（材料加工工程专业论文）轿车副车架管坯数控弯曲工艺研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 数控弯管工艺在航空、船舶、汽车等行业中均占有重要地位，尤其是随 着内高压技术的发展，对数控弯管工艺提出了更高的要求，也产生了很多7 待解决的工艺问题。 本文对直径为4h 6 3 . 5 m m，壁厚为2 m m的低碳钢管材的数控弯曲成形过 程进行了三维有限元模拟，分别研究了不同弯曲半径、芯棒形式、芯棒直 径、芯棒位置和有无防皱块等参数对管材壁厚分布、起皱现象和截面形状的 影响。结果表明当弯曲半径大于 1 1 0 m m，使用防皱块和勺形芯棒，芯棒与 管材间隙为 i m m 时管材壁厚变化率较小，且基本无起皱和截面形状变化现 象，弯曲效果比较好。 本文推导了管材弯曲变形时应力应变公式，并根据模拟结果，分析了弯 曲参数对应力应变分布的影响。得到了弯曲时壁厚严重减薄的原因是由于外 侧拉应力过大;内侧起皱是由内侧轴向压应力和环向压应力过大引起的;截 面畸变是由外侧拉应力产生的方向向下的合力造成的。 本文刘 一 单弯弯曲件进行了数控弯曲试验，得到了与数值模拟相近的结 果。并通过对不同弯曲参数下的结果进行比较，得出当无防皱块时，管材严 重起皱，使用防皱块后，基本无起皱现象;相对弯曲半径较大，壁厚变化较 小;合理的芯棒直径有助于防止弯曲 起皱，提高壁厚均匀性。 通过对数值模及试验结果的综合分析，对管材弯曲工艺中弯曲参数进行 系统性优化设计，确定了某型号副车架内高压成形预弯曲工艺的弯曲参数。 最终成形件基本无缺陷，且壁厚分布比较均匀，能够满足后续内高压成形的 要求。 关键词副车架;数控弯曲;数值模拟;弯曲参数 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 abs t r a c t n c t u b e b e n d i n g p r o c e s s p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n m a n y i n d u s t ry f i e l d s s u c h a s a e r o n a u t i c s , s h i p b u i l d i n g a n d a u t o m o b i l e , e s p e c i a l l y w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f h y d r o f o r m i n g t e c h n o l o g y , m a n y t e c h n o l o g i c a l p r o b l e m s a r e f a c e d a n d r e s e a r c h e d t o m e e t m o r e a d v a n c e d d e m a n d s o n t h e n c t u b e b e n d i n g p r o c e s s . i n t h i s d i s s e rt a t i o n , t h e n c b e n d i n g p r o c e s s o f a l o w c a r b o n s t e e l t u b e w i t h 2 . 0 mm i n t h i c k n e s s a n d 6 3 . 5 mm i n o u t e r d i a me t e r h a s b e e n s i mu l a t e d wi t h v a r i o u s b e n d i n g p a r a m e t e r s , i n c l u d i n g b e n d i n g r a d i u s , m a n d r e l p o s i t i o n s , d i a m e t e r s o f m a n d r e l , m a n d r e l s t y l e s a n d w i t h o r w i t h o u t w i p e r d i e . t h e e ff e c t s o f t h e p a r a m e t e r s o n t h e t h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n , w r i n k l i n g a n d c r o s s s e c t i o n s h a p e a r e a n a l y z e d . i t i s i n d i c a t e d t h a t w h e n t h e b e n d i n g r a d i u s i s l a r g e r t h a n 1 1 0 m m , w i p e r d i e a n d s p o o n - s h a p e m a n d r e l a r e u s e d , a n d t h e c l e a r a n c e b e t w e e n m a n d re l a n d t u b e i s i m m , t h e r e a r e l e s s c h a n g e o n t h i c k n e s s a n d c r o s s s e c t i o n , a l s o n o w r i n k l i n g . t h e s t r e s s a n d s t r a i n f o r m u l a t i o n s o f t h e b e n d i n g p r o c e s s a r e s e t u p . t h e i n fl u e n c e o f v a r i o u s b e n d i n g p a r a m e t e r s o n t h e s t r e s s a n d s t r a i n d i s t r i b u t i o n a r e a n a l y z e d . t h e e x c e s s i v e t e n s i l e s t r e s s a l o n g t h e o u t s i d e o f t h e b e n d i n g s e g m e n t i s t h e r e a s o n o f t h i n n i n g . t h e e x c e s s i v e h o o p a n d a x i a l c o m p re s s i v e s t r e s s c a u s e t h e w r i n k l i n g o n t h e i n n e r s i d e o f t h e b e n d i n g s e g m e n t . t h e t e n s i l e f o r c e r e s u l t e d f r o m t h e t e n s i l e s t r e s s i n t h e o u t s i d e o f t h e t u b e , a c t s o n t h e t u b e s e c t i o n t o c a u s e t h e d i s t o r t i o n o f t h e c r o s s s e c t i o n . t h e e x p e r i m e n t s o f n c t u b e b e n d i n g p r o c e s s h a v e b e e n c o n d u c t e d . t h e re s u l t s o f e x p e r i m e n t a r e a p p r o x i m a t e l y c o i n c i d e n t w i t h t h o s e o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n . wr i n k l i n g o c c u r s i n b e n d i n g w i t h o u t w i p e r d i e a n d d o e s n t o c c u r i n b e n d i n g w i t h a w i p e r d i e . h i g h e r t h e r e l a t i v e b e n d i n g r a d i u s i s , s m a l l e r t h e t h i c k n e s s c h a n g e i s . r e a s o n a b l e b e n d i n g r a d i u s i s b e n e f i c i a l t o a v o i d w r in k l i n g a n d i m p r o v e t h e o p t i m i z e d b y t h e e x p e r i me n t res u l t s u n i f o r m i t y o f t h e t h i c k n e s s . t h e b e n d i n g p a r a m e t e r s c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s o f t h e s i m u l a t i o n re s u l t s a n da r e i n七 a n d t h e p r e - b e n d i n g p a r a m e t e r s f o r t h e o f a n e n g i n e c r a d l e a r e o b t a i n e d . t h e f o r m e d w o r k p i e c e h a s n o r mmg p r o c e s s d e f e c t wi t h a 一1 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 r e a s o n a b l e t h i c k n e s s c h a n g e , w h i c h m e e t s t h e s p e c i f i c a t i o n o f t h e s u b s e q u e n t h y d r o f o r m i n g . k e y w o r d se n g i n e c r a d l e , n c b e n d i n g , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , b e n d i n g 一 i i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章 绪论 1 . 1 引言 对于管材的塑性加工的研究长久以 来是人们一直在关注的热点问题，因为 无论在人们日常生活和工作中，还是在工业的发展过程中都离不开各种经过塑 性加工的管材。随着近年来内高压技术的不断发展，对于管材的应用扩展到了 一个新的领域，各种空心零件可由内高压成形技术一步加工成形。目 前，航 空、航天、汽车等的制造领域对于结构轻量化的追求，使它们成为内高压技术 应用最多最广泛的领域m 。由 于飞机和汽车中零件的形状各异， 而且有大部分 为弯曲型零件。在加工过程中，为了能使管件能放入内高压模具中，就必须对 于原始管材进行预弯曲。因此在它们整体成形过程中， 如何将管材弯曲 技术和 内高压技术更好的结合在一起对于保证和提高零件的质量有着至关重要的作用 c z l 因为内高压成形过程中有很高的压力，所以 对于管材弯曲后的毛坯的各种 参数有很高的要求，如果不符合要求，可能产生破裂或者变形不充足现象。然 而管材的弯曲变形较为复杂，目 前为止无法完全消除外侧壁厚的减薄，如果减 薄率过大，使内外壁厚差距过大，不利于内高压成形。同时管材弯曲时的起 皱，加工硬化和回弹现象对于内高压成形有时也是致命的缺陷。 通过试验和数值模拟分析，揭示弯管工艺参数对弯管件壁厚变化 的影响。 因此本课题将 ，起皱等现象 1 . 2 管材弯曲原理 管材在外力矩 m 作用下弯曲时， 如图 1 - l a ,弯曲 变形区的外侧材料受到 切向 拉伸而伸长，内 侧材料受到切向 压缩而缩短。由 于切向应力 0 10 和应变 e 9 沿管材断面的分布是连续的，故当弯曲过程结束时拉伸区过渡到压缩区，在其 交界处一定存在着一层纤维层，它的长度等于管坯的原始长度，即该层的应变 f.g - o ， 称为 应变中 性 层， 它在断 面中的 位置可用曲 率半 径p b 表示。 切向 应力 沿 断面的分布，由弯曲外侧的拉应力转变为内侧的压立力，其断面内也一定存在 着一层q e = o 的 纤维层称为应力中 性层， 它在断面中的 位置可用曲 率半径p 。 表 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ，。声 frd crd) 八点 声 l6r7y d6 f9o p 点 图1 - 1 管材弯曲 时 受力及应力应变状态3 1 a ) 受力状态 b ) 应力应变状态 管坯在弹性弯曲阶段，应力沿断面呈线性分布，应力与应变p i 的关系遵守 虎克定律，故应力中性层和应变中性层相互重合并通过断面重心。随着弯曲过 程的进行，当弯曲变形程度超过材料的屈服极限后，变形性质由弹性变为塑 性，故在弯曲过程中应力中性层和应变中性层不仅不相互重合，也不通过断面 重心，而是随曲率的增大逐渐向曲率中心方向移动，并且应力中性层的移动量 大于应变中性层的移动量。 由 盗属塑性成形原理可知， 任一变形过程， 其变形区的应力应变状态都与 变形条件有关。 在此仅对管材的均匀弯曲( 只承受弯曲力矩m ) 进行分析讨论。 假定均匀弯曲过程中，材料纤维之间没有相对错动，弯曲变形区的应力应 变状态如图1 - l b 所示， 其中a点 表示弯曲 外区 ( 拉伸区 ) 的 应力应变 状态， b点 表示 弯曲内 区 ( 压 缩区 ) 的 应力应 变状态。 当弯曲 变形程度较小时，仅在切向产生较大的应力 6 6 ，而管壁厚度方向和 圆周方向 产生的应力a ll , ( f d 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，并通过断面重心。随弯曲变形程度增大，塑性变形区由 断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、外纤维的缩短与伸长，故切向 应 变e 6 即为绝对值最大的主应变 然产生与 。 。 符号相反的应变。 。根据塑性变形体积不变条件，另两个方向上必 假定 弯曲 过程中 管径不发生 变化( 即周向 应变 c d 为 零 ) ， 则 可 视 为 平 面 应 变 状 态， 即 ie t i - ie b i13 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 . 3 数控弯管工艺 1 .3 . 1 数控弯管工艺主要特点 数控弯管是传统手工弯管结合机床工业和数控技术的发展而产生的一种先 进塑性加工技术， 根据其工艺特点可分为有芯弯管和无芯弯管， 有芯弯管工作 原理如图1 - 2 所示。弯曲模固定在机床主轴上并随主轴一起旋转， 管坯的一端由 夹持模夹紧在弯曲 模上。在管坯与弯曲 模的相切点附近， 其弯曲 外侧装有压块， 弯曲内 侧装有防皱块， 而管坯内部塞有芯棒。当弯曲 模转动时， 管坯即绕弯曲 模 逐渐弯曲成形。无芯弯管的工作原理与有芯弯管类似，只是内部没有芯棒作为 支 撑， 适用于 对于弯曲 质量要求 不高的 弯管制件3 4 1 图卜 2 数控弯管 机工作原理 11 5 1 与传统弯管工艺相比，数控弯管大大地提高了 产品质量， 提高了生产效率， 降低了工人的劳动强度。 其主要优点如表1 - 1 所示。 数控弯曲完全是由数控弯管机来完成的，数控弯管机是基于矢量弯管原 理，运用微机控制，完成用户所需的任意空间立体管形，是现代弯曲整形的重 要加工设备。 除了螺旋形状和复合弯( 即两弯之间无直线段) 的特殊形状的管子外，在通 常情况下，管件是由若干个直线段和弯曲段组成的。如果把管子放在空间坐标 系中，并且把管子的直线段用其中心线表示，那么管型即可由每段直线段中心 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 线表示。相邻的中心线延长产生交点，而相邻两交点连线的距离和方向就表示 了矢量的大小和方向( 如图1 - 3 ) 。用户可以 根据测量机测量样管直接得到这些 数据，也可以根据零件图计算得到，然后数据输入进计算机内存，再由技术人 员输入一定的 控制参数， 机床即可在计算机的控制下完成用户所需的管件1 5 1 表1 - 1 传统弯管工艺与数控弯管工艺的比 较 序号1传 统 弯 管 数控弯管 1 弯曲要有型架、模具、标准样 件 只需有模具和数控程序 2 弯曲 之前管腔内需要灌松香、 弯曲 后要除松香、 煮松香 弯曲时管腔内插入芯棒，弯曲后 抽出即可 3弯曲周期为2 - 3 天只需2 - 3 m i n 4 !弯曲 形 状 手 工 控 制 数控程序控制 5弯曲形状靠型架检查 测量机检查 6弯曲处内径处易起皱一模 具 配 有 防 皱 块 防 止 皱 折 产 生 7圆度易超差球型芯棒可以 完全保证圆度要求 8 容易 出 现 壁 厚 减 薄 、 弯 瘪 有侧、正推防止壁厚减薄、弯瘪 图1 - 3 典型管材各 段矢量 示意图 13 1 1 .3 . 2 数控弯管管件的主要缺陷 管材在数控弯曲成形过程中受力复杂，且不容易控制，经常出现一些质量 缺陷， 如图1 - 4 : 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 导“ 曰尸于. . . 化 r 图1 - 4 管材数控弯曲 主要缺陷3 ( 1 ) . 管材在弯曲变形时中性层外侧由于受切向拉应力作用，会发生壁厚减 薄现象，如果减薄过于严重，便会导致破裂。 ( 2 ) . 同时管材在中性层内侧受切向 压应力作用，导致壁厚增厚，当变形程 度过大时，会导致起皱。 ( 3 ) . 对于管材的 弯曲 加工，除 非弯曲 工艺中 采取必要的 措施( 如在管内 放 填料或由 芯棒支撑等) ， 否则 将发生断面形状的畸变现象。 主要由 于弯曲内 、 外侧管壁上轴向应力在法向的合力 外侧切向 拉应力的合力向 下，内 侧切向压 应力的合力向上)的作用，使弯曲变形区的圆管横断面在法向受压而产生畸 变。 ( 4 ) . 由于管材弯曲 过程中存在一定的弹性变形， 工件不受外力作用时，由 于中性层附近纯弹性变形以及内、外侧变形中弹性变形部分的恢复，使弯曲件 的弯曲中心角和弯曲半径变得与模具的尺寸不一致，这种现象称为弯曲 件的回 弹。回弹现象的存在对成形管件的精度产生一定的影响。 1 . 4 管材弯曲 工艺的 研究现状及在内高压成形中的应用 .4 . 1 国内外研究现状 由于管材的弯曲成形过程比板材弯曲 相对要复杂一些( 特别是冷弯成形) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 而且目 前的管材弯曲加工应用大体停留在以经验为主的反复试验纠错阶段，所 以 对管材弯曲过程各国学者一直探讨使用理论方法，试验方法和数值模拟方法 进行描述。 在理论分析方面一般只局限于简化了的弹塑性分析，主要集中在对起皱， 开裂，壁厚变化，截面畸变扁化，中性层偏移和回弹分析，以及对弯曲过程的 力学分析和弯矩分析。 b r a z i e r 最早在研究弹性圆管的弯曲 变形时发现，管截面在弯曲 过程中不 断变扁( 这就是 扁平化现象，即 b r a z i e r 现象) 16 ) 0当 管材 弯曲 时， 横向 变形 和 压毁变形需要一定的能量支持，因而加大了管材的抗弯曲性。然而扁平的截面 提供了比较小的抗弯性。 t o m a s z w i e r z b i c k 等人针对这些现象进行了研究，他 们应用了 一个简化的理想塑性和应变强化理论模型预测弯曲力矩和截面变形， 并假设一个最小瞬间 弯曲 力矩以 判定截面变形的 椭圆度门 。 a i - q u re s h i r a 采 用梁弯曲 理论 对圆 管 材弯曲 进行了 弹塑 性分析， 提供了 一 个预测管材弯曲回弹半径和残余应力的方法。 他假设横截面上具有一与外载荷 平面垂直的对称轴，忽略起皱和破裂以及包辛格效应的理想弹塑性材料，且管 材直径不变的二维平面应变情况。得出的结果与应用铝管的试验结果大体吻 合， 并 分析得出 弯曲 回弹因 子与 残留 应力 受弹塑 性边界 位置的 影响 很大is ) j . e . m i l l e r 等人描述了 一个二维的弯曲 一 拉伸一 挤压模型， 及载荷沿轴向相同。 这大大节约了采用三维模型的计算时间。 假设管材形状以 并通过与试验的 对比 证明该模型是有效的， 并采用这种方法研究了 拉力，与内 外压力以 及加载 路径对管材横向 和轴向的弯曲 成形质量的影响 )4 ) h o ) k y r i a k i d e s 和 j u ， 基于小应变假设和板壳理论， 采用分叉理论对圆管纯 弯曲过程中的起皱进行了预测，所得结果与试验吻合良 好，但存在的问题是预 测出的 起皱波长较试验中的明显长。 1 ) 1 u ) r a l f p e e k 基于三维连续统一的有限应变理论， 对圆管纯弯曲过程中的起皱 进行分析。 他认为 k y r i a k id e s 得出的结果虽然与试验结果比较吻合，但某些参 数并不符合，如弯曲 模型的波长和 试验值为计算值的5 0 % - 9 0 % ，而且在横渡点 上有一点不同。 同 1 1 3 ) 他与k y r i a k i d e s 方法的不同点在于对有限应变的 取近似值的不 s t a c h o w i c z f 在文献中提供了一种模型， 可以用来计算铜管弯曲中的总体 参数，比如管材截面的扁平化， 弯曲力矩和曲率的关系没，在拉应力区域的管 材减薄和破裂等，并且分析了轴向助 推力对弯曲变形的影响。经过试验证明该 模型可以 精确的预测管材的 破裂问 题1 1 4 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 林艳，杨合等人基于起皱能量准则和有限元方法相结合，提出了预测该过 程起皱发生的能量( 数值) 方法， 研究了影响薄壁管数控弯曲成形过程起皱发生 的 主 要因 素 及影 响 机 制1 s 1 在试验研究方面，由于目 前管材弯曲的生产应用多以 试验为指导， 所以 弯 曲试验研究尤为重要，而且通过研究还可以验证理论和模拟研究的正确性，以 及直观的获得管材弯曲的各种规律。 h .a . a l - q u r e s h i 和a . r u s s o 等人应用数控弯管机和配套的坐标测量仪进行 弯曲 试验，他们认为与其它弯曲方法相比，数控弯曲更为精确和保证管材壁厚 较小变化。 他们还提了 一种新式软橡胶棒， 充当内 部压力的传导介质， 可以 更 好的满足成形要求，已 经得到了越来越广泛的应用。在分析方面，采用网格法 研究管 材弯曲 时的 应变 情况， 并 分析管 材在弯曲 后的回 弹情况 1 6 1 k u o - l o n g l e e 等人应用滚弯方法做了 大量试验， 来研究直径与原始壁厚的比 率相对于的弯曲成形的影响和稳定性。并通过试验推导出一个关于直径与壁厚 比 率的 影响的 方 程式 用来直 接模拟 这类问 题 1 7 1 s h ig e k i m o r i等 人 针 对管 材弯曲 成形的 基 本性 质 和复 合管 弯曲 成 形的 加 载 状态， 扁平现象，回弹现象以及复合层的弯曲力矩进行了大量试验。他们采用 四 点弯曲 法， 对复合管( 软铝， 硬铝， 铜) 进行弯曲 试验 t s 1 山东建筑工程学院的鹿晓阳和清华大学的徐秉业等人通过试验分析， 采用 坐标网格法分析了牛角芯棒热推弯管过程中的瞬时应力、应变状态及其演化过 程， 和该弯管成形时的受力、 变形特点， 并认为牛角芯棒热推弯管过程是简单加 载、比例变形过程， 环向各部位金属始终处于纯剪切状态， 因而可采用全量理论 进 行 分 析 19 1 金国明在文献中介绍了管材在冷推弯曲时的变形情况，以及合理选取芯棒 及掌握正确的使用方法。当r i d 3 , s i d 0 . 0 5时， 采用无芯弯管即可; 当 r i d z2 . 5 , s / d o . 0 5或r i d 3 , s i d 0 . 0 2 5时， 使用硬式芯棒可达 到预期的效果;当r i d与s i d两者都较小而弯曲角度a 较大时， 弯管过程中必 须 使 用 软 式 芯 棒 12 0 1 周遐余通过对薄壁管有芯冷弯成型工艺的试验研究，提出一种对称式球窝 芯棒结构，如图1 - 5 所示。该芯棒不仅结构简单，易于制造，成本低廉，寿命 长，而且使薄壁管( 壁厚-1 . 2 m m )能在小弯曲 半径 r id= 1 . 1 )下良 好弯 曲 2 1 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 引 时介体翻式 争睁芯锌卜 时称球穷犬 双球， 匕 脚 图1 - 5对称球 窝式芯棒2 1 1 重庆大学的余方勤等人等分别采用回归分析方法， 通过对大量试验数据的 分析总结，获得了圆管无芯弯曲壁厚减薄量的公式，经过验证该公式比目 前实 际 采用的 变薄量 计算公 式具 有更高的 计算精 度12 2 1 武汉交通科技大学的胡勇等人根据弯管加工理论、 试验研究和大量实践， 总结出了 对管材弯曲 加工成形精度有重要影响的回弹， 伸长和成形半径等参数 的 确定 方法， 并 可用智能 弯管 测量仪测取上述数据，以 用于 指导生 产12 3 1 上海技术研究院的陈明 微在采用数控旋转拉伸弯管研究中总结了 弯曲时管 材的变形规律，以 及正确选取芯棒和设计弯曲 模的 方法124 1 1 . 4 .2 管材弯曲在内高压成形中的应用 管坯的内高压成形近年来因为它具有很多优于传统方法之处，吸引了汽车 工业的注意。 但是自 从内高压成形技术出现之初，除了少数零件( 中心轴线为 直线) 外，管材内高压成形过程中至关重要的一环就是管坯的预弯曲。这主要 是由于所需零件的形状各异，其中心轴线大都呈曲线结构，在进行内高压成形 前， 必须先将管坯的中 心轴线预弯成与所需零件相似的形状， 这样才可以将其 置于内高压模具中， 然后冲入高 压液体进行胀形。 而弯曲 成形的质量直接关系 到内高压成形的成功与否，管材的壁厚减薄和起皱对内高压成形是极其不利 的。因 此，国内 外有很多学者都在研究管材弯曲与内高压成形的内 在联系及弯 曲 成形 相对于内 高压成形的 最佳参数和决定因 素 2 1 12 5 1 在国外，有很多国家都认识到了内 高压成形的广阔前景以 及管材弯曲 在内 一， 堕至鎏三兰圭耋王兰篓圭耋竺兰吝 一： j 吁耳坤蠢戒擎王室甚棒i - 瓣捧球冀置r 球，器 图1 - 5 对称球窝式芯棒【2 l 重庆大学的余方勤等人等分别采用回归分析方法，通过对大量试验数据的 分析总结，获得了圆管无芯弯曲壁厚减薄量的公式，经过验证该公式比目前实 际采用的变薄量计算公式具有更高的计算精度1 2 2 】。 武汉交通科技大学的胡勇等人根据弯管加工理论、试验研究和大量实践， 总结出了对管材弯曲加工成形精度有重要影响的回弹，伸长和成形半径等参数 的确定方法，并可用智能弯管测量仪测取上述数据，以用于指导生产1 2 3 1 。 上海技术研究院的陈明微在采用数控旋转拉伸弯管研究中总结了弯曲时管 材的交形规律，以及正确选取芯棒和设计弯曲模的方法渊。 1 4 2 管材弯曲在内高压成形中的应用 管坯的内高压成形近年来因为它具有很多优于传统方法之处，吸引了汽车 工业的注意。但是自从内高压成形技术出现之初，除了少数零件( 中心轴线为 直线) 外，管材内高压成形过程中至关重要的一环就是管坯的预弯曲。这主要 是由于所需零件的形状各异，其中心轴线大都呈曲线结构，在进行内高压成形 前，必须先将管坯的中心轴线预弯成与所需零件相似的形状，这样才可以将其 置于内高压模具中，然后冲入高压液体进行胀形。面弯曲成形的质量直接关系 到内高压成形的成功与否，管材的壁厚减薄和起皱对内高压成形是极其不利 的。因此，国内外有很多学者都在研究管材弯曲与内高压成形的内在联系及弯 曲成形相对于内高压成形的最佳参数和决定因素 2 1 阱j 。 在国外，有很多国家都认识到了内高压成形的广阔前景以及管材弯曲在内 哈尔演工业太学一学颂士学位论文 目# l _ _ _ l _ _ - - _ _ - _ - l _ _ _ _ _ i i - _ _ _ _ _ l - l _ _ _ _ 自_ - _ l l _ 目_ _ _ _ 高压成形中的重要地位，并因此在一直进行着广泛的研究。 德国在这一领域的研究是处于国际领先地位的。比如德国的t r u m p f p u l z e r 公司很早便认识到高精度，再加工能力和过程可靠性是内高压成形成 功的前提条件。他们一直在致力研究管材弯曲及其在内高压和其他领域中的应 用，他们认为管材弯曲的主要几何要求有两点：1 ) 严格的弯曲半径；2 ) 壁厚和 失效的影响。内高压成形对弯管结果的要求1 ) 最小的弯曲几何形状公差：2 ) 截 面无畸变；3 ) 无表面破坏；4 ) 无起皱现象例。还有德国的e d o h m a n n 和 c h h a r d ，他们将管材内高压分成两种，一种是较为简单的轴线为直线的管 材，另外是轴线为复杂她线的管材，如图l - 6 所示，汽车部件多为后者。他们 针对弯曲件的内高压成形进行了试验和数值模拟，设计了一套完整的成形工 艺，并专门对副车架的成形工艺进行了研究1 2 j 。 美国的z a l t a n 等人认为内高压成形的管坯弯曲最常见的和最合理的是绕 弯式数控弯管机，他们使用数控弯管机进行预成形，然后分析指出弯曲工具必 须是可变的可以适合各种差别很小的弯曲尺寸，管材与模具之间的弹性滑移偏 差必须降到最低，而且要控制管材的减薄和表面缺陷。a l t a n 等人针对弯曲和 内高压成形的研究，研制了带压力弯曲后内高压成形的汽车排气管零件，并应 用有限元分析方法对管材的壁厚变化进行了分析1 2 7 j 。 舅喇嗡删i m - t翩h p w t o c - co - o 圈1 石弯曲件内高压成形示意图1 2 l 瑞典的n a d e ra s a a f i 针对长度大( 4 9 7 0 m m ) 管径大01 0 m m ) 的管件的弯曲及 内高压成形开展了研究，研制了汽车车体的左右侧车体大粱，并得出结论：绕 兰翟鋈三兰尘：三耋罂：； = 兰竺鎏：耋： 弯式弯曲是内高压成形的最佳方法【2 s 1 。 韩国的y s s h i n ，h y k i m 等人也针对汽车的引擎固定支架和副车架的内 高压成形分别开展了研究，他们根据数值模拟预先推测出模具的几何形态和过 程参数。1 2 9 】。西班牙的a r m r or u i z 应用弯曲件内高压技术研制了汽车副车架 和横梁，并模拟出了一套弯曲- 预成形内高压成形完整的生产流程【3 0 j 。此外意 大利的c e n t r os v i l u p p om a t e r i a l is p a 也在对管材的弯曲和内高压成型开展了 研究，并对数控弯管机进行了系统性的造型和模拟p 。近年来国外企业采用内 高压成形制造的副车架在轿车上的应用越来越多，尤其是德国和美国的汽车公 司 3 2 1 。例如，美国通用汽车公司从1 9 9 5 年开始在其主要车型应用内高压成形 制造的副车架。1 9 9 9 年在欧洲建成欧宝a s t r a 轿车副车架生产线，2 0 0 0 年欧宝 c o r s a 副车架生产线投产【3 3 1 。日本丰田和马自达等汽车公司也开始应用内高压 成形技术制造副车架。但目前国内企业尚无自己的内高压生产线。 国内的雷丽萍等人应用h y d r o f o r m - 3 d 软件也对副车架的弯曲和内高压 成形过程的数值模拟结果进行了分析，将成形分为三步，如图1 - 7 所示，并确 定了对复杂零件进行弯曲及内高压成形的基于刚塑性模型的有限元分析的可行 性【蚓。 哈尔滨工业大学从1 9 9 8 年开始系统地进行了内高压成形机理、工艺和设 备关键技术研究。针对副车架类零件的结构特点，重点开展了矩形和异形空心 截面零件内高压成形工艺的研究，并试s o t 轿车后轴纵臂和转向节臂样件。在 此基础上，开展了副车架内高压成形关键技术研究m 】。试制了整体一次内高 压成形副车架，解决了复杂形状零件内高压成形的难题。 n 订 图1 - 7 副车架内高压成形流程图 ( a ) 原始管坯( b ) 弯曲成形( c ) 预成形( d ) 内高压成形 哈尔滨工业大学工学碗七学位论文 1 5 管材数控弯曲工艺数值模拟研究现状 试验方法虽然可以真接而且精确的对于弯曲工艺进行研究，但是在需要进 行大量反复的进行试验分析错误一纠正错误继续试验的工作，既浪费时间又浪 费经费，因此人们便考虑应用计算机技术针对管材弯曲过程进行有限元模拟。 近年来随着计算机技术和有限元技术的飞速发展，数值模拟技术在管材弯曲领 域得到了越来越广泛的应用。 管材弯曲模拟属于板料成形模拟范畴，是一个非常复杂的弹塑性成形过 程，不仅是物理非线性( 本构关系非线性) ，几何非线性( 应变与位移非线性) ， 而且是边界条件非线性的三重非线性问题。近年来板料成形数值模拟得到了逐 步的完善，尤其是在考虑了弹性变形的弹塑性有限元方法的建立，使板料成形 模拟得到了更大的发展。目前主要分为显式和隐式两种。比较常用的板料模拟 软件有很多，像l s d y n a ，a n s y s ，m a r c 等。 f r o d ep a u l s e n 等人采用有限元软件m a r c 5 2 对挤压铝合金单、双室矩形管 工业绕弯和拉弯过程进行了三维弹塑性显式数值模拟，研究了材料、截面及模 具参数对成形过程的影响。结果表明，采用内部芯棒能有效地防止起皱的波纹 高度和外侧的塌陷，甚至对比较小的弯曲半径也有效1 3 ”。 s b a u d i n 等人应用显式非线性模拟软件a n s y s l s d q a 对一种新式的弯 曲工艺进行了模拟。这种工艺在推弯法的基础上加入内部压力支持，以防止截 面变形和起皱，他们分别模拟了液压和橡胶芯棒两种情况。并将试验结果与模 拟结果进行了比较，证明模拟是有效的删。 km a h a n t y 等人应用a n s y s l s d y n a 软件专门对多头芯棒绕弯工艺进行了 数值模拟。管材e h 4 节点完全合成的h u g e s q i u 壳单元组成，模拟时将压块与所接 触的管材约束在一起，构成一个无相对位移的理想的压块。芯棒由3 个圆头组 成，它们之间约束为圆球约束i j 7 j 。 a s t u h m e y e r 应用f a s t f o r ma d v a n c e d 软件对弯曲进行单步法模拟，单步法 的模拟又被称为反算法，是根据最终成形尺寸决定初始尺寸。应用这种算法可 以节省大量时间，而且结果与其他模拟结果对比壁厚等误差均小于0 0 2 l j ”。 f l e l 蚰i g 等人就应用数值模拟方法分别分析了弯曲成形中不同芯棒的影响 和起皱的消除方法c 瑚。 在韩国j a e b o n gy a n g ，b y u n g b e ej e o n 等人也应用了数值模拟方法对管材 弯曲过程进行了模拟，他们分别模拟了弯曲半径为7 6 m m ，5 5 m m ，原始壁厚分 堕玺鎏王些銮耋三兰罂占耋竺鲨兰 别为l m m ，2 r a m 和3 m m ，在有芯和无芯几种混合情况的管材弯阻过程，进行综 合分析1 2 研。 瑞典的k r i s t o f f e r t r a n a 贝l j 更进步，他对应用不同芯棒和弯曲半径的管材 弯曲过程进行了数值模拟，并且应用所获得的数据，进一步进行了内高压过程 的数值模拟，比较直观的分析了各项参数在成形过程中的变化【柏】。在国际上和 k r i s t o f f e r 做了类似工作的还有很多，比如德国的r n e 蟾e b a u e r 和b s c h u l z e l 4 ， 美国的t a l t a n ，和y a u e - u - l a n 等人1 2 r 1 4 2 1 。特别是英国的c o r u sh ) 响公司专门针 对了副车架的从弯曲、预成形到最后的内高压成形过程进行了数值模拟，分折 了副车架成形中存在的壁厚减薄，局部起皱和加工后回弹等问题【4 3 】。及如何合 理使用数值模拟结果指导试验。 西北工大的林艳等人基于薄壁管材弯曲起皱能量预测准则，结合三维刚塑 性有限元数值模拟方法，开发了薄壁管数控弯曲成形过程的起皱数值预测系 统，研究了影响薄壁管数控弯曲成形过程起皱发生的主要因素及影响机制， 可实现起皱的快速数值预测。采用该系统研究了铝合金和不锈钢薄壁管数控弯 曲成形过程的变形特点，揭示了不同成形参数对由起皱所决定的管坯最小弯曲 半径( 弯曲成形极限) 的影响规律。结果表明，弯曲半径、相对管径、芯棒伸 长量和摩擦因素是影响薄壁管数控弯曲精确成形过程起皱发生的主要因素，而 材料的应力强度系数和加工速度等对起皱发生影响较小。研究结果为薄壁管数 控弯曲精确成形过程参数的确定和优化创造了条件1 4 4 1 4 ”。 清华大学的武世勇等人采用有限元软件攥s y s 对缠绕式厚壁圆管材弯曲工 艺进行了数值模拟分析，如图1 - 8 获得了外壁减薄率和内壁增厚率、应力应变 分布等信息，并比较了不同的相对弯曲半径对壁厚减薄的影响，认为绕弯工艺 不适合弯制相对弯曲半径小于1 5 7 的管件。在模拟过程中，管坯采用的是三 维六面体等参元，弯曲模和夹块也采用三维实体单元建模1 4 6 。 图卜8 数控弯管成形三维有限元模型f 蛔 重庆大学的张华等人采用显式模拟软件l s d y n a ，对于圆形钢管的数控 绕弯弯曲加工过程进行数值模拟，得到管壁的最大减薄和增厚部位，并讨论了 芯轴的摩擦系数和钢管末端的压力对管壁厚度变化的影响【4 7 】。 詹梅等人基于弹塑性有限元软件a n s y s 建立了管材数控弯曲及回弹的有限 元模型，以不锈钢管弯曲及回弹过程为典型研究对象，试验验证了所建立的有 限元模型的可靠性，并分析了部分工艺和材料性能参数对管材数控弯盐回弹的 影响规律结果表明：回弹角随弯曲角、芯棒与管壁间隙及材料硬化系数的增大 而增大，随材料硬化指数的增大而减小【4 s 】。 1 6 课题来源及意义 驴攀黔 蝼兰三委= 王二二三三兰 哈尔滨工业大学下学硕士学位论文 重庆大学的张华等人采用显式模拟软件l s - d y n a，对于圆形钢管的数控 绕弯弯曲加工过程进行数值模拟，得到管壁的最大减薄和增厚部位，并讨论了 芯轴的 摩擦系数和钢管末端的压力对管壁厚度变化的影响4 7 1 詹梅等人基于弹塑性有限元软件 a n s y s 建立了管材数控弯曲 及回弹的有限 元模型，以不锈钢管弯曲及回弹过程为典型研究对象，试验验证了所建立的有 限元模型的可靠性，并分析了部分工艺和材料性能参数对管材数控弯曲回弹的 影响规律. 结果表明: 回弹角随弯曲角、芯棒与管壁间隙及材料硬化系数的增大 而增大，随材料硬化指数的增大而减小4 8 1 1 . 6 课题来源及意义 本课题来源于国内 某汽车厂轿车m 6 型副车架内高压成形工艺的研发项目。 副车架和大部分汽车零件一样为立体弯曲结构，如图1 - 9 ，为了能将管坯 放入内高压成形模具，需要在内高压成形前进行预弯。弯曲段具有相对弯曲半 径小( r / d 2 . 0 ) ，初始壁厚小( 2 . o m m ) 和弯曲角度大( 1 0 3 0) 等特点，弯曲成形 时难度比较大。而且因为内高压成形过程中有很高的压力，所以对于管材弯曲 后的毛坯的各种参数有很高的要求，如果不符合要求，可能产生破裂或者变形 不充足现象。然而管材的弯曲 变形较为复杂，目 前为止无法完全消除外侧壁厚 的减薄， 如果减薄率过大， 使内外壁厚差距过大，不利于内高压成形。因此本 课题将通过试验和数值模拟分析，揭示弯管工艺参数对弯管件壁厚分布，内 侧 起皱及截面变形的影响，并从中找到最优参数及工艺方法。 创|心 。 一 已已已口口 6 _ b口 一 已n 一 矛 /孔 一，一- - - 一- .一 一丈 二- _ _ 少 叮自匕- - 一/ 一一i 图1 - 9副车架零件图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 . 7 本文的主 要研究内 容 本文结合数控弯曲 试验和数值模拟研究及理论分析，从儿方面对弯管成形 进行研究: 1 针对不同弯曲参数情况对管材弯曲进行数值模拟，研究影响成形结果 的关键因素及其影响规律，包括壁厚分布规律，起皱机理，截面形状变化及应 力应变分布规律。 2 进行低碳钢圆管数控弯曲试验，测试分析不同工艺参数得到的试验件 的起皱现象、 壁厚分布。 3 基于试验及模拟结果对弯曲 参数进行优化设计，并确定副车架管坯弯 曲参数，并进行弯曲试验，探讨适于内高压成形的数控弯管工艺的确定方法。 哈尔滨工业大学二c 学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章管材数控弯曲数值模拟 通过对管材弯曲过程的有限元模拟可以方便快捷有效的预测管材弯曲中存 在的问题，研究弯曲规律，如壁厚分布，应力应变分布等，确定最终弯曲参 数。与试验纠错过程相比，大大节省了人力和财力，缩短了工作周期。 本章通过应用动态显式算法对低碳钢数控弯曲过程的数值模拟，研究了不 同弯曲参数下对管材的壁厚分布，起皱缺陷，截面变形等的影响，找到优化的 工艺参数。同时分析应力应变分布，以及与上述现象的关系。 2 2 有限元模型 2 2 id y n a f o r m 软件简介 本文采用的有限元模拟软件是美国e t a 公司的有限元分析程序 d y n a f o r m ，与之相配套的有限元求解器是l s t c 公司的l s d y n a ，是动态非 线性显式分析技术的创始和领导者，可以解决比较复杂的金属成形问题。 c t a f o s t g l 和e t a g r a p h 是软件的后处理部分， 它们可用图形( 线) 显示来自l s i ) y n a 的各种分析结