金属管材弯曲成型的回弹问题刍议

摘 要：金属管材具有高刚度、高强度的结构特点，适用于航空航天和汽车发动机等，在实际使用过程中，它能有效节省材料，大大降低生产成本，而且外观更加的符合人们的审美，已经被广泛的应用于制造业中。然而，金属管材成型过程中的回弹问题一直没有得到解决，本文主要介绍了金属管材弯曲成型回弹的影响及弯曲方法的分类，然后进行了金属管材弯曲成型回弹的研究，最终提出了金属管材弯曲存在的问题及发展趋势，为后续的金属管材的发展提供了重要的参考依据。

关键词：金属管材;弯曲成型;回弹问题

1 金属管材弯曲成型回弹的影响

在弯管过程中，由于金属材料性质的影响，弯管过程中经常会发生金属回弹，从而导致管道无法达到预期的目标，甚至产生破裂的现象。同时，金属回弹会导致弯曲角度相差较大，严重影响到机械制造过程中的封闭性和稳定性。弯管后的回弹问题已经严重影响弯管质量，导致弯管机械的生产效率低、生产成本高，金属管材弯曲成型回弹已经成为当前弯管工艺亟待解决的问题。

2 金属管材弯曲的分类方法

金属管材弯曲的分类有很多种方法。根据管材基本弯曲过程中是否有模具支撑，金属管材可分为有模具弯曲和无模具弯曲两种。有模具弯曲主要指的是弯曲刚性模具直接作用在管弯曲变形区域的坯料上，具有高重复性和高速度的特点。金属管材模具弯曲主要是利用一些刚性比较强的材料对金属管材进行弯曲变形处理。无模具弯曲主要是指管材在变形后不会在模具中直接弯曲，管子的具体形状由相应的操作工具和弯曲方向决定，弯曲过程中可以根据管子的特点进行适当的加热操作。根据弯头的温度设置，金属管材弯曲可分为热弯头和冷弯头两种。根据弯曲方式的不同，金属管材弯曲可分为拉伸弯曲、压力弯曲、推弯等。根据弯曲时芯材是否填充，金屬管材弯曲可分为芯材弯曲和非芯材弯曲。其中，管材冷加工的弯曲方法大多采用弯曲法，这也是金属管材最常用的弯曲方法。

3 金属管材弯曲成型回弹的研究

在大多数弯曲过程中，冷却都是采用弯曲方法，弯曲法也是金属管材弯曲成型最常用的方法之一。在弯管过程中，弯管外壁的弯曲部分容易变薄或开裂，内弯曲部分的内侧会引起材料堆积，导致管壁增厚变形。外力条件消除后，容易发生回弹问题，这在管材弯曲过程中尚未完全解决，这也是国内工程领域尚未有效解决的技术问题。目前，在我国工程技术人员的研究工作中，国内外研究人员和工程技术人员主要集中在变形材料（钛合金等）的研究上，主要研究了一些大直径管材的弯曲度和材料变形，在每根管子的弯曲过程中，在拐点处形成相应的力学性能，研究管子弯曲部分的力学性能，讨论拐点和受力管引起的塑性变形和弹性变形的程度。在目前的研究过程中，相关研究人员采用了理论与实验相结合的方法，对金属管材弯曲后的弯曲速率和回弹进行综合分析，并取得明显的效果，为后续的研究发展提供了重要的基础。

随着社会的快速发展，金属管材的应用逐渐进行扩展，但是由于管材设计性能和应用领域的差异，金属管材的弯曲形式越来越复杂。例如，在中国的航空航天和汽车制造领域，金属弯管和机械零件的应用越来越复杂，这就对在航空航天、汽车等领域的设计性能和质量提出了更高的要求，越来越多的管道空间被设计成复杂的形状。当然，在空间结构中，并不是每根弯管都需要在一个平面上，而是采用一些机械设备用来精确控制空间弯管，保证弯管轴线的速度满足应用的要求，即曲轴管具有不同的扭矩零空间弯头。例如飞机发动机上的导管安排，飞机发动机上有大量的导管，为了尽可能的节省空间，管道必须弯成各种特定的空间形状，并且各管道之间不能相互干扰。另一个例子是在美国设计和生产的太阳能斯特林发电机冷却管道系统中的管道组件，均采用高强度的合金钢，并且采用空间曲线设计，由于曲线率的弯曲形状不规则，与传统的常曲率曲线相比具有非均匀性的特点，可以提高曲线的几何非线性程度。

目前，德国学者提出了一种新的“自由弯曲”方法，适用于空间任意曲线的形成，这种方法的核心是逐渐将管子推进到一个固定的角度范围内，通过弯曲模型腔空间自由旋转，可以形成几乎任何形状的弯曲，大大提高了金属管材的应用范围。

多特蒙德大学成型技术与轻质结构研究所采用方法对TSS和三辊弯曲过程中的扭矩叠加空间进行了数值模拟。

在我国，西北工业大学针对一部分空间平面弯曲做了部分前期的研究，使用离散平面近似弧曲线、近似三维空间轴线弯曲，离散成几个时期的弧形弯曲，分别进行回弹补偿，并确定回弹补偿后弯曲形状模具的加工表面，为考虑回弹的空间非平面弯头的处理提供了一种新方法。在此基础上，相关学者针对空间缺陷形成的平面弯曲回弹的小直径厚壁，进一步提出了空间离散压扁后的回弹，分别考虑回弹特征平面上，然后将它转换成三维的回弹，最后提高了数值模拟的回弹预测方法。在节点的几何补偿方法中，采用迭代算法对空间弯曲面进行回弹补偿和修正，保证了空间变曲率弯曲的几何精度。

4 金属管材弯曲成型存在的问题及发展趋势

在金属管材成形领域，随着有限元数值分析技术和材料性能测试方法的改进，对金属管材成形回弹的预测、补偿和控制打下了良好的基础。但是，由于现存问题过于复杂，在理论上和材料上具有局限性，目前还无法解决现存的回弹性问题，特别是空间变曲率问题，这是包括金属管材弯曲在内的塑料加工的难点和热点。

①在研究过程中，传统的力学分析模型十分复杂，通常会进行许多简化和假设。因此，对于弯头回弹过程的定性分析不可忽视理论分析和研究，但定量分析的预测精度普遍不高，只能为实际生产和实验研究及有限元数值模拟分析提供初步指导;②需要验证理论分析和有限元数值模拟的有效性，并且进一步研究各种参数对金属管材弯曲回弹的影响，这种方法是需要在大量的实验中建立的，需要大量的人力，物质和财力的支撑，相关研究方法的验证对于未来金属管材弯曲研究具有重要的意义。同时，为了深入研究金属管材的弯曲成形规律，需要准确获得材料的力学性能;③人们越来越倾向于利用数值模拟技术来研究金属管材弯曲回弹问题，主要是利用有限元模拟技术来研究金属管材弯曲回弹。目前，国内外学者在这方面取得了丰硕的成果。然而，由于管材弯曲和回弹的非线性特性，如何建立本构关系来真实反映材料在成形过程中的受力情况需要进一步研究;④除了对传统的铝合金等材料的研究之外，需要对新的复合材料进行研究，例如金属复合管是由不同的材料制成的特殊管，可以在各个节段利用变形连接技术紧密结合，既充分利用了金属的特性，又大大的提高了金属管道的综合性能，具有良好的性价比;⑤小曲率的半径管能够实现剪切弯曲成形网络：具有减小截面畸变、延缓薄壁管内壁失稳和起皱、提高成形极限的优点，激光热应力弯曲非接触管新技术具有显著的优点，例如精度高、生产周期比较短以及精度高等，这种新技术也为金属管弯曲回弹控制问题提出了新的解决方案。同时，对金属管道空间曲率和回弹的研究还处于起步阶段，需要进一步的研究。

5 结论

为了解决弯管回弹问题，有必要在理论与实验相结合的基础上提高金属性能的研究水平，充分掌握弯管的回弹性能。金属管材弯曲成型技术逐渐发展成为一个重要的加工技术，可以满足一些基本的要求，例如减重、增韧、低消耗、高效率和精密制造。在金属的弯曲设计中不可避免会出现一些误差，但这是无法避免的。因此，在一定的范围内出现轻微误差，当误差超过允许的范围时，会造成零件的几何精度无法满足正常的使用功能，从而影响到整个施工过程的质量，需要严格注意相关的问题。

参考文献：

[1]张深，吴建军，王强，梁正龙.金属管材弯曲成形回弹问题研究[J].航空制造技术，2014（10）：45-50.

[2]王博.金属管材弯曲成形的回弹问题探析[J].科技经济导刊，2019，27（09）：92.

作者简介：

李良有（1978- ）男，汉族，浙江杭州人，本科，现工作于浙江和良智能装备有限公司，中级工程师，研究方向为金属管材成型加工工艺装备。