（材料加工工程专业论文）基于流动速度场控制的挤压成形弯曲管件过程研究.pdf

i i l ll ll 1l l ll l l lil ll ll y 17 4 9 8 14 t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e s t u d y o nt h ee x t r u s i o np r o c e s so f f o r m i n gb e n d i n gp i p e b a s e do nf l o w v e l o c i t yf i e l dc o n t r o l b y d u d e h e n g s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc u ih o n g x i a n g p r o f e s s o r s o n gj i s h u n d e c e m b e r , 2 0 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗堡墨太望 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：赵锤垃签字目期：为扣年 月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：赴德。埴导师签名：匆毛 签字日期：切7 。年月r 日签字日期：伽k 年月参，日 摘要 随着交通工具轻量化的推进和航空航天技术的迅猛发展，弯曲管材以其高比强度和 高比刚度而应用领域日益广泛，汽车、大型飞机等产业的发展也对铝合金薄璧弯管质量 提出了更高需求，开发管材弯曲新工艺的研究成为成形技术发展的一个重要方向。 本课题组根据金属流动的不平衡性原理提出了偏心挤压成型管材弯曲件的方法。采 用偏心结构设计，并在模具结构、坯料、工艺参数等方面采取措施，加大金属流动的不 平衡性，利用材料在管材挤压过程中流动的不对称性，直接通过挤压得到管材弯曲件， 实现管材的挤压、弯曲一次性成形。 本文首先采用有限元法，通过有限元商用软件d e f o r m 对成形过程进行数值模拟 分析，基于材料流动控制的方法研究了偏心挤压成型管材弯曲件。得出其材料流动模式、 应力分布情况、载荷变化以及制件弯曲变形情况，分析表明采用该方法得到的管材弯曲 件应力分布均匀，壁厚均匀，弯曲曲率半径一致；随后在此基础上对模型进行优化，设 计出试验所需模具，首先通过软质材料橡皮泥、p b 进行试验验证分析，并对变形后制 件的壁厚以及曲率半径进行分析，验证了此方法的可行性。 其次对差速挤压成型管材弯曲件的过程进行了有限元数值模拟分析，采用双凸模作 用，通过挤压弯曲复合成形的方法在模具内将一块或多块坯料挤出弯曲复合成形管材弯 曲件，通过控制挤出速度梯度可以在挤出的过程中实现不同角度的弯曲，控制管材曲率 半径和璧厚精度。通过双凸模作用下的成形过程的有限元分析得到其速度场分布情况、 材料流动模式、应力分布情况、壁厚分布情况、载荷变化情况以及制件弯曲变形情况。 结果表明应力分布均匀，壁厚均匀，通过控制速度梯度可以实现对弯曲曲率半径的控制。 数值模拟研究以及验证试验表明该方法成形过程中金属流动均匀，管材曲率半径和 璧厚精度可控，并有效地改进了弯曲成形管材质量。同时，为在此基础上实现在多凸模 的作用下，多个方向的弯曲成形奠定了良好的基础。 关键词：挤出弯曲复合、有限元模拟、流动控制、偏心挤压、差速挤压 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c eo fl i g h t w e i g h tv e h i c l e sa n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fa e r o s p a c e t e c h n o l o g y , c u r v e dp i p ew i t hi t sh i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n dh i g hs t i f f n e s s ，s ot h e r ei saw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，t h ed e v e l o p m e n to fc a r s ，l a r g ea i r c r a f tr a i s e dt h eu r g e n tn e e do ft h i n b e n d i n ga l u m i n u ma l l o yp i p e t h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i e ss u c ha sc a r s ，l a r g ea i r c r a f th a s a l s or a i s e dah i g h e rd e m a n df o rt h eq u a l i t yo ft h i nb e n d i n ga l u m i n u ma l l o yp i p e , d e v e l o p m e n t o fn e wt e c h n o l o g yf o rp i p eb e n d i n gf o r m i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tt ob e c o m ea ni m p o r t a n t d i r e c t i o n t h er e s e a r c hg r o u pu s et h ei m b a l a n c em e t a lf l o wt h e o r yp u tf o r w a r dw a y so fe c c e n t r i c e x t r u s i o nf o r m i n gb e n d i n gp i p ep a r t s u s i n ge c c e n t r i cs t r u c t u r ed e s i g n ，t h r o u g ht a k em e a s u r e s o nt h em o l ds t r u c t u r e ，b i l l e t s ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ，e t c t oi n c r e a s et h em e t a lf l o wi m b a l a n c e t h eu s eo fi m b a l a n c ef l o wo fm a t e r i a l si nt h ep i p ee x t r u s i o np r o c e s sd i r e c t l yt h r o u g ht h e e x t r u s i o no b t a i n e dp i p eb e n d i n gp a r t s a c h i e v e p i p ee x t r u s i o na n db e n d i n gp r o c e s sb y o n e t i m ef o r m i n g i nt h i sp a p e r ，i n s tu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a c h i e v e dt h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ef o r m i n gp r o c e s sb yd e f o r m 一3 df i n i t ee l e m e n tc o m m e r c i a ls o f t w a r e ， s t u d y t h ee c c e n t r i ce x t r u d e df o r m i n gp i p eb e n d i n gp a r t sb a s e do nm a t e r i a lf l o wc o n t r o l m e t h o d a c h i e v e dv e l o c i t yf i e l dd i s t r i b u t i o n ，m a t e r i a lf l o w ，s t r e s sa n ds t r a i nf i e l d d i s t r i b u t i o n ，s q u e e z i n gp r e s s u r eo ft h ep r o c e s s a n a l y s i ss h o w st h a tp i p eb e n d i n gp a r t s a c h i e v e db yt h i sm e t h o dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni su n i f o r m ，w a l lt h i c k n e s su n i f o r m ，t h es a m e b e n d i n gr a d i u so fc u r v a t u r e t h e n ，o p t i m i z et h em o d e lt od e s i g nt h en e e d e dd i ef o re x p e r i m e n t o nt h i s b a s i s ，f i r s tt e s ta n dv e r i f yt h r o u g ht h es o f tm a t e r i a l sr u b b e rm u da n dp b ，a f t e r d e f o r m a t i o nw ea n a l y z et h et h i c k n e s so fw o r k p i e c ea sw e l la st h er a d i u so fc u r v a t u r et ov e r i f y t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d s e c o n da c h i e v e dt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb e n d i n g a l u m i n u m a l l o yt u b ei n d i f f e r e n t i a lv e l o c i t y , i nt h er o l eo ft w o b l o c kp u n c h ，t h r o u g ht h e e x t r u s i o nb e n d i n gf o r m i n gm e t h o do n eo rm o r eb l o c k so fb i l l e tw i l lb ee x t r u d e df r o mt h e m o l d ，e x t r u s i o na n db e n d i n gc o m p o s i t et of o r mp i p eb e n d i n gp a r t s ，b yc o n t r o l l i n gt h e e x t r u s i o nv e l o c i t yg r a d i e n ti nt h ee x t r u s i o np r o c e s st oa c h i e v ed i f f e r e n ta n g l e so fb e n d i n g ， c o n t r o lt h ep i p er a d i u sa n dw a l l t h i c k n e s sa c c u r a c y t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e f o r m i n gp r o c e s su n d e rt h ea c t i o no fp a i r so fp u n c ht oo b t a i ni t sv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，m a t e r i a l f l o wm o d e ，s t r e s sd i s t r i b u t i o n ，w a l lt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ，l o a dc h a n g e s ，a sw e l la se x t r u s i o n d e f o r m a t i o no fw o r k p i e c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s sd i s t r i b u t i o nu n i f o n n w a l l t h i c k n e s su n i f o r m ，t h ec o n t r o lo ft h eb e n dr a d i u sc a l lb ea c h i e v e db yc o n t r o l l i n gt h ev e l o c i t y g r a d i e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da c t u a lt e s tv e r i f i c a t i o ns h o w e dt h a tm e t a lf l o we v e n l y , p i p e r a d i u sa n dw a l lt h i c k n e s sc a nb ep r e c i s i o nc o n t r o l l e d ，a n de f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h eq u a l i t yo f b e n d i n gp i p ed u r i n gt h em e t h o do ff o r m i n gp r o c e s s a tt h es a m et i m e ，o nt h i sb a s i s ，l a i da g o o df o u n d a t i o nf o rt h ef o r m i n gp r o c e s su n d e rt h ea c t i o no fm u l t i p u n c h ，t h ed i r e c t i o no f b e n d i n go v e rc a nb ea c h i e v e du n d e rt h ea c t i o no fm u l t i p u n c h k e yw o r d s te x t r u s i o na n db e n d i n gc o m p o s i t e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；f l o wc o n t r o l ；e c c e n t r i c e x t r u s i o nf o r m i n g ；e x t r u s i o nw i t hd i f f e r e n t i a lv e l o c i t y 目录 第一章绪论一1 1 1 弓i 言1 1 2 国内外研究现状1 1 3 选题依据及研究内容6 1 3 1 选题依据6 1 3 2 研究内容6 1 4 本论文研究意义8 第二章有限元数值模拟技术一9 2 1 弓i 言9 2 2 金属塑性成形理论基础9 2 3 有限元数值模拟基础1 0 2 3 1 有限元基础1 0 2 3 2 有限元法的计算思路1 1 2 3 3 有限单元法的解题步骤1 2 2 3 4 金属塑性变形有限元与变分法原理1 3 2 4d e f o r m 数值模拟基础15 2 4 1d e f o r m 数值模拟前处理器16 2 4 2d e f o r m 数值模拟求解器1 6 2 4 3d e f o r m 数值模拟后处理器17 2 5 本章小结1 7 第三章偏心挤压成型制备管材弯曲件数值模拟l8 3 1 引言18 3 2 构造数值模型1 9 3 2 1 几何模型的建立1 9 3 2 2 模拟参数的设定1 9 3 3 定义毛坯和模具2 1 3 3 1 模型的导入2 1 3 3 2 有限元网格划分与步长设定2 1 3 3 3 毛坯和模具间关系的定义2 2 3 3 4 设置模具的运动2 2 3 4 输出控制设置2 2 3 5 模拟结果的后处理2 2 3 5 2 行程一载荷曲线2 3 3 6 本章小结2 4 第四章偏心挤压弯曲模具设计及实验分析2 5 4 1 挤压技术简介2 5 4 1 1 挤压方法分类2 5 4 1 2 挤压的基本方法2 5 4 2 挤压工艺分析2 6 4 2 1 工件工艺性2 6 4 2 2 毛坯工艺性2 6 4 2 3 挤压方法与挤压设备选取2 7 4 3 偏心挤压模具设计：2 8 4 3 1 模具设计要点2 9 4 3 2 模具工作过程3 0 4 4 偏心挤压实验。3 0 4 4 1 木模挤压橡皮泥3 0 4 4 2 金属模具试验31 4 5 本章小结3 5 第五章差速挤压成型制备圆形管材弯曲件数值模拟3 6 5 1 引言3 6 5 2 构造差速挤压成型制备管材弯曲件数值模拟数值模型3 7 5 2 1 几何模型的建立3 8 5 2 2 模拟参数的设定3 8 5 3 定义毛坯和模具3 9 5 3 1 模型的导入3 9 5 3 2 有限元网格划分与步长设定4 0 5 3 3 毛坯和模具间关系的定义4 0 5 3 4 设置模具的运动4 1 5 4 输出控制设置4 1 5 5 模拟结果的后处理4 1 5 5 1 挤压过程中各处材料流动速度分布的分析4 1 5 5 2 金属的流动4 2 5 5 3 行程一载荷曲线4 3 5 5 4 等效应力场4 3 5 5 5 挤压管件壁厚分析一4 4 5 5 6 速度差控制与弯曲变形关系4 5 5 6 本章小结4 7 第六章差速挤压成型制备方形管材弯曲件数值模拟4 8 6 1 引言4 8 6 2 有限元模型的建立4 9 6 2 1 几何模型的建立4 9 6 2 2 模拟参数的设定5 0 6 2 3 有限元网格划分与步长设定。5 1 6 3 挤压过程及模拟结果与分析5 2 6 3 1 挤压过程中各处材料流动速度分布分析5 2 6 3 2 金属的流动5 3 6 3 3 行程一载荷曲线5 4 6 3 4 等效应力场。5 4 6 3 5 挤压管件壁厚分析5 5 6 4 速度差控制与弯曲变形关系5 5 6 5 本章小结5 7 第七章结论与展望5 8 7 1 论文结论5 8 7 2 展望5 8 参考文献6 0 发表论文和科研情况说明6 3 致 射6 4 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 目前，材料加工领域已经成为了全世界工业领域发展的热门领域，各种新的材料加 工技术不断涌现出来，经过技术改革和创新，一些传统的材料成形技术焕发了新的活力 【l 】。塑性成形技术，能够实现材料的成形和改性，在材料加工工程中占有极其重要的地 位，先进塑性成形技术与数值模拟技术涉及材料学、力学、机械与计算机应用等学科前 沿，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 技术，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 】。其中挤压加工工 艺是将金属毛坯放在塑性成形设备上的模具型腔内，在一定的压力和速度作用下，迫使 金属毛坯产生塑性流动，从型腔中挤出从而获得所需形状及尺寸并具有一定力学性能的 挤压件的工艺技术【3 1 。本文通过利用挤压弯曲塑性加工方法与计算机数值模拟相结合的 方法来研究管材弯曲件的成形工艺。 管材弯曲件在汽车、航空航天、船舶制造等工业领域中应用十分广泛，因此对棒材、 管材弯曲技术和质量的要求也越来越高。但是，由于弯曲成形的理论研究进展比较缓慢， 近年来，计算机技术的发展为塑性成形研究提供了很好的辅助工具，各种有限元计算方 法在弯曲变形研究中也得到了广泛应用，并已在弯曲加工类产品的设计和优化方面被证 明是有效的【4 1 。传统的管材弯曲方法生产的制件中存在外侧壁的减薄、破裂，内侧壁的增 厚、起皱和横截面畸变等缺陷【5 卅。本课题提供一种生产金属弯管或者棒材的新方法并 且能有效避免传统的弯曲成形技术的缺陷，通过挤压弯曲复合成形的方法在模具内将一 块或多块坯料挤出并成形出管材弯曲件，通过控制挤出偏心率以及速度梯度可以在挤出 的过程中实现弯曲，通过挤出弯曲复合成形的方法制得精确的均匀性好的管材弯曲件。 本研究的意义在于：一是通过该成形方法避免传统的弯曲成形过程所带来的缺陷如 管壁的过薄或者过厚，截面的扭曲，表面的起皱和折叠等，形成一套全新的生产工艺， 生产出更加满足要求的产品，为以后产业化生产打下良好的基础。二是通过有限元数值 模拟及实际试验过程来研究分析在此成形过程中的复杂流场中材料的流动规律、变形规 律以及变形过程载荷分析等，不论在理论研究方面还是对实际生产的指导都有重要意义 和应用价值，管材弯曲件成形工艺的数值模拟分析以及成形模具设计为这种成形工艺进 一步开发提供了依据。 1 2 国内外研究现状 管材塑性加工由于容易满足塑性成形产品轻量化、强韧化和低耗高效、精确制造等 方面的要求，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。管材制 造零件广泛地使用在航空航天、汽车、石油化工、轻工及交通运输等工业部门中。例如 在汽车工业中，采用中空铝型材作车身结构和保险杠，在保持与钢铁制件具有同等的抗冲 第一章绪论 击强度条件下，能减轻3 0 4 0 车体质量，对汽车的轻量化具有十分重要的意义；当汽 车发生碰撞等意外事故时，管材结构还可以吸收因碰撞带来的冲击能，保护乘客的安全， 挤压成形作为铝型材生产的主导技术和核心环节，其工艺方法、模具结构、工装设备等 都直接影响最终产品的质量【7 】。近年来，许多国家陆续开展了对铝型材挤压力学理论和 数值模拟技术的研究，在为正确设计挤压模具提供科学依据和指导生产实践方面，取得 了一定的成果。 管材塑性加工是以管材作毛坯，通过塑性加工手段，制造管材零件的加工技术l 引。管塑 性弯曲成形主要有无模弯曲( 热应力引起的弯曲纯力矩弯曲) 和有模弯曲( 压弯；绕弯 等) 两种。传统的管材弯曲加工方法按弯曲方式可分为压弯、滚弯、推弯和绕弯四种l i j 。 ( 1 ) 压弯( 如图1 1 ) 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，既可以弯制带直段的管件，又可以弯制弯头。 图1 1 压弯 f i g 1 1p r e s sb e n d i n g ( 2 ) 滚弯( 如图1 2 ) 主要用于曲率半径较大的厚壁管件的弯曲成形，它是用三个驱 动滚轮对管材进行弯曲加工，它与板材滚弯的区别仅在于所用的滚轮具有与弯曲管坯断 面形状相吻合的工作表面。 图1 2 滚弯 f i g 1 2r o l lb e n d i n g ( 3 ) 推弯( 图1 3 ) 主要用于弯制弯头，包括型模式冷推弯管( 在普通液压机或曲柄 压力机上将管坯在常温下压入带有弯曲型腔的型模中，从而形成管弯头) 和芯棒式热推 弯管( 在专用推制机上使管坯在轴向推力作用下通过牛角芯棒，边加热边推弯从而得到 较大直径的弯头) 。 第一章绪论 图1 3 推弯 f i g 1 3p u s hb e n d i n g ( 4 ) 绕弯( 如图1 4 ) 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。 加紧 固转凸横 图1 4 绕弯 f i g 1 4w i n db e n d i n g 还有几种通过挤压的方式来获得管材弯曲件的方法，下面对这几种方法做以介绍： ( 5 ) 图1 5 所示的这种弯曲成形方法是通过控制分段引导是被来实现弯曲管件的制 各，通过直接挤出实体的成形方法实现的【9 1 。 图1 5 通过分段引导设备弯曲 f i g 1 5b e n d i n gp r o c e s su s i n gs e g m e n t e ds h o w i n gt h eg u i d i n gd e v i c e ( 6 ) 图1 6 所示的是管材挤出数控弯曲，在计算机数控作用下通过阻流销来控制金属 的流动，由于出口金属流动的不平衡性，导致金属管材的弯曲【l o 】。 第一章绪论 圈 图1 6 数控挤出弯曲 f i g i 6c n ce x t r u s i o nb e n d i n g ( 7 ) 图1 7 所示的是管材多孔挤出成形是利用孔的个数以及孔的分布位置来控制金 属的流动趋势，由于偏心率不同，使得金属的在出口处的流动不平衡，从而使管材发生 弯曲【1 。 c ) f o u r , - i 删。 图1 7 管材多孑l 挤出成型 f i g 1 7e x t r u d e dt u b e sw i t hc u r v a t u r e s 目前针对管材弯曲成形从理论、实验方面着手研究的较多，基于数值模拟研究的较 少；针对加热弯曲成形研究的多，而对冷弯成形研究的少；针对矩形管弯曲研究的多，针 对圆管弯曲研究的少；研究纯弯和均匀弯曲的多，但针对先进而复杂的数控弯管工艺开展 的研究不多，相关报道较少。 对管材弯曲成形的理论分析主要集中在如下几方面： ( 1 ) 回弹分析： l u d w i k 塑性弯曲工程理论和h i l l 的塑性弯曲精确数学理论的研究工作奠定了弯曲回 同一 罔一 第一章绪论 弹问题研究的理论基础。 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。 胡忠等对中频感应加热弯管回弹进行了研究，通过对中频感应加热推弯大口径钢管 的回弹进行分析，将总回弹角分为酊导区、弯曲区和夹持区3 个部分的回弹，推导了各部分 回弹角的计算公式，从而可以计算中频感应加热弯制大口径钢管的回弹。 张旭光运用刚塑性有限元法模拟了数控弯管成形过程，得到弯曲过程的应力场和应 变场分布，以此为基础，通过对管数控弯曲过程及其回弹过程合理分析，将弯管的回弹分为 弯曲段的回弹和过渡段的回弹两个部分，建立了回弹预测的解析模型，运用解析法对数控 弯管回弹进行了研究。 ( 2 ) 起皱预测和破裂分析： 林艳，杨合，等针对薄壁管数控弯曲精确成形过程在多因素交互作用下可能发生失 稳起皱这一复杂物理问题，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。 日本学者吉田正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。其原理是将型材假设为边界受约束板单元的集合体，通过 采用能量法对各板单元的塑性失稳分析获得压缩区的起皱临界应力和皱曲波长以及拉 伸区的应变。 为了明确该误差是由于小应变假设还是板壳理论所引起，r a l f p e e k 基于有限应变理 论对圆管纯弯曲过程中的起皱进行分析 ( 3 ) 对横截面扁化、壁厚变化、中性层偏移和纵向伸长的分析： 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。 s t a c h o w i c z f 鉴于弯曲后管材外侧拉伸区的变形较内侧压缩区的大，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f i 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。 j e m i l l e r 等人基于假设模具由平面变为曲面的弯曲变形理论所建立的铝材矩形管 拉弯的模型，研究了加载路径和拉、压力对横截面变形和净伸长的影响。 由于影响管材弯曲的因素多而复杂，因素之问还存在耦合关系，再加之产品品种繁多， 因此理论解析十分困难，长期依靠设计者的经验和反复试制。对管材弯曲的计算机辅助设 计尚处于初级阶段，大多仅仅是经验公式计算机化的工作，可靠性低。而将有限元法这种 解决工程技术问题的可靠工具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、设计结果，大大降低模具设计成本和风险。因此，采用有限元法模拟管材弯曲 成形过程，并与计算机辅助工艺设计相结合构筑基于理论、经验和数值模拟的稳健计算机 第一章绪论 辅助专家系统是管材弯曲研究发展的趋势。在未来一段时间内通过数控控制方法实现管 材的弯曲、内高压成形以及挤压弯曲等方法的研究将是热点。 1 3 选题依据及研究内容 1 3 1 选题依据 进入二十一世纪，随着交通工具轻量化的推进和航空航天技术的迅猛发展，弯曲管 材以其高比强度和高比刚度而应用广泛，铝压管材保险杠等安全零件和铝合金框架车身 与传统钢材车身相比可减重4 0 , - - 5 0 ，大型飞机的发展也对大口径铝合金薄璧弯管提出 了迫切需求。 到目前为止，挤压方法加工的铝合金管材都是直线型的，不能直接挤压得到弯曲形 状管材，而实际应用中，弯曲管材均必须经过后续的弯曲加工。但是，管材弯曲加工历 来是材料成形中的一个难点，存在许多缺陷，如外侧壁的减薄、破裂，内侧壁的增厚、起 皱和横截面畸变等缺陷，这些缺陷限制了管材弯曲件的应用。国内外学者进行了大量实 验研究，以求减缓各种缺陷的影响，但都无法从根本上消除缺陷产生的原因。分析弯曲 缺陷存在的原因：由直型材弯曲，并保持原有的截面形状，必须以弯曲中性层为界，两 侧材料进行重新分配，而弯曲工艺不可能实现此材料重新分配的任务。 我们课题组在长期进行的金属挤压研究过程中发现：在挤压直型材过程中，由于模 具或坯料几何形状和尺寸的不对称，或材料性能等因素会造成型材挤压出口流速不均 匀，导致挤压件出现弯曲现象。传统关注点是，如何在直管挤压成形过程中消除管材偏 心缺陷，控制直型材不产生弯曲。 根据这一现象，我们进行反向思维：如果采取主动措施，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，或者改变原有整体凸模结构为分块凸模，分别 控制其下压速度，形成材料非平衡流动，在模具出口处形成速度梯度，控制材料成形截 面流量差异，得到弯曲的挤压管材。依据塑性加工理论，通过挤压弯曲复合成形工艺实 现一次性成形管材弯曲件。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 偏心挤压的研究内容及研究目标 采用偏心结构设计，通过偏心挤压实现弯曲管件成形，毛坯为单一整体，在挤压力 作用下，由于偏心结构的设计使得金属流动出现不平衡从而挤出管材弯曲件，模具结构 图如图1 8 所利1 3 j ： 第一章绪论 图1 8 偏心挤压数值模型 f i g 1 8n u m e r i c a lm o d e lo fe c c e n t r i ce x t r u s i o nd i e 以5 0 5 2 铝合金为试验材料，通过有限元的计算机数值模拟偏心挤压成形过程，设 计制作试验装置，进行挤压试验验证，研究偏心挤压成形复杂三维管件挤压成形机理， 主要研究内容如下： 通过有限元数值模拟分析研究挤压弯曲成形过程中的流动规律、速度场分布情 况、应力应变分布情况、载荷变化情况； 优化模型，确定成形工艺参数； 模具结构设计； 通过试验验证模拟过程分析制件的壁厚变化以及曲率半径变化等关键因素，并 加以改进。 研究目标： 探讨金属成形过程中偏心挤压流动规律、速度场分布情况规律； 摸清偏心挤压成形弯曲管件的成形机理 探讨基于偏心挤压成形弯曲管材精密挤压成形新方法； 设计制作试验装置，实现一次性挤压完成三维弯曲管件样件的制作。 ( 2 ) 差速挤压的研究内容及研究目标 采用了分块凸模( m u l t i r a l t le x t r u s i o n ，m r e ) 进行挤压成形弯曲管件，毛坯为单一 整体，挤压的凸模分块且差速下压，如图1 9 所示： 1 左侧凸模a 2 芯棒3 右侧凸模b4 坯料5 凹模6 弯曲管件 图1 9 单毛坯、分块多凸模挤压成形弯曲管件 f i g 1 9c r o s s s e c t i o no ft h ed i e 第一章绪论 以5 0 5 2 铝合金为试验材料，通过有限元的计算机数值模拟成形过程，研究基于分 块凸模速度场控制的复杂三维管件挤压成形机理【1 4 1 ，主要研究内容如下： 通过成形过程的数值模拟，分析得出材料流动模式、应力分布情况、挤压制品的弯曲 变形情况、挤压过程载荷变化情况等 分块凸模速度场下材料成形机理，研究在特定条件下材料成形流动规律：材料流动 的不均匀性，材料流动的协调机理，不均匀变形对材料成型的组织、结构和性能的影响， 不均匀变形对材料流动成形极限的影响，构建分块凸模速度场下材料成形流动模型。 速度输入端与弯曲变形输出端相互响应规律。通过有限元模拟，定量分析双凸模速 度差与管材弯曲的曲率半径问的关系，建立成形制件弯曲形状控制数学模型，根据制件 形状，反推双凸模差速运动模式。 坯料形状、模具结构因素对成形过程的影响。分析不同的速度场分布条件下，坯料 形状、模具结构对管材断面、壁厚精度质量等方面的影响规律，确定适合的坯料形状、 模具结构。 研究目标包括以下几方面内容： 确定管材弯曲成形的新工艺 防止产生缺陷或利用缺陷 总结出差速挤压方法的成形规律 通过调整两侧凸模的速度差，得出了双速度场的速度协调模式和材料流动模式 总结出速度差控制与弯曲变形关系 1 4 本论文研究意义 管材弯曲成形是管材塑性加工的重要组成部分。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，在金属结构件中的应用 也十分广泛。因此管材弯曲成形研究是其中备受关注并得到迅速发展的重要领域之一。 我们所研究的两种管材弯曲成形方法的意义在于： 一是通过该成形方法改进弯曲成形管材质量，避免传统的弯曲成形过程所带来的缺 陷如管壁的过薄或者过厚，截面的扭曲，表面的起皱和折叠等，生产出更加满足市场要 求的产品，为以后产业化生产打下良好的基础。 二是通过有限元数值模拟及实际试验过程来研究分析在此成形过程中的复杂流场 中材料的流动规律、变形规律以及变形过程载荷分析等。 三是通过本研究探讨管材弯曲成形的新工艺。 第二章有限元数值模拟技术 2 1 引言 第二章有限元数值模拟技术 在塑性成形加工中，材料的塑性变形规律、模具与工件之间的摩擦现象、材料中的 温度以及微观组织的变化等等，这些都是复杂的问题。而塑性成形加工工艺和模具设计 过程缺乏系统的理论分析手段，主要依靠工程师长期积累的经验。由于这些原因，一些 关键性的参数要在模具制造出来之后，需要通过反复调试修改才能确定，浪费了大量的 人力、物力和时间。而借助于数值模拟方法，则能使人们获得对于塑性成形过程规律的 认识，以较小的代价、在较短的时间内找到最优或者可行的方案。 管材弯曲成形工艺同其他成形工艺方法一样，在开发出一个新产品之前，都需要经 过不断的调试修改过程，不断调试修改设计参数和加工参数，例如管材几何尺寸( 长度、 直径及厚度) 、弯曲半径、模具以及润滑条件等，从而得到适合的几何参数和加工工艺 参数。而传统的调试修改过程主要是依靠设计者和操作者的经验以及从其他已有成形方 法中得到的启示来进行的，不仅耗时耗力，而且不容易得到令人满意的结果。伴随着制 造业的不断发展，各种产品其形状和性能日益复杂，经验和已有设计准则不能完全满足 生产的需要，并且相关的资料库仍然相当缺乏。近年来在计算机技术和数值分析方法支 持下发展起来的有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 方法则为解决这些复杂的 工程分析计算问题提供了有效的途径。 通过有限元数值模拟分析可以降低生产成本，缩短循环周期，增加产品生产的可靠 性，在产品制造前预先发现潜在的问题，模拟各种试验方案，减少试验时间和经费。管 材弯曲成形方面，通过有限元法分析成形管件的厚度、应力应变分布等情况，从而得到 合适的工艺参数，提供可行的设计和加工方案。因此，基于有限元分析理论的数值模拟 技术已成为许多设计和制造企业通用的技术之一，成为其新品开发过程中非常重要的一 个环节。 2 2 金属塑性成形理论基