（材料加工工程专业论文）不锈钢薄壁管材推弯成形工艺研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 薄壁管弯头能够满足强韧化、轻量化以及低耗高效、精确制造等方面的要求， 因此被广泛应用于航天航空，高铁等高端技术领域。目前薄壁管弯头成形主要采 用半管冲压成形而后再焊接成形，没有达到减轻产品质量的目的，还影响了整体 的使用性能。针对于此，本文研究了以珠粒作为填料冷推成形工艺，研究对象为 壁厚0 3 m m 、外径3 0 m m 的1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢管。采用理论分析、有限元模 拟、推弯实验相结合的方法，研究了各个工艺参数对成形管件的成形质量和壁厚 分布的影响规律。主要工作结果如下： ( 1 ) 对管材推弯成形进行了受力分析，研究了珠粒填料的传压性能，进行 了推弯成形模具的研制。 ( 2 ) 建立了管材推弯有限元模型，完成了成形过程的数值模拟，分析了工 艺参数对管件成形质量、壁厚分布的影响，以及成形时产生管头畸变缺陷的原因， 在内压力1 5 m p a ，摩擦系数0 2 时，模拟效果最佳。采用非均布内压进行了模拟， 比较了均布加载和非均布加载两种方式对成形的影响，结果表明非均布内压的加 载方式更有利于管材的成形。 ( 3 ) 在通过有限元模拟对工艺参数进行优化的基础上，进行了珠粒填料管 材推弯实验。研究了珠粒粒径、反推压力、润滑条件对成形管件内外侧脊线壁厚 分布、管件横截面上周向壁厚分布、以及横截面椭圆度的大小的影响。实验结果 表明：在反推压力1 2 1 5 m p a 之间、珠粒粒径o 7 h u n 和1 2 m m 按照1 ：3 混合在 一起作为填料、二硫化钼润滑情况下管件成形效果最为理想。 研究表明，以珠粒作为填料的冷推弯工艺非常适合薄壁管弯头的成形；实验 证明了以珠粒作为填料的非均布传压的特性；以珠粒作为填料的冷推弯工艺可以 成形出表面质量光滑、壁厚分布均匀、椭圆度在3 以下的薄壁管弯头。 关键词：珠粒填料：冷推成形；有限元模拟；成形质量；壁厚分布 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt 1 1 er e q u i r e m e n t so f s t r o n gt o u g h n e s sl i g h t w e i 曲t ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ， h i 曲e m c i e n c ya 1 1 dp r e c i s i o nm a l l u f a c t u r i n g ，t h et h i n w a l l e dt u b ee l b o w sa r ew i d e l y u s e di nt h ea e r o s p a c ea n dh i 曲- s p e e dr a i l h o w e v e r ，t h eh a l f - t u b es t 锄p i n ga 1 1 d w e l d i n ga r eu s e dt of o n nt l l et h i n w a l lt u b ee l b o w sa tp r e s e n t ，b yw m c hm e 、e i 曲to f p r o d u c t sc a n tb er e d u c e d ，a j l dt h eo v e r a l lp e f 白n 1 1 a n c ei sa l s oa f f e c t e d i n “sp 印e r t h ec o l dp u s hb e n d i n go f1 c r l8 n i 9 t it u b e ( 3 0 m m 0 3 m m ) w i t hs t e e lb a l lf i l l e r si s i n t r o d u c e d e f l f - e c to fp a r 锄e t e r so nf o n n i n gq u a l i t ya n dw a l lm i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni s r e s e a r c h e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na 1 1 de x p e r i m e n t s ，w h i c h i n v o l v e s ： ( 1 ) m e c h a i l i c a la i l a l y s i so fp r o c e s s ，f o r c ed i s t r i b u t i o no f b a l lf i l l e r s ，d e s i g n i n go f p u s hb e n d i n gd i e ( 2 ) f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fp u s h b e n d i n g p r o c e s s ； e f 佗c to fp r o c e s s p a r 锄e t e r so nw o r k p i e c eq u a l i t y ，w a ut h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n db u c k l i n g ；s i m u l a t i o n o fn o n 。u n i f o h ni n t e m a lp r e s s u r e 谢t hu n i f o r n ll o a d i n ga n dn o n u 1 1 i f o n nl o a d i n g ni s s h o 、v nt h a t15 m p ai n t e m a l p r e s s u r e ，0 2 衔c t i o nc o e m c i e ma n dn o n u 1 1 i f o r n l1 0 a d i n g w o r kb e s t ( 3 ) e x p e r i m e n to fp u s hb e n d i n gw i t hs t e e lb a uf i l l e r si nt h ec o n d i t i o no f o p t i m i z i n gp r o c e s sp 猢e t e r sg i v e nb yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n e f f e c to ff i l l e r ，s s i z e ，r e v e r s ep r e s s u r e ，l u b r i c a t i o nc o n d i t i o n so nt h ea x i a l 、a nt h i c l ( 1 1 e s sd i s t r i b u t i o no f i n s i d ea 1 1 do u t s i d e ，c i r c u m f e r e n t i a lw a ut h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n a n do v a l i z a t i o n i ti s s h o 、v 1 1t h a t12 15 m p ar e v e r s ep r e s s u r e ，m i x t u r eo f0 7 m ma n d1 2 m ms t e e l b a l l s i z e ( 1 ：3 ) ，a i l dm o s 2l u b r i c a n ta r eb e s t i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o l dp u s hb e n d i n gw i t hs t e e lb a l lf i l l e r sc a n b eu s e dt o f o mt h et l l i n w a l l e dt u b ee l b o w s ，w h i c hp o s s e s st h es m o o t hs u r f i a c e ，u n i f - o r m 、v a l l t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n do v a l i z a t i o nb e l o w3 沈阳理：【：大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：s t e e lb a l lf i l l e r s ；c o l dp u s hf o m i n g ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；f o m l i n g q u a l i t y ；t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n 一 笙! 主堡垒 _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - 一。 第1 章绪论 1 1 引言 随着工业的快速发展，塑性成形技术的不断进步，产品结构轻量化成为当今 的一个主题 1 1 。由于可以实现产品强韧化、轻量化以及满足低耗高效、精确制造 等方面的要求，并能获得形状复杂的产品，因此管材塑性加工已成为先进塑性加 工技术面向2 1 世纪研究与发展的一个重要方向2 ，3 1 。管材的弯曲，在航空航天、 汽车、石油化工、交通运输以及高铁等工业中占有十分重要的地位。例如在现代 飞行器和动力装置上，为了达到减重和节省空间的目的，大量采用整体成形的小 弯曲半径薄壁管件。这种整体成形的小弯曲半径薄壁管主要优点有【4 卅： ( 1 ) 与较大弯曲半径的管接头相比，采用小弯曲半径管可以大大节省所占空 问，又降低了管路系统的重量，这种优点对于航空发动机的管路系统尤为重要。 ( 2 ) 与采用传统的半管冲压成形再焊接成形的弯管接头相比，减少了两条纵 向焊缝使得零件的整体性能有了很大的提高，同时也达到了减重的目的。 然而，在整体成形小弯曲半径薄壁管材在弯曲加工时，由于几何变形的特殊 性和复杂性，尤其是薄壁管材规格参数和成形工艺参数的苛刻，内壁起皱、外壁 拉裂和横截面形状畸变等成形缺陷很难克服，尤其是内壁起皱7 10 1 。目前，国内 对于整体成形小半径弯曲的研究，主要集中在壁厚1 n u n 以上，相对壁厚佃芝0 0 6 ， 对于t d 0 0 6 的研究少之又少，即使在应用最为广泛的先进数控绕弯机上也很难 成形出相对壁厚t d s 0 0 6 的薄壁管件 1 l 】。在此基础上本文采用一种钢珠填料推弯 成形方法作为主要研究对象。 1 2 管材弯曲成形原理 管材在受外力矩m 作用时进行弯曲成形，其受力状态如图1 1 a 所示。弯曲 成形过程中外侧材料受到切向拉伸而伸长，内侧材料受到切向压缩而缩短1 2 ，13 1 ， 由于切向应力和应变岛沿管材截面连续分布，所以在弯曲过程结束时，由拉 伸区过渡到压缩区，在交界处一定存在着长度始终等于管坯原始长度的一层纤 维，该层纤维的应变岛= 0 ，既为应变中性层，它在截面中的位置可用曲率半径 沈阳理j ： 大学硕士学位论文 成表示。弯曲外侧的拉应力转变为内侧的压应力，其截面内也一定存在着一层 应力2 0 的纤维，称之为应力中性层，它在截面中的位置可用曲率半径店表 示。管材在弯曲过程中，随着外加弯曲力矩逐渐增大，管材的弯曲变形程度也随 之增大，从弹性变形到塑性变形的过程可分为弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和 立体纯塑性变形阶段三个阶段【1 羽。 ( a ) 仉 8 卜卜 广 斗一 f 卜函 仉kj 出u a 点 历； 8 卜+ - 一 。十确 岛 盯d 。一s d 广。 b 点 ( b ) 图1 1 管材弯曲时受力及其应力应变状态 ( a ) 受力状态( b ) 应力应变状态 f 培1 1t h ef o r c ea n ds t r e s s - s t r a i ns t a t eo ft u b ed u r i n gb e n d i n g 1 2 1 弯曲变形弹，| 生变形阶段 在管材弯曲变形的初始阶段，中性层外侧材料纤维因受拉而产生弹性伸长， 中性层内侧材料纤维则因受压而产生弹性压缩，应力沿截面呈线性分布，应力与 应变的关系遵循胡克定律，此时应力中性层和应变中性层相互重合并通过截面中 心，当外力完全卸载后管材又回到原始状态。 1 2 2 弯曲变形弹塑性变形阶段 随着弯曲变形的继续，管材最外侧材料纤维和最内侧材料纤维的应力首先达 到材料的屈服极限，由弹性变形转变为塑性变形，此时应力中性层和应变中性层 不再重合，也不在通过截面中心，而是随着弯曲变形区曲率的增大逐渐向曲率中 心方向移动，且应力中性层的移动量大于应变中性层的移动量，即成 破。不 第1 章绪论 过，当弯曲变形程度不大时，中性层的移动量也很小，为简化分析和计算，通常 都忽略不计，假定弯曲过程中应力中性层与应变中性层重合且通过截面中心，并 用p 表示弯曲后截面中性层的曲率半径。 1 2 3 弯曲变形立体纯塑性变形阶段 当管材处于纯弯曲状态时，此时管材只承受弯曲力矩m 的作用，材料纤维 间没有相对错动，其中处于弯曲外侧拉伸区的a 点和处于内侧压缩区的b 点， 应力应变状态分别如图1 1 ( b ) 所示。当弯曲变形程度较小时，仅在切向产生较大 的力仃占，而管壁厚度方向和圆周方向产生的应力盯，和仃仃都很小，理论分析时 可忽略不计，应力中性层可视为与应变中性层重合，并通过截面中心。随弯曲变 形程度的增大，塑性变形区由截面的外缘和内缘逐渐向中间扩展，立体的应力状 态逐渐显著起来。 管材弯曲变形时，主要是依靠中性层内、外材料纤维的缩短与伸长，故切向 应变。即为绝对值最大的主应变。根据塑性变形体积不变的条件，另两个方向 上必定产生与o 符号相反的应变，假定弯曲过程中管径不发生变化，即周向应 变d 为零，则可视为平面应变状态，即kl = hf 。 综上所述可知，管材弯曲时在中性层外侧的材料受切向拉伸应力，使管壁减 薄；中性层内侧的材料受切向压缩应力，使管壁增厚。由于位于弯曲变形区最外 侧和最内侧的材料受切向应力绝对值最大，故其管壁厚度的变化也最大。当弯曲 程度过大时，最外侧管壁会产生裂纹，最内侧管壁会出现材料堆积而失稳起皱， 弯曲后截面易发生畸变。 1 3 管材弯曲成形缺陷 由于管材空心横截面的形状特点，在弯曲加工时其弯曲内外侧壁厚会发生 变化，且易引起其横截面形状的改变，所以弯曲成形时极易出现外侧壁拉裂、内 侧壁失稳起皱、截面畸变及弯曲回弹等成形缺陷，尤其对于薄壁管材弯曲上述缺 陷会更加严重，如图1 2 为管材弯曲时常见的成形缺陷。 沈阳理工大学硕士学位论文 ，一一、l 广、 ，一一 ，r - 、 、 f 、ji 二_ 。 、卫，￥。 、7 一一。 ( a ) 外侧壁破裂 ，一一7 、 ? 一一一。_ 一、一 。一。厂一一、 j ? +t j f 一& 三一一 。_ _ j 一一， ( b ) 内侧壁起皱 7 | 、， 孑二墨孓、 蕊j _ t i 一，、。i 渗j l 蓼 ( 。) 截面畸变 ( d ) 回弹 图1 2 管材弯曲常见成形缺陷 f i g 1 2c o m m o nf o r m i n gd e f e c t sf o rt u b eb e n d i n g 1 3 1 弯曲外侧壁厚减薄 由材料力学分析可知，管材弯曲变形时，管材变形区外侧壁壁厚拉薄，变薄 量最大的部位处于最大变形区处，拉薄过度时会导致管壁拉裂，如图1 2 a 所示。 管材壁厚的变化与弯曲变形程度有关，而管材的弯曲变形程度主要取决于相 对弯曲半径刚d 和相对壁厚t d 的大小( d 为管材外径；t 为管材壁厚；r 为管 件中心层弯曲半径) ，i 和t d 越小，表明弯曲变形程度越大，中性层外侧材 料纤维的伸长量也就越大，同时代表管壁减薄量也越大。 管壁厚度的减薄，必然降低管件承受内压的能力，影响管件使用性能。因此， 常常需要采取各种措施，减小壁厚减薄量。减小管件变形区外侧壁壁厚的主要途 径有： ( 1 )降低中性层外侧产生拉伸变形部位的拉应力。 ( 2 )改变变形区内材料应力分布，使拉应力降低，压应力增加【2 l 】。 1 3 2 弯曲内侧失稳起皱 弯曲成形时管材内侧壁受到压应力作用，引起内侧壁壁厚增加，当变形程度 过大，就会导致材料的大量堆积，而发生内侧壁塑性失稳起皱的现象，如图1 2 ( b ) 所示。 管材在弯曲成形过程中，由于管材壁厚方向稳定性较差，特别是对于薄壁管 第1 章绪论 材，当内侧压缩变形区所受的切向压应力超过管件的承受极限时，在微小扰动下， 即开始发生失稳起皱 1 5 ，16 1 。 管材弯曲成形中壁厚增厚、起皱现象，虽然涉及因素较多，研究难度较大， 但是由于对精确成形日益迫切的要求，不断引起了国内外学者的关注，针对管材 内壁壁厚增厚、起皱的原因做了大量的研究。通常减小管件变形区壁厚增厚、起 皱现象的主要措施有以下两点： ( 1 ) 在弯曲成形时候正确合理使用芯棒和防皱块。 ( 2 ) 弯管内通过高压液体校形或将钢球压入弯管内部校形。 1 3 3 横截面畸变 管坯在弯矩作用下，内侧受压应力、外侧受拉应力，管材处在受力不均匀状 态。平行于管材弯曲方向的直径有变小趋势，垂直于管材弯曲方向的直径有增大 趋势，所以管材受弯曲力矩时，尤其是薄壁管材，极易发生横截面畸变，即法向 直径减小、横向直径增大，而成为近似椭圆形，如图1 2 ( c ) 所示。弯曲程度越大， 截面椭圆率亦越大。 m n 。 q p d l m a x - 一 一- _ 图1 3 横截面畸变1 9 1 f i g 1 3d i s t o n i o no fc r o s ss e c t i o n 【1 9 1 生产中常用椭圆度作为检验管件质量的一项重要指标，根据管件的使用性能 不同，对其椭圆度的要求也不相同。例如用于工业管道工程中的弯管件，高压管 不超过5 ；中、低压管为8 ；铝管为9 ；铜合金、铝合金管为8 1 7 】。生产 中常用椭圆度来衡量管材截面畸变的程度，即： 沈阳理： 大学硕士学位论文 椭圆度=里型二望翌b1 0 0 d 0 式中d 、d m i 。是在弯曲后同一横截面上测得的最大、最小外径尺寸，如图1 3 所示，d 。是管材原始外径。 管件截面畸变，一方面引起截面积的减小，从而增大了流体流动的阻力，另 一方面也影响了管件在结构中的功能效果。因此，管材弯曲加工时，必须采取各 种措施来减小截面畸变量，通常用来防止截面形状畸变的有效途径有： ( 1 )在弯曲变形区用芯棒支撑截面，防止截面产生畸变。 ( 2 ) 在弯曲管坯内填充固体颗粒状介质( 钢珠) 、弹性介质( 橡胶、聚氨 酯棒) 或低熔点合金等，也可代替芯棒的作用，以防截面畸变。 ( 3 ) 在弯曲变形区用模具型腔表面从管材外面限制截面形状，做与之相吻 合的模具型腔，以防止截面歪扭，限制截面的畸变。 1 3 4 弯曲回弹 管材弯曲与其它塑性成形过程一样，都伴随有弹性变形，当完全卸载后，弯 曲中性层外侧的纤维因弹性恢复而缩短，内侧纤维因弹性恢复而伸长，所以弯曲 曲率和弯曲角所发生的变化，即为回弹，如图1 2 ( d ) 所示。 对于管材弯曲回弹的问题，由于加载过程中弯曲变形区的内外层的应力应变 性质相反，所以管材弯曲弹性变形比起其它塑性成形过程要显著得多。虽然有些 文献根据塑性弯曲理论推导出了计算回弹量的表达式，但往往与实际生产情况相 差较大，不便使用，故目前大都是依靠生产现场的经验数据，通过试验修正，达 到消除回弹的目的【17 1 。 1 4 管材弯曲成形工艺的分类 管件的弯曲成形经过多年的发展，已形成了多种加工工艺方法。根据不同的 依据，弯管工艺有多种分类方法【1 8 】。弯曲工艺方法的分类总结如图1 4 所示： 第1 章绪论 弯曲方法分类 r 绕弯 l 滚弯 按弯曲方式1 压弯 i 推弯 按加热是否，冷弯 l 热弯 按有无填充物( 要葱 羹籍；霉薯 此外，在一些有特殊要求的成形过程中，会根据具体要求增加一些特殊的设 计，以满足管件特定的成形要求1 9 】，如热应力弯曲、叠加法弯曲、振动冲击弯曲、 下面对生产中常用的几种工艺方法作简要的介绍【1 9 】： 如图1 5 所示，压弯是最早用于弯曲加工的工艺方法，它是在液压机上利用 模具对管坯进行弯曲加工。压弯方法既可弯制带直段的管件，又可弯制弯头。目 j 漤雾i j ：j 乞 图1 5 压弯 f i g 1 5p r e s s u r eb e n d i n g ( 2 ) 推弯 如图1 6 所示，推弯一般是在压力机、液压机上进行弯曲加工，主要用于弯 沈阳理：l 大学硕士学位论文 制弯头。根据推弯工艺特点，可分为型模式冷推弯和芯棒式热推弯两种。型模式 冷推弯是在常温下将管坯压入带有一定弯曲角度的模具型腔中，从而形成管弯 头。芯棒式热推弯是在推力和牛角芯棒阻力的作用下，边加热边推制，使管坯产 生周向扩张以及轴向弯曲变形，从而将直径较小的管坯推制成直径较大的弯头。 【一1 一 ，、 l? 、 ? o 一一。 图1 6 推弯 f i g 1 6b e n d i n g ( 3 ) 绕弯 如图1 7 所示，绕弯是在立式或卧式弯管机上进行的弯曲加工。绕弯是绕固 定凸模周围弯曲并使活动压模回转以进行弯曲的一种加工形式。这种方法分为两 种方式：一种是压缩方式，一种是拉伸方式。这两种方式的主要区别是凸模是否 与管件一起转动。 压缩式绕弯，生产效率比较高，优点是弯曲角度比较大，可达1 8 0 。局限是 弯曲半径不能太小，否则弯曲管件内侧壁极易失稳起皱。拉伸式绕弯，可获得比 压缩式更小的弯曲半径，主要是由于拉伸式绕弯时管件中产生拉伸应力，而压缩 式产生的是压缩应力，在拉伸应力作用下，管件不易失稳起皱。拉伸式绕弯的弯 曲角也可达到1 8 0 0 以上，由于这种弯曲方法将成形力以拉力的方式作用在坯料 上，因此即使在弯曲件的内侧，也不易产生皱褶，在轴向施加推力时就有可能控 制管件的壁厚，然而钢管的冷作弯曲加工，大体上都是采用这种方式。 第1 章绪论 一 f 0 1 | | r o ：一一_ 一 图1 7 绕弯 f i g 1 7r o t a 巧b e n d i n g ( 4 ) 滚弯 如图1 8 所示，滚弯是在三个驱动辊轮作用下对管材进行弯曲加工，其滚弯 方法及滚弯机工作原理与板材滚弯基本相同，但是管材滚弯所用的辊轮具有与弯 曲管坯断面形状相吻合的工作表面，通过改变辊轮的间距，就可以作出任意曲率 半径的弯曲。滚弯方法对弯曲半径有一定限制，仅适用于曲率半径要求较大的厚 壁管件，尤其是对弯制环形或螺旋线形管件特别方便。 图1 8 滚弯 f i g 1 8r o ub e n d i n g ( 5 )拉弯 如图1 9 所示，拉弯是将管材压靠在固定的凸模上，对管材两端同时施加弯 矩，使管材沿着凸模成形的方法。改变固定凸模的形状，在一般的拉弯成形中最 大弯曲角约为1 8 0 0 。这种弯曲方法难以保证管坯的截面形状，主要适用于有受力 支承部位的开口截面型材，该方法不适用于中空心制件成形，尤其是薄壁管件。 ，、 一 一 、 一 ， 、i 一 _ | 一 。 。，。|二 ，一一_、 、， 、_，一一一 一 一 一 一一 ， 一 (，、一 _|_、1， 1 一 、jj 、 3 一 一 一|一j一二 沈阳理： 大学硕士学位论文 f ，_ 、 ，“ 图1 9 拉弯 f i g 1 9s t r e t c hb e n d i n g 综上所述：管材弯曲加工的工艺方法是灵活多样的，在具体生产应用中，管 材弯曲成形工艺的选取还得根据实际管件结构性能的要求和现实条件而定。 1 5 管材弯曲国内外研究现状 为了解决管件成形缺陷，目前国内外学者对管材弯曲的研究，主要采用理论 分析、数值模拟和试验分析的研究方法。 1 5 1 管件弯曲成形理论研究 近年来，对管材弯曲成形的理论研究逐步展开，其对实践的指导作用也逐步 受到重视。对管材弯曲成形的理论分析主要集中在如下几方面：回弹分析，起皱 预测和破裂分析，对横截面畸变、壁厚变化、管材弯曲过程的力学分析。 ( 1 )管材弯曲卸载后回弹的分析 胡忠2 0 1 在平截面假设的基础上对中频感应局部加热弯管成形进行了力学分 析，并结合m i s e s 屈服准则得到了加载过程中轴力和弯矩规律，又基于反向原则 得到了卸载时应变中性层的偏移角、卸载比例常数以及回弹角。该模型是针对2 0 、 1 2 c r m 0 9 1 0 和1 2 c r l m o v 三种大直径厚壁管材中频感应局部加热弯曲过程而建 立的，其本构关系为假定理想的刚塑性，在分析过程中，将未参与变形的前夹头 至管材弯曲部分的直管段和前导辊到塑性变形区的直管段和弯曲段采用同样的 求解方法，因此，适用性和精度上受到一定的限制。张旭光【2 1 】采用与文献 2 0 类 似的算法，建立了数控弯曲成形中弯曲段回弹的预测模型，由于直线段变形量较 小，因此采用梁弯曲理论对其建立回弹模型，这种对直线段和弯曲段分别建立回 弹预测模型的方法更接近实际。 第1 章绪论 p a nk 和s t e l s o nk a 2 2 1 在材料非线性基础上，通过最小能量法获得了管材弯 曲后位移场，又基于管材截面畸变和壁厚变化的截面形状得到弯曲变形后横截面 转动惯量，所以有助于提高回弹预测的精准度。 j e m i l l e r 等人【2 3 1 在假定管材形状和载荷沿长度方向不变，建立一个适用 于挤压铝合金矩形管拉弯的二维模型，把与恒定曲率半径1 l ( 的刚性模具表面相 接触的单位长度管件为研究对象，其作用力有轴向拉力t 和内部压力p ，通过调 整加载参数的增量k 、t 和p 符合假定的加载路径，从而使管件成形。其弯 曲模是由开始的平面逐步转变成为最后所要求的曲率半径为p 的曲面。采用该模 型分析探讨了加载路径和拉、压应力对回弹发生的影响。 ( 2 ) 管材弯曲过程中起皱和破裂的分析 f r o d ep a u l s e n 和t o r g e i rw e l o 等口4 ，2 5 1 在能量法的基础提出了预测单、双室矩 形管材纯弯曲过程中横截面变形的解析模型，其中波形函数考虑了相邻构件的约 束效应。该方法是一个预测横截面变形的显式算法，包括弯曲变形中各个阶段起 皱前、起皱的发生以及起皱后。研究表明：拉伸区破裂与几何参数关系密切，尤 其是翼板的宽度；宽厚比是造成压缩区起皱的最主要因素；材料硬化指数对起皱 的发生和后屈曲变形有重要的影响；起皱发生后，压缩区的波纹变形比拉伸区的 均匀变形发展的更快。 ( 3 ) 管材弯曲过程中的力能分析 文献 2 6 将加热管材假定为刚塑性体，并设定温度是沿着厚度方向均匀分布 和截面平均直径不变，通过采用弹塑性梁弯曲理论对高频感应加热的大直径碳钢 管材弯曲过成形程进行了力学分析，获得了转臂无阻力矩作用时的弯曲轴力表达 式。 s t a c h o w i c zf 【2 7 1 通过对管材弯曲过程中应力表达式的积分，得到了铜管弯曲 过程中弯矩和曲率的关系，并分析了轴向助推力对弯矩的影响。 1 5 2 管材弯曲过程有限元数值模拟研究 有限元法是一种信息丰富，计算精度高的模拟方法，并可以考虑到多种工艺 因素的影响，是一种对精密成形过程模拟可靠性很高的计算方法。近年来，随着 计算机技术的广泛发展，有限元法在管材弯曲成形中被广泛应用。胡忠、周思柱、 张士宏和徐丙坤等人【2 8 3 1 1 对以上问题进行了深入的分析和探讨，苏岚等人【3 2 1 和 沈阳理工大学硕士学位论文 王晓林等人 3 3 】对塑性成形过程中接触问题进行了深入的研究。 文献 3 4 采用a n s y s 有限元软件对厚壁圆管绕弯工艺进行了有限元模拟分 析，得到了外侧壁减薄率和内侧壁增厚率、应力应变分布规律，比较了相对弯曲 半径对壁厚减薄的影响，结果表明：绕弯工艺不适合在相对弯曲半径小于1 5 的 弯曲成形上应用。由于建模时未考虑压块的助推作用、芯棒的作用以及模具问摩 擦的影响，因此结果缺乏普适性。 y a i l gj b 和j e o nb h 等3 5 1 采用p a m s t a m p 有限元软件对汽车上管材零件拉 杆的绕弯和压弯工艺过程进行了三维有限元模拟，获得了横截面畸变形、壁厚变 薄率和各工艺参数之间的关系。模拟过程中将材料视为各向同性，研究发现管材 与防皱块的间隙是失稳起皱的主要因素，随着相对弯曲半径的不断减小，截面畸 变形和壁厚减薄率将会越来越大。 b a u d i n 等【3 6 】采用a n s y s l s d 寸a 有限元软件对薄壁管材推弯成形工艺进 行了有限元模拟，将管材划分为实体单元网格，并对管中填充的芯棒进行建模， 模拟了芯棒长度对推弯成形的影响，通过改进芯棒的长度和结构成功的模拟了管 材推弯成形过程，并对成形管件的应力应变分布、横截面形状变化进行了分析。 曾元松等 3 7 1 提出了内胀推弯法，对铝合金小弯曲半径管材的推弯成形过程进 行了有限元模拟。分析了内压力、摩擦系数对管件成形质量的影响。结果表明： 内压力过小时管材弯曲内侧极易失稳起皱，但内压力也不能过大，否则会增加管 材与模具型腔的摩擦力，使冲头推力和模具锁模力增加，严重影响了成形管件的 表面质量；摩擦系数小，管材弯曲外侧易被拉裂，若过大，成形管件尾部易发生 失稳起皱，同时冲头推力也急剧升高。通过对内压力和摩擦系数等工艺参数的优 化，最后成形出相对弯曲半径为1 的铝合金弯管。 目前对管材弯曲成形有限元数值模拟的研究并不完善，主要为热弯、矩形管 材弯曲和纯弯曲，而且采用商用软件进行模拟的较多，针对薄壁管冷弯成形的研 究较少，但也有了很好的研究基础。 1 5 3 管材弯曲成形实验研究 实验研究是管材弯曲成形研究中不可缺少的组成部分。不但可以验证管材弯 曲成形理论和有限元模拟结果的有效性，还可以进一步研究各种工艺参数对管材 弯曲成形的影响规律。 第1 章绪论 张世俊等【3 剐研究分析了小半径紫铜管弯头挤弯成形工艺，分析了变形区的应 力应变状态，分析了各工艺参数对挤弯工艺影响，证明了挤弯成形工艺是一种高 效生产小弯曲半径弯头的成形技术。王新华【4 0 1 介绍了薄壁短弯头冷顶推弯成形方 法，对推弯成形的工作过程和受力以进行了介绍。z e n g 等人【4 1 1 对内压推弯进行 了实验研究，分析讨论了内压力和摩擦系数对薄壁铝合金管材成形质量的影响， 最后通过对工艺参数的优化成形出了相对弯曲半径为1 的管件。 坂木修次、横内康人和藤院琢磨等 4 2 ，4 3 1 对铝合金a 6 0 6 3 s o 和a 6 0 6 1 s 0 方 管绕弯过程中成形极限进行了实验研究，主要研究了刚性弧式芯棒对失稳起皱和 横截面畸变形的抑制，结果表明：横截面的畸变形主要体现在受拉侧和受压侧翼 板的塌陷以及侧壁处辐板的膨大。 实验虽然是研究管材弯曲的一种重要方法，但这种方法建立在大量反复试错 的基础上才能实现，生产设计周期长，成本又高，难以满足低成本、快速、批量 生产的要求。 综上所述：虽然对于管材弯曲成形在理论、数值模拟到实验的研究日益成熟， 但对于薄壁管材冷弯成形研究的还是较少，尤其管材壁厚在o 5 m m 以下的薄壁管 材弯曲少之又少。本文在前人研究的基础上以壁厚0 3 n u n 的管材为研究对象，从 理论、数值模拟以及实验来进行研究和探索。 1 6 课题主要研究内容 管材弯曲成形时，由于管材空心截面的特点，成形时极易发生内侧失稳起皱、 截面畸变等成形缺陷，尤其是对薄壁管材的弯曲。所以在薄壁管材弯曲成形时一 定要采取合适的工艺，来满足管件的成形要求。钢珠填料推弯成形工艺正是针对 于此提出的工艺方案，采用钢珠作为填料，代替以往的芯棒来对管材进行弯曲成 形，由于钢珠的特性，在弯曲成形时，可以很好的避免所提出的成形缺陷，因此 对薄壁管材推弯成形十分有利。 由于薄壁管弯头可以满足当今对产品轻量化的需求，因此被广泛的应用于航 空航天、高铁等高端技术领域。但目前对大直径小弯曲半径管件的成形都采用半 管冲压成形而后再焊接成形的方法，本文基于整体成形的理念对各种成形参数进 行深入的研究。主要以下内容进行研究： ( 1 ) 对珠粒填料的特性以及推弯成形的受力进行分析。 沈阳理：【大学硕士学位论文 ( 2 ) 设计薄壁管材推弯成形模具以及实验中施加反推压力的液压系统。 ( 3 ) 对1c r l8 n i 9 t i 不锈钢薄壁管材推弯成形进行有限元数值模拟分析，建 立有限元模型，通过模拟结果的分析，掌握各个工艺参数对内外侧脊线壁厚分布 的影响规律，分析管材弯曲成形时应力应变的分布规律。 ( 4 ) 进行1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢薄壁管材推弯成形的实验研究，研究分析各个 工艺参数对管件表面成形质量、壁厚分布以及截面椭圆度的影响规律。 ( 5 ) 对实验中管件成形缺陷进行分析，通过对成形缺陷的研究，提出改进 的方法。 1 7 本章小结 本章对管材弯曲的发展前景、成形原理、成形缺陷、成形工艺的种类以及国 内外背景进行简要的介绍。最后提出本文的研究意义和研究内容。 第2 章珠粒填料推弯成形原理及实验模具研制 第2 章珠粒填料推弯成形原理及成形模具研制 2 1 1c r l8 n i 9 t i 不锈钢管珠粒填料推弯成形原理 珠粒填料推弯成形工艺是在传统的型模式冷顶推弯工艺基础上，将珠粒作为 填料填充于管坯内进行弯曲成形的新工艺，其工艺原理如图2 1 所示。图2 1 ( a ) 中，p 为冲头推力，f 为用于压实珠粒填料的反推压力。成形前，将管坯放入竖 直导向套4 中，再将珠粒填料填3 填充于管坯内，在管坯下端放置大钢珠5 ，用 于防止珠粒填料的滑落，阶梯状冲头的作用为其前端伸入到管坯中挤压珠粒填 料。成形时，给冲头施加推力p ，同时给珠粒填料施加反推压力f ，通过改变反 推压力f 的大小来改变珠粒填料对管壁挤压力的大小，使珠粒填料产生不同的内 压力让管坯完全贴模，如图2 1 ( b 、) 所示为推弯成形终了图。 6 ( a )( b ) 1 水平导向套2 冲头3 珠粒填料4 竖直导向套5 反顶大珠粒6 凹模 图2 1 推弯工艺原理图 ( a ) 推弯成形起始图( b ) 推弯成形终了图 1 h o r i z o n t a lg u i d i n gs e t2 p u n c h3 p a n i c l ef i l l e r4 v e r t i c a lg u a r d i n gs e t 5 a n t i e j e c t i n gp a f t i c l e6 c o n c a v ed i e f i g 2 1t h ep r i n c i p l ed i a g r 砌o fb e n d i n gt e c h n o l o g y 管材在推弯成形过程中的受力分析见图2 2 ，可以看出，管材在冲头轴向压 沈阳理：e 大学硕士学位论文 应力、模具型腔的摩擦力以及填料摩擦力共同作用下使管件截面大部分处于压应 力状态，只有中性层外侧很小部分处于拉应力状态，且应力值很小，因而基本上 不会出现外侧壁拉裂的现象。内侧压应力的变大，增加了塑性失稳起皱的可能性。 珠粒填料具有良好的流动性和非均布内压的特性，所以在推弯成形过程中可以有 效的抑制内侧壁失稳起皱和截面畸变。因此，珠粒填料为薄壁管材推弯成形工艺 提供了有利条件。 f p 、。? 、 图2 2 推弯成形受力分析【1 4 】 f i g 2 2s t r e s sa n a l y s i so fb e n d i n gf 0 r i n i n g 2 2 珠粒填料成形特性与力学分析 2 2 1 珠粒填料成形特性 赵长财等 ”1 对固体颗粒传压性能进行了实验研究，通过对不同直径珠粒传压 性能的测试得到：珠粒直径大小对体积压缩率影响很小；相同直径的珠粒经过多 次压力作用后钢球排列成最紧密的状态，体积压缩率趋于稳定；珠粒体积的压缩 率随着珠粒直径的变小而略有降低。 图2 3 固体颗粒传压性能测试”1 f i g 2 3p r e s s u r et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e st e s to f s o l i dp a r t i c l e s 夺墨岛 ，r、一 。j一 第2 章珠粒填料推弯成形原理及实验模具研制 如图2 3 所示为固体颗粒传压性能测试，图中可以看出，压头附近处筒壁所 受的应力较大，远离压头的位置应力逐渐较小，这表明固体颗粒对筒侧壁的压应 力呈非均匀分布。 如图2 4 为实验中选用珠粒填料，实验选用珠粒作为填料有以下几个优点： ( 1 ) 钢珠无腐蚀作用，成形后对环境无污染，对试件无腐蚀，也无需专门的 处理 删： ( 2 ) 珠粒的承压能力强、流动性好、填充简单且可反复使用，降低了实验成 本； ( 3 ) 珠粒本身具有一定的强度和硬度，且具有非均布传压的特性，成形过程 中使管坯在最有利的受力条件下成形，提高了管坯的成形极限和成形性能。 图2 4 珠粒填料 f i g 2 4p a r t i c l ef i l l e r s 2 2 2 珠粒填料推弯成形力学分析 推弯成形开始时，冲头下行先接触到珠粒填料，对填料进行压实，而后接触 到管坯，同时对管坯和填料施加向下的轴向推力，在冲头轴向推力、管坯与模具 型腔之间摩擦力和反推压力共同作用下，使得管坯发生塑性变形，此时由反推液 压缸提供的反推压力传递给填料，反推压力由被动变成主动，在管坯和填料下行 过程中，对填料施加作用力，使填料对管壁产生不同的内压力，由于珠粒填料的 特性，使管坯在最有利的条件下成形，这样就可以很好的控制管件成形过程中如 内侧壁失稳起皱、截面畸变等成形缺陷。成形过程中冲头轴向推力p 可根据式 ( 2 1 ) 求得h 5 】： 沈阳理工大学硕士学位论文 p = 吒+ f ，+ e ( 2 _ 1 ) 式中：p 冲头轴向推力( n ) ； f m 冲头使管坯产生塑性变形的推力( n ) ； f f 管坯与模具型腔之间的摩擦力( n ) ； f b 液压缸施加的反推力( n ) 。 f m 的大小与管坯材料、壁厚、直径以及弯曲半径有关，如果对同一材料、 同规格的管坯在相同弯曲半径下进行弯曲时，可认为f m 相等。 f f 的大小可由式( 2 2 ) 求得： f r = 以 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中“为摩擦系数，f 。为接触的正压力，由模具型腔对管壁的反作 用力和珠粒对管壁的挤压力共同引起的。所以可以通过改变反推压力的大小，来 改变珠粒对管壁的挤压力，从而改变管坯与模具型腔之间摩擦力的大小。 f b 的大小是由液压缸提供的，通过传递介质大珠粒传递给珠粒填料，但是对 珠粒填料之间的作用力难以计算，所以只能通过液压缸压力表数值来表达。f b 可由式( 2 3 ) 求得： 圪= 刚 ( 2 - 3 ) 式( 2 。3 ) 中p 为液压缸提供的内压，可以通过溢流阀和调速阀来改变其大 小，a 为液压缸推杆的横截面积。 2 3 珠粒填料推弯成形影响因素 在实际推弯成形过程中，影响管件成形因素很多，例如管坯的相对壁厚t d 、 模具精准度、填料的选择、反推压力的施加、摩擦与润滑条件等等。实际生产中 我们既要控制好成形的工艺参数，使其既要在最有利的条件下成形，又要考虑生 产效率、生产成本。下面分别对影响因素进行介绍。 2 3 1 管坯相对壁厚t d 根据本章第1 节中受力分析可知，管坯在受力后中性层外移，管件截面大部 分处于压应力状态，只有中性层外侧很小的部分处于拉应力状态，且应力值很小， 因此大大增加了管件内侧壁失稳起皱的可能行，而t d 又是衡量内侧压应力能否 引起塑性失稳的主要参数。在实际工业生产中，为了防止管件内侧失稳起皱，要 第2 章堕垫堕整垄奎盛垄堕望垄塞堕堡墨婴型 _ _ _ _ 一 求t d 0 0 6 ，但对于t 仍s 0 0 6 的管件，成型时在管坯内填加填料进行弯曲成形， 通过填料产生的内压力来保证管件的成形质量。 2 3 2 填料选择 填料的选择对薄壁管材推弯成形至关重要，以往采用的橡胶棒、聚氨酯棒等 填料对于壁厚在1 眦以下的管坯成形，往往由于填料的强度不够，不能给管壁施 加足够的内压力，而导致内侧壁失稳起皱，对于壁厚在0 5 m m 以下的管件成形是 难上加难。所以在实验中采用具有一定强度和硬度的珠粒作为填料，由前面对珠 粒特性的分析知道，珠粒作为填料具有非均布传压特性，且有良好的流动性，在 珠粒对管壁施加正压力时，可以在最有利情况下成形，但在成形过程中珠粒硬度 又会对管壁产生压痕，影响管件表面成形质量。不同粒径珠粒压痕的大小也不同， 粒径越小压痕也就越不明显，珠粒粒径越小，挤压在一起，流动性就越差，因此 也会对成形质量产生影响，而珠粒粒径要过大，珠粒之间的间隙较大，大大减小 了管壁的受力面积，同样影响管件成形质量，所以要根据管件的材料合理选择珠 粒粒径的大小，对屈服强度较低的材料，可以选用粒径小一点的珠粒，对屈服强 度较高的管材，适当选取粒径大一点的珠粒，这样会对管件成形效果有较大的提 o 局o 2 - 3 3 反推压力施加 珠粒填料推弯成形的关键在于填料对管壁的内压力，通过内压力来抑制弯曲 时管壁凹陷。实验中，通过反推液压缸施加压力，在由传力介质大珠粒传递给珠 粒填料。成形过程中，反推压力既不能太小也不能过大，如果反推压力太小，填 料对管壁的内压力就会不足，