薄壁管材小彎曲半徑彎曲成型質(zhì)量研究

劉鴻智

【摘 要】隨著我國(guó)工業(yè)的高速發(fā)展，管材制造行業(yè)也得到快速發(fā)展，在生產(chǎn)管材時(shí)，彎曲管材零件具有很大的優(yōu)越性，如質(zhì)量小、剛度強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等，所以在現(xiàn)代化的工業(yè)建設(shè)過(guò)程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而在進(jìn)行管材彎曲的過(guò)程中，很容易出現(xiàn)管材斷裂或內(nèi)壁增厚等問(wèn)題，影響了施工效率，增加了施工成本。不銹鋼材料具有耐腐蝕、耐沖擊等優(yōu)良的特性，因此可以將不銹鋼材料用于薄壁管材的制作過(guò)程。文章以當(dāng)前我國(guó)管材制造的發(fā)展現(xiàn)狀為研究基礎(chǔ)，依據(jù)管材彎曲可塑性理論，并通過(guò)建模及采用科學(xué)的分析方法，對(duì)薄壁管材小彎曲成型質(zhì)量進(jìn)行了研究和分析。

【關(guān)鍵詞】薄壁管材;小彎曲成型;質(zhì)量

【中圖分類(lèi)號(hào)】TG306 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）06-0136-03

薄壁管材的彎曲過(guò)程是指，通過(guò)特定的加工模具對(duì)施工管材進(jìn)行加工處理，從而使之成為項(xiàng)目施工所需的零件的過(guò)程。經(jīng)過(guò)彎曲工序之后的薄壁管材在重量、機(jī)構(gòu)及剛度等方面都有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此在現(xiàn)代工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。例如，石油化工行業(yè)、鍋爐行業(yè)及船舶行業(yè)等。在對(duì)薄壁管材進(jìn)行彎曲處理的過(guò)程中，不同管材有著不同的成型方式，比如壓彎工藝、拉彎工藝及繞彎工藝等;以加工管材在加工成型過(guò)程中是否需要進(jìn)行加熱為依據(jù)，其施工方式可分為兩種：一種是熱彎，另一種是冷彎;根據(jù)管材應(yīng)用過(guò)程中是否用到芯棒，管材的成型過(guò)程包括有芯彎曲及無(wú)芯彎曲兩種。在管材彎曲的過(guò)程中，由于涉及因素較多，所以很容易出現(xiàn)截面畸形的問(wèn)題，嚴(yán)重影響管材彎曲的質(zhì)量及后期的加工效率。本文以不銹鋼類(lèi)管材為研究對(duì)象，對(duì)薄壁管材小彎曲成型質(zhì)量進(jìn)行了探究，旨在為我國(guó)管材制造提供可靠的理論依據(jù)。

1 薄壁管材冷彎仿真中的芯棒建模研究

1.1 彎管成型工作原理

管材的繞彎成型是指，把整個(gè)所需加工的管材纏繞在提前選好的加工彎曲模上，通過(guò)相應(yīng)的施工手法對(duì)管材進(jìn)行加工處理，并通過(guò)各個(gè)模具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以拉壓成型的施工方式制作出成型管材的過(guò)程。其中，主要的成型模具有彎曲模具、夾緊模具、加壓模具、芯棒及防皺塊等。彎曲模具轉(zhuǎn)動(dòng)的基礎(chǔ)是數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)過(guò)程。而在設(shè)計(jì)夾緊模具、加壓模具、芯棒及防皺塊位置時(shí)，則需要充分考慮管坯的位置，在這個(gè)過(guò)程中加壓模具及芯棒的作用是為整個(gè)管件提供必要的剛性支撐，盡可能地降低薄壁管材在彎曲加工的過(guò)程中因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)而造成的質(zhì)量缺陷的可能性。通過(guò)對(duì)夾緊模施加壓力，將管坯末端與彎曲模上的金屬鑲塊緊密連接，起到對(duì)薄壁管件及彎曲模進(jìn)行加固的目的。壓模工序，一方面是為了向薄壁管材施加一定的壓力，從而幫助薄壁管材更好、更快地進(jìn)入彎曲模;另一方面通過(guò)對(duì)薄壁管材進(jìn)行水平方向的固定，可以使薄壁管材發(fā)生形變的部位同彎曲模緊密地銜接在一起，從而確保彎曲模在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中能夠帶動(dòng)薄壁管材一同旋轉(zhuǎn)，從而正確引導(dǎo)管材沿著模具上的規(guī)定軌道發(fā)生變形，得到所需的管材形狀。

1.2 管材成型的力學(xué)基礎(chǔ)

薄壁管材在實(shí)際加工的過(guò)程中，會(huì)隨著加工環(huán)節(jié)的進(jìn)行而發(fā)生一定的彈性形變、塑性形變及破裂，本文僅對(duì)彈性形變及塑性形變進(jìn)行探討。薄壁管材在外力M的作用下，管材外側(cè)材料將在切向作用力下被動(dòng)拉長(zhǎng)，而薄壁管材內(nèi)側(cè)的材料則會(huì)在切向作用力的作用下被動(dòng)縮短。在薄壁管材外側(cè)的應(yīng)力應(yīng)變的狀態(tài)下，這其中橫向應(yīng)力、切向應(yīng)力及徑向應(yīng)力分別記為σD、σθ和σr。在薄壁管材的外側(cè)處記σ=σθ、σ2=σD、σ3=σr，管材內(nèi)側(cè)處記σ1=σθ、σ2=σD、σ3=σr。不難發(fā)現(xiàn)，此時(shí)薄壁管材所受到的外力為（+σ1，+ε1），而管材的內(nèi)側(cè)則受到了壓縮作用為（-σ1，-ε1）。除此之外，管材在加工的過(guò)程中，各個(gè)縱向?qū)又g會(huì)發(fā)生擠壓，從而產(chǎn)生了鏡像壓縮應(yīng)力（-ε1），其中最大值出現(xiàn)在中性層上。在對(duì)薄壁管材進(jìn)行加工彎曲的過(guò)程中，在成型模具的影響下，導(dǎo)致薄壁管材只能在水平方向上發(fā)生形變，相應(yīng)地也產(chǎn)生了一定的橫向應(yīng)力（+σ2）。基于此，薄壁管材在彎曲的過(guò)程中可近似地認(rèn)為這種形變過(guò)程是發(fā)生于整個(gè)平面當(dāng)中的。所以，在外載荷力M的作用下，因受到（+σ1）的作用，所以薄壁管材的中性層的外側(cè)部分會(huì)變薄，而受到（-σ1）的作用，薄壁管材的管壁處則會(huì)出現(xiàn)一定程度的增厚。

1.3 芯棒結(jié)構(gòu)仿真策略研究

在薄壁管材的加工彎曲過(guò)程中，芯棒結(jié)構(gòu)起到了一定的支撐作用。根據(jù)各種的成型管材的具體要求，芯棒分類(lèi)有兩種，其一是硬性芯棒，其二則是軟性芯棒。如何合理、正確地對(duì)軟性芯棒進(jìn)行模擬是迫切需要解決的問(wèn)題。在進(jìn)行管材彎曲的過(guò)程中，芯軸不會(huì)與管件材料接觸，也不會(huì)產(chǎn)生相互作用，所以在薄壁管材的彎曲過(guò)程中，仿真模型不需考慮芯軸的受力問(wèn)題及變形問(wèn)題，只需考慮對(duì)芯頭提供合理的約束力，確保芯頭能夠正常工作。

2 不銹鋼管材小彎曲仿真模型的建立

管材成型參數(shù)見(jiàn)表1。

對(duì)于外徑大小為120 mm，彎曲半徑大小為144 mm（R/D=1.2）的薄壁小彎曲半徑管材，在管材進(jìn)行90°彎曲后，管材因受到外力的作用，相比中性層而言，在長(zhǎng)度上減少了 ，相應(yīng)的薄壁管材在發(fā)生嚴(yán)重堆積的情況下，也容易出現(xiàn)起皺問(wèn)題，其外側(cè)在外力的作用下，相比中性層在長(zhǎng)度上增長(zhǎng)了 ，也就更容易出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。

據(jù)研究可知，管材彎曲半徑為144 mm時(shí)，彎曲90°之后，視中性層為L(zhǎng)0且保持不變，則管材內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)度會(huì)從L0變?yōu)長(zhǎng)1，外側(cè)的長(zhǎng)度由L0變?yōu)長(zhǎng)2。

可得：

3 管材彎曲的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 芯頭連接件超彈體—鋼絲繩的轉(zhuǎn)換

在進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析的過(guò)程中，應(yīng)采用剛體材料制作芯頭模型，作為具有優(yōu)良柔韌性的超彈體Mooney-Rivlin材料模型，有著較強(qiáng)的剛度及足夠的抗拉伸性能，因此可以作為芯頭間的鏈接件的芯軸。在對(duì)薄壁管材進(jìn)行彎曲時(shí)，雖然超彈體連接件不會(huì)與管件發(fā)生相互作用，但是卻因與管件接觸而存在一定的受力關(guān)系，并可能會(huì)發(fā)生一定程度的形變運(yùn)動(dòng)，考慮到客觀原因，其能夠很好地反映出芯球連接件鋼絲繩材料特性的實(shí)際情況。由仿真結(jié)果可知超彈體材料的相應(yīng)特性，從而可更準(zhǔn)確地推斷出實(shí)際施工過(guò)程中所用連接件材料的相關(guān)特性。根據(jù)芯棒所用鋼絲繩的特殊要求，以及管材在彎曲時(shí)鋼絲繩的受力特點(diǎn)不難發(fā)現(xiàn)，這種鋼絲和普通的承受拉力載荷所用的鋼絲繩是不一樣的，芯棒所用的鋼絲繩要有一定的剛度，要能承受一定強(qiáng)度的彎曲，在承受彎曲載荷的時(shí)候可以保持相對(duì)穩(wěn)定，與此同時(shí)，芯棒用的鋼絲繩還要有足夠的柔韌性，避免在制造過(guò)程中對(duì)管件造成損傷?？蛇x擇的鋼絲繩的種類(lèi)有很多，在選擇鋼絲繩的時(shí)候，應(yīng)依據(jù)鋼絲繩的結(jié)構(gòu)及公稱(chēng)直徑這2個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行選擇。具體的方法如下：①以鋼絲繩的具體規(guī)格為依據(jù)，根據(jù)其直徑d、數(shù)目n，以及排列方式等計(jì)算出所需鋼絲繩的彎曲剛度大小K1。②在對(duì)管壁進(jìn)行彎曲加工的過(guò)程中，先通過(guò)超彈體同模型間進(jìn)行連接，然后通過(guò)仿真計(jì)算，得出合理的超彈體材料的模型參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)，以及超彈體的機(jī)頭尺寸D0，得出超彈體的彎曲剛度K0。③設(shè)鋼絲繩的彎曲剛度K1等于超彈體的彎曲剛度K0，這樣就可以得出鋼絲繩的股數(shù)及公稱(chēng)直徑的大小D1。

3.2 管材所用芯軸參數(shù)的計(jì)算

3.2.1 超彈體彎曲剛度計(jì)算

在相應(yīng)的仿真分析過(guò)程中，可通過(guò)Mooney-Rivlin模型確切地描述超彈體的材料特性，如材料的密度ρ、材料的泊松比v、C10、C01，以及材料的一些表征。記超彈體材料的彈性模量E0與其HS與Mooney-Rivlin模型的參數(shù)關(guān)系如下：

可以得出2個(gè)參數(shù)C01與C10硬度HS的關(guān)系如下：

連接體超彈體的彎曲剛度如下：

通過(guò)對(duì)304 L不銹鋼薄壁管件彎曲仿真的分析可知，超彈體材料模型設(shè)置參數(shù)如下。密度：ρ=1.2c-6 kg/mm3;泊松比：v=0.495、C10=40、C01=10;將C01、C10帶入公式，可知超彈體的彈性模量如下：

超彈體的結(jié)構(gòu)尺寸D0為40 mm，可得超彈體的彎曲剛度如下：

3.2.2 鋼絲繩彎曲剛度計(jì)算

在進(jìn)行鋼絲繩選擇的時(shí)候，應(yīng)充分考慮不同鋼絲繩的用途。在選擇芯軸處的鋼絲繩時(shí)，考慮到抗彎曲性及抗疲勞的高耐性，則應(yīng)選擇在這方面性能較好的鋼絲繩。與此同時(shí)，要選擇直徑較小的鋼絲繩，直徑小的鋼絲繩繞行比較好，更容易彎曲。記整個(gè)鋼絲的當(dāng)量彈性模量為E1，材料的泊松比為v1。根據(jù)鋼絲的直徑d、鋼絲的數(shù)目n及鋼絲的排列方式，計(jì)算出所需鋼絲繩的彎曲剛度大小K1。

設(shè)鋼絲繩的彎曲剛度等于超彈體的彎曲剛度：令K0=K1;且E1= ;得d=（4.23×103 ）4。

根據(jù)選定的σD及鋼絲繩破斷拉伸的試驗(yàn)方法，可以得出鋼絲繩的直徑d，得出鋼絲繩的公稱(chēng)直徑D1=46 mm。

3.3 仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

在安置好各個(gè)模具之后，應(yīng)該將所有的加工參數(shù)統(tǒng)一都調(diào)整到與仿真優(yōu)化結(jié)果一致的參數(shù)后，再進(jìn)行后續(xù)的加工工作。試驗(yàn)研究表明，管材在總體成型方面表現(xiàn)較好，并沒(méi)有出現(xiàn)上述質(zhì)量問(wèn)題，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)完成之后，應(yīng)立即把已經(jīng)成型的管材取出來(lái)，將其放在相應(yīng)的檢測(cè)儀器上，一個(gè)小時(shí)后可以測(cè)得成型管材的夾角為92.23°;經(jīng)過(guò)有限元仿真后，可計(jì)算所得出的管材夾角為91.89°。造成這種差異的原因是在實(shí)際的仿真過(guò)程中，僅對(duì)管材的回彈量進(jìn)行了計(jì)算，忽略了因塑性收縮所引起的體積的改變。但是，這兩種誤差也還在允許的范圍之內(nèi)，這也就進(jìn)一步證實(shí)了仿真結(jié)果的科學(xué)性與可靠性。通過(guò)紅外線(xiàn)測(cè)厚儀對(duì)成型的管材的厚度進(jìn)行測(cè)量，并將數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在減薄率、增厚率和截面畸變率3個(gè)方面的差異做圖進(jìn)行對(duì)比。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)研究成果及相應(yīng)的理論依據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，采用數(shù)值仿真及相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等試驗(yàn)方法，對(duì)薄壁管材的小彎曲成型質(zhì)量進(jìn)行探究，并得出了一系列結(jié)論。{1}結(jié)合芯棒結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理，對(duì)同一芯棒進(jìn)行了仿真，提出了相關(guān)的建模仿真策略。{2}采用適當(dāng)?shù)幕竟?，采用?dāng)量法縮短了計(jì)算時(shí)間，有效地提升了仿真計(jì)算的效率。{3}針對(duì)薄壁管材小彎曲制造過(guò)程中易出現(xiàn)截面畸形的問(wèn)題，采用可變拋物線(xiàn)式芯頭模型建立芯棒結(jié)構(gòu)，為管材內(nèi)壁提供了更好的支撐。{4}根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了加工彎曲的模具，設(shè)置了合理的施工參數(shù)，并正確翻譯了仿真模型中所涉及的相關(guān)材料，順利進(jìn)行了彎曲實(shí)驗(yàn)，并證實(shí)有限元仿真方法對(duì)薄壁管材小彎曲成型質(zhì)量研究的可靠性。

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]