矩形管弯曲实验及有限元仿真

2014-09-12张丛远徐岩徐驰

机械制造与自动化 2014年4期

张丛远，徐岩，，徐驰

(1.南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016；2.中航工业昌河飞机工业(集团)有限责任公司，江西景德镇333002；)

0 引言

薄壁管数控弯曲成形技术在航空航天、石油化工、交通运输等行业中的应用越来越广泛，并且随着精度、可靠性等要求的不断提高，薄壁管弯曲成形的难度也不断加大。在数控弯管工艺之中，绕弯成形是常见的成形方式，具有方法简单、成本低廉、性能稳定、易于控制品质的优点。

数控弯管机在弯制薄壁管时能够自动保持每次弯制的夹紧力大小、弯曲变形速度、弯曲角度不变，理论上保证每次弯曲的品质不变，因而适合大批量的弯管制造。

在薄壁管的数控弯曲过程中，易产生的缺陷主要有:回弹、外壁变薄甚至破裂、内壁起皱和截面形状畸变等缺陷。为避免弯管产品出现这些缺陷，在正式弯制大批量的产品之前需要对各模具及芯棒进行调试以确保管材弯制的品质。由于多种物理因素相互耦合作用，不同缺陷成因复杂，调试的工作主要依靠工人长期操作的经验和技巧，缺乏系统的理论支持，耗时漫长。在初步调试完成之后，虽然理论上可以保证每次弯制的品质一致，但实际操作中，由于模具的施力机构因多次加载而变松、芯棒磨损、芯棒与模具之间的相对位置改变、管材本身尺寸及性能存在微小差异等因素，批量弯制时仍然需要不断地针对不同缺陷进行相应的调整。

现有的研究、分析主要是针对单一条件下弯管成形质量的影响因素，对于其相互联系及形成各种缺陷的不同原因讨论较少。在实际操作中，各机构相互作用，减小某种缺陷的调整很可能导致另一种新的缺陷产生，对于此类问题的联系性进行理论归纳，对管材进行数控弯曲实验，分析、总结造成各种缺陷的因素及其相互之间的影响，计算适宜的夹紧力大小，可以帮助用理论解释各种缺陷，有效减少数控弯管机的调试时间和次数，并且提高管材的成形品质。

1 矩形管绕弯成形

薄壁管数控弯曲成形过程如图1所示［1］。管材内插入芯棒，弯曲模上的轮夹和夹模共同夹紧管材，轮夹和夹模一起随弯曲模旋转一定角度，压模和防皱块固定住管材的另一端，从而产生弯曲力矩使管材发生塑性变形，压模在夹紧管材的同时随管材一起向前运动以减小摩擦力。此时，管材外侧受拉变薄，内侧受压可能出现起皱等缺陷。

图1 绕弯成形原理图

矩形结构的受力稳定性相比圆形较差，所以矩形管在弯曲时相比圆管更易发生截面形状畸变，且晶相滑移受到四个边角的阻碍，使得外壁变薄、内壁起皱的缺陷更加剧烈，因此观察到的缺陷情况将更加明显。实验采用24.2×22.2mm矩形管进行实验，弯曲半径为75mm，弯曲角度为40°，模具与管材间的滑动摩擦系数取0.3，成形时间设定为5s。

实验所用的管材材料为304不锈钢，弹性模量200 000N/mm2，屈服极限 230N/mm2，强度极限540N/mm2，泊松比 0.29。

2 有限元建模仿真

管材选用拉伸壳模型，模具选用解析刚体，以接触面来代替整个模具，用结构体单元来为管材划分网格，动态显式算法分析成形过程，静态通用算法分析回弹情况［2］，调整各种影响因素多次进行模拟(图2)。

图2 Abaqus仿真过程图

3 弯管实验及有限元仿真结果

3.1 成形品质的衡量方法

针对管材的成形品质，本文主要通过弯管成形的缺陷情况进行研究。缺陷的分类以目视方法判定，主要分为“内侧发生较大缺陷”、“弯曲停止处发生集中凹陷”和“密集均匀起皱现象”。

缺陷的严重程度通过弯管内侧缺陷处相邻峰谷的最大高度差t(如图3)和弯管外侧凹陷深度u(如图4)进行描述。

图3 内侧相邻峰谷的最大高度差t

图4 外侧凹陷深度u

3.2 内侧发生较大缺陷

当t≤2mm时，可通过调节压模与夹模的夹紧力来减小缺陷；而当t＞2mm，或是内侧整体发生较大的凹陷，则说明芯棒在弯曲过程中未能有效支撑管壁。原因是芯棒位置在起弯点之后或是芯棒尺寸偏小，此时调节其他模具没有明显效果，应换及时调整芯棒。

根据有限元仿真结果(图5)可知:随着芯棒与管材间隙的增加，整个弯曲变形区的截面畸变情况呈线性增大趋势［3］。这是由于芯棒与管材间隙增大，芯棒对管壁的支撑作用减小，抵抗管壁向内变形的程度减弱。因此，增大芯棒的尺寸可减小管壁凹陷起皱。

图5 芯棒与管材间隙对内侧最大高度差t的影响

在实验中，不可能一味减小芯棒与管材的间隙，当间隙小于0.3mm时，插入芯棒的难度明显加大。在弯曲过程中，管壁产生细微形变，芯棒与管壁的摩擦加剧。当这个摩擦力大于芯棒中的连接片所能承受的最大拉力和插销所能承受的最大剪力时，芯棒将发生断裂。

为防止芯棒发生断裂，应严格控制芯棒与管材的间隙，经反复试验，间隙在0.3mm到0.4mm之间较为适宜，芯棒插入管材之前要充分润滑。

另外，即使芯棒尺寸合适，如果过于靠后脱离了起弯点，则无法在弯曲部分充分支撑管壁。根据有限元仿真结论(如图6)，可将芯棒向管材前进方向移动，使芯棒在成形过程中充分进入弯曲部分，提高支撑作用，可减小畸变［3］。由于管材弯曲处外壁变薄向内凹陷，内壁变厚起皱，因此管材有效内径急剧收缩，芯棒过分前伸可能导致弯曲完成后撤出困难，甚至会卡死在弯曲部分。根据反复试验的结果，芯棒的固定位置为端头超出起弯点1～2mm较为适宜［4］。

图6 芯棒伸出量对内侧最大高度差t的影响

3.3 弯曲停止处发生集中凹陷

这种缺陷形成原因是由于管材两端夹紧力过大，导致两边材料滑移困难，中间部分受拉严重，因而弯曲处内侧材料变薄、凹陷明显。在弯曲过程刚开始时，管材内侧受拉形变量较小，所以内应力较小，变薄、起皱不明显。随着弯曲幅度的增大，内应力积累，导致变薄、凹陷情况逐渐变得严重，在弯曲停止处达到最大值。

通过图7所示可以看出，夹紧力在一定范围内持续增加可以有效限制起皱的产生，但超出一定范围后将发生变薄凹陷情况，使畸变数值变大。要避免弯曲末端变薄凹陷，可略微减小前后模具的夹紧力，使材料易于流动，从而缓解集中变薄凹陷。

图7 两端夹紧力F对内侧最大高度差t的影响

弯曲处内壁光滑平整，说明芯棒已经有效支撑了管壁，此时若再增加芯棒的尺寸或伸出量，非但不能改善凹陷情况，反而会增加管材所受的摩擦力，使金相流动更加困难，从而加剧管壁变薄凹陷。

3.4 密集均匀起皱现象

此类缺陷在薄壁管数控弯曲过程中较为常见，原因有以下三类:

1)电动机扭矩不够会导致弯曲过程中转速时常发生突变，使得材料形变不均匀。数控弯管机的驱动电动机功率恒定，当旋转力矩无法带动管材弯曲时，减小转速可使力矩增大，当旋转力矩超过了摩擦力对弯曲中心产生的摩擦力矩时，电动机可顺利运转。

2)芯棒尺寸略小与管壁产生间隙，无法完全支撑管壁，但间隙的大小又不足以形成缺陷一那种剧烈的畸变。

3)管材在弯曲过程中，模具不能有效限制两侧晶格向中间聚集，管材内壁晶格相互挤压造成均匀起皱，一般可通过增加前后模具的夹紧力来避免。

当压模和夹模的夹紧力增大时，它们与管材之间的摩擦力也相应增大。这个摩擦力抵消了部分导致材料翘曲起皱的应力，阻碍了晶格向中间滑移，从而限制了起皱的产生。

但在实验中，一味增加夹紧力来减小缺陷，可能会对管材表面造成损伤，进一步增大夹紧力会导致管材外侧拉裂。并且，当摩擦力超过了促使弯曲模旋转的电动机扭矩时，电动机无法顺畅旋转。为防止管材外侧拉裂，可提高压模前进速度。当压模的前进速度大于管材速度时，摩擦力方向相反，原本阻碍管材前进的摩擦力变为带动管材前进，这样会加剧压模位置的晶格向中间滑移。针对这一现象进行了一组有限元仿真，研究当压模速度大于、等于、小于管材速度时，其对于内、外侧的起皱分别产生多大影响(如图8和图9所示)。根据有限元仿真结果，提高压模前进速度，可有效缓解管材外侧凹陷，同时会小幅提高内侧的起皱情况。调整防皱块与管材之间的角度从而改变摩擦接触面积，可帮助减小均匀密集起皱现象(如图10)。当防皱块与管材之间完全平行时，夹模夹紧后防皱块完全贴合管壁，夹紧力均匀施加在管材与防皱块接触的区域上，分散了对弯曲处晶格滑移的约束能力。因此，可将防皱块的固定角度向远离管材的方向转5°左右，夹紧之后，防皱块的大部分区域脱离管材，只有靠近尖端的部分仍与管材保持着接触，此时分散的摩擦力都集中在这部分上，在不改变夹紧力的情况下增大了局部区域里对起皱变形的限制能力，可有效减小起皱的程度。