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东北大擘硕士学位论文摘要 一种钛合金环形管的加工成形及数值模拟 摘要 纯钛无缝环形管是一类可应用于航天、航空、汽车行业的特种部件，用它制 成的钛环形气瓶体积小，重量轻，能够承受高压。航天器中环形气瓶壁厚的均匀 性直接影响到其耐高压、等强度和减重的技术要求，进而影响到整体性能。因此， 在加工此类环形管时，不仅要保证其顺利成形，尤其要重视加工过程中壁厚均匀 性的控制。所以，研究钛合金环形管的加工工艺意义重大。 本文采用实验研究和数值模拟相结合的方法，对工业纯钛t a 2 无缝环形管的 推制成形过程进行系统研究。研究内容包括：环形管成形模具的设计制造、正交 化实验测试热推制成形纯钛环形管的加热温度和推制速度等工艺参数的筛选、采 用解析法建立成形过程材料的本构模型来阐明弯管成形过程力学原理和揭示弯管 成形过程金属流动规律和塑性变形机理、通过三维有限元数值模拟得出环形管成 形过程中的等效应力和应变分布规律、对成品环形管表面残余应力进行分析检测 等。主要研究结果如下： 1 应用数学理论公式与实践经验相结合提出一种新的环形管成形模羊角芯头设 计思想，即羊角模扩经弯曲段中心轴线为阿基米德螺线，从而有利于管坯在弯 曲变形时凹面金属充分向凸面流动，避免变形太快而引起的环形管腹部受压应 力使壁厚增厚、背部受拉应力而减薄所造成的壁厚不均匀现象。 2 对纯钛t a 2 环形管的热推制成形工艺参数测试研究发现：弯管质量对加热温 度最为敏感t 为最大影响因素：其次是加热温度与推制速度的交互作用：再次 是推制速度。最优的成形工艺条件为7 0 0 ，3 1 m m , s 。 3 采用物理模拟手段对环形管成形过程瞬时应力、应变状态进行分析，发现了钛 环形管成形过程的比例变形、纯剪变形、简单加载等变形特点，并得出材料成 形时遵从弹塑性本构模型的结论。 4 采用非线性大变形有限元分析方法进行数值模拟，得出了环形管成形过程中各 物理量( 如应力、应变等) 分布规律，并直观地了解了环形管成形时的弯曲变形 特点。 东托走学磺圭学位论文 撼要 5 通过对环形管变形后残余应力的分析测试及消除应力的遐火实验，揭示了钛环 形警成形中残余应力瓣产生帮瀵豫矮律。 6 采精模糊理论给爨纯钛环形管加熟溢液藕携嗣速瘦实验傀讫设计数学模墅“一 2 6 7 3 2 9 2 5 7 8 t - 01 7 7 t 2 - 2 4 5 5 v + 0 3 2 7 3 t xv + o 6 2 8 8 沪，这为无法用经典数学公式描述 的工艺参数优化设计提供了一种可行的方法。 关键诩钛台金环形管热加工数值模拟 i 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o c e s sf i g u r a t i o na n dt h ec o m p u t e rn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fo n e t y p e o ft i t a n i u m a l l o yr i n gp i p e a b s t r a c t t h ep u r et i t a n i u ms e a m l e s sr i n gp i p e ( s r p ) i sak i n do f i m p o r t a n tc o m p o n e n t si n a s t r o n a u t ，v o y a g e a n da u t o m o b i l es y s t e m i tp o s s e s ss m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h ta n d b e a 培h i g hp r e s s u r ew h e n i ti sm a n u f a c t u r e dt h er i n gg a sb o t t l e t h eu n i f o r m i t yf o rt h e t h i c k n e s so fs r pw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h er e q u i r e m e n to fi t sh i g h p r e s s u r er e s i s t e n c ea n d s t r e n g t hh o m o g e n e i t y , f u r t h e r m o r et h eq u a l i t yo ft h ew h o l es y s t e m h e n c e ，n o to n l y t h es u c c e s s f u ls h a p i n gs h o u l db eg u a r a n t e d ，b u ta l s ot h et h i c k n e s su n i f o r m i t yd u r i n g t h ep r o c e s s i n gs h o u l db e g i v e nm o r e a t t e n t i o n t h u st h ep r o c e s s i n gt e c h n i c si so f g r e a t s i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ，t h ec o m b i n a t i o n o f e x p e r i m e n tw i t hc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a i t i o n w a si n t r o d u c e dt o s y s t e m a t i c a l l y r e s e a r c h p r o c e s s o ft h e d i a m e t e r - p u s h i n g h e a t e x p a n d i n gt e c h n o l o g y ( p h e t ) o ft h ec o m m e r c i a lp u r et i t a n i u m s r p i ti n c l u d e s ： d e s i g n i n ga n dm a n u f a c e t u r i n go fd i ef o rs r p , a p p l y i n go p t i m i z em e t h o dt og e tt h e m a t c h i n go ft h e h e a tt e m p e r a t u r ea n dt h e p u s h i n gv e l o c i t y , a d o p t i n gt h ep h y s i c s m e t h o dt or e s e a r c ht h em e t a lf l o w i n gr u l ea n dt h em a t e r i a lc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n s d u r i n gt h ep r o c e s sc o u r s e ，g e t i n gt h es t r a i na n dt h es t r e s s d i s t r i b u t a r i e sd u r i n gt h e p r o c e s sc o u r s et og e ta c r o s st h ec o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x a m i n i n gt h es u r f a c e r e m a i n d e rs t r e s sa n d d i s c o v e r i n g t h em e t h o dt oe l i m i n a t et h er e m a i n d e rs t r e s s f i n a l l y ， t h e p r o d u c t i o nq u a l i t y w a si n p r e v e d b yu s t h ew h o l er e s u l t s a r es h o w na st h e f o l l o w i n g ： 1 p u t i n gf o r w a r d a ni d e aw h i c hm a t h e m a t i c st h e o r ya n dt h ep r a c t i c a l i t ye x p e r i e n c et o d e s i g nt h ed i e d e s i g n i n gt h ep u s h i n gp r o c e s sd i ew h i c ha p p l yt h ea r c h i m e d e sl i n e a st h ec e n t e ra x e s ，w ec o n s i d e ri tw i l lr e d u c et h ed e f o r m a t i o na n dt h em e t a lf l o w u n i f o r m i t yf r o m c o n c a v et oc o n v e x i t y , w h i c hc a ni d e n t i f yt h ea i mo fw a l lt h i c k n e s s u n i f o r m i t y 2 a p p l y i n go p t i m i a lm e t h o do f p h e tt og e tt h em a t c h i n go ft h eh e a tt e m p e r a t u r e 客北大擎颁士学位论文 a b s t r a c t a n dt h ep u s h i n g v e l o c i t y , w ef i n dt h eh e a tt e m p e r a t u r ei st h em o s t e f f e c tf a c t o r , t h e s e c o n de f f e c tf a c t o ri st h em a t c h i n go fh e a tt e m p e r a t u r ea n dt h ep u s h i n gv e l o c i t y , t h et h i r di st h ep u s h i n gv e l o c i t y t h eo p t i m i z ep a r a m e t e ri s7 0 0 ca n d3 ，l m m s 3 。a p p l y i n g t h e f u z z yt h e o r y e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c sm o d e l w h i c hi s “= 2 6 7 3 2 9 2 5 7 ，8 t - 0 1 7 7 r 2 4 5 5 h o 3 2 7 3 t v + 0 6 2 8 8 i a w er e a c ht h ea i mt of i n dt h e r e l a t i o n s h i pa n o n g h e a tt e m p e r a t u r ea n dt h ep u s h i n g v e l o c i t ya n d t h e q u a l i t y 4 a d o p t i n gt h ep h y s i c sm e t h o dt or e s e a r c ht h em e t a lf l o w i n gr u l ea n dt h em a t e r i a l c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n sd u r i n g t h e p r o c e s s c o u r s e ，w e f i n dt h ed e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i ci st h ep r o p o r t i o nd e f o r m a t i o n ，c u td e f o r m a t i o n ，t h es i m p l e n e s sl o a d a n dt h e e l a s t i c - p l a s t i cm a t e r i a lm o d e l 5 w eg e tt h es t r a i na n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n sd u r i n gt h ep r o c e s sc o u r s eg e ta c r o s s t h ec o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。 6 e x a m i n i n gt h es u r f a c er e m a i n d e rs t r e s sa n dd i s c o v e r i n gt h em e t h o dt oe l i m i n a t e t h er e m a i n d e rs t r e s s ，s ow ec a na d v a n c et h e p r o d u c t i o nq u a l i t y k e yw o r d s t i t a n i u m a l l o y , r i n gp i p e ，h e a t i n gp r o c e s s ，c o m p u t e rn u m e r i c a l s i m u l a i t i o n v 声明 本入声缓掰至交懿学霞论文是在譬帮熬攒导下宠成匏。论文中取褥戆酝究戏 票除瓣戳标注窥致谢约熬方终，不包含其它人已经发表或撰写过豹硬究戏暴，也 币包括本人为获 黪其它学位恧使用过的材料。与我一网工作的同悫对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并袋示谢意。 本人签名： 日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 塑性成形加工技术属于近净成形技术，能够使材料实现成形和改性，在材料 加工工程中占有重要地位。在国际市场竞争加剧、知识经济和绿色制造兴起的新 态势下，塑性成形加工技术领域，既面临严峻挑战又充满机遇，迫切需要发展先 进塑性成形加工技术，使塑性成形产品朝着轻量化、高强度、高精度、高效、低 消耗以及数字化和智能化的方向发展。先进塑性成形技术与仿真，涉及材料学、 力学、机械与计算机应用等学科的交叉融合，具有技术密集、高增值、高技术甚 至知识密集的特点，是先进制造技术的重要支柱，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。在新世纪中塑性加工的范围不断扩大，塑性加工 的零件精度不断提高，同时要求利用先进的计算机技术对工艺进行科学定量的分 析。因此，塑性加工技术需要吸收其它技术领域的成果，增加常规塑性加工的高 技术含量，同时研究开发新型加工工艺等方法。 管材的弯曲加工，在金属结构、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 管道外，在金属结构件中的应用也十分广泛。中频热推弯管工艺是现有的各种弯 管工艺中最为经济有效的一种。它采用中频感应加热，在羊角芯模上推制成形各 类弯管，避免了以往弯管工艺成形时管坯凸边管壁受拉减薄、凹边管壁受压增厚 而造成的弯管壁厚不均匀的现象。本文通过对纯钛环形管热推成形过程的分析， 建立了环形管成形过程材料的本构模型，阐明环形管成形过程力学原理及分析求 解方法，揭示弯管成形过程会属流动规律、塑性变形机理及其区别于其它弯管工 艺的本质特征，推导出热推环形管管成形最佳工艺参数，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 加热弯管工艺研究与发展现状 将材料( 包括平板毛坯、型材或管材) 弯曲成一定曲率、一定角度或特定形状 零件的工艺方法称为弯曲。 1 2 1 管材弯曲变形特点i i 6 1 从图1 1 ( a ) 可见，管材在外力矩m 作用下弯曲时，中性层外侧的材料受到拉 应力作用，使管壁减薄；内侧的材料受到压应力作用，使管壁增厚。外侧拉应力 合力向下，内侧压应力的合力向上，管子横截面在压扁力情况下。法向直径缩小、 横向直径增大而变成椭圆。如图1 1 ( b ) 所示。 东北太学硕士学位论文第一章绪论 口托 m 叮 b ) ( b ) 图i i 弯曲管材应力分布及变形 f i g 1 1 s t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd e f o r m a t i o no f b e n d i n g p i p e 通过以上分析不难看出，管材弯曲时常会出现以下几种不良现象。如图1 2 所示。 圆i t9 移 ( b )( c ) 图1 2 管材弯曲时的开裂、起皱和截面畸变 f i g 1 2d e h i s c e n c e ，w r i n k l ea n ds e c t i o n a ld i s t o r t i o no fb e n d i n gp i p e ： ( a ) c r a z ei nt h eo u t e r s i d eo f b e n d i n gp i p eb e c a u s eo f e x c e s sa t t e n u a t i o n ： ( b ) c r i n k l e si nt h ei n s i d eo f b e n d i n g p i p eb e c a u s e o fl o s es t e a d y ： ( c ) a b e r r a t i o no f p i p e s e c t i o n 1 2 2 管材弯曲的加工方法1 7 1 4 i 对管材进行弯曲加工，必须在充分考虑管材的截面形状特点和影响弯曲加工 的各种因素的基础上，注意解决以下问题： 1 ) 根据管件的材料种类、精度要求及相对弯曲半径m d 、相对厚度t d ( d 为管材 外径；，为管材壁厚：胄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力矩的方法及必要的工艺措施，使管件的截面形状畸 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。 目前，弯制技术方面主要需要提高的是实现最小的弯曲半径并使坯料发生均 匀完整的弯曲变形。弯管制造工艺按设备来分有：机械弯管法，液压弯管法。弯 管按弯曲方法来分有：冷弯、热弯( 同时热弯和冷弯中包括有芯弯管和无芯弯管两 种) ，机械弯，手工弯等几种方法。有时为满足管件的特殊形状要求，或为减轻弯 曲加工工艺难度，也采用其它的特殊弯管方法，如振动冲击弯曲、锥形芯棒扩径 弯曲、起皱弯曲、塌角弯曲、反变形弯曲等。以下逐一介绍弯管方式。 基焉_ d 盔胃_ 豳 盛_1_r_l 丑芦一k 垃耀警 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 拉弯 如图1 f 3 所示，拉弯是将工件压在旋转弯曲模上，弯曲模顶靠加压模进行拉 拔。加压模是可沿其纵向轴移动的：固定压力模必须具有耐磨性，因为金属工件 在其表面上滑动，产生磨蚀。活动加压模随工件弯曲向前移动，受这种磨蚀影响 小些。这种加压模提供了更好的导向性以及对加工材料更加均匀的约束力，在一 般的拉弯成形中最大弯曲角约为1 8 0 0 。这种弯曲方法难以维持弯曲毛坯的截面形 状，主要适用于有受力支撑部位的开口截面型材，该方法不适用于中空制件成形， 尤其是薄壁管材。 管 面定模 图1 3 拉弯 f i g 1 3s t r e t c hs t r e s s 2 绕弯 如图1 4 及图1 5 所示的弯曲方法，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，凸模不与管件一 起转动的是压缩方式，凸模与管件一起转动的是拉伸方式。采用压缩方式进行绕 弯，生产效率比较高，所进行的弯曲角度比较大，可达1 8 0 0 。局限是弯曲半径不 能太小，否则管件内壁容易起皱。采用拉伸方式进行绕弯，可以获得比压缩方式 更小的弯曲半径，主要是由于拉伸方式绕弯时管件中产生拉伸应力，而压缩方式 产生的是压缩应力，在拉伸应力作用下，管件不容易起皱。拉伸方式绕弯的管件 弯曲角可达到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，也不易产生皱折，在轴向施加推力时就有可能控 制管件的壁厚，钢管的冷作弯曲加工，大体上都是采用这种方式。 图i 4 绕弯( 压缩方式) f i g 1 4c o m p r e s sb e n d i n g 图1 5 绕弯( 拉伸方式) f i g 1 5e l o n g a t i o nb e n d i n g 东北走攀硕士学位论文霉一章绪论 3 滚弯 如阁1 6 所示，滚弯采用三个或更多的平行辊。在滚弯机上可以容易地加工 出任傍长度的嚣形传，弧形 孛以及螺旋豢李孝。逶耄工传鳇弩篷拳经至少必警孝葶整 径或在弯曲方向的截面厚度的六倍。为了限制非对称截面滚弯畸变，可以将两个 麓耪一瓣弯麴，弯赫居秀分开。商对聿冬滚弯卷虢 蔽环形俘，霹接辩把它们诱割成 环状物，但滚弯机中的回弹不容易控制。这种方法仪适用予曲率半径较大管件的 成形。 埘影 图1 6 滚弯 f i g 1 6b e n d i n g r o l l ( a ) p y r a m i dm o d e ；( b ) p r e s sm o d e 4 推弯( 隧道法) 接弯懿工俦原毽及工终过程磐嚣t 。7 繇示。欲弯藏翡管释先鲎皴于夸莛摸翼 的导套2 内，在凸模的推力作用下，管件袍坯3 处于压应力状态，在经过隧道模5 熬遵程中，被弯盏残所要求翡薤率形获。由于在弯魏的过程中，管件静端头易予 被压塌变形，因此在管件蕺坯中放置一个芯模，防止篱件端头的变形，它同管 牛 一起被推出，然后献管件中取出。为了得到平齐的弯管端头，应把弯曲前管子的 武侧面端部制成斜蔼。推弯蛉方法由于饕传霉念部通避弯簦姻摸，嚣龅这秘方法 不能制造有赢线段的弯头，f ； = 于设备空间限制，难以制造9 0 0 以上的环形管，同时， 封子弯戆睾经较小豹弯夔管传存不逶怒。 5 压弯 螽潮1 8 掰示，篷鹰是崮淆块耱动凸穰对管材施加维力产袋弯艇，管褙在两个 可以摆动的凸模支撑下弯曲。此装嚣由于简单且价廉藤得到了广泛的使用，如不 采用肉芯支撵制件的形状不够理想，常常在模其压制成形后管件弯曲部位严重塌 瘪，两虎芯的形状复杂，从没计到剿造郝需要较裹鹊技术，救乡 ，弯基炱连是鸯 限的，一般为6 0 0 1 2 0 0 内。 6 摄魂狰老弯熬 振动冲击弯曲是针对具有开口截面的管材所作的弯曲加工方法，是在管材的 弱都上藏趣戳冲击力，进而傻该部分赫动延伸而产生弯曲成形。图1 9 为该工艺 方法的示意图，但这种方法不适台用于复杂断蕊型材的弯蓝。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 噩罨玉丛丝蟊 图1 7 推弯图1 8 压弯 f i g 1 7p u s h i n gb e n d i n g f i g 1 8b e n d i n gp r e s s 1 c o n v e x i t ym o u l d ；2 g u i d ek n o t ；3 r o u g h p i p e ；4 m a n d r i l ；5 c o n c a v em o u l d ；6 b e n d i n gp i p e 7 圆移曲面芯棒扩管弯曲 圆移曲面( 牛角锥面) 芯模扩管弯曲工艺是将均匀加热中的管状金属坯料中压 入牛角状的芯模( 具有特定曲率同时截面直径逐渐增大) 使管坯在前进过程中，一 边作扩管一边进行弯曲的加工方式，如图1 1 0 。这种方法生产的环形管壁厚均匀， 截面形状也能保持高度圆形，但是由于加工条件苛刻，通常在加热下进行，所以 管坯一定不能有缺陷，对于加热温度、芯棒的形状等工艺方面都必须仔细地设计。 这类弯曲加工方法，在原理上对于大直径薄壁管的弯曲加工是不合适的。 8 起皱弯曲 起皱弯曲是将圆管的弯曲侧加热，在出现每一道皱折的同时作一次弯曲的加工 方法，主要用于大口径薄壁管的弯曲加工，作为烟道等使用。 部分 图1 1 0 锥形芯棒扩管弯曲 f i g 1 10e x p a n d e r d i a m e t e rb e n d i n g b y c o n e 9 塌角弯曲 后拉力尸 圈1 9 振动冲击弯曲 f i g 1 ，9v i b r a t o r ys h o c kb e n d i n g 塌角弯曲是将弯曲时管材变扁现象积极地利用起来的弯曲方法，如图1 1 1 所 示。这一加工方法适用于仅要求弯曲件外侧形状的制件。 l o 反变形法弯曲 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 反变形法弯管是在管材发生弯曲变形处，预先使管材外侧受到反向变形而向 外凸出，以抵消管材弯曲时产生的椭圆形，使管材截面形状恢复到圆形，如图1 1 2 所示。反变形弯管，一般用于截面中心层弯曲半径大于1 5 倍管材之外径d 的情 况下，否则弯曲处的截面形状将产生严重变扁和外侧壁厚明显减薄的现象。 图11 1 塌角弯曲 f i g 1 11c o l l a p s ea n g l eb e n d i n g 图1 1 2 反变形弯曲 f i g 1 1 2r e v e r s i b l ed e f o r m a t i o nb e n d i n g b e n d i n g 1 1 变径弯曲 变径弯管( 异径弯头1 8 副) 是水电站压力水管中的一个重要组成部分。在某个平 面内改变方向时，压力水管的上下端口径突变，故需做成变径弯管。弯管的弯曲 半径一般为管径的3 5 倍，这样可使水头局部损失小些，但布置在狭窄地段的转 角为6 0 0 以上的弯管，其中心线的弯曲半径可减小至管径的1 5 倍。变径弯管是一 种圆移曲面( 俗称牛角锥面) ，可看作是半径均匀变化的母线圆，当圆心沿着弯管 中心线滑动时，其圆平面始终垂直于中心线而形成的曲面。 1 2 加热弯管 加热弯管是一种加热、弯曲及冷却连续进行的弯管过程。加热弯管是防止管 材截面形状畸变与壁厚不均匀的一种新的工艺方法。加热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。见图1 1 3 、1 1 4 。 图i 1 3 加热弯管1 ：艺示意图( 同转式) f i g 1 13h o t p u s hb e r i n g ( b a c ks w i n g ) 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 o i lv a t ，2 b e h a n de o l l e t ；3 b r a c ew h e e l ；4 1 n d u c t o r i u m ；5 c o o l e r6 b e n d i n gp i p e ；7 f r o n tc o l l e t 12345 图1 1 4 加热弯管工艺不意图( 侧压式) f i g 1 t 4h o t - p u s hb e n d i n g ( s i d ep r e s s ) 1 b r a c ew h e e l ；2 1 n d u c t o r i u m ；3 c o o l e r ；4 b e n d i n gp i p e ；5 a p p l yp o w e rs e t 1 2 3 弯曲缺陷的分析与解决措施 上述的弯曲加工方式中都不同程度的发生截面形状的非圆变化和出现壁厚 不均匀的现象。 1 壁厚不均匀现象【1 6 1 7 】 主要是过度减薄。由应力、应变状态分析可知，在弯曲中性层外侧由于切向 拉应力作用而使壁厚减薄，在中性层内侧由于切向压应力作用而使壁厚增厚，且 位于最外侧和最内侧的管壁厚度变化最大，从而，导致了壁厚不均匀现象。 管壁厚度的减薄，降低了管件承受内压的能力。生产中常用壁厚减薄率作为 衡量壁厚变化大小的技术指标，以满足管件的使用性能。 壁厚减薄率= ( t - t i n 。) t x1 0 0 ( 1 1 ) 式中：r _ 管材原始壁厚( m m ) k 。一管材弯曲后最小壁厚( r a m ) 。 管壁厚度的变薄量，主要取决于管材的相对弯曲半径r d 和相对厚度t d 。对 于简单弯曲，壁厚最大变薄量f 计算公式为： z s t = t - t = t * ( 1 一雨；j ( 1 2 ) 在实际制造中，弯曲外侧的最小壁厚。和内侧的最大壁厚r 。，通常用以下 两式估算： t m a x 掣一+ 黜， ( 1 3 ) 狩即一糍， ( 1 4 ) 式中：卜_ 管材原始壁厚( r a m ) d 一管材外径( m m ) 胄一中心层弯曲半径( m m ) 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在弯曲中，管材壁厚的变薄与相对弯曲半径和相对厚度有关，而先进弯曲方 法可减轻或弯曲避免壁厚变薄。在各种弯曲方法中，凡能够降低中性层外侧拉应 力数值，或改变变形区应力状态，增大压应力成分的方法，都有助于减小或消除 壁厚变薄。 减小管壁厚度变薄的主要途径是： 1 ) 降低中性层外侧产生拉伸变形的拉应力数值。例如中性层内侧采用电阻局部 加热的方法，降低中性层内侧金属材料的变形抗力，使变形更多的集中在受 压部分，达到降低受拉部分拉应力数值的目的。 2 ) 改变变形区内材料的应力分布，使拉应力降低，压应力增加。如绕弯工艺中 采用顶压弯管的方法，可使壁厚变薄量显著减少。该方法是在弯曲的同时沿 管坯轴向再施加一轴向压力，从而改变了弯曲过程中的应力分布情况，这时 弯曲中性层发生了由内向外的移动。这样，便扩大了压缩区，相应减少了拉 伸区，故可达到减小壁厚变薄量的目的。 3 ) 如推弯工艺，是使管坯弯曲中每一点都主要受弯曲变形，也是通过对管坯轴 向旌加压力，改变了变形区的应力状态，增加了压应力的成分，从而较好的 克服了管壁过度变薄的缺陷。 4 ) 本文所讨论的牛角锥面芯模扩管弯曲工艺可完全消除壁厚变薄现象。 2 截面形状畸变 对于管材的弯曲加工，除非弯曲工艺中采取必要的措施( 如在管内放填充料或 由芯棒支撑着) ，否则，弯曲时会因变形程度的不同，或大或小地都将发生截面形 状的畸变现象。 管坯在弯矩肘作用下弯曲时，弯曲变形区的中性层外侧受切向拉应力，内侧 受切向压应力。由于弯曲内、外侧管壁上切向应力在法向的合力作用，使弯曲变 形区的圆管横截面在法向受压而产生畸变，即法向直径减小、横向直径增大，而 成为近似椭圆形。管材产生畸变，引起弯曲刚度降低，影响弯曲精度，如图1 1 5 所示。分析截面形状畸变过程和阐明材料特性对畸变的影响，是建立在以下假设 基础上的： 1 ) 管材壁厚与管材直径的比值是足够小的； 2 ) 截面形状的改变即变扁是沿纵向的； 3 ) 应变分量是足够小的，可以采用工程应变。 通过分析可知，变扁系数b 与应变硬化指数月及无量纲曲率南有关系。如图 1 1 6 所示，变扁系数随应变硬化指数的增大而增大。 东北太擘硕士学位论文 第一章绪论 围1 1 5 营瓣弯鞠辩静截露变形强1 1 6 交稿系数鸟瘟交疆铯据数关系 f i g 1 1 5c r o s ss e c t i o n d e f o r m a t i o no f b e n d i n g p i p e f i g i 1 6 r e l a t i o n s h i p o f r a t i o n a n d e x p o n e n t i a l 穗) b e f o 心d e f o r m a t i o n ；( b ) a f t e r d e f o r m a t i o n ；( c ) d i s p l a c e m e n t ， 冀孛，变廉系数定义始下： 口= 甜。如舢僖( 1 5 ) 式串：磊蠢一撩圈形长边纛径； 如。一椭圆形短边躐径； 加变形翦豳形直径： 姒= ( 4 。一蟊m 炸岛( 如为弯曲半径)( l 6 ) 防止管材截两形状畸变的方法主要有以下几种： 1 在喾耪夕 表嚣避学隈剃f 凸、翻模) ； 2 在管材内表面进行限制( 利用芯棒或内部加填充物等) ； 3 。奁管耪肉、努袭嚣露辩邃行矮嗣。 薹3 鑫器塑性戏形过程的模拟方法1 1 5 ，2 0 川瑚i 科学技术的飞速发展，使得“模拟技术”一词广为人们所熟知，模拟技术已 拥有相当广阔的应用领域。 爨潺模羧，裁怒镑对浆个现象或过援熬藤罄，建立一令与该现象或过程冥骞 相似饿而又便于人们进行观测和控制的模型，通过研究模戮在各种条件下的响应 宋推测原鳘焱辖应条件下豹螭应，扶露获霉辩于原鼙窥律绦的认识。 在塑性成形中，材料的塑性变形规律、模具与工件之阳 的摩擦现象、材料中 溢度和微麓缀织的变化及麓对制件质量的影响等等，都是十分复杂的问艨。这使 季晕塑 生成形工艺和横具设计缺乏系统的、糖确嬲理论分援手段，褥是主簧依据工 9 - 目臂v 枣皋 表池大学颁士学位论文 第一章绪论 摆师长期积累的经验。没有成熟的成形工艺和模具设汁，弯蛰质量难以缮到保诞。 一些关键性的工艺设计参数要在模具制造出来以后，通过反复的工艺实验和修改 才一毙确定，这榉裁消矮了大量豹人力、甥力鞠辩闯。氆助予模数方法毙蕊入翻蒙 褥对于鞭性成肜过程规律性的认识，以较小的代价、在较愆的时f 司内找到最优的 藏可行瓣工艺设诗穷案。 模拟技术在金属魍性加工的璎论研究和生产实际中已显示出臣大作用，金属 漫栏成形过程数值模 薹i 正成为对鎏住成形进行幂萼学预测、工艺优化和定鬣控制的 有效方法，在塑性加工领域获碍愈来愈广泛的应用。成形模拟的齑晶软件已在生 产实际中应用，模拟技术作为塑设加工趱拟制豫系统中的一项重要技术，正在成 为从事凝性成澎积摸其设诗豹技本人员艨必备熬一矮基本按憨。 1 3 1 金属塑性成形过程的实验模拟一物理模拟1 1 5 2 0 2 1 , 2 2 j 秘疆模数辩采麓耪瑾攮型递孝子实验摸板。蘩往成澎耱瑾模接一般包裕两个方 面：一是模拟研究塑性成形过程的物理化学现象和性能，即研究金脶的化学成分、 琢始组织状态、变形的温度一速度条件等对变形后金属的组织和雠能的影响以及 以显微缎织的摄粒为参考测量单元的热模拟技零：二楚模拟磺究塑性成形过程中 的位移、应变和应力等力学数学内容，主要研究不同的约束条件、加载方式或工 艺方法下，变形金羼体内豹癍力、应变特捱器金溪滚麓焱律等。 为了使得物理模拟的结果能正确地推广到原型，除了考虑几何相似和边界祭 擎程餐箨，还澎当考虑相应静婆穗模撅礁掰。塑缝戒形静稹叛材辩有：较金藕丰才 料、粘土类模拟材料、蜡、商分子材料、同种实物材料等。聪翦常用的方法有机 槭式的阏格法、层状材料法簿；光学式的云纹法、光激性法、光敏涂层、全息法 等。 网格法是分析塑性变形过程的经典方法之一，可用来确定试件内部的应力、 盛变以及应变速度分奄援簿。英方法是蓄先选定试样割分嚣f 该裁努覆应煞反浚金 属流动情况) ，将剖分面磨平抛光，并在剖分面上刻印嫩标网格，坐标网格可刻印 戒歪方彭或瑟形。然嚣将翻分试徉豹两半褥低熔点合众焊合，按所需方式进行成 形，变形结束麽加热使其在焊合处熔开。最后分析网格形状的变化，即彤确定秘 料流动的特性，读取缩点的嫩标，计算其变化即可确定试样的变形情况。网格法 是凝究金属成形过程的静蠢效方法，也可用寒检验獒它理论分援豹垂确性，毯 这一方法的实验和计算工作_ 迥比较大，而且要求测试数据准确。因为测试数据直 接影璃诗蓉结巢。 云纹法，国外称为“m o i r e ”法( 莫尔法) ，有丝绸波纹之崽。如果将两缺印有 密集平行线条静透明敝 密褥敝) ，燕叠趋来，辩着亮静背景肴去，就会有明暗相 间的条纹出现，即为所谓的云纹。在试件表露上制出一组概线( 试传撵) ，变形过 程中与试件一怒变形，在其上藿叠一块拷贝有栅线的玻璃版( 基准栅) ，由于光的 - 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 干涉就会产生云纹。试件变形时，试件栅的栅线间距就会发生变化，云纹也随着 增加、减少、倾斜或弯曲。由于云纹的分布和试件的变形情况有着定量的几何关 系，从而可推算出试件各处的应变值。 光塑性法是用光测方法研究物体处于弹性或塑性状态下的应力、应变的一门 学科。它采用透明的、具有双折射效应的光学敏感材料，制作成与原型构件相似 的模型，利用偏振光透射塑性变形的透明模型，可在偏光镜屏幕上观察到一些相 同颜色的条纹，这是最大剪切应力的几何点位置，同时也会出现斜度相同的条纹， 据此计算出模型内的应力分布，最后根据相似理论，将模型应力转换为原型应力。 物理模拟技术，作为验证预成形设计和工艺设计、验证数值模拟结果的手段 以及研究金属成形规律的实验手段，具有重要的实用价值( 2 0 j 。但这种方法仍然需 要实物的模具和材料，在具体实施时仍然耗时、耗力、耗材。另外由于软材料与 真实材料物理性质的差异，实验结果不可避免存在着误差。 1 3 2 金属塑性成形过程的计算机模拟一数值模拟 2 1 世纪是信息数字化的时代，计算机及网络技术将渗透到社会生活的各个方 面，包括产品的设计、制造过程。随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对塑 性成形过程物理规律研究的深入，塑性加工过程的计算机模拟技术( 虚拟塑性加工 技术) 近年来取得了很大的进展 2 1 - 2 2 j 。 数值模拟采用一组数学方程( 一般是微分方程) 和定解条件将实际过程抽象成 理论模型，利用电子计算机求得该理论模型在不同条件下的数值解，以此推测在 相应条件下所发生的实际过程。 随着计算机技术的发展，数值模拟方法越来越显示出巨大的优越性。首先， 它不需要建造物理模型，因而节省了大量人力、物力和时间，并使得在设计阶段 可对不同的设计方案及时进行评价，筛选出合理的、最优的方案；其次，数值模 拟能提供工件和模具中各物理量( 如应力、应变、温度等) 分布的详尽数据，使人 们获得对于实际过程深入、全面的了解：最后，数值模拟有着极大的灵活性，能 用于模拟在物理模拟尚不能提供的虚拟条件下模型的性态，从而为探索性的研究 提供了手段。但是，由于建立理论模型时对原型的简化处理，所依据的理论的不 完善和计算机误差等等，数值模拟的结果应该用物理模拟来检验。 金属塑性成形过程的数值模拟主要采用有限元法、边界元法或有限差分法进 行数值计算。通过模拟，可方便地确定塑性成形过程中各个阶段所需的变形功和 载荷，获得塑性加工过程中工件和模具的位移场、速度场、应变场、应力场和温 度场，预测工件的成形状况、残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布【2 3 1 ：预测 工件细观组织和性能的变化，如织构的演化，细观损伤的形核、长大和聚合过程 瞄4 j 等。利用计算机图形技术可以将这些分析结果直观地呈现在研究设计人员面 前，使它们能通过虚拟的塑性加工过程检验工件的最终形状、尺寸是否符合设计 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 要求，是否会产生折叠等外部缺陷、疏松和裂纹等内部缺陷：根据细观组织的变 化预测产品的使用性能；还能根据模具的受力校核其强度、刚度，预测模具的磨 损，确定压力机压下量的补偿值等。采用计算机模拟，能在塑性加工工艺设计和 模具设计初步方案完成后立即对其进行检验，并提供修改方案所需的详尽资料。 经模拟检验后，再完成详细设计并进行模具制造。这样，就能从根本上改变以往 由于缺乏对塑性加工过程的科学分析手段而只能凭经验设计模具，通过反复的工 艺实验修改模具和工艺参数，以便最终生产出合格零件的状况，极大地降低了生 产成本、提高了产品质量、缩短了产品交货期。塑性成形过程模拟在工业发达国 家己进入实用阶段【2 5 1 ，如美国三大汽车公司在汽车覆盖件模具设计制造中，都 要求在设计完成后必须经过计算机模拟检验，才能投入实验软模的制造。这样可 以大大节省制造实验软模的昂贵费用和实验周期，其经济效益非常明显。计算机 模拟与人工智能技术相结合，将成为塑性加工中设计与制造智能化的有力工具。 1 4 钛合金的性能与用途简介 2 6 - 2 9 】 1 钛的性质 金属钛具有两种同素异晶形态，低温( 8 8 2 5 ) 稳定为卢型，体心立方晶系。由a t i 转化为肛t i 时，其体积增加5 5 。钛的熔点为1 6 6 8 4 ：沸点为3 2 6 0 2 0 。 钛及钛合金的密度小、抗拉强度高f 可达1 4 0 公斤毫米2 ) 。在一2 5 3 6 0 0 范 围内，它的比强度( 抗拉强度，密度) 在会属材料中几乎最高。它在适当的氧化性环 境中可形成一种薄而坚固的氧化物膜，具有优异的耐蚀性能。此外，它还具有非 磁性、线膨胀系数小等特点，这就使钛及其合金首先成为重要的宇航结构材料， 随后又推广到舰船制造、化学工业等领域，并得到迅速的发展。 2 钛及其合金的应用领域见表1 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 1 钛及其合金的应用领域 t a b l e1 1a p p l i c a t i o nf i e l do f t i t a n i u ma l l o y 应用领域材料的使用特性- 应用部位 飞机制造行喷在5 0 0 ( 2 以下具有高的屈服强 在5 0 0 ( 2 以下的部位使用：压气盘，静叶 业气度，密度比和疲劳强度密度比，片，动叶片机壳，排气机构外壳中心 发良好的热稳定性，优异的抗大气 体，喷气管等