數字復雜彎曲管件成形研究

孫浩軒，曾水生，劉 明

（常州固高智能裝備技術研究院有限公司，江蘇 常州 213000）

1.自由彎曲技術介紹

在航空航天、石化、核電、汽車等軍用或民用的諸多工業領域中，因其發展的需要對空間金屬彎曲件的成形質量和精度要求越來越高，同一個彎曲件上的彎曲半徑也有多樣化的趨勢，由于傳統的彎管機基本是以反復多次開模[1-4]應對多半徑加工要求，這對傳統彎管機的挑戰越來越艱巨。自由彎曲技術是近些年興起的一項新彎管技術，在彎曲型材和管件上面都是將多軸聯動與彎曲模具技術相結合，打造管件彎曲半徑可實時變化、不需要反復開模的新工藝。

自由彎曲成形分為隨動彎曲模成形和主動彎曲模成形兩種。被動狀態下彎曲模的結構，通常由三個軸控制。在成形過程中，彎曲模隨球面軸承運動，并處于連續跟蹤狀態。第二種彎曲模具的主動結構。通過主動調節，可以控制彎曲模的運動。通常采用5軸或6軸聯動控制，控制難度大，但零件的成形質量和成形極限均高于被動控制下的彎曲模。

2.數學模型建立

如圖1所示，該系統包括主動式彎曲模、導向機構、管件、送料機構。導向機構中心軸線于彎曲模中心軸線在Z軸方向的偏心距為U，彎曲模距離導向機構為A，管件Y向送料速度為v。該成形原理由X、Y、Z軸提供六自由度的位姿，該主動式彎曲模從初始平衡位置即軸線與管件軸線重合之處在Z軸正方向位移和繞X軸正方向偏轉再返回起始平衡位置，同時送料機構以速度v沿Y向正向進給管件，完成管件彎曲。

圖1 主動式彎曲模具示意圖

θt為主動式彎曲模的偏轉角，彎曲半徑為R1，彎曲角度為θ1，這一過程中分為直線段1、過渡段1、圓弧段、過渡段2、直線段2，則各階段如下：

本文通過MATLAB進行數學建模，其中彎曲角度為60°，彎曲半徑為100mm，管件直徑32mm，壁厚2mm，送料機構速度為30mm/s，A值為40mm，得到下式，其數學模型如圖2所示：

圖2 各階段U與θt曲線圖及成形曲線圖

3.有限元結果建立

本實驗選用6061鋁合金材質的管件，其材料性能如表1所示，相應的選擇彎曲模于導向機構的材料參數，采用GH625高溫合金，材料性能如表2所示:

表 1 6061 鋁合金性能表

表 2 GH625 材料性能表

一是導入模型。在CAD軟件建模后保存為“中間格式文件”。由于管件結構簡單，可以直接在ABAQUS中建模。彎曲模為變形實體，管件為變形殼體。由于導軌機構和送料機構不參與加工計算，在軟件界面中將它們設定為剛體。最終的組裝如圖3所示：

圖 3 模型裝配體

二是進行網格化。完成材料屬性的編輯和派發以后，可以網格化處理各個模型部件，管件選擇為S4R；彎曲模選擇C3D10M；導向機構選擇為C3D8R；送料機構選擇C3D10M。網格化處理結果如圖4所示。

圖 4 網格圖

三是在“相互作用”界面中創建一系列作用屬性，由于在實際加工中充滿油潤滑，故填入全局切向摩擦力的罰值為0.02。由于彎曲模、導向機構和送料機構不參與運算，所以在約束界面創建剛體和耦合體。送料機構耦合于質心。

四是在運動算例添加3個step分析步，分別對應時長1.37s、2.12s、1.35s，在場輸出勾選應力、應變及位移，在每一步分析步中選中質量放大系數填入10000。

4.驗證結果

邊界條件如下：A值為40mm，彎曲模向上移動8.36mm，偏轉角為23.58°，送料送給速度30mm/s，仿真總時長4.84s，結果如圖6所示，由于截面形狀、間隙值、材料塑性應變、材料回彈等原因，不能與理想MATLAB演算值相符合，契合度如圖5所示。可見U值小，導致管件彎曲較晚。

圖 5 仿真契合圖

修正后如下：A值為40mm，彎曲模向上移動12mm，偏轉角為23.58°，送料送給速度30mm/s，仿真總時長4.84s，結果如圖6所示。

圖6 修正理想值與仿真契合圖

5.結語

本研究基于三維矢量成形主動式彎曲模具建立了數學模型，并通過MATLAB得到模擬量，最后通過ABAQUS有限元分析軟件進行驗證，證實了數據量的可參考性。但是三維矢量成形復雜，尚有諸多因素影響數學模型與有限元模擬差值，例如數學模型假定不存在回彈現象[5]和管件在彎曲時與彎曲模之間的間隙值[6]，ABAQUS中對材料的設定并未在MATLAB中體現，可能會因為回彈問題和管件距離彎曲模間隙值影響管件成形質量，本研究暫未涉及，可作為后續研究繼續探索。所以，在實際加工中需要適當調整U值和A值，用來補償回彈和間隙值帶來的誤差。