基于模具创新设计的高强钛管小半径加热绕弯扁化控制

林姚辰，曾元松，吴为，林伟明，吕凤工，金凤臻，李恒

塑性成形

基于模具创新设计的高强钛管小半径加热绕弯扁化控制

林姚辰1，曾元松2，吴为2，林伟明3，吕凤工2，金凤臻4，李恒4

（1. 浙江省航空航天金属导管塑性成形技术与装备重点实验室，浙江 丽水 321403；2. 中国航空制造技术研究院，北京 100024；3. 浙江金马逊机械有限公司，浙江 丽水 321403； 4. 西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，西安 710072）

发展小直径高强钛管小弯曲半径（1.5）加热弯曲成形的截面扁化缺陷控制技术。基于对管材弯曲前预变形和弯曲过程中施加有效约束的原理，设计变曲率型腔的反变形压力模结构、勺形芯模结构和带芯球的柔性芯模结构，结合有限元仿真分析，研究探索不同模具结构设计对弯管截面扁化的影响。与“压力模+圆形芯棒”模具组合相比，使用反变形压力模可以将最大截面扁化率降低9%～21%；与传统模具组合下的最优扁化率（6.19%）相比，反变形压力模结合勺形芯模和带芯球的芯模可进一步将扁化率降低24%～33%，最优扁化率为3.9%。反变形压力模和勺形芯模带芯球的芯模相结合的模具结构设计，有效解决了小直径高强钛管小弯曲半径成形的截面扁化问题，将扁化率控制在4%以内。

管材加热绕弯成形；截面扁化；反变形压力模；勺形芯模；柔性芯模

高强钛合金管（如高强TA18管等）具有高比强、耐高压和耐腐蚀等优良特性，广泛应用于先进飞行器、航空发动机液压和气动能源等关键管路系统[1]。数控弯曲成形技术具有高精度、高效率和易于实现数字化加工等优点，已成为高性能轻量化管路构件生产制造的关键技术。由于高强TA18管变形抗力大、塑性较差，其在室温条件下难以实现小弯曲半径弯管等难成形结构的成形制造[2-3]。数控温热弯曲成形技术可通过局部热场改善难变形钛管的变形能力，提高弯曲成形性，有可能实现小弯曲半径管件成形[4-6]。在弯曲过程中，小直径管材截面扁化缺陷严重，直接影响弯管构件的成形质量。对于服役要求极其苛刻的耐高压管路系统，弯管构件严重的截面扁化问题将直接影响构件的服役性能、服役安全和使用寿命。

国内外学者分别从实验、理论分析、有限元数值模拟等方面对纯钛管、高强钛管的温热弯曲进行了一系列研究。通用汽车研究院和上海交通大学等学者开展了AZ31和AM30镁合金管材在不同温度区间下的弯曲试验，确定了最佳成形温度窗口和相关工艺参数。研究表明，加热温度为150～200 ℃时，有利于降低截面扁化、减少壁厚变薄率和回弹角[7-8]。意大利帕多瓦大学将感应加热技术应用于管材数控绕弯，开发了相应的管材热弯技术，并成功应用于大直径Ti-3Al-2.5V管材的弯曲[5,9]。西北工业大学学者针对大直径薄壁纯钛管以及高强TC4、高强TA18等钛合金管，开展了管材加热弯曲技术的系统研究，搭建了温度可达500 ℃、管材外径为6～150 mm的管材局部差温热辅助弯曲试验平台与装备，通过材料、模具和工艺参数的多方位优化设计，突破了难变形钛合金弯

管构件传统工程的成形极限，将76.2 mm×1.07 mm（直径×厚度）薄壁纯钛管的弯曲半径极限从传统=3（为弯曲半径，为管材外径）降至=1.5甚至=1，将60 mm×1 mm（直径×厚度）薄壁TC4管的弯曲半径极限从=5降至=3，将中厚壁高强TA18钛合金管的弯曲极限-。

前期研究发现，对于小直径管材，尽管加热辅助弯曲成形可有效避免破裂等缺陷，但严重的截面扁化缺陷仍未得到有效解决，严重制约着成形极限和成形质量的进一步提高。

基于上述原因，文中以6×0.5×9 mm（为外径，为壁厚，为弯曲半径）的小直径高强钛合金弯管构件为研究对象，通过改变压力模和芯模结构设计，在弯曲前进行预变形以及在弯曲过程中添加模具约束，寻找小直径难变形管小弯曲半径弯曲成形截面扁化缺陷的有效控制方法，为解决管材弯曲严重扁化提供解决思路，进而提升难变形管材的成形能力。

1 高强钛管的加热数控绕弯成形工艺

管材数控绕弯是一种精确、高效的先进管材弯曲成形工艺，其通过多模具相互配合运动，使管坯沿着模具设定的曲率半径和弯曲角度发生局部连续弯曲变形，进而实现具有特定规格的弯管零件成形。管材绕弯成形原理如图1a所示，绕弯成形模具一般由弯曲模（镶块装配在弯曲模上）、夹持模、压力模、防皱模及带多个柔性芯头的芯模构成，管材前端夹持段部分会带动管材待弯段逐渐进入弯曲状态，并沿着一定的轨迹运动，形成预设弯曲角度。

图1 管材绕弯成形原理

数控加热绕弯成形原理如图1b所示，其通过在弯曲成形模具上开设加热孔对模具进行加热，再经过热传导使管材升温至目标温度。根据管径大小选择加热模具，通常可选择的加热模具有压力模、防皱模、弯曲模和芯模，同时在相应的加热模具上开设测温孔，利用热电偶进行温度测量，通过温控系统控制加热棒的输出功率，以实现高效的加热控制。热弯成形流程如图2所示，先将管材局部加热至目标温度并适当保温，然后进行弯曲加工，获得目标形状的弯管件。数控加热绕弯温度可控性好、成形精度高，因此，能够实现高强钛管的稳健、精确弯曲成形。文中拟基于西北工业大学搭建的难变形管材数控加热弯曲试验平台，研究勺形芯棒和反变形压力模对高强钛管加热绕弯成形质量的影响。

图2 高强钛管数控温热弯曲成形过程[4]

2 反变形压力模和芯模设计

2.1 反变形压力模设计

前期的有限元数值仿真发现，6 mm×0.5 mm× 9 mm（直径×厚度×弯曲半径）的小直径高强Ti-3Al- 2.5V钛管在数控加热绕弯成形过程中，尽管外侧破裂缺陷得到有效抑制，但截面扁化非常严重，扁化率在6%以上。综上所述，截面过度扁化成为小直径管材弯曲过程中的主要缺陷。文中采用反变形模具抑制高强钛管弯曲过程中的截面扁化。

在管材弯曲成形过程中，因其受力特征，弯曲段水平截面直径变大，径向截面直径变小，因此，横截面不可避免地变为椭圆形。反变形是将压力模的型腔结构改变，通过施加预变形在管材的待弯曲段外侧，使其在相反方向上发生变形而向外凸出，抵消管材弯曲时产生的变形，进而使管件的横截面尽可能保持圆形。预变形区域通常在管材待弯曲段的外侧，如图3所示，p为压力模具速度，d为弯曲半径，为管材外径，为管材内径。6 mm×0.5 mm×9 mm（直径×厚度×弯曲半径）高强钛管的反变形压力模及横截面如图4所示，压力模的型腔通常由3段不同半径（1，2，3）的圆弧构成。压力模型腔尺寸见表1，在弯曲过程中，弯曲半径越小，管材截面的变化率通常越大，因此需要施加更大的预变形量，即需要的型腔深度越大。文中确定了压力模的型腔尺寸，1=3 mm，2=5.60 mm，3=2.22 mm，3.36 mm。

图3 反变形压力模具施加方案示意

图4 反变形压力模设计

表1 压力模型腔尺寸

2.2 芯模设计

抑制管材弯曲截面扁化缺陷常用的方法是在管材内部采用芯模或者施加填充材料，其中圆形芯棒因其加工制造简单，被广泛应用。文中研究的6 mm× 0.5 mm×9 mm（直径×厚度×弯曲半径）小直径高强Ti-3Al-2.5V钛管因材料强度高、管材直径小、相对弯曲半径小（/=1.5），采用传统的圆形芯棒无法有效控制截面扁化缺陷，因此，除了采用圆形芯模结构设计，还采用了“勺形”芯棒设计结构以及带微小芯球的芯模结构（如图5所示），探索不同芯棒结构对弯管截面扁化缺陷的影响。如图5a所示，勺形芯棒端部采用弯曲半径圆弧过渡，为超曲面结构，加工制造难度大。带芯球的芯模结构设计如图5b所示，芯球半径仅为2.4 mm，属于微小成形结构件，加工困难。勺形芯模和带芯球的芯模结构刚度较差，因此其在高强钛管弯曲成形过程中很容易损坏，进而增大了产品制造成本。

图5 芯模设计

3 模具设计对截面扁化的影响

文中基于ABAQUS平台建立了高强钛管数控加热绕弯成形热力耦合有限元模型（如图6所示），分析不同模具设计对弯管截面扁化行为的影响。模型分为传热和热弯2个子模型，传热过程采用隐式求解，加热弯曲过程采用显示求解。成形温度为300 ℃，弯曲速度为0.8(°)/s，弯曲角度为90°，相对助推速度匹配（助推速度/弯曲速度）为1。模型所涉及的材料模型、边界条件、网格划分等见文献[13]。通过理论验证和试验验证发现，建立的有限元模型预测精度高，相对误差可控制在5%以内，能够准确分析弯曲过程。

图6 高强钛管数控加热绕弯成形热力耦合有限元模型

3.1 不同压力模结构对成形质量的影响

基于数值仿真，获得了“反变形压力模+圆头芯棒”和“传统压力模+圆头芯棒”下的高强钛管弯曲扁化情况。在不同模具组合下，均设置了1～3 mm的芯棒伸出量，比较研究芯棒伸出量对扁化的影响。图7是芯棒伸出量为1 mm时，2种模具组合得到的等效塑性应变分布云图，可以发现，虽然传统模具与反变形模具下的弯管内侧压缩变形区应变分布类似，但在外侧的拉伸变形区，反变形压力模下的等效塑性应变偏大。

图8对比了2种模具组合在不同芯棒伸出量下的最大截面扁化率（定义为45°弯曲角处的截面扁化率），随着芯棒伸出量的增大，2种压力模下的扁化率均降低。当芯棒伸出量从1 mm增至3 mm时，传统压力模下的截面扁化率下降了35%，反变形压力模下的截面扁化率下降了42%。此外，过长的芯棒伸出量可能会导致弯曲开始区域的圆弧过渡连续性较差。在1，2，3 mm的芯棒伸出量下，反变形压力模下的扁化率分别比传统压力模下的扁化率低9%，17%，21%。在使用非反变形模具的情况下，截面扁化率最小可以控制在6.19%；在使用反变形压力模对管材进行预变形后再弯曲时，扁化率得到了一定改善，最小可以控制在4.85%。

3.2 不同芯模结构对成形质量的影响

基于3.1节的研究结果可以发现，反变形压力模可以有效降低高强钛管的截面扁化率。由于需要一些服役要求的弯管构件对截面扁化率有更严格的要求，因此，在使用反变形压力模的基础上，通过优化芯模的结构设计，即使用“反变形压力模+勺形芯棒”和“反变形压力模+带芯球的芯模”，进一步研究高强钛管小半径弯曲的截面扁化缺陷控制方法。

图7 高强钛管温热弯曲等效塑性应变（PEEQ）模拟结果

图8 不同结构压力模的最大截面扁化率（Q）

图9为“反变形压力模+勺形芯棒”和“反变形压力模+带芯球的芯模”等模具组合下的弯管扁化分布情况，并且与传统模具设计得到的最优结果（“传统压力模+圆形芯棒”，伸出量为3 mm）进行了比较。可以发现，相比于传统模具设计，“反变形压力模+勺形芯棒”可将最大扁化率从6.19%减至4.70%左右，降低了约24%；“反变形压力模+带芯球的芯模”可进一步将最大扁化率减至3.90%左右，降低了约37%。综上所述，反变形压力模与勺形芯棒或带芯球的芯棒的组合可有效降低小直径高强钛管小弯曲半径弯管的截面扁化程度，显著提高成形质量。

图9 使用不同芯模下弯管截面扁化率（Q）分布

4 结语

针对小直径高强钛管小弯曲半径（1.5）加热弯曲截面扁化严重的难题，设计了变曲率型腔的反变形压力模结构、勺形芯模结构和带芯球的柔性芯模结构，结合有限元仿真分析，研究模具结构设计对弯管截面扁化的影响。结果表明，相比于“传统压力模+圆形芯棒”模具组合，反变形压力模结合勺形芯棒或带芯球的芯模进一步将扁化率降低了24%～33%，将最大截面扁化率控制在4%以内，有效解决了小直径高强钛管小弯曲半径加热弯曲截面扁化严重的难题，为提高难变形管材的成形（小半径难成形结构）质量提供了参考和指导。

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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

国家自然科学基金（51522509）

林姚辰（1992—），女，工程师，主要研究方向为高性能导管构件弯曲成形制造技术。

林伟明（1970—），男，高级工程师，主要研究方向为高性能导管构件先进制造技术与智能装备。