（材料加工工程专业论文）几何工艺参数对热推弯管过程影响规律的研究.pdf

摘要 摘要 ， 热推弯曲是管材弯曲成形的一种重要工艺，实际生产中有许多应用实 例。当制件形状和尺寸一定时，管材热推弯曲工艺参数主要包括温度场、 推速、附加弯矩，以及辊轮位置、初始弯曲角等参数。目前的研究成果多 集中在温度场参数、推速及附加弯矩等参数对成形过程影响的分析，而在 几何工艺参数对成形过程影响的研究则很少。研究表明，管材热推弯管中 的几何工艺参数的合理确定，对于获得合格制件是至关重要的。目前，管 材热推弯曲工艺的理论还很不成熟，对其进行深入研究，特别是探求几何 工艺参数对成形过程的影响规律，是有重要理论和实际意义的 一 以一对支撑辊作用下热推弯管工艺为研究对象，用理论分析和有限元模 拟的方法，主要研究了在不同的几何工艺条件下弯曲力矩的分布规律，给 出了确定辊轮位置尺寸和初始弯曲角等工艺参数的方法。 重新合理假设了变形区的应力分布状态，对弯管工艺进行了理论分析， 推导了中性层偏移角、弯管推力、辊轮对管件的支反力、悬臂段弯矩及己 变形区弯矩的计算公式。针对所研究的问题，假设了管坯悬臂段挠曲、局 部压扁和受压失稳的力学模型，并从力学上分析了辊轮位置对管坯悬臂段 挠曲的影响根据生产要求，限定最大许用挠曲度，即可确定相应的辊轮 位置尺寸。 。 对热推弯管过程进行了有限元模拟，解决了瞬态温度场的加载问题。 并将有限元计算结果与理论计算结果进行了比较，验证了理论推导的合理 性。对理论计算所不容易解决的管截面局部压塌( 瞌梁受力弯曲) 的问题，用 有限元模拟的方法进行了分析，结果表明辊轮位置和初始弯曲角对管截面 扁化的影响较小。 关键词管材热推弯曲；瞬态温度场；几何工艺参数；截面扁化；挠曲 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a x i s t h r u s tt u b eb e n d i n gp r o c e s su s i n gl o c a li n d u c t i o nh e m i n gi so n eo f t h e i m p o r t a n tf o r m i n gt e c h n i c so ft u b ef o r m i n g ，a n di th a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n yf i e l d s i fs i z ea n ds h a p eo fap i e c ea r ef i x e d ，t h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r m a i n l yi n c l u d e st e m p e r a t u r ef i e l dp a r a m e t e r ，p u s h i n gv e l o c i t y ，a d d i t i v em o m e n t ， p o s i t i o no f r o l l e ra n dt h ei n i t i a la n g e l ，a n ds oo n h o w e v e r ，t h er e s e a r c hh a sn o w b e e nf o c u s e do nt h ei n f l u e n c eo nf o r m i n gp r o c e s so ft u b eo ft e m p e r a t u r ef i e l d p a r a m e t e r , p u s h i n gv e l o c i t ya n da d d i t i v em o m e n t a n dr e s e a r c ho f i n f l u e n c eo n f o r m i n gp r o c e s so fp r o c e s sp a r a m e t e ri saf e w w h e r e a s ，r e s e a r c hr e s u l th a s i n d i c a t e dt h a tc h o o s i n gr e a s o n a b l eg e o m e t r i ct e c h n o l o g yp a r a m e t e ri so fv i t a l i m p o r t a n tf o ro b t a i n i n ge l i g i b l ep a r t s n o w a d a y s ，t h et e c h n o l o g yt h e o r yo f a x i s - - t h r u s tt u b eb e n d i n gh a sn o tb e e nm a t u r e , s os t u d y i n go fa x i s - t h r u s tt u b e b e n d i n g ，e s p e c i a l l ys t u d y i n go fg e o m e t r i ct e c h n o l o g yp a r a m e t e r ，h a st h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lm e a n i n g t a k i n gt h ea x i s t h r u s tt u b eb e n d i n gp r o c e s s ，u s i n gl o c a li n d u c t i o nh e a t i n g ， s u p p o r t e db yap a i ro fr o l l e ra sr e s e a r c ho b j e c t , t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e st h e m o m e n td i s t r i b u t i o nr u l e ，u n d e rd i f f e r e n tg e o m e t r i c a lp r o c e s sp a r a m e t e r s ，b o t l l i nt h e o r e t i c a lm e t h o da n df i i l i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o d a n dt h e r ec o m e st o t h em e t h o do f d e c i d i n gt h ep o s i t i o no f r o l l e ra n dt h ei n i t i a la n g e l ，a n ds oo n t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nf o r mh a sb e e nr e a s o n a b l yp r e s u m e da g a i n t h e n ，t h e f o r c ec o n d i t i o n so f t h et u b eb e n d i n gp r o c e s sw i t ho n ep a i ro f s u p p o r t i n gr o l l e ri s a n a l y z e d ，t h e r e c o m e st of o r m u l a so fn e u t r o s p h e r e o f f s e t , p u s h i n gf o r c e ， c o u n t e f f o r c eo f r o l l e re x e r t so nt u b e ，m o m e n to fc a n t i l e v e ra r e a ，a n dm o m e n to f d e f o r m e da r e a , a n ds oo n t h em o d e lo ff l e x i b i l i t yo fc a n t i l e v e ra r e a ，l o c a l f l a t t i n g , a n db u c k l i n gu n d e rap r e s s u r el o a dh a v eb e e np r e s u m e d a n dt h e i n f l u e n c eo nf l e x i b i l i t yo fc a n t i l e v e ro fd i f f e r e n tr o l l e rp o s i t i o nh a sb e e n a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y r e s t r i c t i n g t h em a x i m u mf l e x i b i l i t y a c c o r d i n g t o i i a b s t r a c t p r a c t i c a ln e e d s ，t h e nt h em a x i m u mp o s i t i o no f r o l l e rc a nb ed e c i d e d t h ep r o c e s so fa x i s - t h r u s tt u b e b e n d i n gu s i n g i n d u c t i o n h e a t i n g i s s i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，a n d 。t h el o a d i n go ft r a n s i e n t t e m p e r a t u r eh a sb e e ns o l v e d c o m p a r i n gt h er e s u l t so b t a i n e df r o mf e mw i t i l t h o s eo b t a i n e df r o mt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n , t h e r ev e r i f i e st h er e a s o n a b i l i t yo f t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n f o rt h el o c a lf l a r i n gp r o b l e mo fc r o s s - s e c t i o n , t h a tc a n b es e e m e da sap r o b l e mo f c u r v eg i r d e rb e n d i n gu n d e ro u t s i d ef o r c e ，i sa n a l y z e d b yf e m , w h i c hc a nn o tb ee a s i l yc a l c u l a t e db yt h e o r e t i c a lm e t h o d a n dt h e r e c o m e st ot h er e s u l tt h a tb o t hr o l l e rp o s i t i o na n di n i t i a la n g e lh a v el i t t l ei n f l u e n c e o nc r o s s - s e c t i o nf l a r i n g k e y w o r d sa x i s - t h r u s tt u b eb e n d i n g ；t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ；g e o m e t r i c t e c h n o l o g yp a r a m e t e r ；f l a t t e n i n go f e r o s s s e c t i o n ；f l e x i b i l i t y j 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文几何工艺参数对热推弯 管过程影响规律的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全 由本人承担。 。 作者签字易椒日期：7 够月，g 苫 燕山大学硕士学位论文使用授权书 几何工艺参数对热推弯管过程影响规律的研究系本人在燕山大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人 员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 ， 不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名 嘭则镟 i e t n ：阳| 年多其拙b 醐罗套爿露日期：年月。日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 以管材为毛坯，通过各种塑性加工手段，制造管材零件的加工技术称 为管材塑性加工技术。管材塑性加工是对管材的二次加工，属于管材深加 工技术的范畴【”。由于易实现产品的轻量化、强韧化和满足产品的低耗、高 效等要求，并能获得形状复杂的制品，因此管材塑性加工已成为先进塑性 加工技术面向2 l 世纪研究与发展的一个重要方向【2 】。 管材弯曲成形是管材塑性加工技术的一个重要组成部分将平板毛坯、 型材或管材弯曲成一定曲率、一定角度成形出一定形状零件的工艺方法就 是弯曲。管材的弯曲加工，在金属结构、农牧机械、工程机械、动力机械 以及锅炉、石油化工、轻工、管道工程、航空航天等工业部门，占有十分 重要的地位。用管材制造的弯曲零件，无论是平面弯曲件，还是空间弯曲 件，除大量应用于气体、液体的输送管路外，在金属构件中的应用也十分 广泛”1 。 热推弯管作为塑性加工的一个方面，具有广阔的前景。弯管工艺的开 发、加热弯管设备的研制，为管材弯制提供了可靠的基础。对管材热推弯 曲工艺过程进行分析，探求各工艺参数对管材弯曲过程的影响规律，不仅 在理论研究方面有着重要的意义，在实际生产中也有较大的应用价值。 1 2 管材弯曲加工工艺 对管材进行弯曲加工，必须在充分考虑管材的横截面形状特点和影响 弯曲加工的各种因素的基础上，注重解决以下问题【l 】： ， 。 ( 1 ) 根据管件的材料种类、精度要求及相对弯曲半径r d , 相对厚度t d ( d 为管材外径；，为管材壁厚；r 为管件中心层弯曲半径) 选择合适的弯曲加工 方法； ， 。 ， ( 2 ) 采用适当的施加外力或外力矩的方法及采取必要的工艺措施，使管 燕山大学工学硕士学位论文 件的截面形状畸变和壁厚变化量尽可能小； ( 3 ) 采用的弯曲模具及设备尽可能简单、通用，操作方便、安全； ( 4 ) 应保证一定生产率，加工成本尽可能低。 管材弯曲成形经过多年的发展，已形成多种加工工艺。根据不同的依 据，管材弯曲工艺有不同的分类方法。按弯曲方式可分为绕弯、推弯、压 弯和滚弯；按弯曲时加热与否可分为冷弯和热弯；按弯曲时有无填充物可 分为有芯弯管和无芯弯管。这里对各种弯管方式简单介绍如下： ( 1 ) 绕弯绕弯是在立式或卧式弯管机上进行弯曲加工。根据其工艺特 点又可分为有芯弯管、无芯弯管和顶压弯管三种。管材的弯曲加工，大都 是采用绕弯方式。另外，在生产中也常利用简单弯管装置进行手工弯管， 它也属于绕弯方式。由于这类弯管装置制造成本低，调节使用也方便，故 适用于没有专用弯管设备的小批量生产中。 一 ( 2 ) 推弯推弯是在一般压力机、液压机或专用推制机上进行弯曲加工， 主要用于弯制弯头。根据推弯工艺特点又可分为型模式冷推弯管和芯棒式 热推弯管两种。型模式冷推弯管，是在常温下将管坯压入带有弯曲空腔的 型模中，从而形成管弯头。芯棒式热推弯管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和轴向弯曲变形，从而将较小 直径的管坯推制成较大直径的弯头 ( 3 ) 压弯压弯是最早用于管材弯曲加工的工艺方法，它是在液压机上 利用模具或胎具对管坯进行弯曲加工。压弯方法既可以弯制带直段的管件， 又可弯制弯头。目前，压弯主要用于压制弯头，它在弯头生产中已获得广 泛应用。 ( 4 ) 滚弯滚弯是用三个驱动辊轮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，区别仅在于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。通过改变辊轮之间的间隔，就 可作任意曲率半径的弯曲。滚弯方法对于弯曲半径有一定限制，仅适用于 曲率半径要求大的厚壁管件，尤其对弯制环形或螺旋形弯管件特别方便。 ( 5 ) 热应力弯曲热应力弯曲是一种利用工件内部温度分布不均匀所产 生的热应力来驱动工件变形的成形方法。这种方法不需外力作用，因而也 2 第1 章绪论 不需要专门加工模具，便于现场操作，是一种柔性加工手段。加热热源可 。采用火焰或激光，加热方式包括局部加热及加热炉内整体加热；冷却方式 包括空冷、喷水冷却及浸水冷却具体工艺取决于实际工况和工件特征。 ( 6 ) 感应加热弯管感应加热弯管是将感应圈套在管坯上，依靠感应电 流，将管坯局部加热到所需高温，随即对加热部分进行弯曲，并在弯曲后 紧接着喷水冷却，从而获得所需的弯管件的方法。 1 3 热推弯管工艺简介 热推弯管是一种加热、弯曲及冷却连续进行的弯管过程，是防止管材 截面形状畸变与壁厚不均匀的一种新的工艺方法【l l 。 热推弯管成形时一般不利用模具，依靠中频感应电流，将管坯局部加 热到所需高温，随即对加热部分进行弯曲，并在弯曲后紧接着喷水冷却， 从而获得所需的弯管件。 关于加热弯管技术研究的开展主要是由于： ( 1 ) 一些管材弯曲冷弯设备条件难以实现； ( 2 ) 一些管材的材质要求热弯，从而可以获得良好的机械性能； ( 3 ) 一些管材形状复杂，无法冷弯； ( 4 ) 一些弯头是一次性生产，数量少，采用模具冷弯成本高。 根据弯管机所施加弯矩的方法不同，加热弯管可分为推弯式与拉弯式， 其中推弯式又分为：回转式与侧压式。 回转式感应加热弯管成形原理如图1 - 1 所示【1 】。管件2 由送料装置l 推 进，经感应器5 对管件进行局部连续加热，支撑辊3 起送料导向和弯曲支撑 作用，转臂6 对管件进行端部夹紧，可绕定心转动。支撑辊3 和转臂6 联合作 用，形成弯矩，使管件弯曲。用冷却装置4 控制变形区内必要的温度分布， 从而实现连续弯曲。回转式推弯法所得弯曲半径均匀，且调整方便，是目 前主要应用的一种感应加热弯管工艺。 图1 - 2 所示的侧压式方法通过调整侧压轮的位置实现不同曲率的弯曲， 能弯曲任意的弯曲半径，但对起弯段的弯曲半径较难保证，且调整困难， 适用于较完善的自动控制成形。 燕山大学工学硕士学位论文 1 推力挡板2 管坯3 ，支撑辊4 冷却装置5 感应圈6 ，转臂 图l l 热推弯管工艺示意图( 回转式) f i g 1 - 1 s c h e m a t i c p l a no f a x i s - t h r u s tb e n d i n gt e c h n o l o g y ( b a c ks w i n g ) ， 1 管材2 导向辊轮3 感应加热器4 顶轮 图l 一2 热推弯管工艺示意图( 侧压式) f i g 1 - 2 s c h e m a t i cp l a no f a x i s - t h r u s tb e n d i n g t e c h n o l o g y ( s i d ep r e s s u r e ) 本文研究的是回转式热推弯管工艺。 热推弯管工艺具有巧妙的施加外载荷方式。在材料向前送进时，由于 支撑辊、转臂的联合作用，支撑轮与前夹头的管坯段产生弯矩，再利用加 热和冷却装置形成的合理温度场，使变形区在弯矩的作用下产生局部变形。 从热推弯管的工艺可见，该工艺的高温变形区较窄，变形区的截面形 状靠与其毗邻的两端冷态刚性截面的自身形状维持，且该弯管工艺依靠热 区变形，冷区传力，完全避免了其它弯曲方法中模具直接与坯料接触造成 的局部压扁和表面划伤等缺陷，弯曲件断面畸变的控制比较方便。又由于 管坯在弯制过程中施加了轴向推力的作用，使管材外侧的壁厚减薄量减 4 第i 章绪论 感应加热弯管工艺具有以下特点： ， ( 1 ) 大直径厚壁管冷弯时，需要庞大的冷弯管机，占地大，造价高，还 需要昂贵的模具。而中频弯管不需模具，只要按不同的管径配置相应的感 应圈即可。但中频感应机组耗电量大，设备投资也较大j 。 ( 2 ) 感应加热迅速，热效率高，弯管表面不会产生氧化皮。 ( 3 ) 弯管成形质量好，椭圆度和壁厚减薄量都比冷弯时小。弯曲半径调 整方便，适应性强。特别适用于弯曲单个或小批量的大直径管件，因不需 要模具，故制造成本低。， 1 4 热推弯管工艺研究现状 感应加热技术是第二次世界大战中出现的，一九四七年，由西德的左 伊伦博士提出应用于弯管工艺，他把注意力重点放在热处理方面，后来没 有看到有关实用化报道。 图1 1 这种采用感应局部加热钢管，用喷水冷却的办法控制适当的热变 形区，并用导轮支撑导向，由旋转的曲臂夹住管子前端；将管子从后端推 入的新的弯管方法是1 9 6 1 年由日本第一高周波工业公司( d h f ) 申请的专利。 1 9 6 3 年捷克斯洛伐克也申请了类似的专利。 - 我国造船业于1 9 6 9 年自行研制成功第一台感应弯管机，目前已普遍用 于电力建设的管道中常州电力修造厂于1 9 8 5 年引进安装一台按我国技术 要求由日本第一高周波工业公司设计制造的1 0 0 0 千瓦中频弯管机，解决了 我国大型厚壁管弯头的生产困难局面。 、 1 9 8 7 年在日本出现了关于无模弯曲异形管的实验报道。这是将该项技 术应用范围进一步拓宽的标志 1 9 9 2 初，燕山大学( 原东北重型机械学院南校) 自行研制开发出用于弯 曲异形管及复杂断面型材的专用实验设备，在国内首次将该项技术成果应 用于异形管的弯曲。 。 1 9 9 8 年，为了适应技术发展对管道加工提出的新要求( 管道规格和用材 大型化，高强化) ，华北电力大学( 北京) 研制开发了机电液一体化的z w 系 燕山大学工学硕士学位论文 列大型中频弯管机床以及相应的工艺方案。该系列机床可加工的最大管材 直径为1 2 1 9i l l r l ，最大壁厚为1 2 6m r r l 。该系列机床加工能力强，能够利用 计算机自动控制弯管过程。 1 9 9 9 年，西安重型机械研究所成功的自行研制开发出我国第一台液压 式的8 1 3 - - 5 0 0k w 中频感应加热液压弯管机，目前已经成功的弯曲出不同 直径的管件，并全面掌握了该项工艺技术的关键，为该项技术的近一步发 展奠定了良好的基础。 加热弯管的研究发展迅速，而其应用范围也在不断的扩大，越来越引 起研究人员的关注。从理论和试验方面，国内外学者均给予了足够的重视。 ( 1 ) 本构模型的建立加热弯管本构模型关系的建立，可以为各种工艺 参数的确立奠定理论基础，能够在最佳的施力条件下实现高精度的弯曲加 工。 鹿晓阳等对中频感应加热弯管材料的本构关系进行了分析，建立了加 热弯管成形过程材料的本构模型他们对低碳钢不同温度下由静载压缩实 验得到的应力一应变曲线进行分析，得到了当温度t ；，7 5 0 。c 时，低碳钢应 力一应变曲线可用理想弹塑性模型描述的结论。并将理想弹塑性本构模型 用双曲正切函数描斟3 1 。 ( 2 ) 电磁感应与温度分布的解析加热弯管弯曲成形的关键在于合理 地控制变形区参数。而变形区的形成是依据金属材料的变形抗力随温度升 高而降低这一特性，通过合理控制温度场参数来实现的。不同的温度分布， 弯曲变形区也不同，且对弯曲制件质量有较明显的影响。因此，研究加热 弯管弯曲时的温度分布对弯曲工艺参数确定以及加热冷却设备的选择与设 计均有重要意义。 一定厚度的管件，在感应加热时，壁厚方向存在少量的温差，而在管 材轴线方向保持壁厚的若干倍宽度高温区是弯曲成形所必需的，通常冷却 水沿管坯周向喷射，管材沿一定方向移动，这就为保证稳定的高温区创造 了条件。因此，感应器功率和冷却条件参数的确定是热推弯曲成形的重点 和难点，一般采用模糊的经验值。但是由于未考虑工件内部温度极度不均 现象，造成弯曲精度难于控制。 6 第l 章绪论 竹山辉义给出了管内外温度及变形抗力随感应器距离变化的模式，但 未给出它们的定量关系 4 1 文献 5 】测试了以一定速度向前送进的管件在不 同冷却条件下的轴向表面温度，证明在水冷条件下，冷却能力强，变形区 宽度易于控制，但未进行温度场理论方面的解析。 、 福荣久宜等对高频加热与冷却现象进行了解析解的推导，根据加热装 置的感应原理，推导出感应磁场参数，进而得出管材内部发热量的分布状 况【6 】。在冷却方面考虑了水的层流传热及沸腾换热现象，但是对冷却解析解 的推导极为复杂。 浅尾宏等用有限元法模拟了耦合感生电磁场，进而确定出管材内部温 度分布【刀，但计算中未涉及感应效率问题，所得温度分布也仅仅是管材静止 不动，感应加热3 0 秒时的特殊情况，这与实际弯曲加工中温度场的分布还 有一定差距。而且在计算中感应器与被加热管件距离过近，实际上应留出 足够的间隙，允许弯曲时管材有少许偏移，强制冷却条件也未考虑其中 文献【8 】试验了矩形管的热推弯曲，重点对冷却条件参数进行了研究， 分别尝试了管件内外侧单面冷却及管件周向均匀冷却的情况，得出单面冷 却容易诱发管件起皱和塌陷的缺陷，而均匀冷却工艺可以很好的控制制件 的断面形状，满足壁厚减薄的要求，而且弹复很小，弯曲角度及弯曲半径 易于保证。 邵作之研究了中频弯管机的加热功率与推进速度的关系，认为加热弯 管工艺由“预热”、“过渡”j “稳定”三个过程组成1 9 l 。 s k u r i y a m a 并t l t a i d a 分析了加热弯管时的温度分布，用红外温度计测 出了碳钢s t s 3 7 0 管材的温度分布1 1 0 】由于热传导非加热区的温度比室温略 高，高温区的温度约为9 5 0 。c ，低冷温度区的温度已被冷却到约为3 5 0 c ， 中温度区的温度约为8 5 0 。c 。 ( 3 ) 管材弯曲过程中力能参数分析丁沃坎对中频感应加热推弯工艺 按压缩弯曲联合作用进行了分析，解决了塑性变形超静定问题的求解方法， 得出了变形横截面上中性轴向形心外侧偏移的结论，并在此基础上建立了 一套计算公式】。 、 胡忠根据塑性理论和结构静力条件，对中频感应局部加热弯管过程的 7 燕山大学工学硕士学位论文 变形及受力状态进行系统的理论分析，建立新的理论模型，采用无量纲方 法，计算得到在不同相对弯曲半径条件下弯管过程中塑性变形区的无量纲 轴向推力和弯矩、弯管外侧壁厚减薄率和内侧增厚率等结果，与实验结果 符合良好，证明该理论模型可用于中频感应局部加热弯管工艺及设备参数 的设计及优化，并为小半径弯管理论的建立和工艺的实现提供依据【1 2 l 。 ( 4 ) 管材弯曲过程中的横断面变形与壁厚变化分析j u n i e h ie n d o w 、 t a d a om u r o f a 基于能量原理和h i l l 塑性各向异性原理，从理论上近似分析了 材料特性对圆管均匀弯曲过程中横截面椭圆化的影响：截面扁化随硬化指 数的增大而增大，随纵向试样的厚向异性指数的增大和横向试样的厚向异 性指数的减小而增大。 s t a e h o w i e zf 鉴于弯曲后管材外侧拉伸区的变形较内侧压缩区的变形 大，特别是轴向助推力的作用造成应力外移而不对称时尤其明显，即管材 弯曲后的横截面形状与椭圆有较大差别的前提下，提出采用一个扁化因子 和中性层移动量分别用于衡量管材横截面的扁化和中性层的移动，并通过 理论解析获得了扁化因子和中性层偏移量的表达式。 文献【1 3 】首先基于最大剪应力理论和塑性流动理论获得了管材弯曲的 应力应变表达式。以此为基础，推导了内外侧壁厚、管直径的收缩、中性 层的偏移、截面的扁化及管材备料长度的表达式。由于该分析推导过程中 的大量简化和假设，因此其精度不高，且适用性也受到一定的限制 文献【1 4 】根据一些与大量实验一致的变形假设，借助变形理论，研究了 纯弹塑性弯曲下圆管的b r a z i e r 效应，最后依据曲率得到了弯矩和扁化率的 表达式。 文献 1 5 1 对影响变薄量的管径、弯曲半径和壁厚等因素，进行了数学分 析和实验验证，从而得出新的变薄量计算公式。比采用经典力学方法推导 得出的变薄量计算公式具有更高的计算精度。 ( 5 ) j 口热弯管数值模拟分析有限元法与其它模拟方法相比，模拟精度 高，信息丰富，并能考虑多因素的影响，是一种可靠性较高的工艺设计方 法，适用于对成形过程的精密模拟。近年来，随着计算机技术和有限元技 术的逐步发展，有限元法在管材塑性弯曲成形中逐步得到应用。 第1 章绪论 东北重型机械学院的胡福泰编制了管材弯曲三维刚塑性有限元程序。 通过改有限元程序对多种异形断面地管材进行了考察与分析，实验结果与 理论值较为接近1 1 6 1 清华大学的胡忠、李家庆基于a n s y s 软件平台，建立了中频感应局部 加热小弯曲半径厚壁弯管工艺的计算机模拟分析系统，并对相对弯曲半径 1 5 的管材自由推弯和施加反弯矩控制推弯过程进行了分析，获得了壁厚变 化率、截面椭圆率、推力、阻力矩和回弹角随弯曲角度的变化关系【i2 ，切。 并认为增加阻力矩有助于减小壁厚减薄和回弹在模拟过程中，管坯采用 的是三维六面体等参元，夹头、夹臂、导辊及推臂挡板也采用三维实体单 元建模，因此比较耗时。 。 燕山大学的许志强，李学通，杜风山运用弹塑性大变形有限元理论， 在通用有限元软件m a r c 平台上建立了大口径热推弯管弯曲过程的弹塑性 热力耦合模型，并对实际弯曲过程进行加载计算【l 明；基于有限元模拟结果， 文章对钢管弯曲过程中的金属变形规律作了详细分析，同时也给出了断面 形状及壁厚在成形过程中的变化情况。文中利用m a r c 软件良好、开放的 二次开发特性，通过用户子程序解决了热推弯管弯曲过程中局部中频加热 的难题 ( 6 ) 试验研究分析山东建筑工程学院的鹿晓阳等人基于材料力学基本 试验方法和正交试验原理，编制了用于中频感应加热弯管工艺参数一加 热温度和推制速度优化设计的微机程序，并将其成功地应用于生产1 1 9 1 。 鹿晓阳和清华大学的徐秉业等人用模糊数学的方法进一步研究了热推 管工艺参数加热温度和推制速度对弯管质量的影响 2 0 , 2 ”给出了检验 弯管质量的模糊分析方法和设计上述两个工艺参数的三维模糊曲面、二维 模糊曲线及其数学模型。从而使弯管质量检验评定结果更符合实际，使工 艺参数优化设计过程更直观、更简便。 北京理工大学的鄂大辛，宁汝新进行了管材弯曲中壁厚变引起横截面 畸变的试验研究，分析了弯管壁厚的变形状态，利用壁厚变化对弯管内、 外轮廓的形状畸变进行了试验研究1 2 2 j 3 。研究结果表明，管壁材料未发生 失稳变形前所产生的管壁横截面畸变同样应该引起重视，并提出了受弯管 9 燕山大学工学硕士学位论文 内、外轮廓变形所约束的最小相对弯曲半径的近似计算公式。 1 5 选题背景及意义 以管材为毛坯的零件具有优越的力学性能，易实现产品的轻量化，强 韧化，且满足低耗高效的要求，已广泛应用于石油、化工、电站、汽车、 航空航天等国民经济部门。近年来随着先进制造技术水平的发展，对管材 的精确成形、数字化制造技术提出了更高、更新的要求，使得管材弯曲加 工技术处于越来越重要的位置。但是，由于管材的中空结构，且其变形过 程受多重非线性因素的影响，在实践中，管材弯曲工艺还存在很多尚不能 解决的问题，如回弹、起皱、截面畸变等，严重阻碍了管材精确成形及其 数字化技术的普及和发展。因此，有必要对管材弯曲工艺进行进一步的研 究。 从热推弯管发展的历史与研究现状可知，虽然热推弯管的研究工作开 展了近4 0 年，主要着重于加热弯管的本构模型、变形过程的研究，由于理 论推导、假设过多，导致推导的加热弯管的力的理论计算值过大。已进行 的有限元数值模拟的结果由于当时软件功能及计算机水平的限制，所得出 的结果仍与实际有较大的差距。 推弯管作为塑性加工工艺之一，主要依靠经验解决生产实际问题。但 是，由于这种工艺过程非常复杂，单纯采用理论解析方法，难以准确地、 有把握地解决生产实际问题。因而，在研究加热弯管生产技术时，往往采 用实验手段作为基本方法，但实验一般都很困难，需要花费大量的人力和 物力。2 0 世纪末期计算机的出现，提出了计算机模拟的手段，为热加工， 包括加热弯管技术的发展创造了有力条件。采用计算机模拟将大大提高热 加工的科学水平，节约大量实验的人力和物力，可以期望2 1 世纪热加工的 研究模式将转换为“理论+ 计算机模拟+ 实验”，从而以信息化带动工业化， 高技术改造传统工业。 弯管设备是弯管工艺实现的保证。感应加热弯管设备是机械、液压与 电气的有机组合，其中机械部分内各个部分、电气与机械部分之间相对位 置关系的选择确定对加热弯管成形设备设计及工艺参数的选择都有重要的 l o 第1 章绪论 要的意义。 通过分析国内外研究现状可知，目前国内外对热推弯管几何工艺参数 辊轮位置和初始弯曲角，对弯管成形质量的影响还没有深入的研究， 而这些参数的改变会明显的影响弯管的成形质量 因此本课题将在对热推弯管进行理论推导的基础上，应用有限元模拟 软件a n s y s l s d y n a 对热推弯管工艺进行三维有限元模拟，探求辊轮位 置和初始弯曲角对变形过程的影响规律，给出确定这两个工艺参数的方法。 1 6 本文的主要研究内容 热推弯管是加热弯管的一个典型工艺方法，本文将以热推弯管工艺为 研究对象，采取有限元三维数值模拟为主，并同理论分析相结合，主要进 行以下研究工作： ( 1 ) 对推弯管过程进行力学分析，在一定假设条件的基础上，用理论方 法对管材弯曲的弯矩沿轴线方向分布，管坯悬臂段的挠曲及截面的扁化等 问题进行研究。 ( 2 ) 设定温度场参数，建立热推弯管的力学模型，选择适当的单元模型 及材料模型，对热推弯管过程进行有限元模拟。 ， ( 3 ) 研究热推弯管几何工艺参数一辊轮位置和初始弯曲角，对弯管过 程的影响规律。 ( 4 ) 提出合理确定辊轮位置和初始弯曲角的方案。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章热推弯管工艺变形特点与力学分析 2 1 变形过程分析 图2 一l 是无模弯曲的初始状态。在未开始送料之前，首先启动加热装 置，使感应器下的管材先生成一段初始高温区( 8 0 0 9 0 0 ) ，然后开始送 料，进行连续弯曲。如图2 - 1 所示： 蓐虚。u 自 - - - - - - - - - - - - - - 一 hfdb 图2 1 初始弯曲状态 。 f i g 2 - 1 l n i t i ms t a t eo f b e n d ， 当送料开始时，a b h g 范围内是变形高温区，坯料送进时感应器与变 形高温区( 变形区) 相对位置保持基本不变，在坯料送进过程中对管坯进行扫 描加热，从g h 往左的管材断面弯曲时，都要经过变形区入口、变形区中 间及变形区出口，这样一个连续弯曲过程。管材沿进给方向送进，a b 断面 绕回转中心刚性转动，g h 断面随进给运动水平移动，中间断面e f 、c d 等 受a b 、g h 断面的牵连，产生较剧烈的变形，在g h 段未达到出口之前， 变形区内的各个断面的变形状态随进给时间而改变，直至g h 断面到达变 形区出口端为止，这一过程成为无模弯曲的过渡过程。对于g h 左侧坯料 的各个断面，变形时历经变形区内各位置直至成形结束，这些断面在变形 区内同一位置上的变形状态不再随进给时间发生变化，直至变形结束，这 一过程称为无模弯曲的稳态变形过程1 1 6 1 。在研究无模成形时，这两个过程 2 第2 章热推弯管工艺变形特点与力学分析 都是重要的，但就断面变化情况而言，在过渡过程中坯料的变形程度相对 稳态过程较小，故后面章节的分析仅考虑稳态成形过程的断面变化情况。 2 2 热推弯管变形区特点 ， 管件弯曲时，管件弯曲外侧受拉伸长，内侧受压缩短，基于变形连续 性假设，由拉伸区过渡到压缩区，其间必定存在一层应变为零的纤维j 称 为应变中性层。在纯弯矩作用下，外侧拉伸变形量和内侧压缩变形量基本 相等，但是对于中频感应加热弯管这一工艺来说，变形区不仅受到弯曲力 矩的作用，还受到轴向推力的作用，这在很大程度上减小了弯曲外侧的伸 长变形量，同时也增加了内侧的压缩变形量。由于内侧压缩变形量的增加， 使得热推弯管内侧起皱问题较为突出。尤其对于小半径薄壁管的弯曲问题， 更应注意控制内侧起皱。对于这种起皱的控制方法，理论上是减小弯曲变 形区宽度( 即减小高温变形区宽度) ，这类似于压杆失稳现象。因此，在加热 弯管成形时，一定要把弯曲变形区的宽度控制在较小的范围内，也就是保 证高温变形区较窄【i j 。 i p l ( a ) 压制弯曲( b ) 加热弯曲 图2 - 2 弯曲成形力的施加方式 f i g 2 - 2m e t l l o do f t h ef o r c e 加热弯管过程中，随着变形区在被弯管件全长方向上逐步推移，弯曲 角度不断累加。成形中处于变形区两端的管材既起到了限制变形区内管材 截面尺寸增加的作用，同时又可起到防止变形区内管材截面尺寸减小的作 用，类似于常规弯曲中充填和芯棒的效果，由此可见加热弯管成形具有上 述三种防止截面畸变的作用，因而在成形中能较好地维持管件的截面形状。 “撕 燕山大学工学硕士学位论文 更为重要的足，加热弯管弯曲过程中变形区内成形力施加方式与普通弯曲 方法大相径庭【l 】。图2 2 为普通弯管和热推弯管的成形力施加方式。 通过比较可以发现，压制弯曲中的成形力主要靠直接作用在管材表面 上的集中力来形成，这种集中力不仅在数值上较大，而且作用面积极小， 较小弯曲半径弯曲时，加压力p 与支反力l 、2 距离比较小，而此时断面 弯曲变形程度较大，整个断面的塑性弯矩有所提高，所以这种情况下的加 压力p 往往比大曲率弯曲增大很多，而管材p 力的增加量受管材断面自身 承载能力的限制，当加压力p 大于这一承载能力后，管材断面就被压扁。 而热推弯管弯曲时，虽然有力和弯矩在变形区作用，但不是直接作用在变 形区，仅作用在强度较高的毛坯常温部分，且这种弯曲方法变形区宽度较 窄，变形区内材料的变形抗力比变形区外低很多，故变形区外部分可认为 是刚体，所以无论是变形弯矩或轴向压力，都是以分布在整个断面上的内 力的形式传递，变形区内各个断面的内外表面不受任何外力作用，这就为 弯曲成形时断面形状的维持提供了根本的保证。 2 3 热推弯管中的基本几何关系 热推弯曲设备是独立的电气设备与机械设备的组合，热推弯曲工艺参 数中包括了几种重要元器件的相对几何位置关系，对其中某些关键器件的 几何位置关系进行分析，对于热推弯曲设备的设计及工艺参数的选择具有 重要的意义。 2 3 1回转中心与感应器的位置 感应加热弯管工艺中，要求感应器的位置与转臂弯曲回转中心在一个 垂直于管件轴线方向平面内，只有这样才能保证弯曲成形顺利进行和获得 较好质量的制件【l “。 下面假定二者之间血距离的偏差来分析上述要求的重要性，如图2 3 所示： 第2 章热推弯管工艺变形特点与力学分析 。( a )( b ) 图2 - 3 回转轴偏离感应器所在平面弯曲图 ， f i g 2 - 3d i a g r a mo f b e n d i n gw i t hr o t o rd e v i a t i n gf r o mi n d u c t o rp l a n e 这种情况下，坯料向前送进时，a b 截面上所有点均沿着以该点到o 点的距离为半径，0 点为圆心的圆弧刚性转动。断面的运动方向如图2 3 ( a ) 中箭头所示，坯料继续送进，这种变形不断积累，发展到图2 3 所示状态。 可见，要想保证管件正确弯曲，必须使感应器与转臂回转中心处于垂 直于管件轴线的同一水平面内，其原理可用图2 - 4 简单表示： 感 ( a )( b ) 【c ) 图2 4 管材正确弯曲原理图 f i g 2 - 4p r i n c i p l ec h a r to f c o r r e c tb e n do f p i p e ， 如图2 4 所示，感应器相对于回转中心的位置不同时，所弯曲出的管 件形状不同。只有当管件与回转中心在垂直于管件轴线的同一水平面内时 才能弯曲出正确的管形，如图2 - 4 ( b ) 所示。 燕山大学工学硕士学位论文 2 3 2 支撑辊轮及卡头位置 送料侧起导向和支撑作用的辊轮一般采用两对或一对( 料较短时) ，从 辊轮通过感应器直至卡头的一段处于悬空状态，这部分坯料在弯曲成形时， 起传递成形力和力矩的作用，不仅传递轴向的送料力，而且将内力矩传至 变形区。如果该段坯料过长，它在内力矩的作用下就会产生一定量的弹性 变形，使弯曲变形区部分偏离送料轴线，直接使设定弯曲半径发生改变， 严重影响弯曲件尺寸精度。 当卡头与辊轮间距离过短时，因支撑轮与感应器间距有一定的要求， 故必然会使加热冷却装置造成拥挤，不仅给加热冷却装置的安装与调整带 来不便，而且卸、装坯料时也不方便，因此在这一部分的实际设计时应全 面考虑，避免追求极端【1 6 1 。 2 4 热推弯管工艺力学分析 热推弯管工艺从力学角度来说是一种局部加热压缩、弯曲联合作用下 的弯管工艺，从理论上研究该工艺过程，对于预测该工艺的受力状态和优 化工艺参数，指导实践，具有重要意义。 为便于后面的分析，作如下假设【1 1 】： ( 1 ) 被弯管子在局