基于模具創新設計的高強鈦管小半徑加熱繞彎扁化控制

林姚辰，曾元松，吳為，林偉明，呂鳳工，金鳳臻，李恒

塑性成形

基于模具創新設計的高強鈦管小半徑加熱繞彎扁化控制

林姚辰1，曾元松2，吳為2，林偉明3，呂鳳工2，金鳳臻4，李恒4

（1. 浙江省航空航天金屬導管塑性成形技術與裝備重點實驗室，浙江 麗水 321403；2. 中國航空制造技術研究院，北京 100024；3. 浙江金馬遜機械有限公司，浙江 麗水 321403； 4. 西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，西安 710072）

發展小直徑高強鈦管小彎曲半徑（1.5）加熱彎曲成形的截面扁化缺陷控制技術。基于對管材彎曲前預變形和彎曲過程中施加有效約束的原理，設計變曲率型腔的反變形壓力模結構、勺形芯模結構和帶芯球的柔性芯模結構，結合有限元仿真分析，研究探索不同模具結構設計對彎管截面扁化的影響。與“壓力模+圓形芯棒”模具組合相比，使用反變形壓力模可以將最大截面扁化率降低9%～21%；與傳統模具組合下的最優扁化率（6.19%）相比，反變形壓力模結合勺形芯模和帶芯球的芯模可進一步將扁化率降低24%～33%，最優扁化率為3.9%。反變形壓力模和勺形芯模帶芯球的芯模相結合的模具結構設計，有效解決了小直徑高強鈦管小彎曲半徑成形的截面扁化問題，將扁化率控制在4%以內。

管材加熱繞彎成形；截面扁化；反變形壓力模；勺形芯模；柔性芯模

高強鈦合金管（如高強TA18管等）具有高比強、耐高壓和耐腐蝕等優良特性，廣泛應用于先進飛行器、航空發動機液壓和氣動能源等關鍵管路系統[1]。數控彎曲成形技術具有高精度、高效率和易于實現數字化加工等優點，已成為高性能輕量化管路構件生產制造的關鍵技術。由于高強TA18管變形抗力大、塑性較差，其在室溫條件下難以實現小彎曲半徑彎管等難成形結構的成形制造[2-3]。數控溫熱彎曲成形技術可通過局部熱場改善難變形鈦管的變形能力，提高彎曲成形性，有可能實現小彎曲半徑管件成形[4-6]。在彎曲過程中，小直徑管材截面扁化缺陷嚴重，直接影響彎管構件的成形質量。對于服役要求極其苛刻的耐高壓管路系統，彎管構件嚴重的截面扁化問題將直接影響構件的服役性能、服役安全和使用壽命。

國內外學者分別從實驗、理論分析、有限元數值模擬等方面對純鈦管、高強鈦管的溫熱彎曲進行了一系列研究。通用汽車研究院和上海交通大學等學者開展了AZ31和AM30鎂合金管材在不同溫度區間下的彎曲試驗，確定了最佳成形溫度窗口和相關工藝參數。研究表明，加熱溫度為150～200 ℃時，有利于降低截面扁化、減少壁厚變薄率和回彈角[7-8]。意大利帕多瓦大學將感應加熱技術應用于管材數控繞彎，開發了相應的管材熱彎技術，并成功應用于大直徑Ti-3Al-2.5V管材的彎曲[5,9]。西北工業大學學者針對大直徑薄壁純鈦管以及高強TC4、高強TA18等鈦合金管，開展了管材加熱彎曲技術的系統研究，搭建了溫度可達500 ℃、管材外徑為6～150 mm的管材局部差溫熱輔助彎曲試驗平臺與裝備，通過材料、模具和工藝參數的多方位優化設計，突破了難變形鈦合金彎

管構件傳統工程的成形極限，將76.2 mm×1.07 mm（直徑×厚度）薄壁純鈦管的彎曲半徑極限從傳統=3（為彎曲半徑，為管材外徑）降至=1.5甚至=1，將60 mm×1 mm（直徑×厚度）薄壁TC4管的彎曲半徑極限從=5降至=3，將中厚壁高強TA18鈦合金管的彎曲極限-。

前期研究發現，對于小直徑管材，盡管加熱輔助彎曲成形可有效避免破裂等缺陷，但嚴重的截面扁化缺陷仍未得到有效解決，嚴重制約著成形極限和成形質量的進一步提高。

基于上述原因，文中以6×0.5×9 mm（為外徑，為壁厚，為彎曲半徑）的小直徑高強鈦合金彎管構件為研究對象，通過改變壓力模和芯模結構設計，在彎曲前進行預變形以及在彎曲過程中添加模具約束，尋找小直徑難變形管小彎曲半徑彎曲成形截面扁化缺陷的有效控制方法，為解決管材彎曲嚴重扁化提供解決思路，進而提升難變形管材的成形能力。

1 高強鈦管的加熱數控繞彎成形工藝

管材數控繞彎是一種精確、高效的先進管材彎曲成形工藝，其通過多模具相互配合運動，使管坯沿著模具設定的曲率半徑和彎曲角度發生局部連續彎曲變形，進而實現具有特定規格的彎管零件成形。管材繞彎成形原理如圖1a所示，繞彎成形模具一般由彎曲模（鑲塊裝配在彎曲模上）、夾持模、壓力模、防皺模及帶多個柔性芯頭的芯模構成，管材前端夾持段部分會帶動管材待彎段逐漸進入彎曲狀態，并沿著一定的軌跡運動，形成預設彎曲角度。

圖1 管材繞彎成形原理

數控加熱繞彎成形原理如圖1b所示，其通過在彎曲成形模具上開設加熱孔對模具進行加熱，再經過熱傳導使管材升溫至目標溫度。根據管徑大小選擇加熱模具，通常可選擇的加熱模具有壓力模、防皺模、彎曲模和芯模，同時在相應的加熱模具上開設測溫孔，利用熱電偶進行溫度測量，通過溫控系統控制加熱棒的輸出功率，以實現高效的加熱控制。熱彎成形流程如圖2所示，先將管材局部加熱至目標溫度并適當保溫，然后進行彎曲加工，獲得目標形狀的彎管件。數控加熱繞彎溫度可控性好、成形精度高，因此，能夠實現高強鈦管的穩健、精確彎曲成形。文中擬基于西北工業大學搭建的難變形管材數控加熱彎曲試驗平臺，研究勺形芯棒和反變形壓力模對高強鈦管加熱繞彎成形質量的影響。

圖2 高強鈦管數控溫熱彎曲成形過程[4]

2 反變形壓力模和芯模設計

2.1 反變形壓力模設計

前期的有限元數值仿真發現，6 mm×0.5 mm× 9 mm（直徑×厚度×彎曲半徑）的小直徑高強Ti-3Al- 2.5V鈦管在數控加熱繞彎成形過程中，盡管外側破裂缺陷得到有效抑制，但截面扁化非常嚴重，扁化率在6%以上。綜上所述，截面過度扁化成為小直徑管材彎曲過程中的主要缺陷。文中采用反變形模具抑制高強鈦管彎曲過程中的截面扁化。

在管材彎曲成形過程中，因其受力特征，彎曲段水平截面直徑變大，徑向截面直徑變小，因此，橫截面不可避免地變為橢圓形。反變形是將壓力模的型腔結構改變，通過施加預變形在管材的待彎曲段外側，使其在相反方向上發生變形而向外凸出，抵消管材彎曲時產生的變形，進而使管件的橫截面盡可能保持圓形。預變形區域通常在管材待彎曲段的外側，如圖3所示，p為壓力模具速度，d為彎曲半徑，為管材外徑，為管材內徑。6 mm×0.5 mm×9 mm（直徑×厚度×彎曲半徑）高強鈦管的反變形壓力模及橫截面如圖4所示，壓力模的型腔通常由3段不同半徑（1，2，3）的圓弧構成。壓力模型腔尺寸見表1，在彎曲過程中，彎曲半徑越小，管材截面的變化率通常越大，因此需要施加更大的預變形量，即需要的型腔深度越大。文中確定了壓力模的型腔尺寸，1=3 mm，2=5.60 mm，3=2.22 mm，3.36 mm。

圖3 反變形壓力模具施加方案示意

圖4 反變形壓力模設計

表1 壓力模型腔尺寸

2.2 芯模設計

抑制管材彎曲截面扁化缺陷常用的方法是在管材內部采用芯模或者施加填充材料，其中圓形芯棒因其加工制造簡單，被廣泛應用。文中研究的6 mm× 0.5 mm×9 mm（直徑×厚度×彎曲半徑）小直徑高強Ti-3Al-2.5V鈦管因材料強度高、管材直徑小、相對彎曲半徑小（/=1.5），采用傳統的圓形芯棒無法有效控制截面扁化缺陷，因此，除了采用圓形芯模結構設計，還采用了“勺形”芯棒設計結構以及帶微小芯球的芯模結構（如圖5所示），探索不同芯棒結構對彎管截面扁化缺陷的影響。如圖5a所示，勺形芯棒端部采用彎曲半徑圓弧過渡，為超曲面結構，加工制造難度大。帶芯球的芯模結構設計如圖5b所示，芯球半徑僅為2.4 mm，屬于微小成形結構件，加工困難。勺形芯模和帶芯球的芯模結構剛度較差，因此其在高強鈦管彎曲成形過程中很容易損壞，進而增大了產品制造成本。

圖5 芯模設計

3 模具設計對截面扁化的影響

文中基于ABAQUS平臺建立了高強鈦管數控加熱繞彎成形熱力耦合有限元模型（如圖6所示），分析不同模具設計對彎管截面扁化行為的影響。模型分為傳熱和熱彎2個子模型，傳熱過程采用隱式求解，加熱彎曲過程采用顯示求解。成形溫度為300 ℃，彎曲速度為0.8(°)/s，彎曲角度為90°，相對助推速度匹配（助推速度/彎曲速度）為1。模型所涉及的材料模型、邊界條件、網格劃分等見文獻[13]。通過理論驗證和試驗驗證發現，建立的有限元模型預測精度高，相對誤差可控制在5%以內，能夠準確分析彎曲過程。

圖6 高強鈦管數控加熱繞彎成形熱力耦合有限元模型

3.1 不同壓力模結構對成形質量的影響

基于數值仿真，獲得了“反變形壓力模+圓頭芯棒”和“傳統壓力模+圓頭芯棒”下的高強鈦管彎曲扁化情況。在不同模具組合下，均設置了1～3 mm的芯棒伸出量，比較研究芯棒伸出量對扁化的影響。圖7是芯棒伸出量為1 mm時，2種模具組合得到的等效塑性應變分布云圖，可以發現，雖然傳統模具與反變形模具下的彎管內側壓縮變形區應變分布類似，但在外側的拉伸變形區，反變形壓力模下的等效塑性應變偏大。

圖8對比了2種模具組合在不同芯棒伸出量下的最大截面扁化率（定義為45°彎曲角處的截面扁化率），隨著芯棒伸出量的增大，2種壓力模下的扁化率均降低。當芯棒伸出量從1 mm增至3 mm時，傳統壓力模下的截面扁化率下降了35%，反變形壓力模下的截面扁化率下降了42%。此外，過長的芯棒伸出量可能會導致彎曲開始區域的圓弧過渡連續性較差。在1，2，3 mm的芯棒伸出量下，反變形壓力模下的扁化率分別比傳統壓力模下的扁化率低9%，17%，21%。在使用非反變形模具的情況下，截面扁化率最小可以控制在6.19%；在使用反變形壓力模對管材進行預變形后再彎曲時，扁化率得到了一定改善，最小可以控制在4.85%。

3.2 不同芯模結構對成形質量的影響

基于3.1節的研究結果可以發現，反變形壓力模可以有效降低高強鈦管的截面扁化率。由于需要一些服役要求的彎管構件對截面扁化率有更嚴格的要求，因此，在使用反變形壓力模的基礎上，通過優化芯模的結構設計，即使用“反變形壓力模+勺形芯棒”和“反變形壓力模+帶芯球的芯模”，進一步研究高強鈦管小半徑彎曲的截面扁化缺陷控制方法。

圖7 高強鈦管溫熱彎曲等效塑性應變（PEEQ）模擬結果

圖8 不同結構壓力模的最大截面扁化率（Q）

圖9為“反變形壓力模+勺形芯棒”和“反變形壓力模+帶芯球的芯模”等模具組合下的彎管扁化分布情況，并且與傳統模具設計得到的最優結果（“傳統壓力模+圓形芯棒”，伸出量為3 mm）進行了比較。可以發現，相比于傳統模具設計，“反變形壓力模+勺形芯棒”可將最大扁化率從6.19%減至4.70%左右，降低了約24%；“反變形壓力模+帶芯球的芯模”可進一步將最大扁化率減至3.90%左右，降低了約37%。綜上所述，反變形壓力模與勺形芯棒或帶芯球的芯棒的組合可有效降低小直徑高強鈦管小彎曲半徑彎管的截面扁化程度，顯著提高成形質量。

圖9 使用不同芯模下彎管截面扁化率（Q）分布

4 結語

針對小直徑高強鈦管小彎曲半徑（1.5）加熱彎曲截面扁化嚴重的難題，設計了變曲率型腔的反變形壓力模結構、勺形芯模結構和帶芯球的柔性芯模結構，結合有限元仿真分析，研究模具結構設計對彎管截面扁化的影響。結果表明，相比于“傳統壓力模+圓形芯棒”模具組合，反變形壓力模結合勺形芯棒或帶芯球的芯模進一步將扁化率降低了24%～33%，將最大截面扁化率控制在4%以內，有效解決了小直徑高強鈦管小彎曲半徑加熱彎曲截面扁化嚴重的難題，為提高難變形管材的成形（小半徑難成形結構）質量提供了參考和指導。

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Control of Sectional Flattening in Heat-Assisted Rotary Draw Bending of High- Strength Titanium Tubes with Small-Radius Based on Innovative Design of Die

LIN Yao-chen1, ZENG Yuan-song2, WU Wei2, LIN Wei-ming3, LYU Feng-gong2, JIN Feng-zhen4, LI Heng4

(1. Zhejiang Key Laboratory of Aerospace Metal Tube Forming Technology and Equipment, Lishui 321403, China; 2. AVIC Manufacturing Technology Institute, Beijing 100024, China; 3. King-Mazon Machinery Co., Ltd., Lishui 321403, China; 4. State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi'an710072, China)

The work aims to develop an effective strategy to control the severe sectional flattening defect in heat-assisted tight-radius (=1.5) bending process for small-diameter high-strength titanium tubes. Based on the principle of pre-deformation before bending together with tooling constraints during bending, the anti-deformation pressure die with a varying cavity, the spoon-shape mandrel, and the mandrel with a flexible ball were designed. The effects of different tooling structures on the sectional flattening were studied in combination with finite element simulation. Compared with the tooling of “pressure die + circular mandrel”, using anti-deformation pressure die could reduce the maximum flattening degree by about 9%-21%. Compared with the best flattening degree of 6.19% obtained under conventional tooling, applying the anti-deformation pressure die in conjunction with the spoon-shape mandrel or mandrel with a flexible ball could decrease the flattening degree by about 24%-33%, achieving a very low flattening degree of 3.9%. The die structure design combining anti-deformation pressure die and the spoon-shape mandrel or mandrel with a flexible ball effectively solves the flattening defects and controls the rate of flattening within 4%.

rotary draw bending of heat-assisted tube; sectional flattening; anti-deformation pressure die; spoon-shape mandrel; flexible mandrel

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.011

TG146.2+3

A

1674-6457(2022)01-0095-06

2021-07-18

國家自然科學基金（51522509）

林姚辰（1992—），女，工程師，主要研究方向為高性能導管構件彎曲成形制造技術。

林偉明（1970—），男，高級工程師，主要研究方向為高性能導管構件先進制造技術與智能裝備。