（材料加工工程专业论文）多凸模主动控制弯曲管材挤压成形机理研究.pdf

摘要 管材弯曲成形作为管材塑性加工的一种工艺方法，在工业生产中占有重要地位。用 管材制造的弯曲零件，不论是平面弯曲件，还是空间弯曲件，其应用广泛。管材弯曲成 形过程中，由于工艺及设备等因素的限制，不可避免的存在各种缺陷，如内侧壁增厚、 起皱，外侧壁减薄、破裂等。为在实际的生产中避免这些缺陷，需要研究一种新的生产 工艺来满足实际的生产。多凸模主动控制制备管材弯曲件，借鉴多点成形技术的形式， 通过控制多个凸模的挤压加载模式和凸模形式，获得一次成形的平面或者空间的弯曲管 件的新的工艺方法。 本文设计了双凸模，三凸模，四凸模多个挤压模型分别进行模拟，通过对多个模型 模拟的后处理分析，研究了双凸模，三凸模，四凸模挤压成形弯曲管件的规律，探讨多 凸模主动控制制备管材弯曲件的机理。 双凸模挤压成形弯曲管件采用有限元法，主要分析了双凸模加载方式对材料流动速 度场的影响。双凸模恒速加载能制备平面内单向的弯曲管件，变速加载能得到平面内双 向弯曲的管件。双凸模之间的加载速度差是影响速度场不平衡的主要因素，速度差值的 大小，影响着管件的弯曲曲率。对应管件的弯曲曲率，有一个最佳的速度差值与最大的 曲率相对应。双凸模速度差是一个多因素耦合作用结果，它受到模型结构，管件壁厚， 坯料高度等条件的影响。在一定的条件下，双凸模速度差有相应的约束条件。 三凸模挤压成形弯曲管件，主要分析了三凸模成形弯曲管件的规律，对各凸模的形 状，速度差与成形弯曲管件曲率的关系给出了解释。三凸模速度差与弯管的曲率关系， 与双凸模相同；第三凸模的形状影响这弯管转向角的大小。 四凸模挤压成形弯曲管件，通过双凸模和三凸模挤压给予的启示，设定四凸模挤压 的加载模式，得到了一个空间弯曲非常明显的管件。四凸模挤压的材料流动的速度场更 加复杂，引入空间速度场，分析弯曲管件的空间转向和弯曲趋势，限定成形空间弯曲管 件的条件，并对成形后的弯管质量等进行了研究。空间速度场是造成弯管空间弯曲的主 要因素：四凸模变速加载能够得到一个空间弯曲明显，质量良好的弯曲管件。 不同形状的弯曲管件，可通过改变多凸模的加载方式和模具结构得到双凸模得到 平面弯管，多凸模挤压不仅能够制备平面弯管，而且能得到空间弯管。 关键词：有限元模拟；多凸模差速挤压；加载模式；空间速度场：变速挤压；弯曲成形 a b s t r a c t a sat e c h n o l o g i c a lm e t h o do fp i p ep l a s t i cp r o c e s s i n g , p i p eb e n d i n gp l a y sa nr o l ei n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n b e n d i n gp a r t sm a d ew i t hp i p e ，i n c l u d i n gp l a n eb e n d i n ga n ds p a c e b e n d i n g ，h a saw i d er a n g eo fa p p l i c a n t i nt h ep r o c e s so fp i p eb e n d i n gf o r m i n g ，b e c a u s eo f c o n s t r a i n tf a c t o r si n c l u d i n gp r o c e s sa n de q u i p m e n ta n ds oo n ，t h ee x i s t e n c eo fv a r i o u sd e f e c t s s u c h 嬲m e d i a lw a l lt h i c k e n i n g , w r i n k l i n g ，t h i n n i n go ft h eo u t e rw a l l ，r u p t u r ei si n e v i t a b l e i n o r d e rt oa v o i dt h e s ed e f e c t si np r a c t i c a la p p l i c a n t ，w es t u d yan e wp r o d u c t i o np r o c e s st om e e t t h ea c t u a lp r o d u c t i o n t h ee x t r u s i o nw i t hm a n yp u n c ha c t i v e l yc o n t r o l l e dt om a k ep i p e b e n d i n gp a r t s ，d r a w i n gt h ec o n c e p to fm u l t i p o i n tf o r m i n gt e c h n o l o g y , i san e wt e c h n o l o g y m e t h o dw h i c hc a l lg e tap l a n eo rs p a c ef o r m i n gt u b eb yc o n t r o l l i n gt h ee x t r u s i o nl o a d i n g m o d ea n dt h ep u n c hs h a p e i no r d e rt os t u d yt h em e c h a n i s mo nt h ee x t r u s i o nw i t hm a n yp u n c ha c t i v e l yc o n t r o l l e dt o m a k ep i p eb e n d i n gp a r t s ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sd i f f e r e n tm o d e l si n c l u d i n gd o u b l ep u n c h ，t h r e e p u n c h ，p u n c hf o u r , s i xp u n c hm o d e lt os i m u l a t er e s p e c t i v e l y t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ef i n dt h eu n i v e r s a ll a w sa b o u tt h ee x t r u s i o nw i t hm a n yp u n c ha c t i v e l y c o n t r o l l e dt om a k ep i p eb e n d i n gp a r t s w em a k eu s eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o dt om a i n l ys t u d yt h ev e l o c i t yf i e l do ft h ed o i l b l e p u n c hs i m u l a t i o nm o d e l p l a n eb e n d i n gt u b ec a nb ep r e p a r e db y c o n s t a n tl o a d i n g , a n ds p a c e b e n d i n gt u b ec a nb eg o tb yv a r i a t i o n a ll o a d i n gm o d e t h ev e l o c i t yd i f f e r e n t i a lb e t w e e nt h e d o u b l ep u n c hi st h em a i nf a c t o rt h a ta f f e c t st h eb a l a n c eo ft h ev e l o c i t yf i l e d t h es i z eo f v e l o c i t yd i f f e r e n t i a lm a k e se f f e c tt ot h ep i p ec u r v a t u r e 功er e l a t i o n s h i po fb e t w e e nt h e v e l o c i t yd i f f e r e n t i a la n dt h ep i p ec u r v a t u r ei st h a tt h e r ee x i s t st h eb e s tv e l o c i t yd i f f e r e n t i a lt o t h el a r g e s tc u r v a t u r eo ft h ep i p e t h ev e l o c i t yd i f f e r e n t i a lb e t w e e nt h ed o u b l ep u n c hi sar e s u l t o fc o u p l i n go fm u l t i p l ef a c t o r s ，w h i c hi si n f l u e n c e db yt h es t r u c t u r eo ft h em o d e l ，t h ew a l l t h i c k n e s so ft h ep i p e ，t h eh e i g h to fb l a n k sa n ds oo n i nc e r t a i nc o n d i t i o n s ，e x i s tt h e c o r r e s p o n d i n gc o n s t r a i n t st ot h ed o u b l e - p u n c hs p e e dd i f f e r e n c e 1 1 1 ee x t r u s i o nw i t ht h r e ep u n c ht op r e p a r eb e n d i n gt u b e sm a i n l ya n a l y z e st h er u l e so ft h e f o r m e db e n d i n gt u b e ，a n dg i v ee x p l a n a t i o nt ot h eb e n d i n gt u b es h a p ea n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es p e e dd i f f e r e n t i a la n dt h ec u r v a t u r eo ft h eb e n d i n gt u b e 强el a w s p e e d d i f f e r e n t i a la n dt h ec u r v a t u r ei st h es a m et ot h ee x t r u s i o nw i t ht w op u n c h ，a n dt h em o r et h e s c a l eo ft h et h i r dp u n c h t h eb i g g e rt h et u r n i n ga n g l eo ft h eb e n d i n gt u b e t h ee x t r u s i o nw i t hf o u rp u n c ht op r e p a r eb e n d i n gt u b e s ，t h r o u g ht h ei n s p i r a t i o nt h e e x t r u s i o no ft w op u n c ha n dt h r e ep u n c h ，s e tt h el o a d i n gm o d e ，a n dav e r yc l e a rs p a c ec u r v e d p i p ei sp r e p a r e d t h em a t e r i a lf l o w i n gv e l o c i t yf i l e di sm o r ec o m p l e x w em a k e u s eo fs p a c e v e l o c i t yf i l e dt oa n a l y z et h et u r n i n ga n db e n d i n gt r e n do ft h eb e n d i n gt u b e ，a n dm a k ea l i m i t t ot h eb e n d i n gf o r m i n g ，m o r e o v e rr e s e a r c ht h eq u a l i t yo ft h ef o r m e dt u b e s p a c ev e l o c i t yi s t h em a i nf a c t o rt h a tc a u s e st h et u b et ob e n d ；t h i sm e t h o dc a np r e p a r eas p a c eb e n d i n gt u b e w h i c hh a v e0 g o o ds u r f a c e t h et u b e so fd i f f e r e n ts h a p e sc a l lb ep r e p a r e db yc h a n g i n gt h el o a d i n gm o d ea n dt h e s t r u c t u r eo ft h ed i e t h ee x t r u s i o nw i t ht w op u n c hg e tap l a n eb e n d i n gt u b e ，a n dt h ee x t r u s i o n w i t hm o r ep u n c hc a np r e p a r ea s p a c e o rp l a n eb e n d i n gt u b e k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；d i f f e r e n t i a ls p e e de x t r u s i o no fm u l t i p u n c h ；l o a d i n g m o d e l ；s p a c ev e l o c i t yf i l e d ；e x t r u s i o nw i t hv a r i a t i o n a ls p e e d ；b e n d i n gf o r m 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着科学技术的发展，国际市场竞争加剧，知识经济和绿色制造兴起，材 料加工领域既面临着严峻的挑战又充满机遇【。塑性成形技术，作为材料加工工程的重 要组成部分，经过技术改革和创新，不但传统的塑性成形技术焕发了活力，而且一些新 的成形技术在实际中产生。先进的塑性成形技术向着产品轻量化、高强度、高精度，高 效、低耗，数字化和智能化的方向发展。先进塑性成形技术与数值模拟技术相结合，涉 及材料学、力学、机械与计算机应用等多个学科，具有技术密集、高增值、高技术、知 识密集的特点，是先进材料技术的重要支柱，在推动我国科技、经济和国防现代化的进 程中具有重要作用【2 】。由于产品质量要求的不断提高，为了节约能源和时问，需要利用 先进的计算机技术对工艺进行科学定量的分析，然后再进行实际生产。 管材塑性加工是以管材做毛坯，通过各种塑性加工手段，制造管材零件的各种加工 技术，是对管材的二次加工，属于管材深加工技术的范畴。管材在现代生产中应用广泛， 除大量用于气体和液体的传输管道外，还可制成机械零件和工程结构件应用于机械、轻 工、交通运输等工业部f - jr 3 1 。 管材弯曲成形作为管材塑性加工的一种工艺方法，在工业生产中占有重要地位。用 管材制造的弯曲零件，不论是平面弯曲件，还是空间弯曲件，主要作为气体、液体的输 送管道和结构件，应用广泛。管材弯曲成形过程中，由于工艺及设备等因素的限制，不 可避免的存在各种缺陷，如内侧壁增厚、起皱，外侧壁减薄、破裂等。为在实际的生产 中避免这些缺陷，需要研究一种新的生产工艺来满足实际的生产。 在金属制品和机械零件的生产中，挤压技术作为一种先进的生产工艺，可大幅度的 提高生产效率、金属材料的利用率和产品的精度，各工业国家非常重视。挤压工艺属于 少无切削的金属塑性加工工艺，所成形的零件达到或接近成品零件的尺寸。随着模具材 料性能的提高和成形设备的改进，挤压工艺在生产中的应用越来越广。 将精密的挤压技术应用到弯曲管件成形工艺上，利用挤压时模具型腔内金属材料流 动的特点，分析影响金属流动的各个因素，确定挤压时金属流动的速度场，通过改变金 属在挤压过程中的流动速度场的速度矢量方向，使得材料在挤压过程中向着所设定的方 向弯曲，从而可以制得不同曲率和半径的管材弯曲件。 随着科技的发展，成形过程模拟系统的建立，推动着工业进程的发展。成形模拟系 统是将塑性有限元理论、塑性成形工艺学、计算机图形处理技术等相关理论和技术进行 结合的过程1 4 1 将挤压技术，管材弯曲工艺和先进的计算机数值模拟方法相结合研究管 材弯曲件的成形工艺，可以对实际生产进行指导，对提高生产效率，降低能耗有一定的 意义。 第一章绪论 1 2 弯管成形国内外研究现状 弯曲管材生产，在航空航天、汽车、轮船等现代工业中占有重要的地位，国内外研 究人员针对管材在弯曲过程中，外侧壁减薄、破裂，内侧壁增厚、起皱和横截面畸变， 以及卸载回弹等技术难点进行攻关，目前为止仍未得到有效解决 5 - 6 】。国内外研究学者针 对管材弯曲的研究，主要从理论分析、实验研究、数值模拟这几方面丌展。下面从工艺 和理论研究分析两个方面介绍国内外的研究现状。 一、管材弯曲工艺研究 经过多年的发展，管材弯曲已经生成多种成形工艺。根据不同的依据，弯管工艺有 多种分类方法在一些特殊的管材弯曲中，会根据具体情况增加一些特殊的设计，以满足 管件特定的成形要求。管材弯曲工艺分类方法多种多样，下面就实际生产中主要采用的 弯管工艺和新研发的已应用或未应用的到实际中弯管工艺进行介绍。 ( 1 ) 常用弯管工艺：压弯、推弯、滚弯、拉弯、绕弯 a 、压弯：由凸模推动管材使之沿摆动凹模弯曲，如图1 1 。这种装置可以成形带有 直线段管的弯管或者弯头。装置简单、价格低廉，但制备的零件不够理想。弯曲部位畸 变严重，且角度有限。 图1 i 压弯 f i g i 1p r e s sb e n d i n g b 、推弯：工作原理如图1 2 ，将管坯放置于弯曲模具导套2 内，在凸模的作用下， 管件毛坯3 被挤压，经过凹模5 ，被弯曲成所要求的曲率形状。由于端头易被压缩，管 件毛坯中可放置芯模，防止变形，它同管件一起被推出，然后从管件中取出。推弯不能 制造带有直线段的弯头，对较大曲率半径的弯管也不适合。 第一章绪论 蚕蕊茴 l 、凸模2 、导套3 、管件毛坯4 、芯棒5 、凹模6 、弯曲管件 图1 2 推弯 f i g 1 2p u s hb e n d i n g c 、滚弯：用三个或者四个驱动轮对材料进行弯曲，可通过调节滚轮之间的间距， 改变管材的弯曲率。此方法仅适用曲率半径较大的管件的成形。 图1 3 滚弯 f i g 1 2r o l lb e n d i n g d 、拉弯：将管材压靠在固定凸模上，对管材两端同时施力，使管材沿凸模成形。 此方法难以维持弯曲毛坯截面形状，不适合中空管件成形，尤其是薄壁管件。 图1 4 拉弯 f i g 1 2r o l lb e n d i n g d 、绕弯：加紧凹模对管材施力，使管件绕固定的回转凸模弯曲，且使活动压模回 转以进行弯曲。 图1 5 绕弯 f i g 1 5w i n db e n d i n g 第一章绪论 ( 2 ) 新的弯管工艺 a 、热应力弯曲：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 成形方法热应力弯曲原理图如下所示【7 】： 图1 6 热应力弯曲 f i g 1 6t h e r m a ls t r e s sb e n d i n g b 、中频感应加热弯管：将管坯固定在中频感应装置上，依靠中频感应电流加热管 坯变形部分到所需的温度，随即施加推力或拉力对加热部分进行弯曲，并在弯曲后紧接 着喷水冷却，从而获得所需的管件【8 1 。中频感应加热弯管原理图如下所示： 1 管坯2 支撑滚轮3 感应圈4 夹头5 转臂 图1 7 中频感应加热弯曲 f i g 1 7h e a t i n gb e n d i n g 、析t l lm e d i u mf r e q u e n c yi n d u c t i o n c 、m o s 原理弯曲管材：圆柱形坯料在推力的作用下沿导向圆柱运动，导向圆柱出 口端有一个以球轴承为支撑点的移动模，移动模可以在垂直管坯运动方向的平面内移 动。通过管坯轴向的进给运动，管坯会随着移动模位置和偏转方向的改变，而产生相应 的弯曲。利用这种弯曲设备成形管材的基本原理是m o s 弯曲原理，它可方便地实现管材 的空间弯曲，但缺点是必须根据截面不同的管材定制不同的模具，模具不能通用【9 】。其原 理图如下所示。 图1 8m o s 原理弯曲 f i g 1 8m o sb e n d i n g d 、分段引导式管材弯曲：通过控制外部各个弯曲盘，分段引导挤压材料的流动， 卫 取辫八肖 第一章绪论 使挤压管材沿着链条芯轴弯曲的方式【1 0 1 。原理图如下： 图1 9 通过分段引导设备弯曲 f i g 1 9b e n d i n gw i t hs e g m e n t e da n dg u i d i n gd e v i c e e 、牵引式管材弯曲：通过弯曲臂的牵引以及局部加热和冷却实现直管件的弯曲和 定型【1 。原理图如下： b - d l n 口m 州州 图1 1 0 局部加热和冷却弯曲成形 f i g 1 10h e a t i n ga n dc o i l i n gb e n d i n go fp a r t g 、叠加侧向力管材弯曲：利用叠加法原理，当塑性成形时，利用一个相对成形力f 来说很小的侧向力f 侧实现弯曲。在具体实现过程中，这个很小的侧向力可通过一个偏 转轮施加，产生一个很小的弯曲力矩，影响金属流动，从而实现可控制曲率的弯曲加工 【1 2 】 o 压e 增 图1 1 1 叠加侧向力管材弯曲 f i g 1 11 b e n d i n gw i t hl a t e r a lf o r c e h 、数控机床弯曲成形：将先进的数控技术与传统弯曲工艺绕弯相结合，通过数控 程序控制管件的弯曲角度，实现管件的可控弯曲【3 1 ，其原理图见图“。 第一章绪论 囵四 弯曲模 图1 1 2 数控弯曲成形 f i g 1 1 2c n cb e n d i n g 一截面 i 、管材多孔挤出弯曲成型：管材多孔挤出成形是通过改变孔的个数以及孔的分布 位置，从而改变金属材料流动趋势，由于各孔的偏心率不同，使得金属的在出口处出现 不平衡流动，导致管材发生弯曲【4 1 。 一一 a lt w o - h o kf b l 廿1 沿e h o l e 1 釜誓二- 雠 ( c ) f o u r h o l e 图1 1 3 管材多孔挤出成型 f i g 1 13e x t r u d e dm b e sw i t hc u r v a t u r e 二、管材弯曲成形理论研究 近年来，管材弯曲成形理论进展较缓慢，没有得到新的突破。管材弯曲一直沿用板 材弯曲和梁弯曲的理论，且主要集中在如下几方面： ( 1 ) 管材弯曲过程力能分析 k u r i y a m as ，a i d at 等将管材设为刚塑性体，且管材在加热中，温度在厚度方向均匀 分布，截面平均壁厚不变，对高频感应加热大直径碳钢管材弯曲，利用弹塑性梁弯曲理 论进行力学分析，得到转臂无阻力矩时的弯曲轴力表达式【”l 。 t a n gn c 在塑性变形理论所获得的应力表达式的基础上，获得了管材弯曲过程中的 弯矩表达式【i6 1 。 ( 2 ) 管材横截面变形和纵向拉伸分析 j u n i c 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【1 7 】。 t a n g n c 基于最大剪应力理论和塑性流动理论得到了管材弯曲的盈利表达式，推导 第一章绪论 出内外侧壁厚、管材直径的收缩、截面扁化、中性层偏移等表达式，由于表达式是在假 设条件最大化的情况下提出的，所以公式受到限s o t l 5 】。 ( 3 ) 管材弯曲起皱和破破裂分析 k y r i a k i d es 等利用小应变假设和板壳理论，对圆管纯弯曲过程中的起皱进行预测， 所得结果与实验吻合，但缺点是起皱波长较实验偏长【1 8 】。 f r o d ep a u l s e n 和t o r g e i rw e l o 等提出预测单、双矩形管弯曲横截面变形的解析模型， 提供了预测横截面变形的显示算法，包括起皱前，起皱，起皱后以及弯曲变形的各个阶 段，得到了宽厚比是引起内侧起皱的主要因素等结论【1 9 】。 同本学者吉田j 下敏等对挤压矩形截面铝合金管材无芯绕弯过程中，压缩区的起皱和 拉伸区的应变进行了理论预测，提出起皱波纹的高度与弯曲半径，宽厚比，弹性极限应 力和材料硬化指数有关等结论【2 0 1 。 ( 4 ) 卸载回弹分析 p a nk 和s t e l s o nk a 通过最小能量原理获得管材弯曲后的位移场和截面转动惯量，此 转动惯量是基于弯曲变形后考虑截面扁化和壁厚变化的横截面形状得到的，有助于提高 回弹预测的精度【2 i l 。 h z li 等对管材绕弯回弹进行了研究，通过对管材绕弯回弹进行分析，认为管材绕 弯回弹角由弯曲段和过渡段两部分组成，从而建立了管材绕弯回弹角计算的解析模型，运 用实时测量的弯矩来计算回弹角【2 2 1 。 j e m i l l e r 等人假设管形状和载荷沿长度方向不变，描述了一个适用于挤压铝合金矩 形管件拉弯的二维模型，采用该模型研究了加载路径和拉、压力对回弹的影响【2 3 】。 张旭光等研究了管材数控弯曲及回弹的特点，针对弯管的弯曲段和过渡段分别建立 不同的解析模型，提出一种以刚塑性有限元法来计算管材数控弯曲过程的应力场和预测 模型相结合来预测管材回弹的新方法1 2 4 1 。 综上，由于影响管材弯曲的因素多而复杂，且各因素之间还存在复杂的耦合关系，再 加之产品品种繁多，因此实验和理论研究都十分困难，需要依靠研究人员不断深入的研 究。 随着计算机性能的提高、计算机图形学的发展以及有限元技术的成熟，出现了许多 商业有限元软件。将有限元软件引入管材弯曲的研究，可以高效准确地分析成形过程、检 验模具模型，预测成形产品质量，大大降低模具设计成本和风险，有限元模拟技术是管材 弯曲发展的趋势。 1 3 课题的研究背景及意义 1 3 1 研究背景 现代工业生产，管材除大量用于气体和液体管道工程外，在航空航天、机械、化工、 轻工、交通运输等工业部门也被广泛应用。由于容易实现产品的轻量化、强韧化和满足 低耗高效、精确制造等方面的要求，且能够获得形状复杂的制品，因此管材塑性加工在 2 l 世纪成为先进塑性加工的一个重要方向【2 5 1 。管材弯曲成形作为管材塑性加工的重要组 第一章绪论 成部分，不论其成形件是二维平面的，还是三维立体空间的，在气体、液体的输送管路， 汽车、飞机等大型装备中都很常见。例如，在汽车工业中，采用管材作为车身结构和保 险杠，不但具有与钢铁制件同等的抗冲击强度，而且减轻了车体质量；当汽车发生碰撞 等意外事故时，管材结构可吸收碰撞的冲击能，保护乘客的安全。由于航空航天等高科 技产业的迅猛发展，对弯曲管材的质量要求越来越高，因此管材弯曲成型的研究，在国 内外备受关注，并得到迅速发展。 在实际生产中，由传统工艺生产的管材弯曲件多存在外侧壁减薄、破裂，内侧壁增 厚、起皱，横截面畸变等缺陷。这些缺陷大大限制了管材弯曲件的质量和应用范围。且 随着大口径薄壁管小弯曲半径和难变形材料管的推广，上述问题同益严重。针对弯管弯 曲过程中所存在的缺陷，国内外研究学者从理论分析、实验研究、有限元模拟等方面研 究，取得了一定的成果，发展了许多新的工艺。这些新的工艺应用于实际，指导着实际 的生产。 1 3 2 研究意义 在长期的金属挤压研究中发现，直管材在挤压过程中由于不理想的摩擦情况，在挤 压过程中会产生一个轻微的侧向力，此侧向力会导致直管挤压完成后产生轻微的弯曲。 直管件是金属材料在挤压过程中厚管坯材料重新分布制得的，即挤压过程中坯料内部金 属会产生一个流动的速度场，挤压直管件的流动速度场是均匀的，直管会发生轻微的弯 曲，显然是外界的某一个因素改变了金属挤压流动的速度场。假设我们找到这一因素， 并人为的增大它，就会得到弯曲更加明显的管件。 分析直管材的挤压过程，发现模具结构、坯料几何形状、材料性能、润滑条件等因 素都会造成挤压出口材料流速不均匀，导致挤压件出现弯曲现象。根据这一现象，首先 我们改变模具结构，采用偏心模具利用其不对称性控制挤压过程中材料的不平衡流动， 发现能够得到管材弯曲件，或者将模具的整体凸模结构为分块凸模，分别控制每个凸模 的运行速度，同样得到弯曲的挤压管件。 将整体凸模分为两块或者更多部分制备弯曲管件的挤压，称为多凸模挤压。多凸模 挤压近似于金属板料无模多点成形技术，金属板料无模多点成形技术多用于板料，多凸 模挤压是将块料或者棒料放入挤压筒中的体积成形技术。多凸模挤压制备弯曲管件，提 出了一个弯管新的研究工艺。研究多凸模挤压制备弯管成形的规律，不但是多点无模成 形技术的一个补充，而且提出了弯管的新的研究方向。利用精密成形技术使金属材料重 新流动分布的规律，可以避免传统工艺所出现的各种缺陷，制备弯管的质量良好，为实 际弯管的生产奠定了一定的基础，具有重要的意义。 1 4 本课题的主要任务 本课题的主要任务是研究多凸模挤压制备弯曲管件的成形规律，包括挤压金属材料 流动规律，影响挤压金属流动的各个因素与所成形弯曲管件的关系，挤压制备弯管时的 最大载荷，挤压弯管的质量如何，是否存在外壁减簿、破裂，内壁增厚、起皱的缺陷。 第一章绪论 按照多凸模挤压时的凸模个数，又可分为双凸模差速挤压制备弯管成形分析，三凸模差 速挤压制备弯管成形分析，四凸模差速挤压制备弯管成形分析，以至于多凸模差速挤压 制备弯管机理推导。 凸模之间的速度差通过影响挤压金属的流动间接作用于所制备的弯曲管件，速度差 又可分为恒定的速度差与变化的速度差两种，对于双凸模，主要研究在不同的控制方式 下，速度差、模具结构等因素对弯管曲率的影响，即不同的加载方式能够制备不同曲率、 不同形状的平面弯曲管件的规律。 三凸模在双凸模研究的基础上，对均分与不均分这两种挤压形式进行分析，研究三 凸模成形弯曲管件的形状，三凸模之间速度差如何影响弯管的曲率半径，怎样控制地三 凸模对弯管空间转向的影响等。 假如，双凸模挤压能够制备平面内弯曲的管件，三凸模挤压能够得到空间转向不明 显的弯曲管件，想要得到空间内多道次弯曲，且其空间三维性非常明显的三维弯管，四 凸模挤压能是否能满足条件，如何设定凸模的控制方式。在上述研究的基础上，总结归 纳多凸模的基本规律，加载控制方式不同，凸模个数不同，可以制备平面内弯曲，空间 内自由弯曲的具有不同曲率的弯曲管件。 第二章有限元分析基本理论及应用 2 1 引言 第二章有限元分析基本理论及应用 随着计算机技术的发展，有限元分析在生产实际中的应用越来越广泛。有限元分析 ( f e a ) 又叫有限元方法( f e m ) ，它将复杂的问题简化后再求解。其求解域可看成是由 许多称为有限元的小的互联子域组成，假定每一个单元都有一个合适的近视解，推导求 解这个域的总的满足条件，从而得到问题的解。此解不是真实解，而是一个近似解，这 是因为复杂的实际问题被较简单的问题所代替。可通过不断提高有限元的计算精度，使 得较简单的问题不断逼近与复杂的问题，从而能够更加真实的反应实际的问题。有限元 分析从结构工程强度分析计算，扩展到几乎所有的科学技术领域，通过有限元数值模拟 分析可以预测实际的生产状况，在产品制造i ； 发现潜在的问题，能够降低生产成本，缩 短循环周期，同时模拟各种试验方案，减少试验时间和经费【2 6 - 2 7 1 。 金属塑性成形过程复杂，以连续介质力学观点分析，塑性成形过程中存在几何非线 性和物理非线性，加之初值条件的复杂性以及数学处理上的困难，对金属塑性成形过程 的分析存在很大的难度。将有限元法和塑性成形理论相结合，应用先进的计算机图形技 术将金属的塑性成形过程重现，大大减小了分析的难度。金属塑性成形模拟中的有限元 法可分为固体型和流体型两类，根据材料特性、初始条件、变形情况对不同的金属塑性 变形情况，选用不同的有限元理论方法进行分析。 弯管挤压成形，是利用挤压技术，通过材料在挤压型腔内流动性的不同制造弯曲管 件。弯管成形属于大变形的金属体积成形问题，可利用有限元法中的刚塑性有限元法进 行考虑，因为刚塑性有限元简化了有限元计算列式，使得计算过程大为简化，计算效率 提高。刚塑性有限元法在体积成形中的应用越来越广泛，成功的解决了金属塑性成形中 的许多问题，基于刚塑性有限元理论的商业软件d e f o r m 被应用于挤压工艺中，称为 研究金属体积成形的一个不可缺少的工具。 2 2 管材成形力学分析 2 2 1 管材弯曲变形特点 传统弯曲管件的加工方法是在直管的基础上所进行的二次加工，由于管件材料性 能、尺寸、加工硬化等因素的影响，当管材在外力矩m 作用下弯曲时，外侧材料受到 切向拉应力拉伸而伸长，外侧材料受到压应力压缩而缩短，见图2 1 。管材弯曲过 程中，切向应力和切向应变的分布是连续的，从弯管外层拉应力到内层压应力， 必然有一个过渡的中性层，中性层的长度等于管坯的长度，所受到的切向应变岛= 0 ， 中性层在弯管中的位置用曲率半径岛表示【2 弘3 0 】。不考虑管材在弯曲时的截面的变化，其 第二章有限元分析基本理论及应用 应力的分布见图2 1 。管坯在弹性弯曲变形阶段应力沿断面线性分布，应力应变关系遵 循胡克定律，应力应变中性层均重合并通过断面重心，当弯曲变形程度超过材料的屈服 极限后，变形改为塑性。应力和应变中性层分离，且随弯管曲率的增大向曲率中心方向 移动。 图2 1 管材弯曲受力图 f i 9 2 1t h es t r e s sa n ds t r a i no ft u b eb e n d i n g 挤压弯曲制备弯曲管件是利用材料在挤压时的重新分布流动而得到弯管的。在挤压 过程中，作用在管坯上的外力有挤压杆的压力，模孔端面的反作用力，凹模型腔和芯棒 表面的摩擦力，由于管坯前端金属有向外侧的流动的趋势，所以模子端面的摩擦力指向 模孔【3 l - 3 4 1 。管坯材料在整个挤压过程中均处于三向压应力状态，即轴向应力、径向应力 和周向应力，由于模口前端没有受到任何的压力，这导致轴向应力沿着径向的分布不均 匀，导致材料的流动不均匀，扩大材料流动的不均匀性，使得管坯一端的流动速度大于 另一端，从而得到弯曲管件。 2 2 2 管材弯曲变形应力应变关系 应力应变之间的关系叫做本构关系，表达这种关系的方程式称为本构方程。管材弯 曲变形属于塑性变形中的大变形问题，变形过程中应力应变之间的关系有如下特点 【3 5 3 6 】： ( 1 ) 应力与应变之间的关系是非线性的； ( 2 ) 塑性变形体积不变； ( 3 ) 对于应变硬化材料，卸载后重新加载的屈服应力就是卸载时的屈服应力，比初 始的略高； ( 4 ) 塑性变形不可逆，与加载历史有关，应力应变不在保持单值关系。 2 3 金属体积成形数值分析理论简介 金属塑性成形根据选用的初始坯料的形状和变形过程中材料流动的特点，一般可分 为金属体积成形和板料成形。金属体积成形工艺包括锻造、挤压、拉拔等，坯料在模具 的作用下一般都发生三维方向上的流动变形，而且不同的成形工艺，流动的特点和变形 规律也不同。金属体积成形数值模拟技术在实际生产中应用非常广泛，主要采用刚塑性 有限元方法，对于存在温度场的，还要进行热力耦合分析，分析坯料在流动过程中的速 第二章有限元分析基本理论及应用 度场，应力应变场等【3 7 删。 2 3 1 刚塑性有限元法 对于弯曲管件挤压成形这种大变形问题，材料的体积变形量相对于塑性变形量可以 忽略不计，可视为刚塑性材料，针对这种刚塑性材料建立的有限元法称为刚塑性有限元 法。在体积成形中应用的刚塑性有限元法，每一加载步的计算，是在之前材料累加变形 的几何形状和硬化状态的基础上进行的；而且每步变形增量很小。因此，可用小变形的 计算方法处理塑性变形问题，直接获得应力值不具有累计误差，计算模型简单。但由于 忽略了弹塑性变形，刚塑性有限元法不能进行卸载分析，无法得到残余应力、变形及回 弹的数据，只能通过有限元软件后处理直观的进行分析。 刚塑性有限元法的的塑性变形材料是理想化的，且满足应力平衡微分方程，本构方 程，屈服准则，几何方程，体积不变条件等关系。这种理想化的关系在实际生产中是很 难找到的，将变分原理引入刚塑性有限元法，能率泛函取得驻值就可得到真实的速度场， 进而由本构方程得到应力场【37 郴】。 2 3 2 热力耦合分析技术 由于冷挤压过程中，挤压力很大，容易模具的损坏。在弯管挤压过程中，适当提高 铝合金的成形温度可减少挤压力，同时也提高了模具寿命。在挤压过程中，根据材料特 性提高成形温度，能够减小挤压力，提高模具寿命。在金属塑性变形过程中，变形分析 和传热分析是非常重要的，必须同时求解给定温度下的金属塑性变形速度方程和热传导 方程，即热力耦合分析 4 6 4 3 】。 2 3 3 速度场分析理论 材料产生塑性变形时，应力应变之间的关系称为本构关系，用增量的形式反映这种 关系的理论叫做增量理论。增量理论又称流动理论，是描述材料在成形中，每一时刻材 料的变形状态的理论。材料的这种变形状态包括应力与应变增量或者应变速率的关系。 l e v y - m i s e s 流动法则和p r a n d t l r e u s s 流动法则，在材料流动理论中应用最为广泛。 两个理论均与加载路径有关，反映了塑性变形随着加载情况的不同而产生复杂的变化， 都是在理想的条件下求解变形结果的。它们的不同点是，l e v y - m i s e s 流动法则不考虑弹 性变形，p r a n d t l r e u s s 流动法则考虑，所以l e v y m i s e s 流动法则仅适合大变形的应力场 问题 4 4 - 4 5 1 。 2 4 有限元模拟软件d e f o r m 简介 d e f o r m 由s f t c 公司开发研制，是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导 和成形设备特性，并基于工艺模拟系统的有限元模拟仿真分析软件。d e f o r m 可模拟 自由锻，模锻，挤压、拉拔、轧制等多种塑性成形工艺过程，包括冷、温、热塑性成形 第二章有限元分析基本理论及应用 问题、多工序塑性成形问题、模具应力和弹性变形及破损的模拟分析。能够提供有价值 的分析数据，如材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒变化、金属微结构和 缺陷产生发展情况等。 d e f o r m 适用于刚性、塑性及弹性金属材料等的成形过程。d e f o r m 有限元软件 与c a d 造型软件无缝对接，方便用户导入模型，利用d e f o r m 模拟整个金属的成形过 程，帮助技术人员设计工模具和产品分析流程，可以预测各种成形缺陷的产生、优化模 具设计和工艺方案、减少现场生产试验和修模时间及费用。 d e f o r m 软件是一个高度模块化、集成化的的模拟系统，主要包括有限元模拟器、 前处理器、后出器和用户处理器四大模块，有限元模拟器集弹性、弹塑性、刚塑性、热 传递等于一体，可考虑应变，应变速率和温度对流动应力等的影响。其中d e f o r m 3 d 模块专门用于分析各种金属体积成形过程中的三维流动，其拥有强大的模拟引擎，能够 分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。本文是利用 d e f o r m 一3 d 来分析弯曲管件挤压成形的规律，分析管材流动速度场的变化【矧。 2 5 本章小结 本章介绍了弯曲管件成形过程中的受力特点，体积成形理论以及有限元法和有限元 模拟软件d e f o r m 的一些知识，便于在实际模拟中的应用。 第三章双凸模挤压成形弯管数值模拟 3 1 引言 第三章双凸模挤压成形弯管数值模拟 通过制造金属材料内部不平衡的速度场，使模具出口处两边的材料质点流动不一 致，双凸模恒速加载可以制得单方向的弯曲管件。所制备的弯曲管件与传统工艺相比， 其避免了内侧壁增厚、起皱，外侧壁减薄、破裂等工艺缺陷。双凸模挤压制备弯曲管件 的质量受到很多因素的影响，如变形温度，变形速度，模具结构，润滑条件等，每个因 素都影响着管件成形后的质量，因此研究各个挤压因素对双凸模挤压成形弯曲管件的影 响具有重要作用。 双凸模挤压是从模具结构方面制造金属流动不平衡性的。它将传统的整体凸模分为 两个部分，而挤压筒、挤压坯料等零件形状不变。在整个挤压过程中，分别给定两个凸 模不同但恒定的速度值。通过控制两个凸模的挤压速度的变化，使所挤压金属坯料内部 金属流动出现速度梯度，形成一个不平衡的速度场。金属流动的不平衡速度场诱导管材 的弯曲，双凸模之间的速度差又是流动速度场不平衡的主要因素，因此本章建立有限元 模型，设定不同的参数，进行了多次模拟，研究双凸模挤压速度差与