而管材模擬的彎曲角度最大偏差不超過4.5%，實驗結果則不超過3%。同時發現當彎曲較小時，內側發生明顯起皺，而彎曲外側也有輕微壁厚減薄導致的畸變缺陷，這與模擬結果吻合，驗證了模擬對實際成形指導的可靠性。